CN101550319A - 一种化学机械抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学机械抛光液，其含有研磨颗粒、氧化剂和水，其还含有下列表面摩擦调节剂中的一种或多种：水溶性多聚脂肪链类聚合物、水溶性醇类、水溶性醚类和水溶性纤维素类。本发明的抛光液可降低表面磨擦系数，减少抛光基底表面的缺陷(划伤、腐蚀和表面颗粒等)。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体制造工艺中的一种化学机械抛光液。
背景技术
随着微电子技术的发展，超大规模集成电路芯片集成度已达几十亿个元器件，特征尺寸已经进入纳米级，这就要求微电子工艺中的几百道工序，尤其是多层布线、衬底、介质必须要经过全局平坦化。化学机械平坦化被认为是最好的全局平坦化方法。而先进制程中不断引进低介电材料对化学机械平坦化提出更高要求，低介电材料由于本身特性对摩擦力较为敏感。常用的化学机械平坦化在高下压力下对低介电材料很容易造成各种各样的损伤；同时，金属(铜，铝，钽等)表面因高摩擦引起的晶界腐蚀以及表面粗糙度是造成腐蚀的另一重要原因，因而特别需要提供一种能够有效控制表面摩擦的化学机械抛光方法以满足先进制程的需要。
化学机械抛光是一门与摩擦联系十分紧密的交叉学科，目前，关于化学机械抛光中的摩擦得研究较多地集中在抛光垫的研究上和抛光过程温度的变化上。Norm Gitis等用Padprobe来实时检测抛光垫在抛光过程的损耗(Gitis N，Vinogradov M，Meyman A，Xiao J，“PadprobeTM for quantitative control of padsurface conditions and wear”，CMP User group Conference，2002；Kalenian B，Pautsch B，Sennett B，Gitis N，Vinogradov M，“CMP insitu pad condition monitorwith Padprobe TM”，CMP-MIC Conference，2003；)。以及进行抛光垫恢复过程出现的抛光垫损耗；Lu等研究了抛光过程抛光垫温度的变化与摩擦的关系(Lu J，Rogers C，Manno V，Philipossian A，Anjur S，Moinpur M.“Measurment of slurryfilm thickness and wafer drag during CMP”，J.Electrochem Soc.2004，151)。但是目前通过化学添加剂来有效控制表面摩擦系数的报道还不常见。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可降低表面磨擦系数，减少晶圆表面的缺陷(划伤、腐蚀等)的化学机械抛光液。
本发明的化学机械抛光液含有研磨颗粒、氧化剂和水，还含有下列表面摩擦调节剂中的一种或多种：水溶性多聚脂肪链类聚合物、水溶性醇类、水溶性醚类和水溶性纤维素类。
其中，所述的水溶性多聚脂肪链类聚合物较佳的为多聚羧酸及其水溶盐、多聚脂肪醇(分子量较佳的为50～5000)、多聚羧酸酯和聚丙烯醛类化合物中的一种或多种，更佳的为聚丙烯酸类化合物及其盐、聚乙烯醇类化合物、聚丙烯醇类化合物和聚丙烯酸酯类化合物中的一种或多种。其中，所述的聚丙烯酸类化合物及其盐，以及聚丙烯酸酯类化合物较佳的为如式I所示的化合物；
式I
其中，R1、R2独自地为氢原子或C1～C3的烷基，R3为H、K、Na、NH4或C1～C3的烷基。所述的水溶性多聚脂肪链类聚合物优选聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸铵盐、聚甲基丙烯酸钾盐、聚马来酸、聚丙烯酸、聚(p-苯乙烯羧酸)、聚丙烯酸钾盐、聚丙烯酸铵盐、聚丙烯酸酰胺、氨基聚丙烯酸酰胺、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚酰胺酸、聚酰胺酸铵盐和聚酰胺酸钾盐中的一种或多种，最优选聚甲基丙烯酸。所述的水溶性多聚羧酸类聚合物的分子量较佳的为1000～300,0000，更佳的为2000～100,0000，最佳的为4000～50,0000。所述的水溶性多聚羧酸类聚合物的含量较佳的为重量比10ppm～5000ppm。
其中，所述的水溶性醇类化合物较佳的为水溶性脂肪醇和/或其水溶盐，更佳的为水溶性脂肪多元醇和/或其水溶盐，最佳的为丙三醇、甘露醇、葡萄糖醇和山梨糖醇中的一种或多种。
其中，所述的水溶性醚类化合物较佳的为水溶性脂肪醚，更佳的为丙二醇甲醚和/或丙二醇乙醚。
其中，所述的水溶性纤维素类化合物较佳的为为缔合水溶性纤维素醚，其在重量浓度1％的下测量的DP粘度为250-20,000mPa·s，更佳的为1000-15,000mPa·s，最佳的为2000-15,000mPa·s，优选为羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)、甲基纤维素(MC)、羟甲基丙基纤维素(HPMC))、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素和羧乙基纤维素中的一种或多种。
上述表面摩擦调节剂可在较低的含量下，改变抛光液流变性和粘度从而改变表面摩擦性能，但同时不影响抛光液的稳定性。
