CN103450810B - 一种化学机械平坦化浆料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械平坦化浆料及其应用，包括研磨颗粒、氧化剂，抛光速率提升剂，腐蚀抑制剂，抛光表面改善剂和载体。本发明的化学机械平坦化浆料可以在通过抛光体系的作用同时控制硅和铜金属抛光速率，同时控制硅和金属的材料的局部和整体缺陷，减少衬底表面污染物，提高产品良率。

Description

一种化学机械平坦化浆料及其应用

技术领域

本发明涉及一种化学机械平坦化浆料，更具体地说，涉及一种用于抛光硅和铜的化学机械平坦化浆料。

背景技术

IC制造工艺中平坦化技术已成为与光刻和刻蚀同等重要且相互依赖的不可缺少的关键技术之一。而化学机械抛光（CMP）工艺便是目前最有效、最成熟的平坦化技术。化学机械抛光系统是集清洗、干燥、在线检测、终点检测等技术与一体的化学机械平坦化技术,是集成电路（IC）向微细化、多层化、平坦化、薄型化发展的产物，是集成电路提高生产效率、降低成本、晶圆全局平坦化必备技术。CMP在IC制造领域应用广泛，抛光对象包括衬底、介质及互连材料等。其中金属CMP是90纳米以下芯片制造中器件和互连制造的关键工艺之一，是亚90纳米时代的研究热点。金属铜,铝,钨正在越来越多地应用于集成电路器件上的互连,必须通过化学机械抛光实现多层互连,因而开发出新一代的金属化学机械抛光液一直让业界关注。

目前，出现了一系列适合于抛光硅的化学机械抛光浆料，如：专利US2002151252A1公开了一种用于硅CMP的组合物和方法，该专利存在的问题是铜抛光速率不足；专利US 200610014390A1公开了一种用于硅和金属的化学机械抛光浆料，该专利存在的问题是抛光后有明显缺陷；专利US 5860848公开了一种使用聚合体电解质的硅CMP的方法；专利CN 02114147.9公开了一种铜化学－机械抛光工艺用抛光液，该专利存在的问题是硅的抛光速率不足；专利CN 01818940.7公开了铜的化学机械抛光所用的浆料；专利CN98120987.4公开了一种用于铜的CMP浆液制造以及用于集成电路的制造方法。但是随着3D封装技术不断成熟,硅通孔技术不断得到更多应用,同时抛光硅和铜的应用也越来越引起人们的重视。传统的铜抛光液使用过氧化氢为氧化剂，但是这种氧化剂会抑制硅的抛光。上述用于铜抛光的抛光液还存在去除速率不族的情况，或者衬底表面存在着缺陷、划伤、粘污和/或其它残留，或者是对铜的抛光选择性不够，或者是抛光过程中存在着局部或整体腐蚀等问题。因此有必要开发出新的适用于制程的化学机械抛光浆料。本发明公开了一种通过新的抛光体系同时抛光硅和铜的，并且控制金属材料的局部和整体腐蚀，减少衬底表面污染物，与以上专利有本质不同。

发明内容

本发明的化学机械平坦化浆料可以在通过抛光体系的作用同时控制硅和铜金属抛光速率，同时控制硅和金属的材料的局部和整体缺陷，减少衬底表面污染物,提高产品良率。

本发明的化学机械平坦化浆料包括研磨颗粒、氧化剂，抛光速率提升剂，腐蚀抑制剂，抛光表面改善剂和载体。

在本发明中，该研磨颗粒的浓度为2～50%，该氧化剂的浓度为0.1～10%，抛光速率提升剂的浓度为0.1～10%，腐蚀抑制剂的浓度为0.01～2%，抛光表面改善剂的浓度为0.01～2%，载体为余量，以上百分比均指占整个化学机械抛光浆料的总重量百分比。

本发明的研磨颗粒可以参照现有技术，优选氧化硅、氧化铝、氧化铈和/或聚合物颗粒，如聚乙烯或聚四氟乙烯，更优选氧化硅。

在本发明中，该研磨颗粒的尺寸较佳地为20～200nm，更佳地为30～100nm。

在本发明中，所述的氧化剂包括强氧化剂，优选地为无机过氧化物、过硫化物和单过硫化物、有机过氧化物、或除氟外的正价卤素氧化物形成的酸或所述酸的可溶盐中的一种或几种。优选地，卤素高价氧化物（除去氟）形成的酸或可溶盐中的一种或几种；包括高碘酸，高溴酸，高氯酸，碘酸钾，溴酸钾，氯酸钾，次碘酸钾，次溴酸钾，次氯酸钾等等，以及上述酸的铵盐中的一种或几种。

