專利名稱：Ulsi多層銅布線化學機械拋光中粗糙度的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及化學機械拋光技術，特別涉及一種ULSI多層銅布線化學機械拋光中粗糙度的控制方法。
背景技術：
隨著集成電路制造技術的迅速發(fā)展，集成電路的生產水平已經進入65nm時代，由于器件設計的特征尺寸發(fā)展到納米級，RC延遲對器件性能的影響也就越來越大，要達到高頻，金屬互連結構，RC延遲必須降低，這就要求結構多層立體化，鋁作為互連結構的金屬曾被廣泛用于VLSI設計中，但在ULSI設計中由于金屬連線變得更細，其電阻率增大，產生的熱量增多，從而產生嚴重的電遷移現象，大大影響了器件的性能。經研究發(fā)現銅的電阻率低，抗電遷移率高，Cu/SiO2體系的RC延遲時間短，它們構成的器件能滿足高頻、高集成度、大功率、大容量、使用壽命長的要求，并且比使用鋁大大減少了多層布線的層數，使工藝簡化，成本降低，性能和集成度提高。
在多層布線立體結構中，保證每層都能達到全局平面化是實現多層布線的關鍵，而采用化學機械全局平面化(CMP)技術是全世界公認的最佳方案(20mm×20mm平整度差＜20nm)。銅布線CMP成為ULSI制備中倍受世界各國關注的核心技術之一，世界各國都在加緊對其進行封閉研究，以期優(yōu)先占領國際市場。但因其涉及的學科多、技術難度大，相關機理還待進一步研究。
在ULSI多層布線CMP中，拋光后的表面粗糙度過高，會造成噪聲增加、電特性一致性差、會影響器件頻率特性如增加RC延遲時間等，從而影響集成度、可靠性、優(yōu)品率及降低成本。而影響表面粗糙度的因素很多，涉及到拋光的工藝條件(如溫度、壓力、流量等)、拋光液的組成、拋光布的選擇等等。因而，協調好上述各影響因素之間的關系，對降低粗糙度有很大的貢獻。目前，國外多采用酸性拋光液，磨料選用Al2O3，該類磨料硬度高，分散度大，粘度大，易引起表面劃傷且損傷層深。而國外所進行的化學機械拋光采用的機理為強機械研磨再化學溶解的方法，由于機械研磨以及外部壓力的不均勻性，拋光后的表面粗糙度較高，直接影響到后續(xù)工藝的加工和成品率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，為解決現有銅布線化學機械拋光過程中存在的表面粗糙度高的問題，而提供一種化學作用強、粗糙度低、無劃傷，且成本低的ULSI多層銅布線化學機械拋光中粗糙度的控制方法。
為實現上述目的本發(fā)明所采用的實施方式如下一種ULSI多層銅布線化學機械拋光表面粗糙度的控制方法，其特征是在堿性條件下采用易清洗、小粒徑的SiO2水溶膠為磨料，采用有機堿做pH調節(jié)劑和絡合劑，并加入非離子表面活性劑配制成拋光液；并在一定工藝條件下進行拋光，包括步驟如下首先配制用于降低ULSI多層銅布線表面粗糙度的拋光液a.將粒徑15-20nm的SiO2磨料用1-5倍的去離子水稀釋；b.用pH調節(jié)劑和絡合劑，即有機堿調節(jié)上述溶液，使其pH值在10-12范圍內；c.在調節(jié)完pH后，邊攪拌邊加入0.5-10％(體積分數)的醚醇類活性劑，制成拋光液；然后在流量3-5L/min、溫度15-25℃、轉速30-120rpm、零外界壓力(僅有載盤自重)的工藝條件下進行拋光3-5min。
所述磨料為粒徑15-20nm的水溶性硅溶膠，濃度為40％-50％(質量分數)。納米級SiO2溶膠作為拋光液磨料，其粒徑小、濃度高、硬度小，對銅和鉭損傷度小，分散度好，能夠達到高速率、高平整、低損傷拋光，污染小，解決了Al2O3磨料硬度大易劃傷、易沉淀等諸多弊端。
所述pH調節(jié)劑和絡合劑選用有機堿，是大烷基羥胺、多羥多胺類物質，為羥乙基乙二胺或三乙醇胺。有機堿作為拋光液pH調節(jié)劑，可起到緩沖劑的作用，又可生成大分子產物且溶于水，使反應產物在小的機械作用下即可脫離加工表面，同時還能起到絡合及螯合作用。
所述非離子表面活性劑為醚醇類活性劑，為FA/O表面活性劑、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、烷基醇酰胺的一種。表面活性劑可降低表面張力，提高凹凸選擇比，又能起到滲透和潤滑作用，既能增強了輸運過程，又能達到高平整高光潔表面。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用堿性條件下，通過有機堿的強絡合作用，與銅離子形成穩(wěn)定的可溶性絡合物，并加入非離子表面活性劑以加速表面質量傳遞的方法，在大流量、零外加壓力的工藝條件下進行拋光，避免了壓力對粗糙度的影響，同時拋光液的大流量可以即使將反應產物帶走，避免了離子的二次沾污?？蓪崿F銅、阻擋層材料鉭表面的低粗糙度，滿足工業(yè)上對銅布線CMP精密加工的要求。具體分析如下1.選用堿性拋光液，可對設備無腐蝕，硅溶膠穩(wěn)定性好，解決了酸性拋光液污染重、易凝膠等諸多弊端；利用金屬絡合物的可溶性，在pH值10以上時，易生成可溶性的化合物，從而易脫離表面。
