多层铜布线钴阻挡层表面粗糙度的控制方法与流程

本发明属于化学机械抛光领域，尤其涉及一种多层铜布线钴阻挡层表面粗糙度的控制方法。

背景技术：

近十年来，Giga large scale integration(GLSI)极大规模集成的特征尺寸经历了从0.18μm到20nm的发展历程，这标志着集成电路己经进入到纳米级时代。目前，美国Inter公司集成电路制造工艺已达到14nm技术节点，集成度达到DRAM64G或90兆个晶体管/cm²。半导体工业随摩尔定律的飞速发展使其对晶圆表面的化学机械平坦化(CMP)工艺提出越来越严格的要求，主要是由于器件加工尺寸的进一步微细化对多层铜布线表面精度要求的进一步提高和新型阻挡层材料的不断引入。特别是进入14nm及以下技术节点后，铜互连层数达13层以上，对保护铜布线的阻挡层也要求不仅有好的阻挡效果，更要求有更小的厚度。钴因其高化学稳定性、高硬度等特点成为新型阻挡层材料具有良好的发展前景

在GLSI多层布线CMP中表面粗糙度是极大规模集成电路制造中的一项重要参数，用来表征CMP前后表面质量的好坏，抛光后的表面粗糙度过高，会造成噪声增加、电特性一致性差、会影响器件频率特性如增加RC延迟时间等，从而影响集成度、可靠性、优品率及降低成本表面粗糙度越低说明抛光后的表面质量越高，也说明使用的抛光液和工艺条件是最优选择。所以极大规模集成电路制造行业中控制表面粗糙度一直是CMP的技术难题。

专利CN102516875B与CN102304327A均提供了一种基于金属Co的抛光工艺的抛光液，该抛光液均为酸性(pH值范围3-5)，分别包含氧化剂，研磨颗粒，螯合剂，噻唑衍生物抑制剂，以及余量的水。但是实验发现，在含有氧化剂的酸性抛光液中，阻挡层材料钴易于溶解，造成沟槽中铜的脱附，并使得钴的表面粗糙度很大。所以开发一种钴表面粗糙度的控制方法十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，为解决现有铜布线化学机械抛光过程中存在的控制钴阻挡层表面粗糙度多采用酸性抛光液且包含氧化剂的问题，而提供一种多层铜布线钴阻挡层表面粗糙度的控制方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种多层铜布线钴阻挡层表面粗糙度的控制方法，包括下述步骤：

1)配制用于降低GLSI多层铜布线钴阻挡层表面粗糙度的抛光液:

a.将螯合剂用去离子水稀释10-100倍；

b.将非离子表面活性剂倾至步骤a)形成的溶液中，此过程中不断的进行搅拌；

c.将粒径为20-50nm的Si0₂配置成质量分数为0.1-20％的磨料水溶胶；

d.将步骤b)得到的溶液倾入步骤c)得到的溶液中，此过程中不断的进行搅拌，待完全混合后加入去离子水进行定容；

2)在流量100-500ml/min,温度15-30℃、抛头转速为57-150rpm、抛盘转速为63-150rpm，抛光压力为6.89-27.56kpa的工艺条件下进行抛光1-5min；

其中，所述的螯合剂用量占抛光液总质量的0.1％-1％；非离子型表面活性剂的用量为抛光液总质量的1-5％；所述的Si0₂的用量为抛光液总质量的0.05％-10％；所述的抛光液最终的pH值为8-12；

所述的非离子型表面活性剂为O_II-7((C₁₀H₂₁-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇-H)、O_II-10((C₁₀H₂₁-C6H4-O-CH2CH2O)₁₀-H)、0-20(C₁₂-18H_25-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇0-H)、JFC、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酞胺的一种或者几种混合。

所述的螯合剂为三乙醇胺，二乙胺，四羟乙基乙二胺，β-羟乙基乙二胺、乙二胺四乙酸-四-四羟乙基乙二胺的一种或者几种混合。

优选的，螯合剂用去离子水稀释倍数为20倍，螯合剂为四羟乙基乙二胺，螯合剂用量占抛光液总质量的0.5％，非离子表面活性剂为O_II-10((C₁₀H₂₁-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₁₀-H)，非离子型表面活性剂用量为抛光液总质量的2％，所述的Si0₂平均粒径为20-50nm，磨料水溶胶的质量分数为2％，Si0₂用量占抛光液总质量的1％，所述的抛光液的最终pH值为9-10；

