CN102453439A - 一种化学机械抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液，它至少包含一种磨料粒子，一种金属螯合剂，一种金属腐蚀抑制剂组合，一种有机溶剂以及一种氧化剂。该抛光液具有较高的介质材料和低介电材料去除速率，具有较好的表面缺陷校正能力，并能有效的减少抛光过程中金属化合物在抛光垫上的残留。并具有较好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学机械抛光液。
背景技术
铜互连的平坦化通常采用三步法，即铜的粗抛，软着陆和阻挡层的抛光。而阻挡层的抛光是非常关键的步骤，因为它的目的是去除钽阻挡层，清理表面所有金属残留和有机物残留等，并停止在工艺要求的厚度，形成铜互联线，这一步决定着最终的表面形貌、可靠性和电学特性。随着45nm技术的发展以及新材料尤其是低介电材料的应用，对包括表面污染物颗粒，碟形凹陷，厚度分布，抛光均一性、表面洁净度以及低介电材料的去除速率等等关键参数都有了更高的要求。特别是表面污染物控制、电性能和可靠性方面，其精度和范围越来小，越来越苛刻，电阻值在不同线宽的分布，电迁移特性，击穿电压(VBD)分布以及时间相关介质击穿(TDDB)等等都更加依赖于阻挡层的抛光。再者，低介电材料的机械强度也要求CMP工艺更加温和以保护介质层的机械完整性，抛光耗材的成本控制也要求抛光液的低成本和抛光垫的长寿命，这些都对阻挡层的抛光提出了更大的挑战，可以说没有理想和高质量的阻挡层抛光，技术节点的进一步推进将不可能实现。在阻挡层的抛光过程中会出现金属腐蚀和介质材料侵蚀，金属物质残留，有机物质残留，抛光均一性等问题，因为各个芯片厂的制造工艺有不同的侧重点，所以对阻挡层的平坦化也有不同的要求，现今的抛光液市场，还没有一支抛光液能够解决所有的问题，尤其是对45nm及以下制程中，阻挡层的厚度更薄，封盖材料以及低介电材料的物性特点，都使得抛光液的配方对抛光性能的变化更加敏感，尤其是对表面缺陷的修正能力，抛光均一性和稳定性等方面都有近乎苛刻的要求。本专利提供一种阻挡层抛光液，具有较高的二氧化硅去除速率和可调的低介电材料去除速率，表面污染物较低，抛光垫无金属物质残留抛光液，并具有较强的表面缺陷修补能力。且成本低廉使用方便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决铜的去除随双氧水变化敏感、抛光过程中抛光垫上金属物质残留、提高低介电材料去除速率的问题。解决图形晶圆上表面缺陷的校正能力的问题。
本发明提供了一种化学机械抛光液，包含以下组分：
一种磨料、一种金属腐蚀抑制剂组合、一种螯合剂、一种氧化剂、一种有机溶剂。
其中，磨料是二氧化硅溶胶，气相法二氧化硅。粒径为20-200nm，最优的是30-120nm。磨料含量为1-30％，较好的为5-20％
金属腐蚀抑制剂组合包括一种唑类化合物，一种水溶性聚合物，一种大分子有机膦或有机磷酸脂。其中，唑类化合物为苯并三氮唑(BTA)及其衍生物，水溶性聚合物为聚丙烯酸及其盐或聚丙烯酸共聚物，所述的大分子有机膦为多氨基多醚基亚甲基膦酸(PAPEMP)或有机磷酸脂例如多元醇磷酸酯(PAPE)。BTA的浓度范围为0.01-0.5％，最好的是0.1-0.2％，水溶性聚合物的浓度为0.01-1％，最好的是在0.05-0.2％，大分子有机膦或有机磷酸脂的含量在0.01％-1％，最好的为0.05-0.5％。
螯合剂为一元羧酸或多元羧酸，或者有机膦。例如醋酸，草酸，丙二酸，柠檬酸，酒石酸，丁二酸，己二酸等，有机膦为，2-膦酸基丁烷-1，2，4-三羧酸(PBTCA)，2-羟基膦酰基乙酸(HPAA)，羟基亚乙基二膦酸(HEDP)，乙二胺四甲叉膦酸五钠(EDTMP)，氨基三甲叉膦酸(ATMP)，等，螯合剂的添加量为0.01-1％，最佳的为0.1-0.5％。
