一种用于多层铜互连CMP的工艺控制方法与流程

一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法
技术领域
1.本发明涉及化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法。


背景技术：

2.在集成电路技术发展进程中，芯片所占面积持续缩小，特征尺寸相应减小，因此，为减少互连延迟，减小线路长度，集成电路多采用多层金属互连结构，以符合需求。同时，由于在多层金属互连结构中，每一层的平坦度的好坏均会对下一层产生影响，因此，对平坦化的要求日渐提高，传统的回蚀和玻璃回流已无法满足平坦化的需求。
3.化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)是实现局部或全局平坦化唯一的方法，其不仅具有实现局部或全局平坦化的优点，还具有表面形成更少的缺陷和可用于不同材料平坦化的优势。
4.对于铜阻挡层cmp，铜与介质的去除速率共同决定了图形片表面的平坦化效果。在集成电路制程中，产品不同时，不同互连层的铜和介质厚度不同，缘于此，在cmp过程中，铜与介质的去除速率需要相应发生变化，方可实现图形片表面的高平坦化。通常，通过改变抛光液的成分达到改变铜与介质去除速率，但是，集成电路设计的多样性随产品需求增加，以改变抛光液成分的方式较难达到集成电路大规模制作的精度要求。
5.基于以上，提出一种新的控制方法达到预期的精度要求具有重大意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，该方法通过调整抛光液的流量，以控制多层铜互连阻挡层cmp中铜和介质的去除速率，并且在该制作工艺中，无需根据产品需求改变抛光液的组成成分或成分含量，即可提高图形片平坦化效率，适用性更强。
7.本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
8.一方面，本发明提出一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，主要包括以下步骤：
9.调整抛光液流量后，在压力1.68psi-5.00psi、抛头转速104rpm-110rpm、抛盘转速110rpm-116rpm以及研磨时间55s-65s的条件下进行抛光。
10.本发明实施例的一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法至少具有以下有益效果：
11.本发明提出一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，该方法主要通过调整抛光液流量后，在压力1.68psi-5.00psi、抛头转速104rpm-110rpm、抛盘转速110rpm-116rpm以及研磨时间30s-90s的条件下进行抛光，优化获得最适抛光液流量后，进行抛光，制得产品。以抛光液流量控制多层铜互连阻挡层cmp中铜、介质的去除速率，进而达到控制制作工艺的精度，可有效简化制作流程的繁琐程度，并且，该方法适合多数集成电路多层金属cmp制作
工艺，适用性较强，由此可见，该方法的使用价值和实用价值较高，适合产品的规模化生产制作。
具体实施方式
12.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。
13.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。
14.本发明提出一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，主要包括以下步骤：
15.调整抛光液流量后，在工作压力1.68psi-5.00psi、抛头转速104rpm-110rpm、抛盘转速110rpm-116rpm以及研磨时间55s-65s的条件下进行抛光。
16.具体地，多层铜互连阻挡层cmp工艺流程主要包括粗抛、精抛和阻挡层抛光。其中，粗抛过程通常使用对铜具有较高去除速率的抛光液，达到快速去除大量铜的预期效果；然后进行精抛，并在精抛过程中采用对铜去除效率较快，对阻挡层去除速率较慢的抛光液；最后对阻挡层进行抛光，并采用对阻挡层材料和介质去除效率较高，对铜去除效率较低的抛光液。由此可见，当集成电路产品的剖面结构设计的不相同时，所需达到的多层布线厚度(ethk/dthk)不同，蝶形坑和蚀坑深度也不同，因此铜和介质的速率则需要频繁改变抛光液的成分或成分含量，以此适应产品的多样。
