CN102464947A

CN102464947A - 一种化学机械抛光液

Info

Publication number: CN102464947A
Application number: CN2010105547327A
Authority: CN
Inventors: 姚颖; 宋伟红; 孙展龙
Original assignee: Anji Microelectronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: Anji Microelectronics Shanghai Co Ltd; Anji Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-05-23

Abstract

本发明公开了一种化学机械抛光液，该抛光液包含研磨颗粒、金属缓蚀剂、有机酸，氧化剂和水，其还包含一种或多种季铵盐型阳离子表面活性剂。本发明的抛光液对低介电材料的抛光速率具有促进作用，但对钽、铜的抛光速率无明显影响，因此可以大大提高衬底材料的抛光选择性。

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，更具体地说，本发明涉及一种用于抛光低介电材料的抛光液。

背景技术

在集成电路制造中，互连技术的标准在提高，随着互连层数的增加和工艺特征尺寸的缩小，对硅片表面平整度的要求也越来越高，如果没有平坦化的能力，在半导体晶圆上创建复杂和密集的结构是非常有限的，化学机械抛光方法CMP就是可实现整个硅片平坦化的最有效的方法。

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。

随着集成电路复杂程度的增加和器件尺寸的减小，降低互连线延迟时间成为集成电路发展中的重要内容。降低互连线延迟时间的一个重要方法就是使用低介电材料作为介质层，低介电材料包括掺碳二氧化硅(CDO)、碳氧化硅(SiOC)和Black Diamond(BD)等。这些低介电材料在未来将取代二氧化硅(如TEOS、FSG、SOG等)，构成集成电路中的绝缘层。随之产生了许多应用于抛光低介电材料的抛光液。

如专利USP6046112公开了采用ZrO₂为磨料，配合羟胺，来抛光低介电材料，但该抛光液的原料成本和生产成本高。专利US6974777公开了一种用于低介电材料的抛光液，该抛光液包含一种HLB值大于7的非离子表面活性剂，该表面活性剂会抑制低介电材料的抛光速率。专利CN200810042571.6公开了季铵盐型阳离子表面活性剂在用于抛光低介电材料的抛光液中的应用，在该抛光液中，季铵盐型阳离子表面活性剂会抑制低介电材料的抛光速率。专利CN200610116746.4公开了一种用于抛光低介电材料的抛光液，该抛光液使用无机磷酸及其盐和有机磷酸及其盐提高低介电材料的抛光速率。然而于如上所述的专利中，存在在较低的抛光压力下，低介电材料的去除速率较低以及抛光过程中低介电材料和金属去除速率选择比不易控制的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种化学机械抛光液，在较低的抛光压力下，其可以提高低介电材料的去除速率以及解决抛光过程中低介电材料和金属去除速率选择比不易控制的问题。

本发明的技术方案如下：本发明的化学机械抛光液包含研磨颗粒、金属缓蚀剂、有机酸、氧化剂、水及一种或多种季铵盐型阳离子表面活性剂。

在本发明的化学机械抛光液实施例中，按重量百分比该组合物由以下组分组成：

1)研磨颗粒 1～20wt％

2)金属缓蚀剂 0.01～1wt％

3)有机酸 0.01～2wt％

4)氧化剂 0.01～1wt％

5)双子型季铵盐型阳离子表面活性剂 0.001～0.2wt％

6)水余量

本发明中，季铵盐型阳离子表面活性剂为双子型季铵盐型阳离子表面活性剂，较佳地为(R₁R₂N⁺R₃X^-)-R₅-(R₁’R₂N⁺R₃X^-)，其中：R₁和R₁’为-C_mH_2m+1，8≤m≤18，R₁和R₁’相同或不同，R₂和R₃相同，为-CH₃或-C₂H₅，R₅为苯二亚甲基，聚亚甲基-(CH₂)_n-，2≤n≤30，或聚氧乙烯基-CH₂CH₂-(OCH₂CH₂)_n-，1≤n≤30，X-为Cl^-或Br^-。

本发明中，双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的浓度较佳地为0.005～0.1wt％。

本发明中，研磨颗粒为二氧化硅，三氧化二铝和/或二氧化铈颗粒。

本发明中，研磨颗粒的的粒径为20～150nm。

本发明中，金属缓蚀剂为唑类化合物。唑类化合物选自苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑，1，2，4-三氮唑，3-氨基-1，2，4-三氮唑，4-氨基-1，2，4-三氮唑，5-甲基-四氮唑中的一种或多种。