在本发明中，所述的抛光速率提升剂可为能够与硅以及铜表面反应形成易溶化合物的有机酸，有机碱，氨基酸，氨类化合物，有机瞵酸，有机磺酸中的一种或几种，优选地为柠檬酸、乙二胺、乙基磺酸、氨基三亚甲基膦酸和/或甘氨酸。抛光速率提升剂还可以进一步包含含-NH结构的氨类化合物，例如唑类，胍类等等。

在本发明中，腐蚀抑制剂包括氮唑、咪唑、噻唑、吡啶或嘧啶类化合物。氮唑类化合物选自苯并三氮唑、5-甲基-1，2，3-苯并三氮唑、5-羧基苯并三氮唑、1-羟基－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、3，5-二氨基-1，2，4-三氮唑、5-羧基-3-氨基-1，2，4-三氮唑、3-氨基-5-巯基-1，2，4-三氮唑、5-乙酸-1H-四氮唑、5-甲基四氮唑、5-氨基-1H-四氮唑和1-苯基-5-巯基-四氮唑中的一种或多种；所述的咪唑类化合物为苯并咪唑和/或2-巯基苯并咪唑；所述的噻唑类化合物2-巯基-苯并噻唑、2-巯基噻二唑和/或5-氨基-2-巯基-1，3，4-噻二唑；所述的吡啶选自2，3-二氨基吡啶、2-氨基吡啶和/或2-吡啶甲酸。

在本发明中，表面改善剂包括各种阴离子，非离子表面活性剂，优选地为聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙二醇和/或脂肪醇聚氧乙烯醚。

本发明的化学机械平坦化浆料pH值为8.0～12.0，较佳地9.0-11.0。pH调节剂可为各种碱，以将pH调节至所需值即可，较佳地氢氧化钾，四甲基氢氧化胺，四乙基氢氧化胺，四丙基氢氧化胺，氨水，乙醇胺和/或三乙醇胺等等。

本发明的化学机械平坦化浆料可用于硅和铜的抛光。

本发明的积极进步效果在于：

1）控制硅和铜金属抛光速率，同时控制硅和金属的材料的局部和整体缺陷；

2）减少衬底表面污染物,提高产品良率。

附图说明

图1a和图1b为对比例抛光后SEM图；

图2为实施例1抛光后SEM图；

图3为实施例2抛光后SEM图；

图4为实施例3抛光后SEM图；

图5为实施例4抛光后SEM图。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐述本发明的优点，但本发明的保护范围不仅仅局限于下述实施例。

表1给出了本发明的平坦化浆料1~16，将表中配方，将各成分混合均匀，去离子水补足平坦化浆料质量100wt%。最后用pH调节剂（20％KOH或稀HNO3，根据pH值的需要进行选择）调节到所需pH值，继续搅拌至均匀流体，静置30分钟即可得到各化学机械平坦化浆料。

表1本发明的平坦化浆料1~16配方

本发明的平坦化浆料1~6和对比平坦化浆料，将表中配方，将各成分混合均匀，去离子水补足质量百分比100wt%，最后用pH调节剂（20％KOH或稀HNO₃，根据pH值的需要进行选择）调节到所需pH值，继续搅拌至均匀流体，静置30分钟即可得到各化学机械平坦化浆料。表2中本发明的平坦化浆料1~6和对比平坦化浆料分别对不同材料（包括硅衬底、Cu衬底，进行抛光。抛光条件相同，抛光参数如下：Logitech.抛光垫，向下压力3-5psi，转盘转速/抛光头转速=60/80rpm，抛光时间120s，化学机械平坦化浆料流速100mL/min。抛光结果见表2。

