CN102137904B - 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，其含有二氧化硅溶胶颗粒、有机羧酸和/或有机膦酸类化合物、硝酸钾和水。本发明为满足用于抛光氧化物介电质的化学机械抛光液的要求，提供了一种氧化物介电质去除速率高的化学机械抛光液。

Description

一种化学机械抛光液
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为满足用于抛光氧化物介电质的化学机械抛光液的要求，提供了一种氧化物介电质去除速率高的化学机械抛光液。
本发明所述的化学机械抛光液含有二氧化硅溶胶颗粒、有机羧酸和/或有机膦酸类化合物、硝酸钾和水。
本发明所述的羧酸为分子中具有羧基的化合物，较佳的为碳原子数2～6的二元和三元羧酸中的一种或多种，更佳的为草酸、酒石酸、亚氨基二乙酸、氨三乙酸和柠檬酸中的一种或多种。
本发明所述的有机膦酸类化合物为分子中含有膦酸基团(如式1)的化合物；
Figure GWB00000006207000031
式1
较佳的为含有1～4个如式1所示的膦酸基团，且碳原子数为2～20(更佳的为2～16)的膦酸类化合物中的一种或多种，更佳的为羟基亚乙基二膦酸(HEDP)、氨基三亚甲基膦酸(ATMP)、2-羟基膦酰基乙酸(HPAA)、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸(PBTCA)和多氨基多醚基亚甲基膦酸(PAPEMP)中的一种或多种。
所述的有机羧酸和/或有机膦酸类化合物的含量较佳的为0.2～3％，更佳的为0.2％～1％，最佳的为0.2～0.5％；百分比为质量百分比。
所述的硝酸钾的含量较佳的为0.2～3％，更佳的为0.2％～1％，最佳的为0.2～0.5％；百分比为质量百分比。
所述的二氧化硅胶体颗粒的粒径较佳的为50～100nm。二氧化硅胶体颗粒的含量较佳的为15～38％；更佳的为15～25％；百分比为质量百分比。
本发明一较佳的实施例中还含有表面活性剂，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0.2％以下，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。
所述的水较佳的为去离子水，用水补足含量至100％；百分比为质量百分比。
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、杀菌剂等。
本发明的抛光液的pH值较佳的为9～12，最佳的为9.5～10.5。
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：本发明的抛光液对氧化物介电质有较高抛光速率。在本发明一较佳实施例中，在抛光液中二氧化硅含量较低的情况下，仍能达到较高的去除速率，抛光液的成本较低。
附图说明
图1为有机羧酸、硝酸钾及其组合的TEOS去除速率图。
图2为不同种类的有机羧酸和/或有机膦酸类化合物的TEOS去除速率图。
图3为不同用量的有机羧酸和/或有机膦酸类化合物、硝酸钾的TEOS去除速率图。
图4为不同pH值的抛光液的TEOS去除速率图。
图5为不同二氧化硅磨料用量的TEOS去除速率图。
图6为不同表面活性剂的TEOS、Si3N4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。
孪生季铵盐阳离子表面活性剂31425河南道纯化工有限公司
下述各实施例中百分比皆为质量百分比。
实施例1有机羧酸和硝酸钾的促进作用
表1
Figure GWB00000006207000051
用对比抛光液1～3和抛光液1抛光二氧化硅，测定二氧化硅(TEOS)的去除速率，如图1。由图可见，有机羧酸和硝酸钾都能分别提高磨料的抛光速率，而它们的组合能够获得更高的抛光速率。
抛光液配方见表1，将各组分按表1所列含量简单均匀混合，去离子水补足质量百分比100％，用KOH调节pH。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LogitecPM5。
实施例2有机羧酸和/或有机膦酸类化合物的种类对TEOS去除速率的影响
用抛光液2～10抛光二氧化硅，测定二氧化硅的去除速率，如图2。由图可见，本发明的抛光液皆能达到很高的二氧化硅去除速率。
抛光液配方见表2，将各组分按表2所列含量简单均匀混合，去离子水补足质量百分比100％，用KOH调节pH。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LogitecPM5。
表2
Figure GWB00000006207000061
实施例3有机羧酸和/或有机膦酸类化合物、硝酸钾的用量对TEOS去除速率的影响
用抛光液11～16和对比抛光液4抛光二氧化硅，测定二氧化硅的去除速率，如图3。由图可见，有机羧酸和/或有机膦酸类化合物以及硝酸钾对去除速率的影响都随用量的升高而增大，在0.2％后达到饱和，去除速率基本不变。
抛光液配方见表3，将各组分按表3所列含量简单均匀混合，去离子水补足质量百分比100％，用KOH调节pH。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LogitecPM5。
表3
Figure GWB00000006207000071
实施例4抛光液的pH值对抛光速率的影响
用抛光液17～22抛光二氧化硅，测定其对二氧化硅的去除速率，如图4。由图可见，高pH值有利于得到高的抛光速率，但在pH＝10.0后变化不大，较佳的pH范围为9.5～10.5。
抛光液配方见表4，将各组分按表4所列含量简单均匀混合，去离子水补足质量百分比100％，用KOH调节pH。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LogitecPM5。
表4
Figure GWB00000006207000072
实施例5二氧化硅磨料的用量对TEOS去除速率的影响
用抛光液23～28抛光二氧化硅，测定其对二氧化硅的去除速率，如图5。由图可见，二氧化硅磨粒的用量越高，去除速率也越大，较佳的用量为15-38％。
抛光液配方见表5，将各组分按表5所列含量简单均匀混合，去离子水补足质量百分比100％，用KOH调节pH。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LogitecPM5。
表5
实施例6表面活性剂对TEOS、Si3N4和Poly去除速率的影响
用抛光液29～37抛光二氧化硅、Si3N4和多晶硅(Poly)，测定其对二氧化硅、Si3N4和多晶硅的去除速率，如图6和表7。由图可见，含有不同表面活性剂的抛光液，其对多晶硅的去除速率明显发生变化。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。由此可知，通过选择不同的表面活性剂，能达到不同的多晶硅的去除速率，由此可人为地控制多晶硅去除速率。
抛光液配方见表6，将各组分按表6所列含量简单均匀混合，去离子水补足质量百分比100％，用KOH调节pH。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LogitecPM5。
表6
Figure GWB00000006207000091
表7
Figure GWB00000006207000092

