一种在GLSI制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法与流程

一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法
技术领域
1.本发明涉及化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法。


背景技术：

2.随着集成电路集成度发展到glsi(great-large-scale-integratedcircuit)，芯片所占面积持续缩小，特征尺寸不断减小；为了减少互连延迟、减小线路长度，先进技术节点集成电路采用多层金属互连结构；且晶圆片表面的平坦化要求越来越严格。化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing，cmp)可以同时实现局部及全局平坦化，在集成电路制造过程中起着至关重要的作用。
3.在化学机械抛光中，还存在蝶形坑和蚀坑两个难题，蝶形坑是凹槽处铜线条的中心和两边介质的高度差，蚀坑是细线条凹陷处介质的中心和两边介质的高度差。蝶形坑会导致布线槽内铜线条的损失，加大电阻和电迁移现象，降低期间的可靠性和有效性，还会影响表面平坦化；而蚀坑会导致介质损失，降低信号传输速率，影响器件性能。
4.在先进集成电路制程中，不同产品、不同互连层的铜和介质厚度不同，故在cmp过程中需要不同的铜与介质速率来实现晶圆表面的高平坦化。通常是通过使用不同配方的抛光液进行抛光来实现。显然，随着集成电路产品设计的多种多样，通过配方来调整铜与介质速率愈发困难，精度难以保证，极难符合不同产品的电参数的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，此方法具有能够通过调整铜阻挡层cmp铜和介质速率选择比来使得晶圆表面的高平坦化的优点。
6.本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
7.本技术实施例提供一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，包括如下步骤：将抛光液加入抛光机中，在抛光头转速为55-115r/min、抛光盘转速为66-125r/min条件下对晶圆进行抛光。
8.相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
9.本发明在该条件下进行抛光，可以控制晶圆表层各种材料去除速率，有效对晶圆表面平坦化处理，使得晶圆表层抛光效果良好，提高产品的成品率和质量。根据该cmp过程中铜和介质去除机理不同，介质主要通过磨料的机械作用去除；铜是氧化、螯合的化学作用与磨料的机械作用去除，较慢的一环决定去除速率。在目前商用抛光液cmp过程中，介质去除速率根据公认的泊松方程：
10.mrr＝k*p*v
11.其中，mrr是材料去除速率，单位为米/分钟；p是压力，单位为牛/立方米；v是抛光垫和硅片的相对转速，单位是米/分钟；kp是泊松系数，单位是立方米/牛。
12.可以看出与转速呈现线性关系。而同时，对于铜，通常螯合剂和氧化剂(如双氧水)都过量，cmp速率也主要由机械作用决定，与铜去除公式主要为k不同；但都是随着转速的提高线性增长，因而铜和介质速率选择比保持不变。而在本专利的抛光液中，由于不含有氧化剂，化学作用特别是氧化作用为较慢的一环，其决定cmp速率。转速的提高增加了摩擦生热，也就是抛光垫cmp处的温度，根据arrhenius方程：
[0013][0014]
a和r分别是固定系数和气体常数，u和t分别代表活化能和温度。物质发生化学反应需要向环境中吸收能量，使原来的化学键断裂。因此随着温度升高降低，铜cmp速率升高。而去除速率并不遵循泊松方程线性增长。因此，在这种抛光液cmp过程中随着转速的变化，铜和介质的速率变化趋势不同，从而实现了通过改变抛光液的不同转速，得到不同铜与介质速率，以及铜和介质的选择比。
附图说明
[0015]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0016]
图1为本发明实验例1的晶圆片抛光后测试结果；
[0017]
图2为本发明实验例1的铜和介质的转速的测试结果；
[0018]
图3为本发明实验例2的其他产品的晶圆片抛光后测试结果。
