一种适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液及其制备方法，其中，所述抛光液按照质量分数计，包括研磨颗粒0.1

【技术实现步骤摘要】
一种适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液及其制备方法


[0001]本专利技术属于微电子工艺中
，尤其涉及一种适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液及其制备方法。

技术介绍

[0002]电子化是信息时代的重要标志，而芯片则是电子信息产业的基础。集成电路的特征尺寸从世纪初的亚微米级，飞速发展到了当今的纳米级别，使得芯片性能更加优越的同时，功耗也更低。时至今日，每平方毫米的芯片基底上最多可容纳数以亿计的晶体管，而这些晶体管往往通过铜互连线导通。铜互连结构包括铜互连层和常见的钽/氮化坦阻挡层，后者可阻止铜原子扩散到介质层中，避免器件的短路和失效。然而，在纳米级别的特征尺寸下，难以减薄的钽/氮化坦结构一方面制约了晶体管和互连线的进一步微缩，另一方面也开始主导整个互连结构的电阻率，造成电路的RC延迟。因此，芯片制造过程中，急需引入新材料和新工艺以满足更高的性能和功能要求。
[0003]金属钴作为阻挡层，已经被一些掌握尖端制造技术的芯片厂商作为一种解决方案引入到先进芯片的结构当中。研究表明，钴作为阻挡层，既能满足阻挡层更薄的要求，也简化了沉积工艺，直接进行铜电镀而无需沉积铜籽晶，并且具有更优异的电镀填隙属性。此外，相较于钽，钴具有电阻率更低、和铜的粘结性更好等优点。然而芯片制造是复杂的多流程过程，铜/钴互连结构的实现虽然存在上述优势，却给后续的化学机械平坦化(CMP)过程带来了难题：目前成熟的铜互连CMP技术仅适用铜/钽/氮化坦结构，尤其是商用的CMP抛光液，并不适用于和铜、钽物化性质差异较大的钴。并且钴常用于十纳米以下的芯片结构中，这一尺度对CMP本身就有更苛刻、更高精度的要求。
[0004]抛光后表面的平整度既关乎到芯片结构本身的要求，也影响后续光刻工艺中对焦的精度。因此，在芯片结构不断微型化、多层化的背景下，CMP已经成为了芯片制造中的关键技术，直接影响到芯片的制造良率和最终性能。CMP技术的优势，在于结合了抛光浆料(液)中纳米粒子的物理摩擦作用和其他添加剂组分的化学作用。既要实现互连层表面多余材料的高效率去除，又要维持抛光后表面纳米乃至原子级别的粗糙度。和铜、钽相比，钴的化学性质更为活泼，常见商用的酸性抛光液对钴有剧烈的腐蚀作用，过度腐蚀易造成阻挡层的缺失。此外，钴的抛光速率甚至可能超过铜本身，无法满足第一步CMP当中高选择比的要求，即互连金属铜的去除速率应远远大于阻挡层钴的去除速率。与之相矛盾的是，过低的腐蚀速率通常又会大幅降低互连金属的去除速率，影响抛光效率。
[0005]CN102304327使用了一种含有噻唑类抑制剂的抛光液，用以铜/钴异质结构的平坦化。然而，该酸性抛光液对钴的静态腐蚀速率最低也达到20nm/min，考虑到钴阻挡层厚度一般小于5纳米，其极易造成侧壁阻挡层的过度溶解和缺失，乃至整个阻挡层的脱附。

