CN103774150A - 一种化学机械抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于铜钨合金的化学机械抛光液，其含有水、研磨颗粒、银离子、硫酸根离子、铜腐蚀抑制剂和氧化剂。本发明的抛光液可以在实现铜钨合金高速抛光速度的同时，显著抑制铜表面的腐蚀。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械抛光液，更具体地说，涉及用于铜钨合金的抛光液。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，以及大规模集成电路互连层的不断增加，导电层和绝缘介质层的平坦化技术变得尤为关键，其中，由IBM公司在二十世纪80年代首创的化学机械抛光（CMP）技术被认为是目前全局平坦化的最有效的方法。化学机械抛光（CMP）是一种由化学作用、机械作用以及这两种作用相结合而实现平坦化的技术；它通常由一个带有抛光垫的研磨台，及一个用于承载芯片的研磨头组成。其中研磨头固定住芯片，然后将芯片的正面压在抛光垫上，当进行化学机械抛光时，研磨头在抛光垫上线性移动或是沿着与研磨台一样的运动方向旋转；与此同时，含有研磨剂的浆液被滴到抛光垫上，并因离心作用平铺在抛光垫上。芯片表面在机械和化学的双重作用下实现全局平坦化。
对金属层化学机械抛光（CMP）的主要机制被认为是：氧化剂先将金属表面氧化成膜，以二氧化硅和氧化铝为代表的研磨剂将该层氧化膜机械去除，产生新的金属表面；产生的新的金属表面继续被氧化，这两种作用协同进行。
作为化学机械抛光（CMP）对象之一的金属钨，在高电流密度下，抗电子迁移能力强，并且能够与硅形成很好的欧姆接触，所以可作为接触窗及介层洞的填充金属及扩散阻挡层。铜作为导线，被广泛应用于现在的铜互联结构中。铜钨合金是一种用于微电子领域的新型材料，既有铜的良好导热性，又有钨的很低的热膨胀系数，用作微电路衬底。
对于钨材料的抛光：
1991年，F.B.Kaufman等报道了铁氰化钾用于钨化学机械抛光的方法（″Chemical Mechanical Polishing for Fabricating Patterned W MetalFeatures as Chip Interconnects"，Journal of the Electro chemical Society，Vol.138，No.11，1991年11月）。
美国专利5340370公开了一种用于钨化学机械抛光（CMP）的配方，其中含有0.1M铁氰化钾，5wt％氧化硅，同时含有作为pH缓冲剂的醋酸盐。由于铁氰化钾在紫外光或日光照射下，以及在酸性介质中，会分解出剧毒的氢氰酸，因而限制了其广泛使用。
美国专利5527423，美国专利6008119和美国专利6284151等公开了将Fe（NO3）3，氧化铝体系用于钨机械抛光（CMP）的方法。该抛光体系在静态腐蚀速率（static etch rate）方面具有优势，但是由于采用氧化铝作为研磨剂，产品缺陷（defect）方面存在显著不足。同时高浓度的硝酸铁使得抛光液的pH值呈强酸性，严重腐蚀设备，同时，生成铁锈，污染抛光垫。除此之外，高浓度的铁离子作为可移动的金属离子，严重降低了半导体元器件的可靠性。
美国专利5225034，美国专利5354490首次公开了将过氧化氢和金属共同使用，用做氧化剂进行金属的抛光方法。但是这种抛光方法，对金属铜的表面没有任何保护，表面腐蚀严重。
美国专利5958288公开了将硝酸铁用做催化剂，过氧化氢用做氧化剂，进行钨化学机械抛光的方法。该发明由于铁离子的存在，和双氧水之间发生Fenton反应，双氧水会迅速、并且剧烈地分解失效，因此该抛光液存在稳定性差的问题。同时这种配方，对金属的表面没有保护，铜表面腐蚀严重。
美国专利5980775和美国专利6068787在美国专利5958288基础上，加入有机酸做稳定剂，改善了过氧化氢的分解速率。但是过氧化氢的分解速度仍然很快，同样存在对金属铜的表面没有保护，铜表面腐蚀严重的问题。