本发明中，所述的表面摩擦调节剂的含量较佳的为质量百分比0.01～20％。
本发明中，所述的研磨颗粒可选自本领域常用研磨颗粒，优选二氧化硅、氧化铝和聚合物颗粒(如聚苯乙烯或聚乙烯，分子量较佳的为20,0000～40,0000)中的一种或多种，更优选二氧化硅。所述的研磨颗粒的粒径较佳的为20～200nm，更佳的为30～100nm。所述的研磨颗粒的含量较佳的为质量百分比0.1～10％。
本发明中，所述的络合剂可为现有技术中的各种络合剂，较佳的为甘氨酸和/或2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸。所述的络合剂的含量较佳的质量百分比为0.1～4％。
本发明中，所述的氧化剂可为现有技术中的各种氧化剂，较佳的为过氧化氢、过硫酸铵、过硫酸钾、过氧乙酸、和过氧化氢脲中的一种或多种，更佳的为过氧化氢。所述的氧化剂的含量较佳的为质量百分比0.5～10％。
本发明中，水为余量。
本发明的化学机械抛光液的pH值较佳的为2.0～11.0，更佳的为2.0～5.0或9.0-11.0。pH调节剂可为各种酸和/或碱，以将pH调节至所需值即可，较佳的为硫酸、硝酸、磷酸、氨水、氢氧化钾、乙醇胺和/或三乙醇胺等等。
本发明的化学机械抛光液还可以含有本领域其他常规添加剂，如表面活性剂、稳定剂、缓蚀剂和杀菌剂中的一种或多种，以进一步提高表面的抛光性能。
将上述成分简单均匀混合，采用pH调节剂调至合适pH值，混合均匀静置即可制得本发明的抛光液。本发明所用试剂及原料均市售可得。
本发明的化学机械抛光液可应用于铝、铜、钽、氮化钽、钛、银、钨或它们的合金或氧化物，以及二氧化硅、低介电材料、超低介电材料等介电材料的抛光。
本发明的积极进步效果在于：本发明的抛光液可降低表面磨擦系数，减少抛光基底表面的缺陷(划伤、腐蚀等)。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1～34
表1给出了本发明的化学机械抛光液的实施例1～34，按表中配方，将各成分混合均匀，去离子水为余量，最后用pH调节剂(20％KOH或稀HNO3，根据pH值的需要进行选择)调节到所需pH值，继续搅拌至均匀流体，静止30分钟即可得到各化学机械抛光液。
表1本发明的化学机械抛光液的实施例1～34
| 抛光液 | 研磨颗粒含量wt％ | 摩擦调节剂含量wt％或ppm | 络合剂含量wt％ | 氧化剂含量wt％ | pH | 其它含量wt％ |
| 1 | 2％SiO270nm | 0.01％羟乙基纤维素(DP1000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 2 | \ |
| 2 | 5％Al2O330nm | 0.1％聚丙烯酸(分子量5000) | 0.1％2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸 | 3％过硫酸铵 | 10 | 0.001％异噻唑啉酮 |
| 3 | 0.5％Al2O3100nm | 0.1％羟甲基纤维素(DP15000) | 4％甘氨酸 | 2％过硫酸钾 | 4 | 0.001％十二烷基二甲基苄基氯化铵 |
| 4 | 0.3％聚苯乙烯(分子量400000)120nm | 2％羧甲基纤维素(DP2000) | 1％2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸 | 3％过硫酸铵 | 6 | 0.02％尿素 |
| 5 | 2％聚乙烯(分子量200000)100nm | 5％丙三醇 | 2％甘氨酸 | 2.5％过氧乙酸 | 5 | \ |
| 6 | 10％聚苯乙烯(分子量500000)200nm | 10％丙二醇甲醚 | 3％2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸 | 10％过硫酸胺 | 8 | \ |
| 7 | 2％SiO270nm | 15％丙二醇乙醚 | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 9 | \ |
| 8 | 0.1％SiO220nm | 0.2％羧乙基纤维素(DP15000) | 0.2％2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸 | 0.5％过氧化氢脲 | 11 | \ |
| 9 | 2％SiO270nm | 10ppm聚丙烯酸钾(分子量1000) | 4％甘氨酸 | 2％过硫酸钾 | 3 | \ |
| 10 | 0.1％SiO220nm | 100ppm聚甲基丙烯酸(分子量1000) | 0.2％2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸 | 3％过硫酸铵 | 4 | \ |
| 11 | 2％SiO270nm | 1000ppm聚甲基丙烯酸钾(分子量2000) | 4％甘氨酸 | 2.5％过氧乙酸 | 6 | \ |
| 12 | 0.1％SiO220nm | 5000ppm聚丙烯酸钠(分子量300,0000) | 0.2％2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸 | 10％过硫酸胺 | 7 | \ |