具体实施方式
[0019]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0020]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本发明。
[0021]
本发明提供一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，包括如下步骤：
[0022]
将抛光液加入抛光机中，在抛光头转速为55-115r/min、抛光盘转速为66-125r/min条件下对晶圆进行抛光。在该条件下进行抛光，可以控制晶圆表层各种材料去除速率，有效对晶圆表面平坦化处理，使得晶圆表层抛光效果良好，提高产品的成品率和质量。根据该cmp过程中铜和介质去除机理不同，介质主要通过磨料的机械作用去除；铜是氧化、螯合的化学作用与磨料的机械作用去除，较慢的一环决定去除速率。在目前商用抛光液cmp过程中，介质去除速率根据公认的泊松方程：
[0023]
mrr＝k*p*v
[0024]
其中，mrr是材料去除速率，单位为米/分钟；p是压力，单位为牛/立方米；v是抛光
垫和硅片的相对转速，单位是米/分钟；kp是泊松系数，单位是立方米/牛。
[0025]
可以看出与转速呈现线性关系。而同时，对于铜，通常螯合剂和氧化剂(如双氧水)都过量，cmp速率也主要由机械作用决定，与铜去除公式主要为k不同；但都是随着转速的提高线性增长，因而铜和介质速率选择比保持不变。而在本专利的抛光液中，由于不含有氧化剂，化学作用特别是氧化作用为较慢的一环，其决定cmp速率。转速的提高增加了摩擦生热，也就是抛光垫cmp处的温度，根据arrhenius方程：
[0026][0027]
a和r分别是固定系数和气体常数，u和t分别代表活化能和温度。物质发生化学反应需要向环境中吸收能量，使原来的化学键断裂。因此随着温度升高降低，铜cmp速率升高。而去除速率并不遵循泊松方程线性增长。因此，在这种抛光液cmp过程中随着转速的变化，铜和介质的速率变化趋势不同，从而实现了通过改变抛光液的不同转速，得到不同铜与介质速率，以及铜和介质的选择比。
[0028]
在本发明的一些实施例中，上述抛光的工作压力为1.5-5psi、抛光液流量为200-300ml/min。
[0029]
在本发明的一些实施例中，上述抛光液流量为250ml/min。由于抛光液在晶圆表面流动时，由于不同位置的惯性不同，而抛光液的粘附力保持不变，在抛光过程中，可能存在抛光液滞留在晶圆表面的情况，而这会导致表面抛光效果不同，使得其表面平坦度差，通过控制抛光液流量为250ml/min，能够使得抛光液不易滞留在表面，从而使得抛光效果好，使得表面平坦度高。
[0030]
在本发明的一些实施例中，上述晶圆表面从圆心到边缘等比例划分为z1-z5区域，z1区域的工作压力为1.4-1.8psi，z2区域的工作压力为1.7-2.1psi，z3区域的工作压力为1.6-2.0psi，z4区域的工作压力为1.8-2.2psi，z5区域的工作压力为4.5-5psi。
[0031]
在本发明的一些实施例中，上述抛光液按质量百分比计，包括如下原料：硅溶胶4.5-10％、络合剂03-15％、杀菌剂1-6％、表面活性剂0.001-2％、去离子水余量。硅溶胶能够对晶圆表面进行摩擦抛光；络合剂能够与表面的重金属离子反应并在抛光过程中将其带离晶圆表面；杀菌剂能够杀灭细菌微生物，保持良好的抛光环境；表面活性剂能够使得抛光效果稳定均衡，还可以降低抛光液的表面张力，加快质量传递速率，提高晶圆表面平整度。
[0032]
在本发明的一些实施例中，上述硅溶胶的粒径为40nm—200nm。抛光液中超过0.5微米大颗粒数量与划伤缺陷数线性相关，选用该粒径下的硅溶胶，有助于减少大颗粒的数量，进而减少晶圆划伤缺陷。
[0033]
在本发明的一些实施例中，上述络合剂为fa/o1型螯合剂、fa/o2型螯合剂、fa/o3型螯合剂、fa/o4型螯合剂和fa/o5型螯合剂一种或多种。选择上述几种络合剂，能够使得制备的抛光液性质稳定，与附着于晶圆表面的重金属离子反应效果好，能够与重金属离子形成稳定的螯合物，加快抛光速度，从而在抛光过程中，将重金属离子从晶圆表面带走，使得晶圆更为平坦。
[0034]
在本发明的一些实施例中，上述杀菌剂为甲基异噻唑啉酮、卡松、山梨酸钾、苯甲酸、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮和1-2苯并异噻唑啉-3-酮一种或多种。
