[發明專利]一種金屬化學機械拋光漿料及其應用

在審

• 申請號: 201210528946.6
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN103866326A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 荊建芬;張建;蔡鑫元
• 申請（專利權）人: 安集微電子（上海）有限公司
• 主分類號: C23F3/04
• 分類號: C23F3/04
• 代理公司: 上海翰鴻律師事務所 31246
• 代理人: 李佳銘

技術領域

本發明涉及一種化學機械拋光漿料及其應用，尤其涉及一種用于銅的化學機械拋光漿料及其應用。

背景技術

隨著半導體技術的發展，電子部件的微小化，一個集成電路中包含了數以百萬計的晶體管。在運行過程中，在整合了如此龐大數量的能迅速開關的晶體管，傳統的鋁或是鋁合金互連線，使得信號傳遞速度降低，而且電流傳遞過程中需要消耗大量能源，在一定意義上，也阻礙了半導體技術的發展。為了進一步發展，人們開始尋找采用擁有更高電學性質的材料取代鋁的使用。眾所周知，銅的電阻小，擁有良好的導電性，這加快了電路中晶體管間信號的傳遞速度，還可提供更小的寄生電容能力，較小電路對于電遷移的敏感性。這些電學優點都使得銅在半導體技術發展中擁有良好的發展前景。

但在銅的集成電路制造過程中我們發現，銅會遷移或擴散方式進入到集成電路的晶體管區域，從而對于半導體的晶體管的性能產生不利影響，因而銅的互連線只能以鑲嵌工藝制造，即：在第一層里形成溝槽，在溝槽內填充銅阻擋層和銅，形成金屬導線并覆蓋在介電層上。然后通過化學機械拋光將介電層上多余的銅/銅阻擋層除去，在溝槽里留下單個互連線。銅的化學機械拋光過程一般分為3個步驟，第1步是先用較高的下壓力，以快且高效的去除速率除去襯底表面上大量的銅，第2步是在快要接近阻擋層時降低下壓力，降低去除速率拋光剩余的金屬銅并停在阻擋層，第3步再用阻擋層拋光液去除阻擋層及部分介電層和金屬銅，實現平坦化。

銅拋光一方面要盡快去除阻擋層上多余的銅，另一方面要盡量減小拋光后銅線的蝶形凹陷。在銅拋光前，金屬層在銅線上方有部分凹陷。拋光時，介質材料上的銅在主體壓力下（較高）易于被去除，而凹陷處的銅所受的拋光壓力比主體壓力低，銅去除速率小。隨著拋光的進行，銅的高度差會逐漸減小，達到平坦化。但是在拋光過程中，如果銅拋光液的化學作用太強，靜態腐蝕速率太高，則銅的鈍化膜即使在較低壓力下（如銅線凹陷處）也易于被去除，導致平坦化效率降低，拋光后的蝶形凹陷增大。

隨著集成電路的發展，一方面，在傳統的IC行業中，為了提高集成度，降低能耗，縮短延遲時間，線寬越來越窄，布線的層數也越來越多，為了保證集成電路的性能和穩定性，對銅化學機械拋光的要求也越來越高。要求在保證銅的去除速率的情況下降低拋光壓力，提高銅線表面的平坦化，控制表面缺陷。另一方面，由于物理局限性，線寬不能無限縮小，半導體行業不再單純地依賴在單一芯片上集成更多的器件來提高性能，而轉向于多芯片封裝。硅通孔（TSV）技術作為一種通過在芯片和芯片之間、晶圓與晶圓之間制作垂直導通，實現芯片之間互連的最新技術而得到工業界的廣泛認可。TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，大大改善芯片速度和低功耗的性能。目前的TSV工藝是結合傳統的IC工藝形成貫穿硅基底的銅穿孔，即在TSV開口中填充銅實現導通，填充后多余的銅也需要利用化學機械拋光去除達到平坦化。與傳統IC工業不同，由于硅通孔很深，填充后表面多余的銅通常有幾到幾十微米厚。為了快速去除這些多余的銅。通常需要具有很高的銅去除速率，同時拋光后的表面平整度好。為了使銅在半導體技術中更好的應用，人們不斷嘗試新的拋光液的改進。

中國專利CN1256765C提供了一種含有檸檬酸、檸檬酸鉀組成的螯合有機酸緩沖體系的拋光液。CN1195896C采用含有氧化劑、羧酸鹽如檸檬酸銨、磨料漿液、一種任選的三唑或三唑衍生物的拋光液。CN1459480A提供了一種銅的化學機械拋光液，其包含了成膜劑和成膜助劑：成膜劑由強堿和醋酸混合組成的緩沖溶液構成，成膜助劑為硝酸鉀（鈉）鹽。美國專利US552742提供了一種金屬化學機械拋光漿料，包括一種含有芳綸硅氧、烷聚硅氧烷、聚氧化烯醚及其共聚物的表面活性劑。US6821897B2提供了一種采用含有聚合物絡合劑的拋光劑的銅化學機械拋光方法，其采用含負電荷的聚合物，其中包括硫磺酸及其鹽、硫酸鹽、磷酸、磷酸鹽、磷酸酯等。而US5527423金屬化學機械拋光漿料，包括一種表面活性劑：芳綸硅氧烷、聚硅氧烷、聚氧化烯醚及其共聚物。

上述專利中的技術，都力求在銅的拋光過程中，減少銅層局部的點蝕和腐蝕、控制靜態蝕刻速率，從而可以更好地清除銅層，提高銅的拋光速率、并獲得良好的銅互連平面性。上述專利在一定程度上克服了上述銅在拋光過程中所遇到的問題，但效果并不明顯，使用后在銅表面存有缺陷，平整度低，而且在拋光后銅線出現碟形凹陷大和過拋窗口窄；或者拋光速率不夠高，不能應用于對去除速率要求較高的工藝。

發明內容