CN103725256A

CN103725256A - 用于cmp的研磨颗粒体系及抛光液

Info

Publication number: CN103725256A
Application number: CN201310753961.5A
Authority: CN
Inventors: 钟旻
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-16
Also published as: US20160297998A1; WO2015101034A1

Abstract

本发明公开了一种研磨颗粒体系及抛光液，其含有有机颗粒、无机颗粒以及化学溶液，该有机颗粒的含量是无机颗粒含量的3-10倍。本发明通过颗粒混合比例和分布的控制，使无机颗粒在研磨颗粒体系中的含量大幅降低，从而减少抛光造成的表面划伤和颗粒的残留；并对有机颗粒的形状进行设计，增大颗粒在抛光过程中的接触面积，提高抛光效率。本发明充分发挥了无机颗粒和有机颗粒各自的优点，并且制备工艺简单，制造成本低廉，特别适用于超低k值材料和铜、铝等硬度较低的金属材料表面抛光工艺。

Description

用于CMP的研磨颗粒体系及抛光液

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种用于CMP的研磨颗粒体系及抛光液。

背景技术

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是半导体制造中的重要工艺之一，它是通过对具有图形化的晶片表面的半导体材料、绝缘材料和金属材料进行研磨和材料去除，实现晶片表面全局平坦化的一种工艺。在抛光过程中，待抛光的晶片被固定在抛光载体上，具有研磨颗粒和化学溶液的抛光液施加在抛光垫上，通过抛光液中的化学物质使晶片表面的材料氧化生成较软的氧化层，再通过抛光垫、抛光液中的研磨颗粒以及晶片之间接触摩擦作用，去除前期形成的氧化层，露出新生表面，再形成氧化层并去除，将晶片表面凸起部分全部去除，达到表面平坦化。

抛光液中的研磨颗粒对抛光速率以及抛光表面质量具有重要影响。随着工艺节点的不断减小，低k值材料的应用和铝在金属栅中的应用（metal gate），对抛光表面的要求越来越高，希望抛光表面无划伤，无研磨颗粒残留。而传统无机研磨颗粒（如图1）如烧结型二氧化硅（fumed SiO₂）、氧化铈硬度较高，并且用于介质材料抛光的抛光液中一般研磨颗粒含量较高（>10%），这些因素都会导致在低k值材料和铜、铝等硬度较低的金属材料表面造成划伤。研究表明用有机材料制备的研磨颗粒具有弹性，能有效降低颗粒与晶片摩擦造成的划伤，但采用单一的有机颗粒由于颗粒硬度不高，抛光效率很低。近几年，以有机材料为核心，外面包覆或吸附一层无机颗粒的复合型研磨颗粒研究越来越收到关注，相关的专利也有很多。例如中国专利申请CN1616573A公开了无机颗粒吸附到有机树脂颗粒表面（如图2A），但其工艺复杂，无机颗粒在有机颗粒表面的分布难以控制；而中国专利申请CN1982400A公开了以有机纳米颗粒为核，通过溶液反应在有机颗粒表面形成二氧化铈壳层，形成复合磨料（如图2B），但其制作成本高。这类复合型研磨颗粒制备工艺复杂，生产成本高。

如何使得抛光液中的研磨颗粒既具备有机颗粒不易划伤表面的优点，又具备无机颗粒抛光速率高的优点是本领域技术人员需要解决的技术问题之一。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，而提供一种用于CMP的研磨颗粒体系及抛光液，提高抛光效率的同时，可以减少抛光造成的表面划伤和颗粒残留。

本发明提供的用于CMP的研磨颗粒体系，其含有有机颗粒、无机颗粒以及化学溶液，该有机颗粒的含量是无机颗粒含量的3-10倍。

进一步地，该有机颗粒的形状是星云状或多聚长链形。

进一步地，该有机颗粒的单体分子量为500-10000，粒径为50-200nm，硬度为1.0-3.0Gpa。

进一步地，该有机颗粒在研磨颗粒体系中的重量含量为5-20wt%。

进一步地，该有机颗粒是热塑性材料或热固性材料。

进一步地，该有机颗粒选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯－丙烯腈共聚物、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙（丁）二酯、聚氨酯、聚醚醚酮、酚醛树脂、脲醛树脂或环氧树脂中的一种或多种。

