CN101974297A - 核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提供一种可降低抛光表面粗糙度、减少表面缺陷的核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液，所用原料及质量百分比为：核/壳型复合纳米磨料1%~10%，络合剂0.5%~2%，成膜剂0.01%~2%，分散剂0.5%~3%，氧化剂0.5%~10%，纯水余量，所述核/壳型复合纳米磨料是粒径为200~2000nm的无机-有机核/壳型复合纳米颗粒，内核为SiO2、Al2O3或金刚石中的一种，外壳为丙烯酸酯高分子链聚合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜化学机械抛光用抛光液，尤其是一种可降低抛光表面粗糙度、减少表面缺陷的核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液。
背景技术
随着超大规模集成电路（ULSI）的发展，芯片集成度的不断提高，电路元件越来越密集，芯片互连逐渐成为影响芯片制造的关键因素，在芯片内的操作运行中起着重要作用，如传送逻辑信号，输送电源以及分配时钟信号进行时序控制和同步操作等。互连线的增加及其截面积的减少必然导致电阻的增大，线间距的减少容易产生寄生电容，从而大幅度提高互连线的时间常数RC，因而集成电路速度由逻辑门延迟转变为由互连线引起的时间延迟。若仍沿用ULSI传统的互连方法，为了降低时间常数就必须增大金属互连线的截面积和线间距，这势必又会影响芯片的集成度。
铜作为一种比较理想的互连材料，被认为是深亚微米集成电路互连线技术进一步发展的首选材料。它可使局域互连的传输速度改善10%，使整体互连的传输速度改善50%，保证集成度提高的同时也能提高速度性能。目前，铜互连线已逐步取代铝互连线技术。
化学机械抛光（chemical mechanical polishing, CMP）被认为是目前铜互连工艺中能兼顾全局与局部平整度要求以及获得超光滑无损伤表面的最有效和最实用的抛光工艺方法。化学机械抛光工艺是在一定的向下压力下将铜芯片和抛光台/抛光垫保持旋转，将抛光液输入抛光垫上，在化学和机械的协同作用下，获得高质量的抛光铜芯片。在化学机械抛光液中，磨料在化学机械抛光中的起着关键作用，目前使用的磨料主要选用固体无机磨料，如氧化硅、氧化铝、金刚石、氧化饰、氮化硅等。在铜芯片的抛光过程中，由于抛光液中磨料的硬度较大，抛光过程中对表面的损伤较严重，不仅造成表面粗糙度较大，还易出现抛光划痕、凹坑等表面缺陷。因此，如何解决上述问题一直是业界的研究热点。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种可降低抛光表面粗糙度、减少表面缺陷的核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液。
本发明的技术解决方案是：一种核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液，其特征在于所用原料及质量百分比为：
核/壳型复合纳米磨料 1%~10%
络合剂 0.5%~2%
成膜剂 0.01%~2%
分散剂 0.5%~3%
氧化剂 0.5%~10%
纯水 余量
所述核/壳型复合纳米磨料是粒径为200~2000nm的无机-有机核/壳型复合纳米颗粒，内核为SiO2、Al2O3或金刚石中的一种，外壳为丙烯酸酯高分子链聚合物。
所述丙烯酸酯高分子链聚合物为甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、乙氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯中的至少一种。
所述螯合剂为乙二胺四乙酸、二亚乙基三胺五乙酸、三亚乙基四胺六乙酸、次氮基三乙酸及其铵盐或钠盐中的至少一种。
所述成膜剂为阴离子表面活性剂与苯并三氮唑或其衍生物组成的混合物，阴离子表面活性剂与苯三氮唑或其衍生物的比例为1：1~5。
所述阴离子表面活性剂为烷基硫酸铵盐、烷基磺酸铵盐、烷基苯磺酸铵盐中的至少一种。
所述分散剂为脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段聚醚、聚乙烯醇嵌段共聚物或聚苯乙烯嵌段共聚物、聚丙烯酸及其盐、聚乙二醇、聚乙烯亚胺、季铵盐型阳离子表面活性剂中的至少一种。
所述氧化剂为过氧化氢、过氧化脲、过氧乙酸、过硫酸铵中的至少一种。
所述纯水是经过离子交换树脂过滤的水，其电阻至少是18 M??。
本发明所采用的无机-有机核/壳型复合纳米磨料的外壳是硬度低且有粘弹性的丙烯酸酯高分子链聚合物，降低了磨粒的硬度。在加压、加速抛光条件下，外壳起到了缓冲作用，与工件表面以“弹性接触”替代“硬冲击”，从而避免了抛光划痕和表面损伤。随着抛光过程的进行，摩擦条件下产生的局部高温会使外壳的枝链分子发生断裂，逐渐露出内核（无机磨粒）表面，使抛光得以一种“柔性抛光”的渐进方式进行，从而改善抛光后表面的微观状况，降低粗糙度。同时，本发明的抛光液为碱性，抛光后清洗方便，对设备无腐蚀，可延长设备使用寿命、降低加工成本。
具体实施方式：
实施例1：
由核/壳型复合纳米磨料、络合剂、成膜剂、分散剂、氧化剂、纯水组成，pH值为1.0~7.0，更优为pH2.0~5.0，所用原料的质量百分比为：
核/壳型复合纳米磨料 1%~10%
络合剂 0.5%~2%
成膜剂 0.01%~2%
分散剂 0.5%~3%
氧化剂 0.5%~10%
纯水 余量
所述核/壳型复合纳米磨料是粒径为200~2000nm的无机-有机核/壳型复合纳米颗粒，内核为用丙烯酞氯进行表面改性的SiO2、Al2O3或金刚石中的一种，外壳为丙烯酸酯高分子链聚合物。
