CN111020592A - 用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液及其制备方法 - Google Patents

用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于抛光液领域，具体涉及一种用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液及其制备方法；抛光液包括下述组分：硅溶胶1‑10％，氧化剂0.1‑5％，活化剂0.1‑10％，抑制剂0.001‑0.5％，去离子水、pH调节剂，补足余量。本发明中通过氧化剂和活化剂复配来形成自活化氧化作用，使抛光速率显著加快，通过氧化剂的氧化作用将钌氧化成游离的钌氧化物，钌氧化物会将活化剂进行催化活化产生一种氧化性更强的中间产物，此中间产物会继续将钌进行氧化，形成类似正反馈的系统，从而使化学反应加剧，材料去除速率加快。

Description

用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液及其制备 方法
技术领域
本发明属于抛光液领域，具体涉及一种用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液及其制备方法。
背景技术
在未来十年，互连线的尺寸有希望达到5纳米及以下。此时铜线填充和铜线通孔已经到达它的物理极限。因为随着特征尺寸的缩小，会减小铜的晶粒尺寸，也就加强了晶界和表面散射，导致电阻率和电阻呈指数增长，这不仅会增加电路的RC延迟，还会降低电路的性能，影响可靠性。同时，铜线的物理气相沉积在22nm以下也已经达到了它的极限，阻挡层和粘附层所占的比例越来越大，最终影响器件可靠性。为了克服这些缺点，有学者提出用钌(Ru)作为铜互连的替代金属，已经证明了钌具有良好的电性能，与铜相比钌作为互连线和通孔的时候，不仅器件寿命会提升5倍，而且Ru的电阻率和电阻也会有明显的降低，这个会大大提升器件的性能，增加器件的可靠性。然而，由于其高惰性(6.5莫氏)和硬度，Ru难以在化学机械平坦化(CMP)中去除。
在此之前多是作为Ru基阻挡层的研究，许多学者研究关于铜钌的选择比等，对于钌的去除并没有达到很高的速率。2011年，B.C.Peethala等人研究了在KIO4抛光液中对钌抛光的机理，通过氧化形成钌酸盐增加去除速率，结果表明在pH 9和2psi下压下用5wt％二氧化硅和0.1M KIO4获得
Figure BDA0002277417130000011
/min的Ru去除速率。2014年，Langjiang等人研究了基于H2O2体系下，研究表明钌的去除速率随着钾离子的增多而增强。在钾离子浓度达到120mM的时候钌的去除速率达到了最大值
Figure BDA0002277417130000012
/min。2019年，王子艳等人研究了利用硫酸铵和TT来调节铜钌的选择比，结果表明，TT对Ru几乎没有一直，并且在硫酸铵浓度达到80mM的时候，钌的去除速率达到约
Figure BDA0002277417130000013
/min。以上都是Ru作为阻挡层时的研究，但是当钌作为未来互连线的替代品的时候，抛光速率明显达不到要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液及其制备方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，包括下述组分：
Figure BDA0002277417130000021
所述的活化剂含有过硫酸根、次氯酸根、氯离子或者硫酸根离子。
所述的活化剂为过硫酸铵、过硫酸钾K2S2O8、过硫酸钠Na2S2O8、次氯酸钠NaClO4、氯化钾KCl、硫酸钾K2SO4中的一种或者任意混合。
所述的氧化剂是过氧化氢H2O2、次氯酸钠NaClO4、高碘酸钠NaIO4、高碘酸钾KIO4中的一种或者任意混合。
抛光液的pH值为7.5-11。
所述的抑制剂是1.2.4三氮唑TAZ，苯骈三氮唑BTA，TT-LYK中的一种或者任意混合。
抛光液中氧化剂为0.5％，活化剂为0.5-1.2％。
优选的，包括下述组分：
Figure BDA0002277417130000022
更优选的，包括下述组分：
Figure BDA0002277417130000023
本发明还包括一种所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液的制备方法，具体步骤如下：
A液：将氧化剂、活化剂和抑制剂按组分量依次加入适量去离子水中，通过逐级混合的方式搅拌均匀；
B液：按组分量取硅溶胶加入适量去离子水中；
将A液通过边倒边搅拌方式加入B液中，最后使用去离子水补足；然后通过pH调节剂进行pH调节至7.5-11。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中通过氧化剂和活化剂复配来形成自活化氧化作用，使抛光速率显著加快，通过氧化剂的氧化作用将钌氧化成游离的钌氧化物，钌氧化物会将活化剂进行催化活化产生一种氧化性更强的中间产物，此中间产物会继续将钌进行氧化，形成类似正反馈的系统，从而使化学反应加剧，材料去除速率加快。同时，由于氧化剂的氧化作用会使钌在静态时产生较大的静态腐蚀速率，使钌表面粗糙度变大，加入抑制剂会有效抑制钌的静态腐蚀，从而可以达到较好的表面形貌，实现平坦化。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一(Sample 1，S1只添加氧化剂未添加活化剂)：
配置1000g抛光液：取磨料硅溶胶125g，其粒径10nm-120nm,分散度±5％在之间，浓度为40％；然后取高碘酸钾2g，苯骈三氮唑(BTA)0.1g，边搅拌边在去离子水中依次倒入上述液体；搅拌均匀后加去离子水至1000g,调节pH为8。
速率实验：用配制好的抛光液在Alpsitec-E460E型抛光机，工作压力为1.5psi，抛盘转速93转/分，抛头转速87转/分，抛光液流量为300ml/min。对纯度为99.99％的7.62cmRu片抛光三分钟。采用精度为0.1mg的分析天平进行质量测量，每次称重三次，并选取平均值作为实验数据。金属材料钌去除速率为RRR＝Δm/(ρπtR2)。结果：钌的去除速率为