17.因此，本发明中，可通过在不同抛光阶段调整抛光液的流量达到控制铜和介质去除效率的效果，从而降低铜互连阻挡层cmp过程中的缺陷，进而使得产品的精度达到预期要求，符合生产工艺标准和使用标准。
18.本发明中，流量指在化学机械抛光时，抛光液流到抛光垫的速度。
19.在此需要指出的是，介质的去除速度由cmp中的机械作用决定，即为，随着流量的增大，抛光液与材料间的接触面积增大，物质间的质量传递增强，因此，介质的去除速率随流量的增加而增加。
20.而铜的去除速率主要由cmp中的化学作用决定，因此，当抛光液的流量增大时，其在抛光垫上的流动性相应增大，材料反应界面的温度相应降低，并且根据arrhenius方程可知，化学反应速率常数随温度的变化发生变化，因此，当温度降低时(抛光液流量增大导致的反应界面温度降低)，铜的去除速率降低。
21.由此可见，通过改变流量的大小能够控制cmp过程中介质以及铜的去除效率，可有效控制多层布线密线条处铜厚度(ethk)、多层布线疏线条处铜厚度(dthk)、蚀坑(ero)以及碟形坑(dish)坑度的变化。
22.缘于上述原因，本发明通过调整多层铜互连阻挡层cmp中抛光液的流量，在其他工艺条件相同的情况下，达到优化工艺的效果。具体地，本发明中，在压力1.68psi-5.00psi、抛头转速53rpm-153rpm、抛盘转速55rpm-160rpm以及抛光时间30s-90s的条件下，逐步调整抛光液流量，从而简化工艺，缩减需根据产品持续调整抛光液组分成分和/或含量的繁琐步骤，降低工作人员的工作量。
23.本发明中，将抛光液加入抛光机中，然后在上述条件下进行抛光，优化出粗抛、精抛以及阻挡层抛光阶段的最适抛光液流量，并在该抛光液流量以及上述工艺条件下制备集成电路产品，得到精度以及质量较佳的产品。
24.本发明中，抛光液的流量调整范围为50ml/min-450ml/min，在该范围内进行优化得到最适流量。当抛光液流量太低时，去除速率的决定因素为机械摩擦作用，因此，在抛光过程中极易产生划伤等情况，产品质量受到较为严重的影响。而当抛光液的流量较高时，其对材料的化学腐蚀作用较大，因此，抛光液极易对产品产生腐蚀作用，致使产品质量不佳，成品率较低。可见，将抛光液流量控制在上述范围内更为科学合理，并能有效降低工作人员对工艺优化的工作量，提升工作效率。
25.本发明中，工作压力是指抛光头对晶圆向抛光垫施加的压力，且压力为1.68psi-5.00psi。当压力过大时，晶圆表面容易产生划伤。而压力更低时，达不到预期的抛光效果。
26.本发明中，压力自抛头边缘至中心等距离依次设置为5.00psi、4.84psi、1.99psi、1.92psi、1.82psi以及1.68psi。当抛头在旋转的同时，亦会沿着抛光盘径向方向做摆动运动，因此，以上述的方式设置可使得晶圆上每一点运动的线速度一致，从而使得晶圆上每一点去除速率相一致，进而使得产品的平坦化效率更高，达到预期制作效果。
27.本发明中，抛头转速为107rpm，抛盘转速为113rpm，且抛光时间为60s的条件下，对抛光液流量进行优化，可使得抛光液流量在制作产品的过程中，权重系数更大，优化效果更好。
28.本发明中，抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶3％-20％、螯合剂0.02％-2％、杀菌剂0.03％-2％、活性剂0.0001％-3％，去离子水余量。
29.其中，硅溶胶具有分散性好、硬度适中、粒径较小以及价格低廉等优势，同时，具有无毒、无味以及环境相容性更好的优势。在抛光过程中，由于上述优势，其不易对晶体表面造成划伤、破坏等情况，抛光效果较好，产品的成品率更高。
30.在此需要注意的是，硅溶胶中颗粒的粒径为30nm-200nm，以此使用多种集成电路产品，适用性更强。
31.螯合剂可与金属离子、金属以及金属氧化物等发生螯合作用，从而使得金属的去除效率较好。
32.本发明中，螯合剂为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型螯合剂中的一种或多种。螯合剂选用fa/o螯合剂，即为多羟多胺碱性大分子，主要包括十三个以上螯合环、十六个羟基、四个胺基以及十二个氧原子，因此，该有机胺碱可与金属、金属离子以及金属氧化物等发生络合、螯合作用，生成可溶性不易分解的有机胺碱，以此达到材料的平坦化要求，并可清洁集成电路表面的金属氧化物以及金属离子的玷污。同时，该螯合剂还可在抛光液中作为ph调节剂、络合剂以及助氧剂等，使用价值较高。