本发明中，有机酸选自草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、2-膦酸丁烷基-1，2，4-三羧酸、羟基亚乙基二磷酸，氨基三亚甲基磷酸及氨基酸中的一种或几种。

本发明中，氧化剂为过氧化氢、过氧乙酸，过硫酸钾和/或过硫酸铵。

本发明中，该化学机械抛光液还包含pH调节剂。

本发明中，该化学机械抛光液的pH值为2.0～7.0。

本发明所用试剂及原料均市售可得。

本发明的积极效果在于：

1)在较低的压力下具有较高的低介电材料BD的去除速率；

2)可通过调节抛光液中的双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的含量来控制低介电材料BD的去除速率，且对钽、铜的抛光速率无明显的影响，满足抛光过程中低介电材料和金属去除速率选择比的要求；

3)晶圆具有完好的表面形貌和较低的表面污染物残留。

附图说明

图1为效果实施例2中双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的用量对低介电材料BD的去除速率对比图；

图2为效果实施例3中抛光液的不同pH值对低介电材料BD的去除速率对比图；

图3为效果实施例4中磨料浓度对低介电材料BD的去除速率对比图；

图4为效果实施例5中双子型季铵盐型阳离子表面活性剂对不同抛光材料的去除速率对比图。

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。实施例中各成分百分比均为质量百分比。

制备实施例1～7

表1给出了本发明的化学机械抛光液制备实施例1～7，按表中配方，将各成分简单均匀混合，余量为水，之后采用氢氧化钾、氨水和硝酸调节至合适pH值，即可制得各实施例抛光液。

表1本发明的化学机械抛光液制备实施例1～7

效果实施例1

表2给出了对比抛光液和本发明的抛光液8～15的配方，按照按表中配方，将各成分简单均匀混合，余量为水，之后采用氢氧化钾、氨水和硝酸调节至合适pH值，即可制得各实施例抛光液。

表2对比抛光液和本发明的抛光液8～15

采用对比抛光液和本发明的抛光液8～15按照下述条件对低介电材料BD进行抛光。抛光条件：抛光垫为Politex 14’，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝70/90rpm，抛光液流速为200ml/min，抛光时间为2min。结果如表3所示。

表3对比抛光液和本发明的抛光液8～15对BD的去除速率

结果如表3所示：与未添加双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的抛光液相比，抛光液8～15均不同程度的提高低介电材料BD的去除速率，尤其是三亚甲基-双(十八烷基二甲基氯化铵)和三亚甲基-双(十二烷基二甲基氯化铵)，其去除速率达到

以上。

效果实施例2

表4给出了对比抛光液和本发明的抛光液16～20的配方，按照按表中配方，将各成分简单均匀混合，余量为水，之后采用氢氧化钾、氨水和硝酸调节至合适pH值，即可制得各实施例抛光液。

表4对比抛光液和本发明的抛光液16～20

采用对比抛光液和本发明的抛光液16～20按照下述条件对低介电材料BD进行抛光。抛光条件：抛光垫为Politex 14’，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝70/90rpm，抛光液流速为200ml/min，抛光时间为2min。

结果如图1所示：本发明的抛光液中添加双子型季铵盐型阳离子表面活性剂后，可以显著地提高低介电材料BD的去除速率。随着双子型季铵盐型阳离子表面活性剂用量的增加，本发明的抛光液对低介电材料BD的抛光促进作用先逐渐增强，达到特定值后逐渐减弱。说明只有当双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的用量为一特定值时，才能对低介电材料BD的去除速率有促进作用。否则，过量的双子型季铵盐型阳离子表面活性剂反而会抑制低介电材料BD的去除速率。

效果实施例3

表5给出了对比抛光液和本发明的抛光液21(1)～21(4)的配方，按照按表中配方，将各成分简单均匀混合，余量为水，之后采用氢氧化钾、氨水和硝酸调节至合适pH值，即可制得各实施例抛光液。

表5对比抛光液和本发明的抛光液21(1)～21(4)

采用对比抛光液和本发明的抛光液21(1)～21(4)按照下述条件对低介电材料BD进行抛光。抛光条件：抛光垫为Politex 14’，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝70/90rpm，抛光液流速为200ml/min，抛光时间为2min。

