CN102112566B - 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，其含有溶胶型二氧化硅、速率增助剂、表面活性剂和水。本发明克服现有的用于抛光氧化物介电质的化学机械抛光液中抛光液磨料含量高、抛光表面缺陷高的缺陷，提供了一种抛光液磨料含量低、二氧化硅去除速率高、氮化硅抛光速率低的化学机械抛光液。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学机械抛光液。
技术背景
在集成电路的制造过程中，硅晶圆基片上往往构建了成千上万的结构单元，这些结构单元通过多层金属互连进一步形成功能性电路和元器件。在多层金属互连结构中，金属导线之间填充二氧化硅或掺杂其他元素的二氧化硅作为层间介电质(ILD)。随着集成电路金属互连技术的发展和布线层数的增加，化学机械抛光(CMP)已经广泛应用于芯片制造过程中的表面平坦化。这些平坦化的芯片表面有助于多层集成电路的生产，且防止将电介层涂覆在不平表面上引起的畸变。
CMP工艺就是使用一种含磨料的混合物和抛光垫抛光集成电路表面。在典型的化学机械抛光方法中，将衬底直接与旋转抛光垫接触，用一载重物在衬底背面施加压力。在抛光期间，垫片和操作台旋转，同时在衬底背面保持向下的力，将磨料和化学活性溶液(通常称为抛光液或抛光浆料)涂于垫片上，该抛光液与正在抛光的薄膜发生化学反应开始进行抛光过程。
在氧化物抛光过程中，抛光浆料主要用于去除氧化物介电质。在浅沟槽隔离层抛光时，抛光液主要用于去除以及平坦化氧化物介电质和氮化硅。在氧化物和浅沟槽隔离层抛光工艺中，都要求较高的氧化物介电质去除速率和较低的表面缺陷。对氧化物介电质进行抛光时，总是期望二氧化硅去除速率较高，而其他材料的抛光速率较低。
氧化物介电质包括薄膜热氧化二氧化硅(thin thermal oxide)、高密度等离子二氧化硅(high density plasma oxide)、硼磷化硅玻璃(borophosphosilicateglass)、四乙氧基二氧化硅(PETEOS)和掺碳二氧化硅(carbon doped oxide)等。
用于氧化物介电质抛光浆料的抛光磨料主要为气相二氧化硅、二氧化铈和溶胶型二氧化硅，但前两种磨料在抛光过程中容易划伤表面。与前两种磨料相比，溶胶型二氧化硅在抛光过程中产生的表面缺陷较少，但对氧化物介电质的去除速率较低，其抛光液中磨料的用量往往较高，pH值也较高。
美国专利US5,891,205描述了一种含有二氧化铈和二氧化硅混合磨料的氧化物抛光液。专利US6,964,600中揭示了一种二氧化硅与氮化硅高选择比的胶体二氧化硅抛光液，由5～50％的二氧化硅胶体颗粒和0.001～2.0的磺酸盐或磺酸酯构成。专利US7,351,662采用重碳酸盐促进氧化物介电质(二氧化硅或掺碳二氧化硅)的去除速率，从而获得较低的表面缺陷。
发明概要
本发明所要解决的技术问题是克服现有的用于抛光氧化物介电质的化学机械抛光液中抛光液磨料含量高、抛光表面缺陷高的缺陷，提供了一种含有二氧化硅溶胶颗粒、含有羧基的速率增助剂和表面活性剂的化学机械抛光液，从而提供了一种抛光液磨料含量低、二氧化硅去除速率高、氮化硅(Si3N4)抛光速率低的化学机械抛光液。
本发明所述的化学机械抛光液含有溶胶型二氧化硅、速率增助剂、表面活性剂和水。
本发明中所述的溶胶型二氧化硅为单分散的二氧化硅胶体颗粒的水溶液体系，其粒径较佳的为30～120nm。溶胶型二氧化硅的用量较佳的为10～20％，更佳的为15～20％。所述的溶胶型二氧化硅中二氧化硅胶体颗粒的浓度较佳的为20～50％，更佳的为30％；百分比为质量百分比。
速率增助剂指能够增加二氧化硅抛光速率的物质，较佳的为有机羧酸及其盐，以及有机膦酸及其盐中的一种或多种；更佳的为碳原子数目为2～8的多元羧酸及其盐和一取代的有机膦酸及其盐中的一种或多种；最佳的为酒石酸钾、乙二胺四乙酸、氨三乙酸、亚氨基二乙酸和2-羟基膦酰基乙酸(HPAA)中的一种或多种。所述的速率增助剂用量较佳的为0.05～4％；更佳的为0.5～2％；百分比为质量百分比。
表面活性剂较佳的为非离子型和/或两性型表面活性剂，更佳的为月桂酰基丙基氧化胺、十二烷基二甲基氧化胺(OA-12)、椰油酰胺基丙基甜菜碱(CAB-30)、吐温20(Tween 20)、十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB-35)和椰油脂肪酸二乙醇酰胺(6501)中的一种或多种。所述的表面活性剂用量较佳的为小于等于0.2％，但不包括0％，更佳的为0.005～0.05％；百分比为质量百分比。