进一步地，该有机颗粒通过本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合、溶液聚合、离子聚合、配位聚合、熔融聚合或界面缩聚制得。

进一步地，该无机颗粒在研磨颗粒体系中的重量含量为0.5-5wt%，其粒径为30-200nm。

进一步地，该无机颗粒选自矾土、氧化钛、氧化锆、氧化硅、氧化铈或氧化钽中的一种或多种。

进一步地，该有机颗粒不与无机颗粒相互吸附。

进一步地，该化学溶液包含pH调节剂、表面活性剂和溶剂。

进一步地，该pH调节剂选自氢氧化钾、氨水、硝酸或盐酸。

进一步地，该表面活性剂选自阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种或多种。

进一步地，该研磨颗粒体系的pH值为2-12，有机颗粒和无机颗粒的总重量含量为5-25wt%。

本发明还提供一种具有上述研磨颗粒体系的化学机械抛光液。

本发明通过颗粒混合比例和分布的控制，使无机颗粒在研磨颗粒体系中的含量大幅降低，从而减少抛光造成的表面划伤和颗粒的残留；并对有机颗粒的形状进行设计，增大颗粒在抛光过程中的接触面积，提高抛光效率。本发明充分发挥了无机颗粒和有机颗粒各自的优点，并且制备工艺简单，制造成本低廉，特别适用于超低k值材料和铜、铝等硬度较低的金属材料表面抛光工艺。

附图说明

为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：

图1是传统的抛光液中的研磨颗粒；

图2A和2B是一般复合型研磨颗粒的示意图；

图3是本发明研磨颗粒体系组成示意图；

图4是本发明实施例一的有机颗粒示意图；

图5是本发明实施例二的有机颗粒示意图。

具体实施方式

第一实施例

请参阅图3和图4，本实施例的研磨颗粒体系含有有机颗粒、无机颗粒和化学溶液。

其中，本实施例用悬浮聚合法制备聚氯乙烯（PVC），聚氯乙烯单体为球状，通过加入不同的聚合引发剂，把球状的聚氯乙烯单体连接在一起，形成长链状结构，链状长度是10-200个球状聚氯乙烯单体，链状有机颗粒在研磨颗粒体系中的重量浓度为20wt％。相比单球状的有机颗粒，长链状的聚氯乙烯颗粒可以在抛光过程中大大增加颗粒与晶片表面的接触面积，提高抛光速率和效率。聚氯乙烯颗粒具有良好的弹性，抛光时不会造成晶片表面的划伤；并且制备时可以通过加入不同的增塑剂，其硬度可大幅度改变，从而调节其抛光速率。聚氯乙烯颗粒化学性质稳定，金属离子含量低，耐化学腐蚀，不会对抛光工艺引入杂质。

其中，本实施例采用氧化铈颗粒为无机颗粒，其直径为80-120nm，在研磨颗粒体系中的重量浓度为5wt％。一般研磨颗粒体系中单一研磨颗粒含量在10％以上，本实施例中无机颗粒含量的大幅度降低有助于整个溶液体系的稳定，并且能有效降低抛光造成的晶片表面划伤。

将有机颗粒和无机颗粒混合，加入pH调节剂氨水、氢氧化钾和有机碱，使研磨颗粒体系的pH值为8.0～11.0。再加入非离子表面活性剂如烷基酚聚氧乙烯醚等，利用其疏水结构和亲水结构，调节无机颗粒和有机颗粒表面的界面电位（Zeta potential），防止两者互相吸引造成颗粒团聚，使溶液体系呈稳定的悬浮液。采用此研磨颗粒体系制备而成的抛光液对低k值材料如BD（black diamond）系列材料进行抛光，能够在保持抛光速率较高的情况下，大幅度降低晶片表面的划伤等缺陷。