[0035]
在本发明的一些实施例中，上述表面活性剂为fa/o表面活性剂、十二烷基二甲基
氧化胺、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和异构脂肪醇聚氧乙烯醚的一种或多种。选用上述表面活性剂能够提高抛光液的分散性，使得抛光效果稳定均衡，还可以降低抛光液的表面张力，加快质量传递速率，提高晶圆表面平整度，此外，还优先吸附于晶圆表面，能够减少对其余物质的吸附，减少晶圆表面划伤的可能，提高抛光效果。
[0036]
在本发明的一些实施例中，上述抛光液的ph值为7.4-11.5。
[0037]
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
[0038]
实施例1
[0039]
抛光液制备：
[0040]
按质量百分比计，将4.5％硅溶胶、1.5％fa/o1型螯合剂、1.5％fa/o2型螯合剂、1％甲基异噻唑啉酮、0.001％异构脂肪醇聚氧乙烯醚和余量去离子水混合，混合均匀后，调整ph值到7.4，得到抛光液成品。
[0041]
一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，包括如下步骤：
[0042]
将抛光液加入华海清科产的universal-300plus型抛光机中，将尺寸为300mm的晶圆片从圆心到边缘等比例划分为z1-z5区域；
[0043]
在z1-z5区域的工作压力分别为1.4psi、1.7psi、1.6psi、1.8psi和4.5psi，z1-z5区域的抛光头转速均为55r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为66r/min，z1-z5区域的抛光液流量均为200ml/min的条件下进行抛光。
[0044]
实施例2
[0045]
抛光液制备：
[0046]
按质量百分比计，将5.5％硅溶胶、6％fa/o2型螯合剂、2％卡松、0.1％十二烷基二甲基氧化胺、0.1％异构脂肪醇聚氧乙烯醚和余量去离子水混合，混合均匀后，调整ph值到8.5，得到抛光液成品。
[0047]
一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，包括如下步骤：
[0048]
将抛光液加入华海清科产的universal-300plus型抛光机中，将尺寸为300mm的晶圆片从圆心到边缘等比例划分为z1-z5区域；
[0049]
在z1-z5区域的工作压力分别为1.5psi、1.8psi、1.7psi、1.9psi和4.6psi，z1-z5区域的抛光头转速均为67r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为73r/min，z1-z5区域的抛光液流量均为230ml/min的条件下进行抛光。
[0050]
实施例3
[0051]
抛光液制备：
[0052]
按质量百分比计，将6.5％硅溶胶、4％fa/o3型螯合剂、5％fa/o2型螯合剂、3％山梨酸钾、0.2％十二烷基硫酸钠、0.3％异构脂肪醇聚氧乙烯醚和余量去离子水混合，混合均匀后，调整ph值到9.5，得到抛光液成品。
[0053]
一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，包括如下步骤：
[0054]
将抛光液加入华海清科产的universal-300plus型抛光机中，将尺寸为300mm的晶圆片从圆心到边缘等比例划分为z1-z5区域；
[0055]
在z1-z5区域的工作压力分别为1.63psi、1.92psi、1.82psi、2.01psi和4.76psi，z1-z5区域的抛光头转速均为77r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为83r/min，z1-z5区域的
抛光液流量为250ml/min的条件下进行抛光。
[0056]
实施例4
[0057]
抛光液制备：
[0058]
按质量百分比计，将7.5％硅溶胶、6％fa/o4型螯合剂、6％fa/o2型螯合剂、4％苯甲酸、0.4％十二烷基苯磺酸、0.4％异构脂肪醇聚氧乙烯醚和余量去离子水混合，混合均匀后，调整ph值到10.5，得到抛光液成品。