| 13 | 2％SiO270nm | 1000ppm聚乙基丙烯酸铵(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 8 | \ |
| 14 | 0.1％SiO220nm | 3000ppm聚丙烯酸甲酯(分子量1000,00) | 0.2％2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸 | 0.5％过氧化氢脲 | 10 | \ |
| 15 | 2％SiO270nm | 7000ppm聚丙基丙烯酸(分子量200,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 16 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚(p-苯乙烯羧酸)(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 17 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚丙烯酸乙酯(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 18 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚酰胺酸(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 19 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚丙烯酸铵(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 20 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚丙烯酸酰胺(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 21 | 2％SiO270nm | 3000ppm氨基聚丙烯酸酰胺(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 22 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚酰胺酸铵(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 23 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚酰胺酸钾(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 24 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚马来酸(分子量100,0000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 25 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚乙烯醇(分子量50) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 26 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚丙烯醇(分子量5000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 27 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚丙烯醇(分子量3000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 28 | 2％SiO270nm | 3000ppm聚丙烯醛(分子量100,000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 29 | 2％SiO270nm | 10％葡萄糖醇 | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 30 | 2％SiO270nm | 10％甘露醇 | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 31 | 2％SiO270nm | 5％山梨糖醇 | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 32 | 2％SiO270nm | 0.1％聚甲基丙烯酸铵 | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 33 | 2％SiO270nm | 0.1％甲基纤维素(DP20000) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