其中，有机溶剂为醇类或醚类有机溶剂，较好的为乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二乙二醇；乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚，丙二醇乙醚、丙二醇丙醚、丙二醇丁醚、二乙二醇单甲醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、二丙二醇乙醚、二丙二醇丙醚等。有机溶剂的添加量为0.1-10％，最好的是1-5％。
上述含量均为质量百分比含量。
其中，氧化剂为过氧化物或过硫化物，过氧化氢，过氧化钠，过氧化钾，过氧化苯甲酰，过硫酸钠，过硫酸钾，过硫酸铵等
本发明的化学机械抛光液进一步包括：杀菌防霉变剂，如聚季铵盐等。
本发明的化学机械抛光液pH值为2-5，较佳的为3-4。
本发明中：磨料的作用是去除反应掉的表面金属材料和非金属材料。螯合剂的作用是彻底清楚抛光后表面的金属物质残留。复合防腐剂的作用是保护金属不被腐蚀，另外对氧化剂的合适的敏感程度，保护凹陷处的金属不被快速去除，进而对前程的表面缺陷进行修补。有机溶剂的作用是改变抛光液在晶片和抛光垫上的吸附性能，溶解去除有机物残留和金属物质残留，延长抛光垫寿命，提高抛光稳定性。并能一定程度的提高二氧化硅和low-k材料的去除速率，并抑制铜的去除，改善抛光液在晶片和抛光垫上面的扩散行为，改善管芯内不同线宽结构的抛光均一性。
本发明的有益效果是：采用金属腐蚀抑制剂组合，有效保护金属在抛光过程中免受腐蚀，并能校正前程的表面缺陷，达到平坦化的效果，采用有机溶剂来改变浆料与抛光垫和晶片之间的吸附行为，来降低抛光垫上金属残留物的水平，进一步提高抛光垫寿命，提高产能，此外有机溶剂也能一定程度的调整对不同膜层的抛光选择比，更利于得到工艺要求的厚度分布和表面性貌。
附图说明
图1为不同金属腐蚀抑制剂组合下铜去除速率随双氧水浓度的变化情况；
图2为二氧化硅的去除速率随有机溶剂浓度的变化情况。
图3为低介电材料的抛光速率随有机溶剂添加量的变化情况。
图4为金属去除速率随有机溶剂添加量的变化。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步阐述本发明的优势。
抛光条件：
抛光垫：Fujibo pad
抛光条件：70/90rpm
抛光液流量：100ml/min
静态腐蚀速率：将新鲜抛光的铜片放入浆液中浸渍15min，测量前后的膜层厚度。
蝶形凹陷：采用TEOS封盖的BD 854图形晶圆，测量80um金属块的蝶形凹陷。
切片内的抛光均一性：为一个管芯内不同线宽的蝶形凹陷。
表1、实施例1～11
注：参比抛光液为市售的阻挡层抛光液
表2、实施例1～11的实施效果数据
SER：静态腐蚀速率；Corrosion：金属腐蚀；TEOS：二氧化硅；BD1：低介电材料(黑钻1)；Ta：阻挡层金属钽；Pre阻挡层抛光前的蝶形凹陷；pos。：阻挡层抛光后的蝶形凹陷；WIDNU：一个管芯内的抛光均一性。
从上述实施例中我们可以看出，与对比抛光液，本专利特有的抛光液具有更多的优点。
从图1可以看出，采用金属腐蚀抑制剂组合，能够将金属铜的去除速率随双氧水变化的敏感程度调整到工艺要求的范围，即不能太敏感以至于工艺难以控制，又不能过于惰性，造成厚度分布不可调。
从图2-4可以看出，有机溶剂的加入，改变了抛光液在晶片和抛光垫上的吸附扩散性能。从而改变了各种膜层材料的去除速率。进而改变管芯内的抛光均一性。加入有机溶剂，能够一定程度上提高介质材料包括二氧化硅(PETEOS)和低介电材料(BD1)的去除速率，降低金属铜的去除，这样可以更好的改善表面缺陷，使得表面形貌能够满足工艺要求。
采用本专利特有的金属腐蚀抑制剂组合，可以得到较为温和的金属对氧化剂的敏感度，使得金属的厚度控制更容易通过工艺参数和氧化剂浓度在线调控。也可以更好的修正软着陆阶段金属表面的蝶形凹陷。有机溶剂的加入配合该金属腐蚀抑制剂组合大大改善了切片级的均一性，使得同一管芯内不同线宽的表面凹陷的变化幅度降低到200埃以下，性能得到了很大的改善。
Claims (24)
1.一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液，包含：
a)一种磨料。
b)一种金属腐蚀抑制剂组合。
c)一种螯合剂。
d)一种有机溶剂。
e)一种氧化剂。