Claims (10)

1.一种化学机械抛光液，其含有二氧化硅溶胶颗粒、有机羧酸和/或有机膦酸类化合物、硝酸钾和水，其中所述的化学机械抛光液的pH值为9～12，所述的有机羧酸为草酸、酒石酸、亚氨基二乙酸、氨三乙酸和柠檬酸中的一种或多种，其中所述的有机羧酸和/或有机膦酸类化合物的含量为质量百分比0.2～3%，所述的硝酸钾的含量为质量百分比0.2～3%，所述的二氧化硅溶胶颗粒的含量为质量百分比15～38%。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的有机膦酸类化合物为含有1～4个膦酸基团，且碳原子数为2～20的膦酸类化合物。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的有机膦酸类化合物为羟基亚乙基二膦酸、氨基三亚甲基膦酸、2-羟基膦酰基乙酸、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸和多氨基多醚基亚甲基膦酸中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的有机羧酸和/或有机膦酸类化合物的含量为质量百分比0.2%～1%。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的硝酸钾的含量为质量百分比0.2%～1%。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的二氧化硅溶胶颗粒的粒径为50～100nm。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的二氧化硅溶胶颗粒的含量为质量百分比15～25%。
8.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的化学机械抛光液中还含有非离子型和/或两性型表面活性剂。
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CAB-30、吐温20、十二烷基二甲基甜菜碱、椰油酰胺丙基甜菜碱CAB-35和椰油脂肪酸二乙醇酰胺中的一种或多种。
10.如权利要求9所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的表面活性剂的含量为0.2%以下，不包括0%；百分比为质量百分比。
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