所述的步骤2)中抛光工艺条件为：

工作压力：6.89kpa；抛光头/抛光盘转速：57/63rpm；流量:300mL/min，抛光时间为1min，温度25℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

所述的非离子型表面活性剂具有较强的渗透能力，它可以渗入晶片表面与吸附物之间，并不断扩展，并将吸附物托起，有利于抛光液将反应物与生成物输运出去；非离子型表面活性剂分子利用润湿作用快速在片子表面铺展开，形成一层均匀致密的保护层，有利于抛光后清洗；抛光液中非离子型表面活性剂可以加快抛光产物的质量传递，使得晶片的阻挡层表面凸凹处的去除速率不同，有利于减小凹凸处高低差，降低表面粗糙度，实现了抛光表面平坦化。

同时，所述磨料为粒径20-50nm的水溶性硅溶胶。纳米级SiO₂溶胶作为抛光液磨料，其粒径小、浓度高、硬度小，对铜和担损伤度小，分散度好，能够达到高速率、高平整、低损伤抛光，污染小，解决了磨料硬度大易划伤、易沉淀等诸多弊端。

所述的螯合剂是三乙醇胺，二乙胺，四羟乙基乙二胺，β-羟乙基乙二胺、乙二胺四乙酸-四-四羟乙基乙二胺的一种或者几种。螯合剂作为抛光液pH调节剂，可起到缓冲剂的作用，同时还可以作为络合剂与金属离子络合成可溶于水的大分子产物,使反应产物在小的机械作用下即可脱离加工表面。

总之，本发明选用了适当的抛光液配置过程，该过程在配置过程中不会产生凝胶的现象，方便溶液的配置以及后续抛光过程的进行。该抛光液不含有氧化剂，克服了抛光液的稳定性问题，同时，抛光液为碱性，克服了阻挡层材料钴易于溶解，造成沟槽中铜的脱附，并使得钴的表面粗糙度很大的问题。

附图说明

图1是非离子型表面活性剂加快抛光产物质量传递示意图；

图2是非离子型表面活性剂对表面粗糙度的影响示意图；

图3是不同浓度非离子型表面活性剂对钴阻挡层表面粗糙度的影响示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

工作原理：如图1所示，为了降低的表面粗糙度，本发明在抛光液中引入了非离子型表面活性剂(即图中的活性物)，这是由于非离子型表面活性剂具有较强的渗透能力，其可以渗入抛光表面与吸附物之间，并不断扩展，有利于抛光液将抛光携带的反应产物产物输运出去。非离子型表面活性剂可以加快凸处的反应物的质量传递，而凹处由于滞流层厚，降低了质量传递。正是由于非离子型活性剂的存在，使得钴阻挡层片表面凸凹处的去除速率不同，如图2所示，在凸处1，2，3去除速率快，在凹处4，5，6，7去除速率慢。有利于减小了凹凸处高低差，降低表面粗糙度。

另外，非离子型表面活性剂的亲水基团几乎占整个分子的2/3-4/5，向抛光液中加入非离子型表面活性剂，其利用润湿作用快速在片子表面铺展开，形成一层均匀致密的保护层，同时，非离子型表面活性剂分子吸附时，以非极性碳氢链与固体连接为主，而亲水性的基团则延伸到水中，形成了防止抛光产物吸附的空间屏障，有利于抛光后清洗。

实施例1：将1g螯合剂二乙胺放入100g去离子水中进行稀释，然后在该溶液中倒入10g的非离子型表面活性剂O_II-7((C₁₀H₂₁-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇-H)，在过程中不断搅拌，然后将这些混合溶液倒入500g的平均粒径为20-50nm的质量分数为20％Si0₂水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。待其完全混合后加入去离子水使其溶液质量达到1000g,此时该抛光液的pH值为8-9，在工作压力：30.47kpa；抛光头/抛光盘转速：150/150rpm；流量:300mL/min，温度为25℃的工艺之下抛光1min，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度,结果如图3中a1显示粗糙度RMS为9.8nm。