2.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述磨料是二氧化硅溶胶。
3.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述磨料粒径为20-200nm。
4.如权利要求3所述抛光液，其特征在于，所述磨料粒径为30-120nm。
5.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述磨料含量为1-30wt％。
6.如权利要求5所述抛光液，其特征在于，所述磨料含量为5-20wt％。
7.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述金属腐蚀抑制剂组合包括一种唑类化合物，一种水溶性聚合物和一种大分子有机膦或有机磷酸酯。
8.如权利要求7所述抛光液，其特征在于，所述唑类化合物为BTA及其衍生物，所述水溶性聚合物为聚丙烯酸及其盐或丙烯酸的共聚物，所述的大分子有机膦或有机磷酸酯为多氨基多醚基四亚甲基膦酸或多元醇磷酸酯。
9.如权利要求8所述抛光液，其特征在于，所述唑类化合物的浓度为0.01-0.5wt％，所述水溶性聚合物的浓度为0.01-1wt％，所述大分子有机膦或有机磷酸酯的含量为0.01％-1wt％。
10.如权利要求9所述抛光液，其特征在于，所述唑类化合物的浓度为0.1-0.2wt％，所述水溶性聚合物的浓度为0.05-0.2wt％，所述大分子有机膦或有机磷酸酯的含量为0.05-0.5wt％。
11.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述螯合剂为有机酸。
12.如权利要求11所述抛光液，其特征在于，所述有机酸为一元或多元羧酸或有机膦。
13.如权利要求11所述抛光液，其特征在于，所述一元或多元羧酸选自草酸、丙二酸、柠檬酸、酒石酸、丁二酸中的一种或多种，所述有机膦选自PBTCA、HPAA、HEDP、EDTMP和ATMP中的一种或多种。
14.如权利要求11所述抛光液，其特征在于，所述螯合剂的添加量为0.01-1wt％。
15.如权利要求14所述抛光液，其特征在于，所述螯合剂的添加量为0.1-0.5wt％。
16.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述有机溶剂为醇类或醚类有机溶剂。
17.如权利要求16所述抛光液，其特征在于，所述有机溶剂为选自乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二乙二醇；乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚，丙二醇乙醚、丙二醇丙醚、丙二醇丁醚、二乙二醇单甲醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、二丙二醇乙醚和二丙二醇丙醚中的一种或多种。
18.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述有机溶剂的含量为0.1-10wt％。
19.如权利要求18所述抛光液，其特征在于，所述有机溶剂的含量为1-5wt％。
20.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述氧化剂为过氧化物和/或过硫化物。
21.如权利要求20所述抛光液，其特征在于，所述氧化剂选自过氧化氢、过氧化钠、过氧化钾、过氧化苯甲酰、过硫酸钠、过硫酸钾和过硫酸铵中的一种或多种。
22.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述抛光液进一步包含聚季铵盐。
23.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述抛光液pH值为2-5。
24.如权利要求23所述抛光液，其特征在于，所述抛光液pH值为3-4。
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