专利名称：Ulsi多层铜布线化学机械抛光中粗糙度的控制方法
技术领域：
本发明涉及化学机械抛光技术，特别涉及一种ULSI多层铜布线化学机械抛光中粗糙度的控制方法。
背景技术：
随着集成电路制造技术的迅速发展，集成电路的生产水平已经进入65nm时代，由于器件设计的特征尺寸发展到纳米级，RC延迟对器件性能的影响也就越来越大，要达到高频，金属互连结构，RC延迟必须降低，这就要求结构多层立体化，铝作为互连结构的金属曾被广泛用于VLSI设计中，但在ULSI设计中由于金属连线变得更细，其电阻率增大，产生的热量增多，从而产生严重的电迁移现象，大大影响了器件的性能。经研究发现铜的电阻率低，抗电迁移率高，Cu/SiO2体系的RC延迟时间短，它们构成的器件能满足高频、高集成度、大功率、大容量、使用寿命长的要求，并且比使用铝大大减少了多层布线的层数，使工艺简化，成本降低，性能和集成度提高。
在多层布线立体结构中，保证每层都能达到全局平面化是实现多层布线的关键，而采用化学机械全局平面化(CMP)技术是全世界公认的最佳方案(20mm×20mm平整度差＜20nm)。铜布线CMP成为ULSI制备中倍受世界各国关注的核心技术之一，世界各国都在加紧对其进行封闭研究，以期优先占领国际市场。但因其涉及的学科多、技术难度大，相关机理还待进一步研究。
在ULSI多层布线CMP中，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。而影响表面粗糙度的因素很多，涉及到抛光的工艺条件(如温度、压力、流量等)、抛光液的组成、抛光布的选择等等。因而，协调好上述各影响因素之间的关系，对降低粗糙度有很大的贡献。目前，国外多采用酸性抛光液，磨料选用Al2O3，该类磨料硬度高，分散度大，粘度大，易引起表面划伤且损伤层深。而国外所进行的化学机械抛光采用的机理为强机械研磨再化学溶解的方法，由于机械研磨以及外部压力的不均匀性，抛光后的表面粗糙度较高，直接影响到后续工艺的加工和成品率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，为解决现有铜布线化学机械抛光过程中存在的表面粗糙度高的问题，而提供一种化学作用强、粗糙度低、无划伤，且成本低的ULSI多层铜布线化学机械抛光中粗糙度的控制方法。
为实现上述目的本发明所采用的实施方式如下一种ULSI多层铜布线化学机械抛光表面粗糙度的控制方法，其特征是在碱性条件下采用易清洗、小粒径的SiO2水溶胶为磨料，采用有机碱做pH调节剂和络合剂，并加入非离子表面活性剂配制成抛光液；并在一定工艺条件下进行抛光，包括步骤如下首先配制用于降低ULSI多层铜布线表面粗糙度的抛光液a.将粒径15-20nm的SiO2磨料用1-5倍的去离子水稀释；b.用pH调节剂和络合剂，即有机碱调节上述溶液，使其pH值在10-12范围内；c.在调节完pH后，边搅拌边加入0.5-10％(体积分数)的醚醇类活性剂，制成抛光液；然后在流量3-5L/min、温度15-25℃、转速30-120rpm、零外界压力(仅有载盘自重)的工艺条件下进行抛光3-5min。
所述磨料为粒径15-20nm的水溶性硅溶胶，浓度为40％-50％(质量分数)。纳米级SiO2溶胶作为抛光液磨料，其粒径小、浓度高、硬度小，对铜和钽损伤度小，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Al2O3磨料硬度大易划伤、易沉淀等诸多弊端。
所述pH调节剂和络合剂选用有机碱，是大烷基羟胺、多羟多胺类物质，为羟乙基乙二胺或三乙醇胺。有机碱作为抛光液pH调节剂，可起到缓冲剂的作用，又可生成大分子产物且溶于水，使反应产物在小的机械作用下即可脱离加工表面，同时还能起到络合及螯合作用。
所述非离子表面活性剂为醚醇类活性剂，为FA/O表面活性剂、OII-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、OII-10((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、JFC、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺的一种。表面活性剂可降低表面张力，提高凹凸选择比，又能起到渗透和润滑作用，既能增强了输运过程，又能达到高平整高光洁表面。
本发明的有益效果是本发明采用碱性条件下，通过有机碱的强络合作用，与铜离子形成稳定的可溶性络合物，并加入非离子表面活性剂以加速表面质量传递的方法，在大流量、零外加压力的工艺条件下进行抛光，避免了压力对粗糙度的影响，同时抛光液的大流量可以即使将反应产物带走，避免了离子的二次沾污。可实现铜、阻挡层材料钽表面的低粗糙度，满足工业上对铜布线CMP精密加工的要求。具体分析如下1.选用碱性抛光液，可对设备无腐蚀，硅溶胶稳定性好，解决了酸性抛光液污染重、易凝胶等诸多弊端；利用金属络合物的可溶性，在pH值10以上时，易生成可溶性的化合物，从而易脱离表面。
2.选用纳米SiO2溶胶作为抛光液磨料，其粒径小(15-20nm)、浓度高(为40％-50％)、硬度小、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Al2O3磨料硬度大易划伤、易沉淀等诸多弊端。