中国专利申请201010606954公开了用二氧化硅、银离子、硫酸根离子、过氧化物进行钨抛光的方法，该方法对钨具有很高的抛光速度，该体系同样存在对金属铜的表面没有保护，铜表面腐蚀严重的问题。
在铜钨合金的抛光过程中，抛光液会同时接触到铜钨合金、铜线，在更复杂的制程中也有可能会接触到金属钨。因此需要一种抛光液，对铜钨合金具有较高的抛光速度，同时对铜既有高的抛光速度，又要有很好的保护。但是，在上述的抛光液中都没有解决这一问题。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种化学机械抛光液，可以在保证很高的铜、钨、铜钨合金的抛光速度下，同时对铜的表面没有腐蚀。
本发明的抛光液含有水、研磨颗粒、银离子、硫酸根离子、铜腐蚀抑制剂和氧化剂。
在本发明中，所述研磨颗粒为二氧化硅和/或氧化铝。
在本发明中，所述研磨颗粒的质量百分比浓度为0.1-20wt%，优选地，所述研磨颗粒的质量百分比浓度为1-5wt%
在本发明中，所述银离子来自含银离子的无机盐。
在本发明中，所述含银离子的无机盐为硝酸银、硫酸银、氟化银和/或高氯酸银。
在本发明中，所述含银离子的无机盐的质量百分比浓度为0.01-0.5wt%。优选地，所述含银离子的无机盐的质量百分比浓度为0.05-0.2wt%。
在本发明中，所述无机盐为硝酸银。
在本发明中，所述硫酸根离子来自无机硫酸盐。
在本发明中，所述无机硫酸盐为硫酸铵盐、钾盐、钠盐和/或硫酸季铵盐。
在本发明中，所述无机硫酸盐的质量百分比为0.05-1wt%。优选地，所述无机硫酸盐的质量百分比为0.1-0.5wt%。
在本发明中，所述铜腐蚀抑制剂选自唑类和/或能吸附在铜表面的表面活性剂。
在本发明中，所述唑类铜腐蚀抑制剂为三氮唑、苯并三氮唑和/或其衍生物。
在本发明中，所述唑类腐蚀抑制剂为TAZ和/或BTA。
在本发明中，所述表面活性剂为含聚氧乙烯醚长链的表面活性剂。
在本发明中，所述含聚氧乙烯醚长链的表面活性剂为壬基酚聚氧乙烯醚。
在本发明中，所述铜腐蚀抑制剂的质量百分比浓度为0.05-0.2wt%。
在本发明中，所述氧化剂选自无机过氧化物。
在本发明中，所述无机过氧化物为双氧水和/或单过硫酸钾。
在本发明中，所述过氧化物为双氧水。
在本发明中，所述无机过氧化物的质量百分比浓度为0.5-6wt%。优选地，所述无机过氧化物的质量百分比浓度为1-4wt%。
在本发明中，所述抛光液的PH为值2~5。
上述任一抛光液可应用在铜钨合金的抛光中。
本发明的技术效果在于：
1、可以在保证很高的铜、钨、铜钨合金的抛光速度下，同时对铜的表面没有腐蚀；
2、本发明的抛光液体系中不含催化双氧水分解的铁离子，因此，含银离子的体系对双氧水的稳定性远远优于含铁体系。（在同样的浓度条件下，含铁体系，双氧水一周内至少降解10％，含银体系双氧水不分解）。因此，配方用于生产，更稳定。
具体实施方式
本发明所用试剂及原料均市售可得。本发明的清洗液由上述成分简单均匀混合即可制得。
制备实施例
下面通过具体实施例，对本发明抛光液进行详细的介绍和说明，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
表1给出了本发明实施例1~6以及对比抛光液主要组分及其质量百分含量，按表中所列组分及其含量，在去离子水中混合均匀，用pH调节剂(硝酸或氢氧化钾)调到所需pH值，即可制得化学机械抛光液。
表1：本发明实施例1-6以及对比例1-2的配方表
效果实施例
将上述实施例和对比例抛光液对钨进行化学机械抛光，抛光条件：抛光机台为Logitech（英国）1PM52型，polytex抛光垫，4cm×4cm正方形晶圆（Wafer），研磨压力4psi，抛光液滴加速度100ml/分钟。具体抛光结果见表2。
表2本发明实施例1-6以及对比例1-2的抛光效果数据