| 34 | 2％SiO270nm | 0.1％羟甲基丙基纤维素(DP250) | 4％甘氨酸 | 5％过氧化氢 | 5 | \ |
效果实施例
表2中给出了本发明的抛光液1～4和对比抛光液1～4，将表中配方，将各成分混合均匀，去离子水为余量，最后用pH调节剂(20％KOH或稀HNO3，根据pH值的需要进行选择)调节到所需pH值，继续搅拌至均匀流体，静止30分钟即可得到各化学机械抛光液。
表2本发明的抛光液1～4和对比抛光液1～4
将表2中本发明的抛光液1～4和对比抛光液1～4分别进行表面摩擦系数的测定结果如表3。化学机械抛光方法，包括如下步骤：将待抛光的晶圆固定于化学机械抛光机的研磨头上，正面朝向研磨垫，将化学机械抛光液滴流在抛光垫上，流速为65毫升/分钟；使晶圆正面与抛光液，抛光垫相接触，在研磨头上施加一下压力1-3磅/平方英寸，并使其旋转，转速为100转/分钟；使抛光垫与抛光液摩擦晶圆正面接触，对晶圆正面进行化学机械抛光。
表3本发明的抛光液1～4和对比抛光液1～4的抛光效果
从表3可见，与对比抛光液相比，本发明的抛光液能有效降低基底表面摩擦，从而减少表面明显的缺陷(划伤、腐蚀、表面颗粒等等)，以满足先进制程的抛光要求。
Claims (13)
1.一种化学机械抛光液，其含有研磨颗粒、氧化剂、络合剂和水，其特征在于：其还含有下列表面摩擦调节剂中的一种或多种：水溶性多聚脂肪链类聚合物、水溶性醇类、水溶性醚类和水溶性纤维素类。
2.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的表面摩擦调节剂的含量为质量百分比0.01～20％。
3.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于：
所述的水溶性多聚脂肪链类聚合物选自多聚羧酸及其水溶盐、多聚脂肪醇、多聚羧酸酯和聚丙烯醛类化合物中的一种或多种；
所述的水溶性醇类化合物为水溶性脂肪醇和/或其水溶盐；
所述的水溶性醚类化合物为水溶性脂肪醚；
所述的水溶性纤维素类化合物为缔合水溶性纤维素醚，其在重量浓度1％的下测量的DP粘度为250-20,000mPa·s。
4.如权利要求3所述的抛光液，其特征在于：
所述的水溶性多聚脂肪链类聚合物为聚丙烯酸类化合物及其盐、聚乙烯醇类化合物、聚丙烯醇类化合物和聚丙烯酸酯类化合物中的一种或多种；
所述的水溶性脂肪醇和/或其水溶盐为水溶性脂肪多元醇和/或其水溶盐；
所述的水溶性脂肪醚为丙二醇甲醚和/或丙二醇乙醚；
所述的缔合水溶性纤维素醚为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、甲基纤维素、羟甲基丙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素和羧乙基纤维素中的一种或多种。
5.如权利要求4所述的抛光液，其特征在于：
所述的水溶性多聚脂肪链类聚合物为如式I所示的聚丙烯酸类化合物及其盐，以及聚丙烯酸酯类化合物；
式I
其中，R1、R2独自的为H或C1～C3的烷基，R3为H、K、Na、NH4或C1～C3的烷基；
所述的水溶性脂肪多元醇为丙三醇、甘露醇、葡萄糖醇和山梨糖醇中的一种或多种。
6.如权利要求3所述的抛光液，其特征在于：所述的水溶性多聚脂肪链类聚合物选自聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸铵盐、聚甲基丙烯酸钾盐、聚马来酸、聚丙烯酸、聚(p-苯乙烯羧酸)、聚丙烯酸钾盐、聚丙烯酸铵盐、聚丙烯酸酰胺、氨基聚丙烯酸酰胺、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚酰胺酸、聚酰胺酸铵盐和聚酰胺酸钾盐中的一种或多种。
7.如权利要求1、3～6中任一项所述的抛光液，其特征在于：所述的水溶性多聚脂肪链类聚合物的平均分子量为1000～300,0000。
8.如权利要求8所述的抛光液，其特征在于：所述的水溶性多聚脂肪链类聚合物的平均分子量为2000～100,0000。
9.如权利要求1、3～6中任一项所述的抛光液，其特征在于：所述的水溶性多聚羧酸类聚合物的含量为重量比10ppm～5000ppm。
10.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒为二氧化硅、氧化铝和聚合物颗粒中的一种或多种；所述的研磨颗粒的粒径为30～100nm；所述的研磨颗粒的含量为质量百分比0.1～10％。
11.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的络合剂为甘氨酸和/或2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸；所述的络合剂的含量为质量百分比0.1～4％。
12.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的氧化剂为过氧化氢、过硫酸铵、过硫酸钾、过氧乙酸和过氧化氢脲中的一种或多种；所述的氧化剂的含量为质量百分比0.5～10％。
13.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的抛光液的pH值为2.0～5.0或9.0～11.0。
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