结果如图2所示：当抛光液的pH为2.0～7.0时，相对于不含有双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的抛光液，本发明的含有双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的抛光液可以显著增加低介电材料BD的去除速率。

效果实施例4

表6给出了对比抛光液和本发明的抛光液22(1)～22(5)的配方，按照按表中配方，将各成分简单均匀混合，余量为水，之后采用氢氧化钾、氨水和硝酸调节至合适pH值，即可制得各实施例抛光液。

表6对比抛光液和本发明的抛光液22(1)～22(5)

采用对比抛光液和本发明的抛光液22(1)～22(5)按照下述条件对低介电材料BD进行抛光。抛光条件：抛光垫为Politex 14’，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝70/90rpm，抛光液流速为200ml/min，抛光时间为2min。

结果如图3所示，当二氧化硅磨料的浓度为1％～20％之间时，相对于不含有双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的抛光液，本发明的含有双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的抛光液可以显著增加低介电材料BD的去除速率。

效果实施例5

表7给出了对比抛光液和本发明的抛光液23的配方，按照按表中配方，将各成分简单均匀混合，余量为水，之后采用氢氧化钾、氨水和硝酸调节至合适pH值，即可制得各实施例抛光液。

表7对比抛光液和本发明的抛光液23

采用对比抛光液和本发明的抛光液23按照下述条件对低介电材料BD、二氧化硅TEOS材料、钽Ta材料和铜Cu材料进行抛光。抛光条件：抛光垫为Politex 14’，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝70/90rpm，抛光液流速为200ml/min，抛光时间为2min。

结果如图4所示：相对于不含有双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的抛光液，本发明的含有双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的抛光液可以提高低介电材料BD的去除速率，但是对金属如Ta和Cu的去除速率没有太大的影响，因此本发明的抛光液可以提高衬底的抛光选择性。

采用本发明的抛光液，即使用双子型季铵盐型阳离子表面活性剂可以提高低介电材料BD的去除速率，也可通过改变其浓度来调节低介电材料BD的去除速率，获得工艺要求的抛光速率选择比。

Claims

1.一种化学机械抛光液，包含：研磨颗粒、金属缓蚀剂、有机酸、氧化剂、水及一种或多种季铵盐型阳离子表面活性剂。

2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述季铵盐型阳离子表面活性剂为双子型季铵盐型阳离子表面活性剂。

3.如权利要求2所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述双子型季铵盐型阳离子表面活性剂为(R₁R₂N₊R₃X^-)-R₅-(R₁’R₂N⁺R₃X^-)，其中：R₁和R₁’为-C_mH_2m+1，8≤m≤18，R₁和R₁’相同或不同，R₂和R₃相同，为-CH₃或-C₂H₅，R₅为苯二亚甲基，聚亚甲基-(CH₂)_n-，2≤n≤30，或聚氧乙烯基-CH₂CH₂-(OCH₂CH₂)_n-，1≤n≤30，X^-为Cl^-或Br^-。

4.如权利要求2或3所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的浓度为：0.001～0.2wt％。

5.如权利要求4所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述双子型季铵盐型阳离子表面活性剂的浓度为：0.005～0.1wt％。

6.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述研磨颗粒为二氧化硅，三氧化二铝和/或二氧化铈颗粒。

7.如权利要求1或6所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述研磨颗粒的浓度为1～20wt％。

8.如权利要求1或6所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述研磨颗粒的粒径为20～150nm。

9.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述金属缓蚀剂为唑类化合物。

10.如权利要求9所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述唑类化合物选自苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、1，2，4-三氮唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑、4-氨基-1，2，4-三氮唑和5-甲基-四氮唑中的一种或多种。

11.如权利要求1、9或10所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述金属缓蚀剂的浓度为0.01～1wt％。

12.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述有机酸选自草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、2-膦酸丁烷基-1，2，4-三羧酸、羟基亚乙基二磷酸、氨基三亚甲基磷酸和氨基酸中的一种或多种。

13.如权利要求1或12所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述有机酸的浓度为0.01～2wt％。

14.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述氧化剂为过氧化氢、过氧乙酸，过硫酸钾和/或过硫酸铵。

15.如权利要求1或14所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述氧化剂的浓度为0.01～1wt％。

16.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述化学机械抛光液的pH值为2.0～7.0。