CN101457136A - 研磨液及化学机械研磨方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研磨液，包括研磨原料，该研磨原料内至少具有研磨颗粒及去离子水，且所述研磨液内还加入了去离子水及添加剂。本发明还公开了对应的一种化学机械研磨方法。采用本发明的研磨液及化学机械研磨方法，可以节约研磨原料的使用量，实现在不增加生产成本的情况下，提高研磨质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种研磨液及化学机械研磨方法。
背景技术
随着超大规模集成电路ULSI(Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，元件的特征尺寸(Feature Size)不断变小，芯片单位面积内的元件数量不断增加，平面布线已难以满足元件高密度分布的要求，只能采用多层布线技术，利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成密度。
但多层布线技术的应用会造成硅片表面起伏不平，对图形制作极其不利。为此，需要对不规则的晶片表面进行平坦化(Planarization)处理。目前，化学机械研磨法(CMP，Chemical Mechanical Polishing)是达成全局平坦化的最佳方法，尤其在半导体制作工艺进入亚微米(sub-micron)领域后，化学机械研磨已成为一项不可或缺的制作工艺技术。
化学机械研磨法(CMP)是一种复杂的工艺过程，图1为现有的化学机械研磨设备的结构示意图，如图1所示，该装置包括：外壳101，表面贴有研磨垫(polish pad)的转台(platen)102，研磨头103a、103b和用于输送研磨液(slurry)105的研磨液供应管(tube)104。
研磨时，先将待研磨的衬底附着在研磨头103上，通过在研磨头103上施加下压力，使衬底紧压到研磨垫上；然后，表面贴有研磨垫的转台102在电机的带动下旋转，研磨头103也进行同向转动，实现机械研磨；同时，研磨液105通过研磨液供应管(tube)104输送到研磨垫上，并利用转台旋转的离心力均匀地分布在研磨垫上，在待研磨衬底和研磨垫之间形成一层液体薄膜，该薄膜与待研磨衬底的表面发生化学反应，生成易去除的产物，该产物再在机械研磨作用下被去除。
化学机械研磨质量对生产的成品率有较大的影响。如，当研磨后衬底的表面出现擦痕时，该擦痕易在金属间引起短路或开路现象，大大降低产品的成品率。图2为说明衬底表面擦痕引起金属间短路的示意图，如图2所示，因为衬底表面存在的擦痕201，造成了连接孔202和203之间的电短路。
化学机械研磨中，可用于衡量研磨质量的指标包括：研磨后衬底表面的平坦度、擦痕数以及研磨后出现的凹陷(dishing)和腐蚀(erosion)情况等。而影响研磨质量的关键因素之一包括所用的研磨液。为得到较好的研磨结果，常要求使用较好的研磨液，然而其所需的成本往往也会明显较高。
为提高研磨质量，2005年7月13日授权的授权公告号为CN1210772C的中国专利中公开了一种可减少擦痕的钨金属的化学机械研磨方法，该方法通过在研磨的前段和后段分别采用了标准的酸性钨研磨液和氧化物研磨液进行研磨，实现了钨金属研磨表面擦痕的减少。
但是，该发明的方法需要采用两种不同的研磨液，一方面在操作上较为复杂，另一方面也会明显加大生产的总成本。
发明内容
本发明提供一种研磨液及化学机械研磨方法，以在较低生产成本的基础上改善现有化学机械研磨方法中研磨结果较差的现象。
本发明提供的一种研磨液，包括研磨原料，该研磨原料内至少具有研磨颗粒及去离子水，且所述研磨液内还加入了去离子水及添加剂。
优选地，所述研磨原料中加入的去离子水与所述研磨原料的体积比在0.5:1至1.5:1之间。
优选地，研磨液中总的去离子水的成分重量比在92％至96％之间。
可选地，所述研磨颗粒包括二氧化硅，且所述二氧化硅在研磨液中的成分重量比在1％至3％之间。
可选地，所述添加剂的加入量为令研磨液的PH值保持在2至2.5之间。
可选地，所述添加剂包括H2O2，所述H2O2在研磨液中的成分重量比在3％至5％之间。
可选地，所述添加剂还包括氨水。
可选地，所述研磨液用于研磨金属钨，且所述研磨原料为SS-W2585。
本发明具有相同或相应技术特征的一种化学机械研磨方法，包括步骤：
在研磨原料中加入添加剂及去离子水，形成研磨液；
将待研磨衬底置于化学机械研磨设备内；
向所述化学机械研磨设备输送所述研磨液对所述待研磨衬底进行化学机械研磨。
优选地，所述研磨原料中加入的去离子水与所述研磨原料的体积比在0.5:1至1.5:1之间。
可选地，所述研磨颗粒包括二氧化硅，且所述研磨液中所述二氧化硅的成分重量比在1％至3％之间。
可选地，加入所述添加剂及去离子水后，研磨液的PH值保持在2至2.5之间。
可选地，所述添加剂包括H2O2，且所述H2O2在研磨液中的成分重量比在3％至5％之间。