33.本发明中，抛光液中还包括杀菌剂，其具有较好杀菌效果，以此延长抛光液的使用期限，并可增强抛光器件的可靠性，如抛头、抛盘以及抛光垫等。
34.本发明中，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-酮以及1-2苯并异噻唑啉-3-酮中的一种或多种。其中甲基异噻唑啉酮、卡松、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮以及1-2苯并异噻唑啉-3-酮不仅多真菌、细菌具有较好的杀菌效果，还可藻类具有较好的抑制效果，因此，当其作为杀菌剂或组合制成杀菌剂时，对微
生物以及藻类地生长均具有较好的抑制效果，使用价值较高。
35.当抛光液中加入活性剂时，可有效改变固体界面性质，并降低液体表面张力，增强抛光液在固体界面上的铺展效果，以此使得抛光效果较好。
36.本发明中，活性剂由阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂以及阴离子表面活性剂配制而成，如此可增强活性剂的适用性。在多层互连铜cmp过程中，活性剂能够在降低表面张力的同时，加快质量传递，使得反应残余物因抛光液的流动性而流走，从而使得产品的抛光效果较好。
37.本发明中，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、脂肪醇聚氧乙烯醚以及异构脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或多种。其中，fa/o表面活性剂适用于大多数集成电路cmp，其可将硅溶胶颗粒包裹于内，并可提高硅溶胶颗粒间斥力，提高抛光液分散度以及稳定性，以此达到较好的使用效果。
38.另外，本发明中，抛光液中的成分含量设置科学合理，益于抛光过程，效果较好。
39.本发明中，抛光液的ph值为7.0-11.5。在该条件下，可是介质脆弱多孔，从而使得介质的去除效率较好，同时，其可使得螯合剂对铜离子的螯合作用迅速，以此使得铜的抛光速率较好。
40.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。
41.实施例1
42.本实施例的目的在于提供一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，包括以下步骤：
43.在150ml/min-350ml/min范围内以50ml/min作为变化量调整抛光液流量，并在压力自抛头边缘至中心等距离依次设置为5.00psi、4.84psi、1.99psi、1.92psi、1.82psi以及1.68psi的条件下进行抛光，优化出粗抛、精抛以及阻挡层抛光过程中的最适抛光液流量，且抛头转速为107rpm，抛盘转速为113rpm，抛光时间为60s，抛光液ph为8.0-8.2。抛光液主要成分为硅溶胶3％、螯合剂0.02％、杀菌剂0.03％、活性剂0.0001％，去离子水余量。
44.然后将确定而得的抛光液流量作为工艺参数进行抛光。
45.实施例2
46.本实施例的目的在于提供一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，包括以下步骤：
47.在50ml/min-250ml/min范围内以50ml/min作为变化量调整抛光液流量，并在压力自抛头边缘至中心等距离依次设置为5.00psi、4.84psi、1.99psi、1.92psi、1.82psi以及1.68psi的条件下进行抛光，优化出粗抛、精抛以及阻挡层抛光过程中的最适抛光液流量，且抛头转速为53rpm，抛盘转速为55rpm，抛光时间为90s，抛光液ph为7.0-7.5。
48.本实施例中，抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶3％、螯合剂0.02％、杀菌剂0.03％、活性剂0.0001％，去离子水余量。
49.然后将确定而得的抛光液流量作为工艺参数进行抛光。
50.实施例3
51.本实施例的目的在于提供一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，包括以下步骤：
52.在200ml/min-400ml/min范围内以50ml/min作为变化量调整抛光液流量，并在压力自抛头边缘至中心等距离依次设置为5.00psi、4.84psi、1.99psi、1.92psi、1.82psi以及1.68psi的条件下进行抛光，优化出粗抛、精抛以及阻挡层抛光过程中的最适抛光液流量，且抛头转速为153rpm，抛盘转速为160rpm，抛光时间为30s，抛光液ph为10.5-11.0。