3.选用表面活性剂，增加了高低选择比，大大降低了表面张力、减小了损伤层、提高了表面的均一性及交换速率，增强了输运过程，同时表面凹凸差大大降低，从而有效的提高表面的光洁度及降低粗糙度。
4.选用有机碱作为抛光液pH调节剂，可起到缓冲剂的作用，又可生成大分子产物且溶于水，使反应产物在小的机械作用下即可脱离加工表面，同时还能起到络合及螯合作用。
5.目前国际上的水平是表面粗糙度为0.8nm左右；本发明方法抛光后表面粗糙度可控制为＜0.5nm。
图1是抛光前进行AFM检测时铜表面形貌图；图2是抛光中进行AFM检测时铜表面形貌图；图3是抛光后进行AFM检测时铜表面形貌图。
图4是抛光前进行AFM检测时钽表面形貌图；图5是抛光中进行AFM检测时钽表面形貌图；图6是抛光后进行AFM检测时钽表面形貌图。
具体实施例方式
以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式
详述如下
实施例1用于降低ULSI多层铜布线表面粗糙度的抛光液的制备方法选用纳米级硅溶胶(15-20nm)作磨料，浓度为40％，选取30L，其中与去离子水比例为1∶1，边搅拌边将磨料加入到去离子水中，加入适量羟乙基乙二胺调节pH值为10，再将800ml FA/O表面活性剂、OII-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、OII-10((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、JFC、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺之一的活性剂边搅拌边加入到抛光液中；抛光条件为外加压力为零，流量4L/min，转速60rpm/min，温度25℃，抛光时间4min。图1-图6分别示出了抛光前后进行AFM检测时铜或钽的表面形貌图，直观对比显示出本发明方法的显著效果。
实施例2用于降低ULSI多层铜布线表面粗糙度的抛光液的制备方法选用纳米级硅溶胶(15-20nm)作磨料，浓度为45％，选取35L，与去离子水比例为1∶2，边搅拌边将磨料加入到去离子水中，加入适量二羟乙基乙二胺调节pH值为11、再将2000mlFA/O I型活性剂边搅拌边加入到抛光液中；抛光条件为外加压力为零，流量3L/min，转速30rpm/min，温度20℃，抛光时间5min。其它同实施例3用于降低ULSI多层铜布线表面粗糙度的抛光液的制备方法选用纳米级硅溶胶(15-20nm)作磨料，浓度为50％，选取40L，与去离子水比例为1∶3，边搅拌边将磨料加入到去离子水中，加入适量三乙醇胺调节pH值为12、再将2500mlFA/O I型活性剂边搅拌边加入到抛光液中；抛光条件为外加压力为零，流量5L/min，转速120rpm/min，温度25℃，抛光时间3min。其它同实施例1。
上述参照实施例对ULSI多层铜布线化学机械抛光中粗糙度的控制方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种ULSI多层铜布线化学机械抛光表面粗糙度的控制方法，包括步骤如下首先配制用于降低ULSI多层铜布线表面粗糙度的抛光液a.将粒径15-20nm的SiO2磨料用1-5倍的去离子水稀释；b.用pH调节剂和络合剂，即有机碱调节上述溶液，使其pH值在10-12范围内；c.在调节完pH后，边搅拌边加入0.5-10％(体积分数)的醚醇类活性剂，制成抛光液；然后在流量3-5L/min、温度15-25℃、转速30-120rpm、零外界压力(仅有载盘自重)的工艺条件下进行抛光3-5min。
2.根据权利要求1所述的ULSI多层铜布线化学机械抛光表面粗糙度的控制方法，其特征是所述磨料为粒径15-20nm的水溶性硅溶胶，浓度为40％-50％(质量分数)。
3.根据权利要求1所述的ULSI多层铜布线化学机械抛光表面粗糙度的控制方法，其特征是所述pH调节剂和络合剂选用有机碱，是大烷基羟胺、多羟多胺类物质，尤其是羟乙基乙二胺或三乙醇胺。
4.根据权利要求1所述的ULSI多层铜布线化学机械抛光表面粗糙度的控制方法，其特征是所述非离子表面活性剂为醚醇类活性剂，为FA/O表面活性剂、OII-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、OII-10((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、0-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、JFC、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺的一种。
全文摘要
本发明涉及一种ULSI多层铜布线化学机械抛光表面粗糙度的控制方法，其特征是在碱性条件下采用易清洗、小粒径的SiO
文档编号C09G1/04GK1864925SQ20061001430
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月9日 优先权日2006年6月9日
发明者刘玉岭, 刘博 申请人:河北工业大学