实施例2

将5g螯合剂三乙醇胺放入100g去离子水中，然后在该溶液中倒入20g的非离子型表面活性剂O_II-10((C₁₀H₂₁-C₆H₄-O-CH2CH2O)₁₀-H)，在过程中不断搅拌,然后将这些混合溶液倒入500g的20-50nm质量分数为2％的Si0₂水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入，待其完全混合后加入少量去离子水使其溶液质量达到1000g。此时该抛光液的pH值为9-10。然后在工作压力：6.89kpa；抛光头/抛光盘转速：57/63rpm；流量:500mL/min，的工艺之下将抛光2min，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度，图3中a2显示粗糙度RMS为3.57nm。

实施例3

将5g螯合剂-四羟乙基乙二胺放入100g去离子水中，然后在该溶液中倒入20g的非离子型表面活性剂0-20(C₁₂-18H₂₅-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇0-H)，在过程中不断搅拌,然后将这些混合溶液倒入500g的20-50nm质量分数为2％的Si0₂水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。待其完全混合后加入去离子水使其溶液质量达到1000g，此时该抛光液的pH值为9-10。然后在工作压力：6.89kpa；抛光头/抛光盘转速：57/63rpm；流量:300ml/min的工艺之下将图形片抛光1min，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度，图3中a3显示粗糙度RMS为0.41nm。

实施例4

将5g螯合剂-β-羟乙基乙二胺放入50g离子水中，然后在该溶液中倒入50g的非离子型表面活性剂烷基醇酞胺，在过程中不断搅拌，然后将这些混合溶液倒入500g的20-50nm质量分数为3％的Si0₂水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。待其完全混合后加入去离子水使其溶液质量达到1000g。此时该抛光液的pH值为9-10。然后在工作压力：27.56kpa；抛光头/抛光盘转速：100/100rpm；流量:100ml/min，的工艺之下将图形片抛光3min，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度，图3中a4显示粗糙度RMS为1.88nm。

实施例5

将5g螯合剂-乙二胺四乙酸-四-四羟乙基乙二胺放入100g去离子水中，然后在该溶液中倒入30g的非离子型表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚，在过程中不断搅拌，然后将这些混合溶液倒入500g的20-50nm质量分数为2％的Si0₂水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。待其完全混合后加入去离子水使其溶液质量达到1000g。此时该抛光液的pH值为9-10。然后在工作压力：6.89kpa；抛光头/抛光盘转速：57/63rpm；流量:300ml/min，的工艺之下将图形片抛光1min，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度，图3中a5显示粗糙度RMS为3.52nm。

实施例6

将10g螯合剂羟乙基乙二胺放入100g去离子水中，然后在该溶液中倒入50g的非离子型表面活性剂聚氧乙烯烷基胺，在过程中不断搅拌，然后将这些混合溶液倒入500g的20-50nm质量分数为0.1％的Si0₂水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入，待其完全混合后加入去离子水使其溶液质量达到1000g。此时该抛光液的pH值为11-12。然后在工作压力：6.89kpa；抛光头/抛光盘转速：57/63rpm；流量:300ml/min，的工艺之下将图形片抛光5min，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度，图3中a6显示粗糙度RMS为3.79nm；

从图3中观察表面粗糙度，可以看出不同浓度非离子型表面活性剂对钴阻挡层表面粗糙度的影响，非离子型表面活性剂的加入使抛光前后钴阻挡层的表面粗糙度有了明显的改善。同时，从a3中可以明显看出，当抛光液中非离子型表面活性剂0-20(C₁₂-₁₈H₂₅-37-C₆H₄-O-CH₂CH₂O)₇0-H)浓度为20mL/L时，抛光后表面平整度好，基本没有划伤，钴阻挡层表面粗糙度达到最小。这主要是因为非离子型表面活性剂可以加快反应产物与反应剂的质量传递，同时由于活性剂能使抛光面表面张力显著下降，达到润湿表面并提高均一性，使表面划痕缺陷降低，可以证明应用非离子型表面活性剂，确实提高了表面粗糙度，可以达到有效控制提高改善阻挡层表面粗糙度的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。