53.本实施例中，抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶3％、螯合剂0.02％、杀菌剂0.03％、活性剂0.0001％，去离子水余量。
54.然后将确定而得的抛光液流量作为工艺参数进行抛光。
55.实施例4
56.本实施例的目的在于提供一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，包括以下步骤：
57.在100ml/min-300ml/min范围内以50ml/min作为变化量调整抛光液流量，并在压力自抛头边缘至中心等距离依次设置为5.00psi、4.84psi、1.99psi、1.92psi、1.82psi以及1.68psi的条件下进行抛光，优化出粗抛、精抛以及阻挡层抛光过程中的最适抛光液流量，且抛头转速为73rpm，抛盘转速为79rpm，抛光时间为75s，抛光液ph为7.6-8.1。
58.本实施例中，抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶20％、螯合剂2％、杀菌剂2％、活性剂3％，去离子水余量。
59.其中，硅溶胶颗粒粒径为100nm，活性剂为异构脂肪醇聚氧乙烯醚，螯合剂为fa/o2型螯合剂，杀菌剂为甲基异噻唑啉酮。
60.实施例5
61.本实施例的目的在于提供一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，包括以下步骤：
62.在120ml/min-420ml/min范围内以60ml/min作为变化量调整抛光液流量，并在压力自抛头边缘至中心等距离依次设置为5.00psi、4.84psi、1.99psi、1.92psi、1.82psi以及1.68psi的条件下进行抛光，优化出粗抛、精抛以及阻挡层抛光过程中的最适抛光液流量，且抛头转速为127rpm，抛盘转速为137rpm，抛光时间为45s，抛光液ph为9.5-10.0。
63.本实施例中，抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶15％、螯合剂1.7％、杀菌剂1.7％、活性剂2.3％，去离子水余量。
64.其中，硅溶胶的颗粒粒径为30nm，活性剂为异构脂肪醇聚氧乙烯醚，螯合剂为fa/o1型螯合剂和fa/o2型螯合剂，杀菌剂为甲基异噻唑啉酮和卡松。
65.实施例6
66.本实施例的目的在于提供一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，包括以下步骤：
67.在150ml/min-350ml/min范围内以50ml/min作为变化量调整抛光液流量，并在压力自抛头边缘至中心等距离依次设置为5.00psi、4.84psi、1.99psi、1.92psi、1.82psi以及1.68psi的条件下进行抛光，优化出粗抛、精抛以及阻挡层抛光过程中的最适抛光液流量，且抛头转速为127rpm，抛盘转速为137rpm，抛光时间为45s，抛光液ph为9.5-10.0。
68.本实施例中，抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶15％、螯合剂1.7％、杀菌剂1.7％、活性剂2.3％，去离子水余量。
69.其中，硅溶胶的颗粒粒径为200nm，活性剂为fa/o表面活性剂和异构脂肪醇聚氧乙
烯醚，螯合剂为fa/o1型螯合剂、fa/o2型螯合剂和fa/o3型螯合剂，杀菌剂为甲基异噻唑啉酮、卡松和山梨酸钾。
70.实施例7
71.本实施例的目的在于提供一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，包括以下步骤：
72.在150ml/min-350ml/min范围内以50ml/min作为变化量调整抛光液流量，并在压力自抛头边缘至中心等距离依次设置为5.00psi、4.84psi、1.99psi、1.92psi、1.82psi以及1.68psi的条件下进行抛光，优化出粗抛、精抛以及阻挡层抛光过程中的最适抛光液流量，且抛头转速为127rpm，抛盘转速为137rpm，抛光时间为45s，抛光液ph为9.5-10.0。
73.本实施例中，抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶15％、螯合剂1.7％、杀菌剂1.7％、活性剂2.3％，去离子水余量。
