CN106916536A - 一种碱性化学机械抛光液 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种用于抛光阻挡层的碱性化学机械抛光液，该抛光液由研磨颗粒、唑类化合物、磷酸、氯化铵、和双氧水组成，本发明通过添加平均粒径小于30nm的研磨颗粒,可以实现对低介电材料(low‑K)的抛光速度小于二氧化硅(TEOS)的抛光速率，同时抛光后，基材表面的犬牙(fang)和缺陷(Defect)现象得到显著改善。

Description

一种碱性化学机械抛光液
技术领域
本发明涉及化学机械抛光液领域，尤其涉及一种用于阻挡层的碱性化学机械抛光液。
背景技术
化学机械抛光(CMP)，作为半导体器件制造工艺中的必备工艺，是实现芯片表面平坦化的最有效方法。而抛光液作为CMP的关键要素之一，它的性能直接影响抛光后芯片表面的质量，因此它也成为半导体制造中的重要的、必不缺少的辅助材料。然而，应用于不同的基体材料，对化学机械抛光液的性能会有不同的要求。
例如，用于抛光介于二氧化硅和铜线之间，起到阻挡铜离子向介电层扩散的阻挡层时，首先要去除阻挡层之上的金属铜，但是应用于铜的抛光液其抛光速度很快，会在基材上形成各种缺陷(例如：蝶形缺陷dishing,和侵蚀erosion)，所以，在抛光铜时，通常要求铜CMP先停止在阻挡层上，然后换另外一种专用的阻挡层抛光液，其不但可以去除阻挡层材料(例如钽)，同时对蝶形缺陷dishing和侵蚀erosion进行修正，实现全局平坦化。
商业化的阻挡层抛光液有酸性和碱性两种，各有优缺点。例如酸性阻挡层抛光液对铜的抛光速度容易通过双氧水调节，双氧水虽然稳定，但对二氧化硅和TiN的抛光速度较慢；碱性阻挡层抛光液对铜的抛光速度不容易通过双氧水调节，在此类抛光液中，双氧水表现不稳定，但是对二氧化硅和TiN的抛光速度较快。
除此以外，无论是在酸性抛光还是碱性抛光条件下，经常遇到边缘过度侵蚀(edge-over-erosion,EOE)的问题，其形状又被称作“犬牙”(fang)。通常发生在阻挡层抛光之后。在大块的铜结构边缘，因为二氧化硅等电介质的缺失，形成沟槽。有时，也会发生由于电偶腐蚀引起的铜缺失的现象。EOE现象，会降低芯片表面的平坦度，在导电层、介电层一层一层向上叠加时，会继续影响上一层的 平坦度，导致在抛光后，每一层的表面凹陷处，可能会有铜的残留，导致漏电或者短路现象，因而会影响半导体的稳定性。
钽是阻挡层常用的金属。在现有的抛光技术中，US7241725、US7300480用亚胺、肼、胍提升阻挡层的抛光速度。US7491252B2用盐酸胍提升阻挡层的抛光速度。US7790618B2用到亚胺衍生物和聚乙二醇硫酸盐表面活性剂，用于阻挡层的抛光。
随着技术的不断发展，Low-K材料被引入半导体制程，阻挡层的抛光液、在继铜、钽、二氧化硅之后，对Low-K材料的抛光速度也提出了更高的要求。目前在含有Low-K材料的阻挡层抛光中，要求氧化硅(TEOS)的抛光速度要大于或等于Low-K材料的抛光速度。只有这样才能保证抛光速度从开始时的“很快”，缓慢降低，在抛光停止前达到一个合理的速度，保证TEOS/BD/ULK/Cu四者之间有一个合适的选择比，从而实现全局平坦化。但是，目前的碱性抛光液通常具有这样一个缺点，就是:TEOS抛光速度会显著大于Low-K材料的抛光速度，因为Low-K材料的机械强度相对于TEOS较弱。为了抑制Low-K材料的抛光速度较快，通常会选择加入抛光速度抑制剂，选择性地抑制Low-K材料的抛光速度。这是一项非常具有挑战性的工作，因为抛光速度抑制剂通常会同时抑制TEOS和Low-K材料的抛光速度，这样会导致二氧化硅抛不动，抛光速度慢。更常见的情况是Low-K材料的抛光速度虽然能够被部分抑制，但是难以实现抛光速度小于TEOS。最终不能实现很好的平坦化。
例如，CN101665664A用季铵盐阳离子表面活性剂可抑制低介电材料(例如BD)的抛光速度，所述的阳离子季铵盐含有C8以上的长链，但是大多数季铵盐型阳离子表面活性剂会显著抑制二氧化硅(OXIDE)的抛光速度，会阻止抛光；EP2119353A1使用poly(methyl vinyl ether)用于含Low-K材料的抛光；US2008/0276543A1用甲脒、胍类以及聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的混合物用于阻挡层的抛光。以上抛光技术中，都不同程度地存在边缘过度侵蚀(edge–over–erosion,EOE)问题。针对这个问题，US20090283715A1采用聚丙烯酸及其共聚物抑制边缘过度侵蚀(EOE)。US2005/0208761A1用多糖抑制边缘过度侵蚀(EOE)。在以上现有技术中，边缘过度侵蚀(EOE)的抑制作用并不明显。
此外，EP0373501B1还公开了一种精抛液，其用有机聚合物，例如聚乙烯 吡咯烷酮(PVP)调节抛光液的流体力学特性，虽然可以改善硅片表面的平坦度，减少缺陷。但是这种精抛液，对金属材料不适用，也无法解决边缘过度侵蚀(EOE)问题。
综上所述，寻找一种能够克服双氧水对抛光速率影响，适用于阻挡层材料(包括铜、钽、二氧化硅以及低介电材料)的抛光液，并能防止抛光过后产生“犬牙”(fang)现象的抛光液，是本行业亟待解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供了一种用于抛光阻挡层的碱性化学机械抛光液，采用平均粒径小于30nm的研磨颗粒，实现在不添加Low-K材料速度抑制剂的情况之下，氧化硅(TEOS)的抛光速度大于或等于Low-K材料的抛光速度。从而避免添加额外的Low-K材料抛光速度抑制剂。避免了此类Low-K材料抛光速度抑制剂，对抛光液体系的破坏作用。抑制了体系不稳定、研磨剂沉淀、破坏铜的表面保护、形成腐蚀刮伤等现象的发生。
具体的，本发明公开了一种碱性的阻挡层化学机械抛光液，其由研磨颗粒、唑类化合物、磷酸、氯化铵、和双氧水组成。
其中，所述研磨颗粒平均粒径小于30nm,并且该研磨颗粒自身在不添加low-K材料抑制剂的情况下，其二氧化硅抛光速度大于low-K材料的抛光速度。
其中，所述研磨颗粒的平均粒径为15-30nm。
其中，所述研磨颗粒浓度为5％-20％。
其中，所述唑类化合物为苯并三氮唑(BTA),三氮唑(TAZ),甲基苯并三氮唑(TTA)。
其中，所述唑类化合物浓度为0.01％-0.3％。
其中，所述磷酸的浓度为0.05％-0.4％。
其中，所述氯化铵浓度为0-0.03％。
其中，所述双氧水浓度为0.1％-2％。
其中，所述研磨颗粒的pH值为9-11。
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.可以实现在不添加表面活性剂的情况下，low-K的抛光速度小于TEOS(二 氧化硅)；
1.显著改善了抛光后产生的犬牙(fang)现象；
2.大幅度降低了抛光后对产品造成的缺陷(Defect)。
附图说明
图1：对比例1的犬牙(fang)现象；
图2：实施例2的犬牙(fang)现象。
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。
表1给出了对比例1-4与本发明的化学机械抛光液的实施例1-6的配方，按表中所给配方，混合均匀即可得到下述表格中抛光液。
表1对比例1-4与本发明抛光液实施例1～6的配方
效果实施例
表2给出了对比抛光液1-4与本发明的抛光液实施例1-6对二氧化硅、低介电材料的抛光速度以及其抛光后产生的腐蚀、犬牙、缺陷现象的比对结果。
抛光条件：所配的抛光液在Mirra上抛光，Fujibo抛光垫，下压力1.5PSI,抛光头/盘转速：103/97RPM，抛光液流量：140ml/min。
表2对比例1-4与本发明抛光液实施例1-6的抛光效果
其中，TEOS：二氧化硅薄膜，low-k BD：低介电材料薄膜，Erosion：腐蚀，Fang：犬牙，Defect：缺陷。
由图1可以看出，使用对比例1抛光液抛光后，基材表面产生了尺寸为的fang及的碟型凹陷，而由图2可以看出，使用本发明抛光液的实施2，其抛光后，在产生相同尺寸碟型凹陷的基础上，基材表明产生的fang小于
另，结合表2中的抛光效果，可以发现：对比例1，2中，未添加low-K材料抑制剂，其对low-K的抛光速度很快，抛光后会造成很深的Erosion缺蚀，和犬牙(fang)现象；而对比例3，4中，加入了low-K材料抑制剂以后，low-K的抛光速度会被抑制到小于TEOS(二氧化硅)，Erosion会改善，但是犬牙(fang)现象仍然严重；而实施例1-6中，使用本发明的配方，可以实现low-K的抛光速度小于TEOS(二氧化硅)，同时犬牙(fang)现象和Defect(缺陷)显著改善。
应当理解的是，本发明所述浓度及符号％均指的是质量百分浓度。
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 (9)