可选地，所述添加剂还包括氨水。
可选地，所述研磨液用于研磨金属钨，且所述研磨原料为SS-W2585。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的研磨液及化学机械研磨方法，通过向研磨原料中加入添加剂及去离子水提高了研磨质量。操作较为简单，且可以节约研磨原料的使用量。这样，即使采用了成本较高的高质量的研磨原料，仍可以实现在不增加生产总成本的前提下，提高研磨质量。
本发明的研磨液及化学机械研磨方法，与传统的研磨液及研磨方法相比，除了在研磨原料中加入添加剂外，还加入了去离子水对其进行稀释。稀释后的研磨液内研磨颗粒浓度下降，衬底表面颗粒聚集量少，可以有效减少衬底表面的擦痕，进一步提高研磨质量。
本发明的研磨液及化学机械研磨方法还加大了传统的添加剂的加入量，以保持加入去离子水后的研磨液的PH值不变。这样得到的研磨液对衬底的化学腐蚀的速率不变(其由研磨液的PH值决定)，机械去除的速率下降(其由研磨液中的颗粒含量决定)，结果整体的研磨速率仅略有下降。可以实现在维持生产效率基本不变的情况下提高研磨质量。
附图说明
图1为现有的化学机械研磨设备的结构示意图；
图2为说明衬底表面擦痕引起金属间短路的示意图；
图3为分别采用传统的研磨液与本发明第一实施例中的研磨液进行研磨后的研磨结果对比图；
图4为本发明第二实施例的化学机械研磨方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
随着集成电路的制作向超大规模集成电路(ULSI，Ultra Large ScaleIntegration)发展，内部的电路密度越来越大，器件的关键尺寸不断缩小，对各步工艺制程的要求也不断提高。
以化学机械研磨工艺为例，随着晶片内器件尺寸的不断缩小，晶片上因研磨质量不佳而导致的一些小缺陷对器件性能的影响会更加显著，因而，随着器件尺寸的缩小，对化学机械研磨工艺后晶片表面状况的要求也进一步提高了。
一些传统的研磨液受自身性能的限制，可能已无法满足此时化学机械研磨工艺中的高研磨质量的要求。如在进入45nm工艺后，在研磨去除金属钨的工艺中，采用传统的成本较低的由美国嘉柏微电子材料股份有限公司(Cabot)生产的SS-W2000研磨原料制作的研磨液已无法满足研磨要求。需要采用由该公司生产的研磨质量更好的SS-W2585研磨原料(属于二氧化硅水基分散体)制作研磨液。然而，后者的成本基本是前者的两倍，这使得生产成本有了明显的升高。
为了在维持较低生产成本的前提下，提高研磨质量，本发明提出了一种按新方法配制的研磨液，该研磨液包括研磨原料、添加剂和去离子水。
第一实施例：
本实施例中用于配制研磨液的研磨原料为SS-W2585，其可用于研磨去除金属钨。虽然利用该研磨原料制成的研磨液可以达到较好的研磨效果，但其价格较高，会导致生产成本提高。
传统的研磨液通常是由研磨原料及添加剂组成。本实施例中，所用的添加剂为酸性的，具体地，可以为双氧水(H2O2)或双氧水与氨水的混合物。该添加剂与衬底表面的金属钨(W)发生化学反应，生成易去除的产物，再由研磨原料中的研磨颗粒研磨去除。
传统的研磨液中通过调节加入的所述添加剂的量可以令研磨液的PH值保持在2至2.5之间，如为2.3，以在研磨过程中得到较为满意的对金属钨的化学腐蚀速率。
由于厂家生产的研磨原料通常为包括研磨颗粒(本实施例中为二氧化硅研磨颗粒)与去离子水的混合胶状物，上述传统的研磨液(由研磨原料与添加剂组成的研磨液)内有会含有大量的去离子水。通常其内总的去离子水所占的成分重量比通常会在90％至92％之间，如为91％；其内的二氧化硅研磨颗粒所占的成分重量比约在3％至5％之间，如为4％。
本实施例中，为了降低成本，在配制研磨液时除了加入添加剂外，还加入了去离子水，对传统的研磨液进行了进一步的稀释。具体地，可以将研磨原料与去离水按0.5:1至1.5:1的比例配制，如为1:1。
由于加入了大量的去离子水，研磨液的PH值可能会发生变化，为了保持研磨液的PH值，进而维持研磨速率基本不变，本实施例中，还可以同时增加添加剂的含量，以令研磨液的PH值保持在2至2.5之间。如，当按1:1的比例进行稀释时，将加入的添加剂的量同时增加一倍。这样，即使加入了大量的去离子水，仍可以维持研磨液的PH值不变，进而维持其对衬底表面的金属钨的化学腐蚀速率不变。
本实施例中所用的添加剂为H2O2，其在满足上述维持研磨液PH值基本不变的调节功能后，在本实施例的研磨液中的成分重量比通常会在3％至5％之间，如为4％。
在本发明的其它实施例中，还可以使用由H2O2和氨水共同组成的酸性添加剂等，来对金属钨进行化学腐蚀。
另外，由于稀释作用，本实施例中研磨液内的研磨颗粒(二氧化硅颗粒)的含量会有所降低，其在研磨液中的成分重量比会降至1％至3％之间，如为2％。去离子水的含量会有所上升，如研磨液中总的去离子水的成分重量比升至92％至96％之间，如为94％。