[0059]
一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，包括如下步骤：
[0060]
将抛光液加入华海清科产的universal-300plus型抛光机中，将尺寸为300mm的晶圆片从圆心到边缘等比例划分为z1-z5区域；
[0061]
在z1-z5区域的工作压力分别为1.7psi、2psi、1.9psi、2.1psi和4.8psi，z1-z5区域的抛光头转速均为87r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为93r/min，z1-z5区域的抛光液流量为250ml/min的条件下进行抛光。
[0062]
实施例5
[0063]
抛光液制备：
[0064]
按质量百分比计，将8.5％硅溶胶、10％fa/o5型螯合剂、5％fa/o2型螯合剂、5％5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮、0.6％十二烷基苯磺酸钠、0.6％异构脂肪醇聚氧乙烯醚和余量去离子水混合，混合均匀后，调整ph值到11.5，得到抛光液成品。
[0065]
一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，包括如下步骤：
[0066]
将抛光液加入华海清科产的universal-300plus型抛光机中，将尺寸为300mm的晶圆片从圆心到边缘等比例划分为z1-z5区域；
[0067]
在z1-z5区域的工作压力分别为1.8psi、2.1psi、2psi、2.2psi和4.9psi，z1-z5区域的抛光头转速均为97r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为103r/min，z1-z5区域的抛光液流量均为280ml/min的条件下进行抛光。
[0068]
实施例6
[0069]
抛光液制备：
[0070]
按质量百分比计，将10％硅溶胶，15％fa/o1型螯合剂、fa/o/2型螯合剂、fa/o4型螯合剂和fa/o5型螯合剂的混合络合剂，6％甲基异噻唑啉酮、1-2苯并异噻唑啉-3-酮、苯甲酸和5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮的混合杀菌剂，2％fa/o表面活性剂、脂肪醇聚氧乙烯醚和异构脂肪醇聚氧乙烯醚的混合表面活性剂，余量去离子水混合，混合均匀后，调整ph值到11.5，得到抛光液成品。
[0071]
一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，包括如下步骤：
[0072]
将抛光液加入华海清科产的universal-300plus型抛光机中，将尺寸为300mm的晶圆片从圆心到边缘等比例划分为z1-z5区域；
[0073]
在z1-z5区域的工作压力分别为1.8psi、2.1psi、2psi、2.2psi和5psi，z1-z5区域的抛光头转速均为107r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为113r/min，z1-z5区域的抛光液流量均为300ml/min的条件下进行抛光。
[0074]
实施例7
[0075]
抛光液制备：
[0076]
按质量百分比计，将10％硅溶胶，15％fa/o1型螯合剂/fa/o3型螯合剂、fa/o4型螯
合剂和fa/o5型螯合剂的混合络合剂，6％甲基异噻唑啉酮、1-2苯并异噻唑啉-3-酮、苯甲酸和5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮的混合杀菌剂，2％fa/o表面活性剂、脂肪醇聚氧乙烯醚和异构脂肪醇聚氧乙烯醚的混合表面活性剂，余量去离子水混合，混合均匀后，调整ph值到11.5，得到抛光液成品。
[0077]
一种在glsi制备中用转速调整铜和介质速率选择比的方法，包括如下步骤：
[0078]
将抛光液加入华海清科产的universal-300plus型抛光机中，将尺寸为300mm的晶圆片从圆心到边缘等比例划分为z1-z5区域；
[0079]