1.一种碱性阻挡层化学机械抛光液，由二氧化硅研磨颗粒、唑类化合物、磷酸、氯化铵、和双氧水组成，其特征在于，所述研磨颗粒的平均粒径小于30nm。
2.根据权利要求1所述的碱性阻挡层化学机械抛光液，其特征在于，所述二氧化硅研磨颗粒的平均粒径为15-30nm。
3.根据权利要求1所述的碱性阻挡层化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒浓度为5％-20％。
4.根据权利要求1所述的碱性阻挡层化学机械抛光液，其特征在于，所述唑类化合物为苯并三氮唑(BTA),三氮唑(TAZ),甲基苯并三氮唑(TTA)。
5.根据权利要求1所述的碱性阻挡层化学机械抛光液，其特征在于，所述唑类化合物浓度为0.01％-0.3％。
6.根据权利要求1所述的碱性阻挡层化学机械抛光液，其特征在于，所述磷酸的浓度为0.05％-0.4％。
7.根据权利要求1所述的碱性阻挡层化学机械抛光液，其特征在于，所述氯化铵浓度为0-0.03％。
8.根据权利要求1所述的碱性阻挡层化学机械抛光液，其特征在于，所述双氧水浓度为0.1％-2％。
9.根据权利要求1所述的碱性阻挡层化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒的pH值为9-11。
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