表2本发明的平坦化浆料效果实施例1~6和对比平坦化浆料的抛光效果

由以上数据和附图表明，本发明的化学机械抛光液具有以下优点：

1）控制硅和铜金属抛光速率和选择比，保持较好的抛光后表面形貌

2）同时控制硅和金属的材料的局部和整体缺陷，减少衬底表面污染物,可满足TSV抛光对表面缺陷的要求，提高良率。

应当理解的是，本发明所述wt％均指的是质量百分含量。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种用于硅和铜抛光的化学机械平坦化浆料，其特征在于，由研磨颗粒、氧化剂，抛光速率提升剂，腐蚀抑制剂，抛光表面改善剂、载体及pH调节剂组成，其中，所述腐蚀抑制剂为氮唑、咪唑、噻唑、吡啶或嘧啶类化合物，所述抛光表面改善剂为阴离子和/或非离子表面活性剂，所述抛光表面改善剂的浓度为0.001～1wt％，所述腐蚀抑制剂的浓度为0.001～1wt％，所述研磨颗粒的浓度为2～50wt％，所述氧化剂的浓度为0.1～10wt％，所述抛光速率提升剂的浓度为0.05～10wt％，所述载体为余量。

2.如权利要求1所述的平坦化浆料，其特征在于：所述研磨颗粒为氧化硅、氧化铝、氧化铈和/或聚合物颗粒。

3.如权利要求2所述的平坦化浆料，其特征在于：聚合物颗粒为聚乙烯或聚四氟乙烯。

4.如权利要求1或2所述的平坦化浆料，其特征在于：所述研磨颗粒的尺寸为20～200nm。

5.如权利要求4所述的平坦化浆料，其特征在于：所述研磨颗粒的尺寸为30～100nm。

6.如权利要求1所述的平坦化浆料，其特征在于：所述氧化剂为强氧化剂。

7.如权利要求6所述的平坦化浆料，其特征在于：所述强氧化剂选自无机过氧化物、过硫化物，单过硫化物、有机过氧化物、和除氟外的正价卤素氧化物形成的酸或可溶盐中的一种或几种。

8.如权利要求7所述的平坦化浆料，其特征在于：所述除氟外的正价卤素氧化物形成的酸或可溶盐选自高碘酸，高溴酸，高氯酸，碘酸钾，溴酸钾，氯酸钾，次碘酸钾，次溴酸钾，次氯酸钾及所述酸的铵盐中的一种或几种。

9.如权利要求1所述的平坦化浆料，其特征在于：所述抛光速率提升剂选自能够与硅以及铜表面反应形成易溶化合物的有机碱，氨基酸，氨类化合物，有机瞵酸和有机磺酸中的一种或几种。

10.如权利要求9所述的平坦化浆料，其特征在于：所述抛光速率提升剂为柠檬酸、乙二胺、乙基磺酸、氨基三亚甲基膦酸和/或甘氨酸。

11.如权利要求9所述的平坦化浆料，其特征在于：抛光速率提升剂进一步包含含-NH结构的氨类化合物。

12.如权利要求1所述的平坦化浆料，其特征在于：所述氮唑类化合物选自苯并三氮唑、5-甲基-1,2,3-苯并三氮唑、5-羧基苯并三氮唑、1-羟基－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、3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑、5-羧基-3-氨基-1,2,4-三氮唑、3-氨基-5-巯基-1,2,4-三氮唑、5-乙酸-1H-四氮唑、5-甲基四氮唑、5-氨基-1H-四氮唑和1-苯基-5-巯基-四氮唑中的一种或多种；所述咪唑类化合物为苯并咪唑和/或2-巯基苯并咪唑；所述的噻唑类化合物2-巯基-苯并噻唑、2-巯基噻二唑和/或5-氨基-2-巯基-1,3,4-噻二唑；所述的吡啶为2,3-二氨基吡啶、2-氨基吡啶和/或2-吡啶甲酸。

13.如权利要求1所述的平坦化浆料，其特征在于：所述抛光表面改善剂为聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙二醇和/或脂肪醇聚氧乙烯醚。

14.如权利要求1所述的平坦化浆料，其特征在于：所述平坦化浆料的pH值为8.0～12.0。

15.如权利要求14所述的平坦化浆料，其特征在于：所述平坦化浆料的pH值为9.0-11.0。

16.如权利要求1所述的平坦化浆料，其特征在于：所述pH调节剂为氢氧化钾，四甲基氢氧化胺，四乙基氢氧化胺，四丙基氢氧化胺，氨水，乙醇胺和/或三乙醇胺。