[发明专利]ULSI多层铜布线铜的低下压力化学机械抛光的组合物

说明书

技术领域

本发明涉及化学机械抛光水性组合物领域，特别是一种ULSI多层铜布线铜的低下压力化学机械抛光的组合物。

背景技术

集成电路由在硅基材上或硅基材内形成的数百万个活化元件构成，这些互相分离的活化元件通过互连形成功能电路和部件。一般采用金属布线的方法进行互连，即在蚀刻出的通路和触点内填充各种金属和合金，包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、硅铝(Si-Al)、钨(W)或其组合。随着半导体工业超大规模集成电路特征尺寸的进一步缩小，互连线的RC延迟和电迁移性引起的可靠性问题逐渐成为影响电路速度的关键所在。由于Cu具有低的电阻率和高的抗电迁移性，使其成为一种理想的内连线材料而取代传统常用的铝布线。

Cu是氢后金属，不易被刻蚀，因此目前国际上一般采用镶嵌工艺进行布线，通过化学机械抛光技术去除上层多余的铜和扩散阻挡层。随着微电子技术的发展，特征尺寸已进入纳米级，这要求微电子工艺中的近百道工序，尤其是多层布线、衬底、介质必须进行全局平面化。而且曝光的浅焦深对超大规模集成电路的精细化和平坦化的要求增加，传统的平面化技术如选择淀积、旋涂玻璃、低压CVD、保护膜背腐蚀、淀积-腐蚀-淀积等技术只能提供局部平面化，平坦效果极其有限。

化学机械抛光(CMP)技术对于平坦化而言，带来了集成电路制造技术极大的变革。CMP在二十世纪八十年代由IBM公司开发，目前业已成为微电子制造业中几乎所有步骤的核心微处理技术。CMP是颗粒的机械作用与腐蚀剂的化学作用相结合的抛光技术，其原理是工件在压力及抛光组合物(含有磨粒、腐蚀剂等)的存在下相对于抛光垫作旋转运动，利用磨粒磨削及化学组分腐蚀作用实现对工件表面材料的去除从而达到平坦化的效果。CMP的性能由CMP装置的操作条件、抛光组合物的类型和抛光垫的类型等因素决定。

抛光组合物在CMP步骤中是一种重要的影响因素。可根据选取的氧化剂、磨料和其它适合的添加剂来调节抛光组合物，以按所需的抛光速率来提供有效的抛光，同时将表面缺陷、腐蚀降至最低，并得到最佳的平面化效果。近几年来，已有一些专利报道了集成电路多层铜布线CMP过程中所使用的抛光组合物。CN101240147A描述了以高速离心过滤去除可溶性聚合硅酸盐后的胶体二氧化硅为抛光磨粒的用于含铜基底化学机械平坦化的组合物及相关方法，能大幅度降低铜表面的缺陷水平；英特尔(CN1256765C)采用有机缓冲体系维持局部pH值的稳定性，显著减少整体和局部腐蚀，减少被抛光表面的不均一性和腐蚀缺陷；CN1397994A在抛光液中引入氧化性金属化合物，籍以在导体结构上形成一金属化合物，此金属化合物用以保护导体结构以避免碟陷与侵蚀；CN100491072C采用金属离子螯合剂调节组合物pH值至碱性(9.5～11.5)，加入非离子表面活性剂，在抛光进行前加入氧化剂进行铜及异质表面的抛光；CN101333419A采用不含抛光磨粒的碱性抛光组合物进行铜抛光，以避免磨粒对抛光表面造成的损伤；CN101368068A将气相二氧化硅粉末均匀溶解于去离子水中作为抛光磨粒，以无机碱或有机胺调节pH值至10～12，抛光铜后能得到最低0.4nm的表面平坦度。

随着集成电路技术进入到深亚微米级，由不断缩小特征尺寸所带来的互连性能降低已经越来越明显。这是因为特征尺寸的缩小将导致互连引线横截面和线间距的减小，电阻、电容、电感引起的寄生效应将会严重影响电路的性能。而采用低介电常数介质材料(即低k介质材料)则是提高互连性能的有效途径之一。但是当k＜2.2时，低k介质层的机械强度下降，易出现低k薄膜脱层，所以必须开发低压力抛光设备及抛光组合物。一般，减小下压力会对包括抛光速率在内的CMP总体性能产生不利影响。例如，采用成熟的商用铜抛光组合物进行铜抛光，压力为5.0Psi时抛光速率为333.3nm/min，而当压力减小到约0.5Psi时，抛光速率减小至101.9nm/min，相差3倍左右。因此，减小压力抛光会严重的影响生产能力。

US6,620,037采用不添加缓蚀剂(如BTA)的抛光组合物进行铜抛光以期提升抛光速率，然而该组合物仍需要3.0Psi或更大的下压力以便有效的去除铜(3.0Psi时抛光速率为234.6nm/min)；美国罗门哈斯公司提出了一种用于铜的低下压力抛光组合物和方法(CN1644644A)，适用于在至少小于3.0Psi的下压力下抛光半导体晶片上的铜，其中添加的含磷化合物可增加铜的去除，实施例中1.0Psi压力下，添加磷酸铵前后抛光去除速率分别为150.0nm/min和266.3nm/min。