2.選用納米SiO2溶膠作為拋光液磨料，其粒徑小(15-20nm)、濃度高(為40％-50％)、硬度小、分散度好，能夠達到高速率高平整低損傷拋光、污染小，解決了Al2O3磨料硬度大易劃傷、易沉淀等諸多弊端。
3.選用表面活性劑，增加了高低選擇比，大大降低了表面張力、減小了損傷層、提高了表面的均一性及交換速率，增強了輸運過程，同時表面凹凸差大大降低，從而有效的提高表面的光潔度及降低粗糙度。
4.選用有機堿作為拋光液pH調節(jié)劑，可起到緩沖劑的作用，又可生成大分子產物且溶于水，使反應產物在小的機械作用下即可脫離加工表面，同時還能起到絡合及螯合作用。
5.目前國際上的水平是表面粗糙度為0.8nm左右；本發(fā)明方法拋光后表面粗糙度可控制為＜0.5nm。


圖1是拋光前進行AFM檢測時銅表面形貌圖；圖2是拋光中進行AFM檢測時銅表面形貌圖；圖3是拋光后進行AFM檢測時銅表面形貌圖。
圖4是拋光前進行AFM檢測時鉭表面形貌圖；圖5是拋光中進行AFM檢測時鉭表面形貌圖；圖6是拋光后進行AFM檢測時鉭表面形貌圖。
具體實施例方式
以下結合較佳實施例，對依據本發(fā)明提供的具體實施方式
詳述如下
實施例1用于降低ULSI多層銅布線表面粗糙度的拋光液的制備方法選用納米級硅溶膠(15-20nm)作磨料，濃度為40％，選取30L，其中與去離子水比例為1∶1，邊攪拌邊將磨料加入到去離子水中，加入適量羥乙基乙二胺調節(jié)pH值為10，再將800ml FA/O表面活性劑、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劑邊攪拌邊加入到拋光液中；拋光條件為外加壓力為零，流量4L/min，轉速60rpm/min，溫度25℃，拋光時間4min。圖1-圖6分別示出了拋光前后進行AFM檢測時銅或鉭的表面形貌圖，直觀對比顯示出本發(fā)明方法的顯著效果。
實施例2用于降低ULSI多層銅布線表面粗糙度的拋光液的制備方法選用納米級硅溶膠(15-20nm)作磨料，濃度為45％，選取35L，與去離子水比例為1∶2，邊攪拌邊將磨料加入到去離子水中，加入適量二羥乙基乙二胺調節(jié)pH值為11、再將2000mlFA/O I型活性劑邊攪拌邊加入到拋光液中；拋光條件為外加壓力為零，流量3L/min，轉速30rpm/min，溫度20℃，拋光時間5min。其它同實施例3用于降低ULSI多層銅布線表面粗糙度的拋光液的制備方法選用納米級硅溶膠(15-20nm)作磨料，濃度為50％，選取40L，與去離子水比例為1∶3，邊攪拌邊將磨料加入到去離子水中，加入適量三乙醇胺調節(jié)pH值為12、再將2500mlFA/O I型活性劑邊攪拌邊加入到拋光液中；拋光條件為外加壓力為零，流量5L/min，轉速120rpm/min，溫度25℃，拋光時間3min。其它同實施例1。
上述參照實施例對ULSI多層銅布線化學機械拋光中粗糙度的控制方法進行的詳細描述，是說明性的而不是限定性的，可按照所限定范圍列舉出若干個實施例，因此在不脫離本發(fā)明總體構思下的變化和修改，應屬本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種ULSI多層銅布線化學機械拋光表面粗糙度的控制方法，包括步驟如下首先配制用于降低ULSI多層銅布線表面粗糙度的拋光液a.將粒徑15-20nm的SiO2磨料用1-5倍的去離子水稀釋；b.用pH調節(jié)劑和絡合劑，即有機堿調節(jié)上述溶液，使其pH值在10-12范圍內；c.在調節(jié)完pH后，邊攪拌邊加入0.5-10％(體積分數)的醚醇類活性劑，制成拋光液；然后在流量3-5L/min、溫度15-25℃、轉速30-120rpm、零外界壓力(僅有載盤自重)的工藝條件下進行拋光3-5min。
2.根據權利要求1所述的ULSI多層銅布線化學機械拋光表面粗糙度的控制方法，其特征是所述磨料為粒徑15-20nm的水溶性硅溶膠，濃度為40％-50％(質量分數)。
3.根據權利要求1所述的ULSI多層銅布線化學機械拋光表面粗糙度的控制方法，其特征是所述pH調節(jié)劑和絡合劑選用有機堿，是大烷基羥胺、多羥多胺類物質，尤其是羥乙基乙二胺或三乙醇胺。
4.根據權利要求1所述的ULSI多層銅布線化學機械拋光表面粗糙度的控制方法，其特征是所述非離子表面活性劑為醚醇類活性劑，為FA/O表面活性劑、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、烷基醇酰胺的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種ULSI多層銅布線化學機械拋光表面粗糙度的控制方法，其特征是在堿性條件下采用易清洗、小粒徑的SiO
文檔編號C09G1/04GK1864925SQ20061001430
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權日2006年6月9日
發(fā)明者劉玉嶺, 劉博 申請人:河北工業(yè)大學