使用非离子型或两性型表面活性剂时，通过调整表面活性剂的种类，能够得到不同的多晶硅去除速率，从而实现调节多晶硅去除速率的目的。如，十二烷基二甲基甜菜碱对多晶硅的去除速率很大，而椰油酰胺丙基甜菜碱的多晶硅去除速率低，同时使用这两种表面活性剂，得到的多晶硅去除速率介于单独使用时的去除速率之间。
水较佳的为去离子水，用水补足余量。
根据工艺实际需要，可向本发明的抛光液中添加本领域常规添加的辅助性试剂，如粘度调节剂、醇类或醚类试剂、溶胶型二氧化硅稳定剂、杀菌剂等。
本发明的抛光液的pH值较佳的为9～12，更佳的为10.5～12。
本发明的抛光液由上述成分简单均匀混合，之后采用pH调节剂调节至合适pH值即可制得。pH调节剂可选用本领域常规pH调节剂，如氢氧化钾和氨水等。
本发明所用的试剂均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
1、本发明的抛光液对氧化物介电质有较高抛光速率，而对其他材料(如多晶硅和氮化硅)具有较低抛光速率，使得本发明的抛光液具有良好的选择比，选择比为2∶1～10∶1。
2、本发明中引入速率增助剂，获得了较高的二氧化硅去除速率，从而降低抛光液中磨料的使用量，从而降低成本。
3、本发明优选的实施例中使用了非离子型和两性型表面活性剂，能够得到不同的多晶硅去除速率，从而实现调节多晶硅去除速率的目的。
附图说明
图1为不同TEOS速率增助剂的TEOS去除速率图。
图2为不同用量的TEOS速率增助剂的TEOS去除速率图。
图3为不同粒径的二氧化硅的TEOS和Ploy去除速率图。
图4为不同用量的二氧化硅的TEOS去除速率图。
图5为不同pH值的抛光液的抛光速率图。
图6为不同表面活性剂的TEOS、Si3N4和Poly的去除速率图。
图7为不同用量的表面活性剂的TEOS和Poly的去除速率图。
发明内容
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。
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实施例1添加速率增助剂对TEOS去除速率的影响
用抛光液1～5和对比抛光液1抛光二氧化硅，测定二氧化硅的去除速率，如图1。由图可见，与没有添加速率增助剂的对比1相比，引入速率增助剂后抛光液对TEOS的抛光速率明显增加。
抛光液配方见表1，用KOH调节pH，去离子水补足余量。抛光条件为：下压力4.0psi，抛光垫IC1000，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
表1
实施例2TEOS速率增助剂的用量对TEOS去除速率的影响
用抛光液1、6～9和对比抛光液1抛光二氧化硅，测定二氧化硅的去除速率，如图2。由图可见，抛光液抛光速率随增助剂用量的增加而增加，在3％左右达到饱和。
抛光液配方见表2，用KOH调节pH，去离子水补足余量。抛光条件为：下压力5.0psi，抛光垫IC1000，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
表2
实施例3二氧化硅的粒径对TEOS和Poly去除速率的影响
用抛光液10～12抛光二氧化硅和Poly，测定二氧化硅和多晶硅(Poly)的去除速率，如图3。由图可见，二氧化硅粒径对抛光速率没有太大影响，可以选择较宽的二氧化硅粒径范围。
抛光液配方见表3，用KOH调节pH，去离子水补足余量。抛光条件为：下压力4.0psi，抛光垫IC1000，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
表3
实施例4二氧化硅用量对TEOS去除速率的影响
用抛光液13～15和对比抛光液2～4抛光二氧化硅，测定二氧化硅的去除速率，如图4。由图可见，去除速率随二氧化硅用量的增加而增加。
抛光液配方见表4，用KOH调节pH，去离子水补足余量。抛光条件为：下压力5.0psi，抛光垫IC1000，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
表4
实施例5抛光液的pH值对抛光速率的影响
用抛光液16～18抛光二氧化硅和Poly，测定其对二氧化硅和Poly的去除速率，如图5。由图可见，高pH值有利于得到高的抛光速率，但在pH＝11.0后变化不大，较佳的为10.5～12。