核/壳型复合纳米磨料的制作方法是采用常规的纳米磨料乳液聚合的方法得到，具体方法如下：将无机磨料（SiO2、Al2O3或金刚石）用丙烯酞氯进行表面改性，随后放置于丙烯酸酯高分子链聚合物溶液中，利用表面改性剂如硅烷作偶联剂，在110℃温度下进行乳液聚合反应，反应时间为12小时，其接枝率为10%，得到表面包覆丙烯酸酯高分子链聚合物的无机-有机核/壳型复合纳米磨粒，平均粒径为1920nm。
作用原理是丙烯酸酯高分子聚合物通过硅烷改性，进而可以和经表面改性的纳米氧化物（氧化铝、二氧化硅或金刚石等）磨料表面进行常规的自由基聚合反应，从而形成内核为无机颗粒，外壳为有机聚合物的复合纳米磨料。通过控制接枝高分子链段的大小可以调节核/壳型复合纳米磨料的粒径大小、硬度、亲水性等。
所述丙烯酸酯高分子链聚合物为甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、乙氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯中的至少一种。
所述螯合剂为乙二胺四乙酸、二亚乙基三胺五乙酸、三亚乙基四胺六乙酸、次氮基三乙酸及其铵盐或钠盐中的至少一种。
所述成膜剂为阴离子表面活性剂与苯并三氮唑（BTA）或阴离子表面活性剂与苯并三氮唑（BTA）的衍生物组成的混合物，阴离子表面活性剂与苯三氮唑（BTA）或其衍生物的比例为1:1~5，最优比例为1:1~2。
所述阴离子表面活性剂为烷基硫酸铵盐、烷基磺酸铵盐、烷基苯磺酸铵盐中的至少一种。
所述分散剂为脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段聚醚、聚乙烯醇嵌段共聚物或聚苯乙烯嵌段共聚物、聚丙烯酸及其盐（PAA）、聚乙二醇（PEG）、聚乙烯亚胺（PEA）、季铵盐型阳离子表面活性剂中的至少一种。
所述氧化剂为过氧化氢（H2O2）、过氧化脲、过氧乙酸、过硫酸铵中的至少一种。
所述纯水是经过离子交换树脂过滤的水，其电阻至少是18 M??。
各原料在其质量范围内选择，总质量为100%。
实施例1制备方法：在机械搅拌条件下，将核/壳型复合纳米磨粒加入到水中采用超声分散稀释，向核/壳型复合纳米磨粒分散液中加入络合剂、成膜剂、分散剂、氧化剂及纯水，充分搅拌均匀后，加入pH调节剂调节到需要的pH值范围，即可。
用本发明实施例1进行抛光实验：采用美国CETR公司的CP-4抛光机，抛光垫为IC1000/Suba IV抛光垫，抛光压力3Psi，下盘转速100rpm，抛光液流量200ml/min，抛光后表面通过AFM测试其表面粗糙度（RMS）。
抛光后材料去除速率为R=630~800nm，表面粗糙度Ra=5~13nm。
实施例2：
核/壳型复合纳米磨料（内核为SiO2） 2%；
乙二胺四乙酸 0.5%；
BTA+十二烷基硫酸铵（1：1） 0.01%；
聚丙烯酸 0.05%；
过氧化氢（H2O2） 0.5%；
纯水 余量。
按照上述所述具体实施方式制备及进行抛光实验。抛光后材料去除率为R=760nm，表面粗糙度Ra=10nm。
实施例3：
核/壳型复合纳米磨料（内核为Al2O3） 5%；
二亚乙基三胺五乙酸 0.5%；
BTA+十二烷基硫酸铵（1：5） 0.01%；
聚乙二醇 2%；
过硫酸铵 5%；
纯水 余量。
按照上述所述具体实施方式制备及进行抛光实验。抛光后材料去除率为R=650nm，表面粗糙度Ra=8nm。
Claims (7)
1.一种核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液，其特征在于所用原料及质量百分比为：
核/壳型复合纳米磨料 1%~10%
络合剂 0.5%~2%
成膜剂 0.01%~2%
分散剂 0.5%~3%
氧化剂 0.5%~10%
纯水 余量
所述核/壳型复合纳米磨料是粒径为200~2000nm的无机-有机核/壳型复合纳米颗粒，内核为SiO2、Al2O3或金刚石中的一种，外壳为丙烯酸酯高分子链聚合物。
2.根据权利要求1所述的核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液，其特征在于：所述丙烯酸酯高分子链聚合物为甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、乙氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液，其特征在于：所述螯合剂为乙二胺四乙酸、二亚乙基三胺五乙酸、三亚乙基四胺六乙酸、次氮基三乙酸及其铵盐或钠盐中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液，其特征在于：所述成膜剂为阴离子表面活性剂与苯并三氮唑或其衍生物组成的混合物，阴离子表面活性剂与苯三氮唑或其衍生物的比例为阴离子表面活性剂与苯三氮唑或其衍生物的比例为1：1~5。
5.根据权利要求4所述的核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液，其特征在于：所述阴离子表面活性剂为烷基硫酸铵盐、烷基磺酸铵盐、烷基苯磺酸铵盐中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液，其特征在于：所述分散剂为脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段聚醚、聚乙烯醇嵌段共聚物或聚苯乙烯嵌段共聚物、聚丙烯酸及其盐、聚乙二醇、聚乙烯亚胺、季铵盐型阳离子表面活性剂中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的所述的核/壳型复合纳米磨料铜化学机械抛光液，其特征在于：所述氧化剂为过氧化氢、过氧化脲、过氧乙酸、过硫酸铵中的至少一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110216 |