阅读表2的效果数据，通过对比例1和本发明的实施例1的比较，可以看出本发明抛光液中由于加入了铜的腐蚀抑制剂，在保持高速铜钨合金抛光速率的前提下，显著改善了铜表面的腐蚀。进一步地，通过对比例2和实施例1的比较，可以看出本发明由于包含银离子，对铜钨合金的抛光速率有了非常大的提升。
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 (26)
1.一种化学机械抛光液，其含有水、研磨颗粒、银离子、硫酸根离子、铜腐蚀抑制剂和氧化剂。
2.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述研磨颗粒为二氧化硅和/或氧化铝。
3.根据权利要求2所述的抛光液，其特征在于：所述研磨颗粒的质量百分比浓度为0.1-20wt%。
4.根据权利要求3所述的抛光液，其特征在于：所述研磨颗粒的质量百分比浓度为1-5wt%
5.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述银离子来自含银离子的无机盐。
6.根据权利要求5所述的抛光液，其特征在于：所述含银离子的无机盐为硝酸银、硫酸银、氟化银和/或高氯酸银。
7.根据权利要求5所述的抛光液，其特征在于：所述含银离子的无机盐的质量百分比浓度为0.01-0.5wt%。
8.根据权利要求7所述的抛光液，其特征在于：所述含银离子的无机盐的质量百分比浓度为0.05-0.2wt%。
9.根据权利要求6所述的抛光液，其特征在于：所述无机盐为硝酸银。
10.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述硫酸根离子来自无机硫酸盐。
11.根据权利要求10所述的抛光液，其特征在于：所述无机硫酸盐为硫酸铵盐、钾盐、钠盐和/或硫酸季铵盐。
12.根据权利要求11所述的抛光液，其特征在于：所述无机硫酸盐的质量百分比为0.05-1wt%。
13.根据权利要求12所述的抛光液，其特征在于：所述无机硫酸盐的质量百分比为0.1-0.5wt%。
14.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述铜腐蚀抑制剂选自唑类和/或能吸附在铜表面的表面活性剂。
15.根据权利要求14所述的抛光液，其特征在于：所述唑类铜腐蚀抑制剂为三氮唑、苯并三氮唑和/或其衍生物。
16.根据权利要求15所述的抛光液，其特征在于：所述唑类腐蚀抑制剂为TAZ和/或BTA。
17.根据权利要求14所述的抛光液，其特征在于：所述表面活性剂为含聚氧乙烯醚长链的表面活性剂。
18.根据权利要求17所述的抛光液，其特征在于：所述含聚氧乙烯醚长链的表面活性剂为壬基酚聚氧乙烯醚。
19.根据权利要求14所述的抛光液，其特征在于：所述铜腐蚀抑制剂的质量百分比浓度为0.05-0.2wt%。
20.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述氧化剂选自无机过氧化物。
21.根据权利要求20所述的抛光液，其特征在于：所述无机过氧化物为双氧水和/或单过硫酸钾。
22.根据权利要求21所述的抛光液，其特征在于：所述过氧化物为双氧水。
23.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述无机过氧化物的质量百分比浓度为0.5-6wt%。
24.根据权利要求23所述的抛光液，其特征在于：所述无机过氧化物的质量百分比浓度为1-4wt%。
25.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述抛光液的PH为值2~5。
26.根据权利要求1-25任一项所述的抛光液在铜钨合金中的应用。
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