74.其中，硅溶胶的颗粒粒径为60nm，活性剂为fa/o表面活性剂、十二烷基苯磺酸钠以及异构脂肪醇聚氧乙烯醚；螯合剂为fa/o1型螯合剂、fa/o2型螯合剂、fa/o4型螯合剂和fa/o5型螯合剂；杀菌剂为甲基异噻唑啉酮、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮以及1-2苯并异噻唑啉-3-酮。
75.实施例8
76.本实施例的目的在于提供一种用于多层铜互连cmp的工艺控制方法，包括以下步骤：
77.在150ml/min-350ml/min范围内以50ml/min作为变化量调整抛光液流量，并在压力自抛头边缘至中心等距离依次设置为5.00psi、4.84psi、1.99psi、1.92psi、1.82psi以及1.68psi的条件下进行抛光，优化出粗抛、精抛以及阻挡层抛光过程中的最适抛光液流量，且抛头转速为127rpm，抛盘转速为137rpm，抛光时间为45s，抛光液ph为9.5-10.0。
78.本实施例中，抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶15％、螯合剂1.7％、杀菌剂1.7％、活性剂2.3％，去离子水余量。
79.其中，硅溶胶的颗粒粒径为120nm，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、脂肪醇聚氧乙烯醚以及异构脂肪醇聚氧乙烯醚；螯合剂为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；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-酮以及1-2苯并异噻唑啉-3-酮。
80.效果例
81.将实施例1-实施例3以其制备工艺对抛光液流量进行优化，并将确定而得的抛光液流量作为工艺参数进行抛光，并测得抛光过程中的介质去除速率、铜去除速率、ethk以及dthk的变化，同时测得蚀坑坑深度以及碟形坑坑深度，结果见表1。
82.对比例设置具体如下：
83.以实施例1中抛光工艺参数作为对比例抛光工艺参数，并通过改变抛光液成分控制介质去除率以及铜去除率，其中，对比例1中抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶6.2％、甘氨酸0.63％、1,2,4-三氮唑0.32％、氢氧化钾0.6％、聚乙二醇0.015％、十三醇聚氧乙烯醚tda-6 0.015％、分散剂(solsperse 46000)0.045％、分散剂(dispersogen 2774)0.045％以及异噻唑啉酮0.17％；
84.对比例2中抛光液按质量百分比计由以下组分组成：硅溶胶5.2％、甘氨酸0.79％、1,2,4-三氮唑0.95％、氢氧化钾0.68％、聚乙二醇0.009％、十三醇聚氧乙烯醚tda-60.009％、分散剂(solsperse 46000)0.055％、分散剂(dispersogen 2774)0.055％以及异噻唑啉酮0.14％。
85.表1测试结果
[0086][0087][0088]
由上表可知，实施例1-实施例3中，抛光液成分不发生变化的条件下，通过改变cmp过程的工艺条件即可达到控制铜去除效率、介质去除效率、ethk、dthk以及坑深度的效果。可见，本发明提供的工艺控制方法，通过调整流量，优化出最适抛光液流量后，可达到预期的控制作用，具有简单、易操作的优势，同时适用于多数集成电路的制作工艺，实用价值和使用价值较高。而对比例中，当需要处理不同的产品时，需要调整抛光液中每个成分的含量，设计和操作均较为复杂。并且，当产品的精度需求更高时，通过调整抛光液成分或成分含量则具有较大难度。由此可见，本发明提供的工艺控制方法适用性以及实用性更强。
[0089]
综上所述，该方法主要通过调整抛光液流量后，在压力1.68psi-5.00psi、抛头转速104rpm-110rpm、抛盘转速110rpm-116rpm以及研磨时间30s-90s的条件下进行抛光，优化获得最适抛光液流量后，进行抛光，制得产品。以抛光液流量控制多层铜互连阻挡层cmp中铜、介质的去除速率，进而达到控制制作工艺的精度，可有效简化制作流程的繁琐程度，并且，该方法适合多数集成电路多层金属cmp制作工艺，适用性较强，由此可见，该方法的使用
价值和实用价值较高，适合产品的规模化生产制作。
[0090]
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。