一种集成电路铜CMP组合物及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种集成电路铜CMP组合物及其制备方法，属于微电子辅助材料及超精密加工工艺技术领域，特别涉及一种具有催化作用的抛光组合物。本发明专利技术组合物包括去离子水、含催化剂组合磨粒、氧化剂、络合剂、缓蚀剂、界面反应助剂、pH调节剂、表面活性剂，该抛光组合液的pH值为2.0～5.5。本发明专利技术使抛光磨粒与催化剂相结合，使抛光磨粒在起到机械磨削作用的同时具有催化活性，具有催化氧化的能力，同时兼具机械作用和化学作用，既能保持抛光表面质量又能实现快速去除的一种铜化学机械抛光组合物。

【技术实现步骤摘要】
一种集成电路铜CMP组合物及其制备方法
本专利技术属于微电子辅助材料及超精密加工工艺
，特别涉及一种具有催化作用的抛光组合物。
技术介绍
随着超大规模集成电路的不断发展，特征尺寸不断减小，而芯片面积不断增大，互连线长度随之增加而导致阻抗急剧增加。线间电容随着相邻互连线之间距离的不断减小而持续上升。降低互连阻抗的一个重要手段就是减小互连金属的电阻率、增强互连金属的抗电子迁移特性。铜作为一种电阻率低的金属，被应用且已取代铝成为超大规模集成电路制造中的主流互连技术。由于对铜的刻蚀非常困难，铜布线工艺一般通过嵌入式工艺完成多层互连结构，现在凹槽中电镀扩散阻挡层和铜，然后通过化学机械抛光(CMP)技术去除表面多余的铜和扩散阻挡层。铜布线抛光作为集成电路生产过程中的关键工艺之一，其抛光去除效率与抛光质量将直接影响到IC器件的生产效率与成品率。CMP作为一种全局平坦化工艺广泛应用于集成电路等超精密表面加工领域。铜互连结构中的电介材料属于低K介质(k＜2.2)，其机械强度比铝互联接材料低，在高下压力条件下，Cu/低K介质层易出现膜层分离、剥落、过抛等缺陷，因此低下压力(≤0.5psi)更适合Cu/低K介质层的抛光。而压力的大小是CMP最重要的参数之一，CMP的材料去除率与下压力成正比，一般，减小下压力会将直接减小CMP的抛光速率。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。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供在超低压力(≤0.5psi)条件下，既能保持抛光表面质量又能实现快速去除的一种铜化学机械抛光组合物。本专利技术利用催化氧化原理，使抛光磨粒与催化剂相结合，使抛光磨粒在起到机械磨削作用的同时具有催化活性，具有催化氧化的能力，同时兼具机械作用和化学作用，可催化双氧水等氧化剂，产生更多自由基，提高CMP的化学作用，在超低下压力(≤0.5psi)条件下同样实现高效去除。一种集成电路铜CMP组合物，其特征在于，该组合物包括去离子水、含催化剂组合磨粒、氧化剂、络合剂、缓蚀剂、界面反应助剂、pH调节剂、表面活性剂，该抛光组合液的pH值为2.0～5.5，所述各组分的含量如下：本专利技术的组合物适用于抛光压力为≤0.5psi.。所述氧化剂为双氧水、过氧化氢脲、过氧乙酸、过氧化苯甲酰、过硫酸钾、过一硫酸钾、过硫酸铵、高锰酸钾、铁氰化钾、硝酸铵、硝酸铁中、过氧化氢中的至少一种。所述络合剂为氨基乙酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、羟谷氨酸、羟基乙叉二磷酸、氨基三甲叉膦酸、2-羟基磷酰基乙酸、乙酸、草酸、草酰胺、葡萄糖酸钠、乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、乙二胺二磷酸苯基大乙酸钠中的至少一种。所述缓蚀剂是苯并三唑、甲基苯并三唑、5-甲基苯并三唑、咪唑、尿素、抗坏血酸、硫脲、亚乙基硫脲中的至少一种。所述界面反应助剂是马来酸、马来酸二乙酯、马来酸酐、马来酸二辛酯中的至少一种。所述表面活性剂是聚丙烯酸类高分子表面活性剂、含羧基的阴离子表面活性剂、磺酸盐型阴离子表面活性剂、磷酸酯类阴离子表面活性剂中的至少一种。所述磨粒的粒径为10～35nm。所述组合物的络合剂为1wt％的天冬氨酸、氧化剂为2wt％的过氧化氢、缓蚀剂为0.01wt％的甲基苯并三唑、界面反应助剂为0.05wt％的马来酸二乙酯、0.05wt％脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠表面活性剂及5wt％的平均粒径为10～30nm，pH值为4的催化剂组合磨粒。