技术实现思路

[0006]基于现有技术的问题，本专利技术提供了一种适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液
及其制备方法，以满足芯片在化学机械研磨过程中对铜钴互连结构的高选择性、低缺陷和高质量表面的需求。抛光液中添加了松香酸及其盐的抑制剂，在保持铜较高抛光速率的同时能抑制铜的晶态腐蚀，有效提高抛光后的表面质量。同时，该抛光液对钴的静态腐蚀和去除速率都极低，可以满足互连结构第一步抛光过程中高选择比的要求。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]一种适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液，所述抛光液按照质量分数计，包括研磨颗粒0.1
‑
10％，氧化剂0.01
‑
3％，络合剂0.1
‑
5％和抑制剂0.01
‑
1.0％，余量为去离子水；
[0009]其中抑制剂为松香酸及其盐，优选歧化松香酸及其盐，进一步优选为歧化松香钾溶液，有效抑制铜和钴的静态腐蚀，所述抛光液的pH为8
‑
11。
[0010]优选地，所述抛光液还包括pH调节剂，用于将所述抛光液的pH调至8
‑
11。所述pH调节剂可为硝酸溶液、氢氧化钾溶液、有机碱羟胺中的任意一种或其混合。
[0011]所述研磨颗粒作用是通过机械摩擦去除与研磨颗粒接触的金属或者金属的反应物，达到机械去除的目的。研磨颗粒可选自于二氧化硅、二氧化铈或三氧化二铝颗粒，其中优选二氧化硅溶胶作为研磨颗粒。研磨颗粒的粒径优选为20
‑
200nm。
[0012]氧化剂的作用是将金属铜，钴阻挡层金属氧化为相应的金属氧化物，氢氧化物或者离子。优选地，所述氧化剂为过氧化氢。
[0013]络合剂的作用是与抛光表面以及抛光液中的金属离子形成螯合物，有助于减小抛光液中的金属颗粒和抛光金属表面的金属离子污染。优选地，所述络合剂为氨基酸。氨基酸可选自甘氨酸、精氨酸、赖氨酸、丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、半胱氨酸、丝氨酸和脯氨酸。
[0014]基于相同的专利技术构思，本专利技术还提供了一种如上述的适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液的制备方法，包括以下步骤：
[0015]根据质量配比，将络合剂添加到去离子水中混合成溶液，然后将溶液的pH调节至8
‑
11，再加入研磨颗粒和抑制剂混合，在使用之前向溶液中加入氧化剂，即得到适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液。
[0016]本专利技术由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
[0017]在集成电路中，Co作为铜互连层的阻挡层，Co阻挡层和铜互连层共同组成了铜互连结构，采用松香酸作为铜互连结构CMP的抑制剂。CMP抛光液的组分中，抑制剂对抛光后的表面质量有着决定性的作用，为抛光液中最重要的组分。大马士革工艺制备的铜互连结构，由于光刻形成的沟槽和工艺所需的图案化结构，其表面凹凸不平。抑制剂的作用在于吸附在金属表面，降低其静态腐蚀，能有效避免沟槽内部材料的过抛，提高平坦化效率，并决定了抛光后的表面质量。相对于本领域常见的三唑类、噻唑类等抑制剂，松香酸是一种生物来源的物质，是一种绿色抑制剂。由于松香酸中含有共轭不饱和双键，工业上常见的为其歧化后的产物歧化松香酸，是一种廉价的工业原料。因此，将歧化松香酸作为抑制剂，相对于现有的抑制剂，相对较环保。
[0018]采用本专利技术的CMP抛光液，对铜钴互连结构进行化学机械研磨过程中，可具有铜和钴极低的静态腐蚀效果，减小抛光后的缺陷，有利于提高平坦化均匀性和抛光后的表面质
量；同时可以实现较高的铜去除速率和极低的钴抛光速率，实现铜/钴移除速度的高选择性，可使铜/钴材料的移除速率的选择性比在21.1
‑
50.3内。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实施例中铜晶圆未被抛光液处理过的表面形貌的扫描电镜图；
[0020]图2为本专利技术实施例中铜晶圆未被抛光液处理过的表面形貌的原子力显微镜图；
[0021]图3本专利技术实施例中铜晶圆被DR
‑
0的抛光液静态腐蚀后的表面形貌的扫描电镜图；
[0022]图4为发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液，其特征在于，所述抛光液按照质量分数计，包括研磨颗粒0.1
‑
10％，氧化剂0.01
‑
3％，络合剂0.1
‑
5％和抑制剂0.01
‑
1.0％，余量为去离子水；其中抑制剂为松香酸及其盐，所述抛光液的pH为8
‑
11。2.根据权利要求1所述的适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液，其特征在于，所述抑制剂为歧化松香酸及其盐。3.根据权利要求1或2所述的适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液，其特征在于，所述抛光液还包括pH调节剂，用于将所述抛光液的pH调至8
‑
11。4.根据权利要求3所述的适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液，其特征在于，所述pH调节剂为硝酸溶液、氢氧化钾溶液、有机碱羟胺中的任意一种或其混合。5.根据权利要求1所述的适用于铜钴互连结构的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：杭弢，黄钰林，常鹏飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：