Figure BDA0002277417130000031
/min，使得钌的去除速率较为提升。
实施例二(Sample 2，S2，添加氧化剂以及活化剂，氧化剂的占比为0.2％,活化的占比为1％)：
配置1000g抛光液：取磨料硅溶胶125g，其粒径10nm-120nm,分散度±5％在之间，浓度为40％；然后取过硫酸钾(K2S2O8)10g，高碘酸钾2g，苯骈三氮唑(BTA)0.1g，，边搅拌边在去离子水中依次倒入上述液体；搅拌均匀后加去离子水至1000g,调节pH为8。
速率实验：用配制好的抛光液在Alpsitec-E460E型抛光机，工作压力为1.5psi，抛盘转速93转/分，抛头转速87转/分，抛光液流量为300ml/min。对纯度为99.99％的7.62cmRu片抛光三分钟。采用精度为0.1mg的分析天平进行质量测量，每次称重三次，并选取平均值作为实验数据。金属材料钌去除速率为RRR＝Δm/(ρπtR2)。
结果：钌的去除速率为
Figure BDA0002277417130000041
/min，使得钌的去除速率得到有效提升。
实施例三(Sample 3，S3，添加氧化剂以及活化剂，氧化剂以及活化剂的占比均为0.5％)：
配置1000g抛光液：取磨料硅溶胶125g，其粒径10nm-120nm,分散度±5％在之间，浓度为40％；然后取过硫酸钾(K2S2O8)5g，高碘酸钾5g，苯骈三氮唑(BTA)0.1g，边搅拌边在去离子水中依次倒入上述液体；搅拌均匀后加去离子水至1000g,调节pH为8。
速率实验：用配制好的抛光液在Alpsitec-E460E型抛光机，工作压力为1.5psi，抛盘转速93转/分，抛头转速87转/分，抛光液流量为300ml/min。对纯度为99.99％的7.62cmRu片抛-光三分钟。采用精度为0.1mg的分析天平进行质量测量，每次称重三次，并选取平均值作为实验数据。金属材料钌去除速率为RRR＝Δm/(ρπtR2)。
结果：钌的去除速率为
Figure BDA0002277417130000042
/min，使得钌的去除速率得到有效提升。
上述参照实施例对用于提高集成电路Ru的抛光速率的碱性抛光液及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
实施例四(Sample 4，S4添加氧化剂以及活化剂，氧化剂的占比为0.5％，以及活化剂的占比均为1.2％)：
配置1000g抛光液：取磨料硅溶胶125g，其粒径10nm-120nm,分散度±5％在之间，浓度为40％；然后取氯化钾(KCl)12g，高碘酸钾5g，苯骈三氮唑(BTA)0.1g，边搅拌边在去离子水中依次倒入上述液体；搅拌均匀后加去离子水至1000g,调节pH为8。
速率实验：用配制好的抛光液在Alpsitec-E460E型抛光机，工作压力为1.5psi，抛盘转速93转/分，抛头转速87转/分，抛光液流量为300ml/min。对纯度为99.99％的7.62cmRu片抛-光三分钟。采用精度为0.1mg的分析天平进行质量测量，每次称重三次，并选取平均值作为实验数据。金属材料钌去除速率为RRR＝Δm/(ρπtR2)。结果：钌的去除速率为
Figure BDA0002277417130000051
/min，使得钌的去除速率得到有效提升。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，其特征在于，包括下述组分：
Figure FDA0002277417120000011
2.根据权利要求1所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，其特征在于，所述的活化剂含有过硫酸根、次氯酸根、氯离子或者硫酸根离子。
3.根据权利要求1所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，其特征在于，所述的活化剂为过硫酸铵、过硫酸钾K2S2O8、过硫酸钠Na2S2O8、次氯酸钠NaClO4、氯化钾KCl、硫酸钾K2SO4中的一种或者任意混合。
4.根据权利要求1所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，其特征在于，所述的氧化剂是过氧化氢H2O2、次氯酸钠NaClO4、高碘酸钠NaIO4、高碘酸钾KIO4中的一种或者任意混合。
5.根据权利要求1所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，其特征在于，抛光液的pH值为7.5-11。
6.根据权利要求1所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，其特征在于，所述的抑制剂是1.2.4三氮唑TAZ，苯骈三氮唑BTA，TT-LYK中的一种或者任意混合。
7.根据权利要求1所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，其特征在于，抛光液中氧化剂为0.5％，活化剂为0.5-1.2％。
8.根据权利要求1所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，其特征在于，包括下述组分：
Figure FDA0002277417120000012
9.根据权利要求1所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液，其特征在于，包括下述组分：
Figure FDA0002277417120000021
10.一种权利要求1-9所述的用于提高集成电路钌互连线抛光去除速率的抛光液的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
A液：将氧化剂、活化剂和抑制剂按组分量依次加入适量去离子水中，通过逐级混合的方式搅拌均匀；
B液：按组分量取硅溶胶加入适量去离子水中；
将A液通过边倒边搅拌方式加入B液中，最后使用去离子水补足；然后通过pH调节剂进行pH调节至7.5-11。
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