第二实施例

请参阅图3和图5，本实施例的研磨颗粒体系含有有机颗粒、无机颗粒和化学溶液。

其中，本实施例用本体聚合法制备高抗冲聚苯乙烯，它是苯乙烯和丁二烯的聚合物，通过加入不同的聚合引发剂使聚苯乙烯形成星云状结构，颗粒分子量在1000-50000，有机颗粒在研磨颗粒体系中的重量浓度为10wt％。相比单球状的有机颗粒，星云状结构的聚苯乙烯颗粒可以在抛光过程中大大增加颗粒与晶片表面的接触面积，增加温和的摩擦力，提高抛光速率和效率，并且这种聚苯乙烯由于不同位置材料成分不同，其弹性可以调节，不会划伤晶片表面。这种高抗冲聚苯乙烯抗化学腐蚀，化学性质稳定，金属离子含量低，不会给抛光工艺引入杂质。

在研磨颗粒体系中加入无机颗粒，采用直径为80nm的硅溶胶颗粒，在研磨颗粒体系中的重量浓度为2wt％。将有机颗粒和无机颗粒混合，加入pH调节剂盐酸和硝酸或有机酸，使研磨颗粒体系的pH值为2.0～5.0，再加入两性表面活性剂如聚山梨酯（吐温）等和阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠等，调节无机颗粒和有机颗粒表面的界面电位（Zetapotential），防止两者互相吸引造成颗粒团聚，使溶液体系呈稳定的悬浮液。采用此研磨颗粒体系制备而成的抛光液对铜和铝等较软的金属材料进行抛光，能够在保持抛光速率较高的情况下，大幅度降低晶片表面的划伤等缺陷。

在其他实施例中，化学机械抛光液含有上述第一实施例或第二实施例的研磨颗粒体系，还含有抑制剂、螯合剂、氧化剂、增速剂中的一种或多种常用试剂。

Claims

1.一种用于CMP的研磨颗粒体系，其特征在于：其含有有机颗粒、无机颗粒以及化学溶液，该有机颗粒的含量是无机颗粒含量的3-10倍。

2.根据权利要求1所述的研磨颗粒体系，其特征在于：该有机颗粒的形状是星云状或多聚长链形。

3.根据权利要求2所述的研磨颗粒体系，其特征在于：该有机颗粒的单体分子量为500-10000，粒径为50-200nm，硬度为1.0-3.0Gpa，该有机颗粒在研磨颗粒体系中的重量含量为5-20wt%。

4.根据权利要求3所述的研磨颗粒体系，其特征在于：该有机颗粒选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯－丙烯腈共聚物、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙（丁）二酯、聚氨酯、聚醚醚酮、酚醛树脂、脲醛树脂或环氧树脂中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的研磨颗粒体系，其特征在于：该有机颗粒通过本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合、溶液聚合、离子聚合、配位聚合、熔融聚合或界面缩聚制得。

6.根据权利要求2所述的研磨颗粒体系，其特征在于：该无机颗粒在研磨颗粒体系中的重量含量为0.5-5wt%，其粒径为30-200nm，该无机颗粒选自矾土、氧化钛、氧化锆、氧化硅、氧化铈或氧化钽中的一种或多种。

7.根据权利要求1至6任一项所述的研磨颗粒体系，其特征在于：该有机颗粒不与无机颗粒相互吸附。

8.根据权利要求7所述的研磨颗粒体系，其特征在于：该化学溶液包含pH调节剂、表面活性剂和溶剂，该研磨颗粒体系的pH值为2-12，该有机颗粒和无机颗粒的总重量含量为5-25wt%。

9.根据权利要求8所述的研磨颗粒体系，其特征在于：该pH调节剂选自氢氧化钾、氨水、硝酸或盐酸，该表面活性剂选自阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种或多种。

10.一种化学机械抛光液，其特征在于：其含有权利要求7所述的研磨颗粒体系。