一种集成电路铜CMP组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以贵金属氯酸盐、过度金属氧化物为前驱体，硼氢化钠为还原剂，十六烷基三甲基溴化铵为保护剂合成纳米贵金属或过度金属催化剂粒子；配制10wt％-40wt％浓度的贵金属氯酸盐水溶液，其中贵金属氯酸盐包括氯金酸、氯铂酸或氯化钯；过度金属氧化物包括钛、锰、铁、钴、镍、铜、锌等元素的氧化物；1)在40℃-80℃条件下，配制0.1wt％-2wt％十六烷基三甲基溴化铵水溶液，持续搅拌至完全溶解；将贵金属或过渡金属氧化物前驱体水溶液迅速加入十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，其中十六烷基三甲基溴化铵水溶液与前驱体水溶液体积比为1～30，搅拌均匀；2)配制0.05M～2M的硅酸钠溶液，采用阳离子交换树脂交换硅酸钠溶液中的钠离子，并调节pH值至8-10范围，得活性硅酸溶液；3)将步骤2)中所得硅酸溶液，与步骤1)中所得溶液混合搅拌均匀；4)将步骤2)中所得硅酸溶液，用氢氧化钠或氨水调节pH值至9～10范围，加热到90～100度，充分反应后，再逐滴加入步骤3)中所得混合溶液，充分反应后逐滴加入适量的硼化氢钠溶液，在恒温水浴中持续搅拌至充分反应，可得含目标金属催化剂的溶胶；本专利技术的具有如下优点：本专利技术抛光组合物中的含有催化剂的组合磨粒，与传统抛光磨粒相比较，在抛光过程中，除了起到机械磨削的作用，同时参与催化氧化等化学反应，促进抛光液产生更多自由基，加强铜化学机械抛光过程中的化学作用，即使在超低下压力条件下，仍然可获得较高去除速率，其去除速率>0.6μm/min，解决了超低下压力条件下铜化学机械抛光去除低的问题。本专利技术所述抛光组合物的制备可采用本领域常用的制备方法，例如，将各成分按配比加入去离子水中搅拌及超声分散均匀即可。具体实施方式将配置后的抛光液用于抛光实验，抛光实验参数如下：抛光机：12英寸化学机械抛光机(Strasbaugh6EG型)，配有1个抛光头，可抛1片12英寸镀铜片(从华力半导体定制，镀铜层厚度为2微米)；抛光转盘转速：100转/min；抛光头转速：95转/min；抛光镀铜片规格：直径300mm；抛光时间：1min；抛光垫：IC1000-XY/SUBAIV20型复合抛光垫；抛光液流量：80ml/min；抛光压力：0.2-0.5psi；抛光温度：25℃抛光速率：抛光去除速率通过抛光前后晶片重量的变化计算得到，它可用电子天平测得，抛光速率为抛光去除重量换算成去除厚度后与抛光时间的比值。抛光后铜片表面质量检测：使用原子力显微镜(AFM)检测抛光后铜片的表面粗糙度。实验所采用的AFM为美国布鲁克公司生产的，型号为DIMENSIONICON。探针半径为10nm，其垂直分辨率为0.01nm，扫描频率为1.5Hz，扫描范围5×5μm2。为避免铜片表面存在的附着杂质对实验结果的影响，在实验前将晶片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗。基于本专利技术，列举了7个实施例和2个比较例，抛光组合物情况及其对应抛光效果如表1所示。其中7个实施例均使用同种含铂催化剂组合磨粒，该组合磨粒采用上述制备方法制备。如表中实施例所示，本专利技术实施例1至7，与比较例8和9相比，去除速率大大提高了，且表面粗糙度Ra也大大降低了，充分说明本专利技术的抛光液是一种性能优良的CMP用抛光材料，适合于铜抛光。其中，在本专利技术所述抛光工艺条件下的最佳抛光组合液中各组分含量为(实施例4)：含1wt％天冬氨酸、2wt％过氧化氢、0.01wt％甲基苯并三唑、0.05wt％马来酸二乙酯、0.05wt％脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、含5wt％平均粒径低于30nm的pH值为4的含有催化剂的组合磨粒，抛光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成电路铜CMP组合物，其特征在于，该组合物包括去离子水、含催化剂组合磨粒、氧化剂、络合剂、缓蚀剂、界面反应助剂、pH调节剂、表面活性剂，该抛光组合液的pH值为2.0～5.5，所述各组分的含量如下：含催化剂组合磨粒  5wt％～10wt％氧化剂  0.05wt％～10wt％络合剂  0.03wt％～8wt％缓蚀剂  0.005wt％～0.1wt％界面反应助剂  0.001wt％～0.1wt％表面活性剂  0.001wt％～0.1wt％去离子水  余量。

【技术特征摘要】
1.一种集成电路铜CMP组合物，其特征在于，该组合物由去离子水、含催化剂组合磨粒、氧化剂、络合剂、缓蚀剂、界面反应助剂、pH调节剂、表面活性剂组成，所述组合物适用于抛光压力为≤0.5psi；所述组合物的络合剂为1wt％的天冬氨酸、氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘国顺，邹春莉，顾忠华，徐莉，龚桦，王鑫，
申请(专利权)人：深圳市力合材料有限公司，清华大学，深圳清华大学研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44