在z1-z5区域的工作压力分别为1.8psi、2.1psi、2psi、2.2psi和5psi，z1-z5区域的抛光头转速均为115r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为125r/min，z1-z5区域的抛光液流量均为300ml/min的条件下进行抛光。
[0080]
对比例1
[0081]
本实施例与实施例4基本相同，区别在于：z1-z5区域的抛光头转速均为67r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为73r/min。
[0082]
对比例2
[0083]
本实施例与实施例4基本相同，区别在于：z1-z5区域的抛光头转速均为77r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为83r/min。
[0084]
对比例3
[0085]
本实施例与实施例4基本相同，区别在于：z1-z5区域的抛光头转速均为97r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为103r/min。
[0086]
对比例4
[0087]
本实施例与实施例4基本相同，区别在于：z1-z5区域的抛光头转速均为107r/min，z1-z5区域的抛光盘转速均为113r/min。
[0088]
实验例1
[0089]
抛光结束后，对实施例4和对比例1-4抛光完成的晶圆片进行清洗，分别测试介质和铜的去除速率，测试结果如图1所示，铜和介质的转速如表1和图2所示。
[0090]
表1
[0091][0092]
[0093]
结合表1和图2，可以看出，介质的变化是呈线性，而铜不是，铜和介质的速率变化趋势不同，从而实现了通过改变抛光液的不同转速，得到不同铜与介质速率，以及铜和介质的选择比。分析图1，通过调整铜和介质的选择比，进而能够达到更好的平坦化效果。
[0094]
综合比较，可以看出，在cmp条件下，当转速提高时，加快了研磨液在抛光垫上的流动，使得铜与研磨液的化学反应向右进行，加快了铜的去除。与此同时，当转速提高时，磨料对介质(ox)的机械去除作用也增大。因此cu和介质的去除速率均随着转速的增大而增大。但铜和介质随转速其速率提高的比例不同，通过实例数据表明介质和铜的速率选择比oxrr/curr随着转速的增大而增大。因此，通过提高转速而不通过调节配方即可提高cu和介质的速率及选择比，从而达到更好的平坦化效果。
[0095]
实验例2
[0096]
采用另一种产品的300mm晶圆片分别在实施例4和对比例1-4的条件下进行试验，实验结果如图2所示。
[0097]
得出同上一致的结果，如图3所示，说明通过调整转速来调控铜和介质速率选择比对不同产品均适用。
[0098]
综上所述，本发明在该条件下进行抛光，可以控制晶圆表层各种材料去除速率，有效对晶圆表面平坦化处理，使得晶圆表层抛光效果良好，提高产品的成品率和质量。根据该cmp过程中铜和介质去除机理不同，介质主要通过磨料的机械作用去除；铜是氧化、螯合的化学作用与磨料的机械作用去除，较慢的一环决定去除速率。在目前商用抛光液cmp过程中，介质去除速率根据公认的泊松方程：
[0099]
mrr＝k*p*v
[0100]
其中，mrr是材料去除速率，单位为米/分钟；p是压力，单位为牛/立方米；v是抛光垫和硅片的相对转速，单位是米/分钟；kp是泊松系数，单位是立方米/牛。
[0101]
可以看出与转速呈现线性关系。而同时，对于铜，通常螯合剂和氧化剂(如双氧水)都过量，cmp速率也主要由机械作用决定，与铜去除公式主要为k不同；但都是随着转速的提高线性增长，因而铜和介质速率选择比保持不变。而在本专利的抛光液中，由于不含有氧化剂，化学作用特别是氧化作用为较慢的一环，其决定cmp速率。转速的提高增加了摩擦生热，也就是抛光垫cmp处的温度，根据arrhenius方程：
[0102][0103]
a和r分别是固定系数和气体常数，u和t分别代表活化能和温度。物质发生化学反应需要向环境中吸收能量，使原来的化学键断裂。因此随着温度升高降低，铜cmp速率升高。而去除速率并不遵循泊松方程线性增长。因此，在这种抛光液cmp过程中随着转速的变化，铜和介质的速率变化趋势不同，从而实现了通过改变抛光液的不同转速，得到不同铜与介质速率，以及铜和介质的选择比。
[0104]
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。