由于本实施例研磨液中的研磨颗粒有所减少，研磨时的机械去除速率会有所下降，但是，因为本实施例的研磨液的化学腐蚀速率仍能维持不变，实验证实，此时总体的研磨速率并不会有明显的下降，大约仅下降10％至20％左右，对生产效率的影响不大。
另外，本实施例中的新的研磨液，其研磨原料的使用量可以降低至传统使用量的一半，而研磨质量不会有明显下降。
由于本实施例的研磨液内研磨颗粒浓度下降，研磨时在衬底表面聚集的颗粒量降低，有效减少了衬底表面的擦痕。实验证实，同样采用SS-W2585为研磨原料制成的研磨液，采用传统的未稀释的方法制成的研磨液与采用本实施例中的1:1稀释方法制成的研磨液相比，利用前者研磨后的衬底缺陷数为91个，而利用后者研磨后的衬底缺陷数为88个。证明了本实施例的稀释后的研磨液对研磨质量不会有明显影响，甚至可以更好。
本实施例中，为了提高研磨质量，采用了成本较高的SS-W2585研磨原料。为了降低成本，在对研磨液的具体配制进行了多次的实验研究后，最终得到了既节约研磨原料，又不明显降低研磨速率的研磨液配比。并且，采用该种新配制的研磨液后，研磨质量也不会有所下降。
图3为分别采用传统的研磨液与本发明第一实施例中的研磨液进行研磨后的研磨结果对比图，如图3所示，图中横坐标代表使用了不同的研磨液，纵坐标代表在化学机械研磨后不同产品的衬底表面的缺陷分布情况。
图中301为采用传统的未稀释的研磨液配制方法，利用SS-W2000研磨原料制成的研磨液对衬底表面的金属钨进行化学机械研磨后得到的不同产品的衬底表面缺陷分布情况；图中302为采用本实施例的1:1稀释的研磨液配制方法，利用SS-W2585研磨原料制成的研磨液对衬底表面的金属钨进行化学机械研磨后得到的不同产品的衬底表面缺陷分布情况。
如图3所示，采用图3中所示的两种方法制成的研磨液成本基本相同(前者的成本低，研磨原料使用量大；后者的成本高，研磨原料的使用量小)，但可以看到，图中302所示的采用本实施例的研磨液进行研磨后得到的衬底表面的研磨质量有着明显的优势，不同产品的衬底表面的缺陷数均有了明显的下降。
第二实施例：
本实施例介绍了一种化学机械研磨方法，其具体说明了如何形成新的研磨液，并利用其进行研磨的过程。图4为本发明第二实施例的化学机械研磨方法的流程图，下面结合图4对本发明的第二实施例进行详细介绍。
步骤401：在研磨原料中加入添加剂及去离子水，形成研磨液。
本实施例中所用的研磨原料为SS-W2585，其为二氧化硅水基分散体，可以达到较好的研磨效果，但其价格较高，会导致生产成本提高。
为了降低成本，在配制研磨液时除了加入添加剂外，还加入了去离子水，对传统的研磨液进行了进一步的稀释。具体地，在研磨原料中加入的去离子水与所述研磨原料的体积比可以设置在0.5:1至1.5:1之间，如为1:1。
通常研磨液的PH值保持在2至2.5之间，如为2.3，可以在研磨过程中得到较为满意的对金属钨的化学腐蚀速率。本实施例中，为了令加入去离子水稀释后的研磨液的PH值能维持不变，当将研磨原料按1:1的比例利用去离子水进行稀释时，将加入的添加剂的量与传统添加剂的加入量相比，增大了约一倍，以维持该酸性溶液对衬底表面的金属钨的化学腐蚀速率不变。
本步中形成的研磨液被去离子水稀释，其内总的去离子水所占的成分重量比通常会变至在92％至96％之间，如为94％；二氧化硅研磨颗粒所占的成分重量比会变至约在1％至3％之间，如为2％。
本实施例中所用的添加剂为H2O2，其在满足上述维持研磨液PH值基本不变的调节功能后，在本实施例的研磨液中的成分重量比通常会在3％至5％之间，如为4％。
在本发明的其它实施例中，还可以使用其它添加剂，如由H2O2和氨水共同组成的酸性添加剂等，来对金属钨进行化学腐蚀。采用其余添加剂的化学机械研磨方法的具体实施步骤与思路均和本实施例相似，在本发明实施例的启示下，这一应用的延伸对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。
步骤402：将待研磨衬底置于化学机械研磨设备内。
本实施例中，所述待研磨衬底表面已形成待研磨的金属钨。需要对其进行平坦化处理。
步骤403：向所述化学机械研磨设备输送所述研磨液对所述待研磨衬底进行化学机械研磨。
由于本实施例所用的研磨液中的研磨颗粒有所减少，研磨时的机械去除速率会有所下降，但是，由于本实施例中所用的研磨液的化学腐蚀速率仍维持不变，实验证实，研磨时总体的研磨速率并不会有明显的下降，大约仅下降10％至20％左右。因此，本步研磨所需的生产时间不会有明显的改变，采用本实施例的化学机械研磨方法对生产效率的影响不大。
采用本实施例中的化学机械研磨方法，可采用传统的一步研磨方法(中途不需要更换研磨液)，操作简便。
采用本实施例中的化学机械研磨方法，虽然所用的研磨液内研磨原料的使用量可以降低一半，但研磨质量不会有明显下降：由于本实施例的研磨液内研磨颗粒浓度下降，研磨过程中在衬底表面聚集的颗粒量较少，有效减少了衬底表面的擦痕量，在采用本实施例的化学机械研磨方法后，研磨质量反而会有所提高，研磨后衬底表面的缺陷数会更少。