抛光液配方见表5，用KOH调节pH，去离子水补足余量。抛光条件为：下压力4.0psi，抛光垫IC1000，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
表5
实施例6表面活性剂种类对TEOS、SiN和Poly去除速率的影响
用抛光液19～25抛光二氧化硅、Si3N4和Poly，测定其对二氧化硅、Si3N4和Poly的去除速率，如图6。由图可见，与没有添加表面活性剂的抛光液18相比，引入非离子和两性离子表面活性剂后，TEOS和Si3N4的去除速率变化不大，但poly的抛光速率显著降低。
抛光液配方见表6，用KOH调节pH，去离子水补足余量。抛光条件为：下压力4.0psi，抛光垫IC1000，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
表6
实施例7表面活性剂用量对TEOS和Poly去除速率的影响
用抛光液26～29抛光二氧化硅和Poly，测定其对二氧化硅和Poly的去除速率，如图7。由图可见，引入表面活性剂后，TEOS去除速率略有降低，但poly的去除速率显著降低，但当用量高于500ppm后，去除速率无明显变化。
抛光液配方见表7，用KOH调节pH，去离子水补足余量。抛光条件为：下压力4.0psi，抛光垫IC1000，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
表7
实施例8
用抛光液30抛光二氧化硅，测定其对二氧化硅的去除速率。抛光液配方和去除速率见表8。
表8
Claims (13)
1.一种化学机械抛光液，其含有溶胶型二氧化硅、速率增助剂、表面活性剂和水，其中，所述的溶胶型二氧化硅中二氧化硅胶体颗粒的浓度为20～50%；百分比为质量百分比，其中所述的速率增助剂为酒石酸钾、乙二胺四乙酸、氨三乙酸、亚氨基二乙酸和2-羟基膦酰基乙酸中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的溶胶型二氧化硅粒径为30～120nm。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的表面活性剂为非离子型和/或两性型表面活性剂。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的表面活性剂为月桂酰基丙基氧化胺、十二烷基二甲基氧化胺、椰油酰胺基丙基甜菜碱、吐温20、十二烷基二甲基甜菜碱、椰油酰胺丙基甜菜碱和椰油脂肪酸二乙醇酰胺中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的溶胶型二氧化硅的用量为10～20%；百分比为质量百分比。
6.如权利要求5所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的溶胶型二氧化硅的用量为15～20%；百分比为质量百分比。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的二氧化硅胶体颗粒的浓度为30%；百分比为质量百分比。
8.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的速率增助剂的用量为0.05～4%；百分比为质量百分比。
9.如权利要求8所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的速率增助剂的用量为0.5～2%；百分比为质量百分比。
10.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的表面活性剂的用量为小于等于0.2%，不包括0%；百分比为质量百分比。
11.如权利要求10所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的表面活性剂的用量为0.005～0.05%；百分比为质量百分比。
12.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的化学机械抛光液的pH值为9～12。
13.如权利要求12所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的pH值为10.5～12。
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