本发明的上述实施例中，以用于去除金属钨的SS-W2585为研磨原料形成新的研磨液，在本发明的其它实施例中，还可以利用其它研磨原料来配制研磨液，或去除其它待研磨材料，其的具体实施步骤与思路均和本实施例相似，在本发明实施例的启示下，这一应用的延伸对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (21)
1、一种研磨液，包括研磨原料，该研磨原料内至少具有研磨颗粒及去离子水，其特征在于：所述研磨液内还加入了去离子水及添加剂。
2、如权利要求1所述的研磨液，其特征在于：所述研磨原料中加入的去离子水与所述研磨原料的体积比在0.5：1至1.5：1之间。
3、如权利要求1或2所述的研磨液，其特征在于：所述研磨液中总的去离子水的成分重量比在92％至96％之间。
4、如权利要求1或2所述的研磨液，其持征在于：所述研磨颗粒包括二氧化硅。
5、如权利要求4所述的研磨液，其特征在于：所述二氧化硅在研磨液中的成分重量比在1％至3％之间。
6、如权利要求1或2所述的研磨液，其特征在于：所述添加剂令研磨液的PH值保持在2至2.5之间。
7、如权利要求6所述的研磨液，其特征在于：所述添加剂包括H2O2。
8、如权利要求7所述的研磨液，其特征在于：所述H2O2在研磨液中的成分重量比在3％至5％之间。
9、如权利要求7所述的研磨液，其特征在于：所述添加剂还包括氨水。
10、如权利要求1所述的研磨液，其特征在于：所述研磨液用于研磨金属钨。
11、如权利要求10所述的研磨液，其特征在于：所述研磨原料为SS-W2585。
12、一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括步骤：
在研磨原料中加入添加剂及去离子水，形成研磨液；
将待研磨衬底置于化学机械研磨设备内；
向所述化学机械研磨设备输送所述研磨液对所述待研磨衬底进行化学机械研磨。
13、如权利要求12所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述研磨原料中加入的去离子水与所述研磨原料的体积比在0.5：1至1.5：1之间。
14、如权利要求12或13所述的化学机械研磨方法，其持征在于：所述研磨颗粒包括二氧化硅。
15、如权利要求14所述的化学机械研磨方法，其特征在于：研磨液中所述二氧化硅的成分重量比在1％至3％之间。
16、如权利要求12或13所述的化学机械研磨方法，其特征在于：加入所述添加剂及去离子水后，研磨液的PH值保持在2至2.5之间。
17、如权利要求16所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述添加剂包括H2O2。
18、如权利要求17所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述H2O2在研磨液中的成分重量比在3％至5％之间。
19、如权利要求17所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述添加剂还包括氨水。
20、如权利要求17所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述研磨液用于研磨金属钨。
21、如权利要求20所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述研磨原料为SS-W2585。
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Effective date of registration: 20121029 Address after: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Applicant after: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation Applicant after: Semiconductor Manufacturing International (Beijing) Corporation Address before: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Applicant before: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation |
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| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20090617 |