CN113122140B - 一种化学机械抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种化学机械抛光液，包括研磨颗粒、催化剂、稳定剂、氧化剂、氮化硅抑制剂、水、以及pH调节剂。本发明提供了一种可以同时抛光金属钨、氧化硅和氮化硅的化学机械抛光组合物，该抛光液具有很高的钨抛光速率和中等的二氧化硅抛光速率，同时在具有很低的氮化硅抛光速度，起到在不影响前二者速度的情况下保护底层材料氮化硅的作用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造过程中使用的化学机械抛光液。
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。在半导体集成电路设计制造中，钨被用于形成互连件和接触插塞。由于钨具有一定硬度，其抛光工艺与其他金属有一定差别。
含钨衬底的抛光方法已成为半导体加工的前沿技术。在制备含钨基板的步骤中，起始基板可以包括有图案的(非平面的)非钨(例如电介质)材料的表面，该表面包含需要填充钨的通道、孔洞、缝隙、沟槽等三维空间。钨可以沉积在图案材料上，不仅可以填充空间，还会在不连续的表面产生连续的多余钨层，以确保空间的完全填充。这样多余的钨稍后必须被移除，以暴露原始图案材料的表面，使钨沉积在图案材料之间的空隙。在该过程中可能需要清除不止一种材料，因此需要一种能同时抛光钨以及其它衬底诸如氧化硅氮化硅等材料的抛光液。美国专利US 10066126中公开了一种包括含膦的两性离子化合物的抛光组合物，可以同时抛光钨，氧化硅和氮化硅，但该专利技术不具有高的氧化硅/氮化硅选择比。中国专利CN1969024A公开了一种包含含氮聚合物基团的抛光组合物，但其只用于钨的腐蚀抑制。中国专利CN1902292A则公开了一种含有两性表面活性剂的抛光液，但其主要用于金属铜的抛光，并不能用于抛光金属钨。中国专利CN104284960公开了一种高选择性抛光氧化硅/氮化硅的抛光组合物，同样中国专利CN109251077公开了一种可以抑制氮化硅抛光速率抛光组合物，但是这两种组合均不能用于钨的抛光。
发明内容
为解决现有技术中的化学机械抛光液不能同时抛光钨和其他衬底材料(如氧化硅氮化硅等材料)，或不能同时兼顾高的钨抛光速率和保护衬底材料的技术问题，本发明提供一种化学机械抛光液，包括研磨颗粒、催化剂、稳定剂、氧化剂、氮化硅抑制剂、水、以及pH调节剂。
进一步地，所述氮化硅抑制剂为含氮杂环化合物、硅烷偶联剂、离子型表面活性剂、两性表面活性剂中的一种或多种。
进一步地，所述离子型表面活性剂为磺酸盐、羧酸盐、季铵盐中的一种或多种。
进一步地，所述两性表面活性剂为聚氨基酸和/或甜菜碱。
进一步地，所述离子型表面活性剂为聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1丙磺酸)。
进一步地，所述氮化硅抑制剂的质量浓度范围是0.005％～0.5％。优选为0.005％～0.3％。
进一步地，所述研磨颗粒为氧化硅，氧化铝，氧化铈，氧化钛中的一种或多种。优选为氧化硅。
进一步地，所述研磨颗粒的质量浓度范围为0.1％～15％。优选为2％～13％。研磨颗粒的含量若高于本申请的含量上限，会造成产品不稳定，若低于本申请的含量下限，则导致各材料的抛光速度过低。
进一步地，所述催化剂为含铁离子的化合物。
进一步地，所述催化剂为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁中的一种或多种。优选为硝酸铁。
进一步地，所述催化剂的质量浓度范围为0.005％～0.2％。优选为0.01％～0.07％。催化剂含量若低于本申请的含量下限，将无法发挥其催化作用，过高将造成氧化剂分解。
进一步地，所述稳定剂是多元有机酸。优选为磺酸和/或羧酸。优选为丙二酸。
进一步地，所述稳定剂的质量浓度范围为0.01％～0.4％。优选为0.02％～0.2％。稳定剂含量过低同样会造成氧化剂分解，过高则使催化剂不能发挥作用而导致钨抛光速率大幅降低。
进一步地，所述氧化剂是H2O2。双氧水含量若高于本申请的上限会导致钨速度过高不易控制，若含量过低，会使得钨抛光速度过低，无法达标。
进一步地，所述氧化剂的质量浓度为1～5％。
进一步地，所述pH调节剂是HNO3。
进一步地，所述pH为2～4。pH值低于2的产品为危险品，高于4则会大幅影响产品稳定性。
应当理解的是，本发明所述％均指的是质量百分比浓度。
本申请的试剂和仪器均市售可得。
与现有技术相比较，本发明的优势在于：
本发明提供了一种可以同时抛光金属钨、氧化硅和氮化硅的化学机械抛光组合物，该抛光液具有很高的钨抛光速率和中等的二氧化硅抛光速率，同时在具有很低的氮化硅速度，起到在不影响前二者速度的情况下保护底层材料氮化硅的作用，分别满足了对钨、氧化硅和氮化硅的不同抛光速率的要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例，详细阐述本发明的优势。
下面通过具体实施例对本发明抛光钨的化学机械抛光液进行详细描述，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。
实施例
制备方法：将不同实施例及对比按表1中所给配方，将所有组分溶解混合均匀，用水补足质量百分比浓度至100％。用pH调节剂调节pH至期望值。
表1.不同实施例和对比例的配方
效果实施例
将按表1配方制备得到的化学机械抛光液根据下述实验条件进行抛光，得到的抛光结果见表2。
抛光条件：抛光机台为G148341罗技(英国)1PM52型，IC1000抛光垫，4cm×4cm正方形晶片(Wafer)，研磨压力3psi，研磨台转速70转/分钟，研磨头自转转速150转/分钟，抛光液滴加速度100ml/分钟。
表2.不同实施例及对比例的抛光结果
实施例1-27表明，本发明的抛光组合物可以同时进行钨、氧化硅和氮化硅的抛光，且该抛光液具有很高的钨抛光速率和中等的二氧化硅抛光速率，以及很低的氮化硅抛光速率。且不同材料的抛光速率选择比可以适当调节，换句话说，通过调节研磨颗粒、催化剂、氧化剂、氮化硅抑制剂的量可以调节各种材料(如钨、氧化硅、氮化硅)的抛光速率。
通过对比例1-2和实施例1-11对比发现，在研磨颗粒、催化剂、稳定剂、氧化剂和pH相同的基础上，加入聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸)对抛光后氮化硅的速度抑制效果最好，对钨和二氧化硅的附加影响最小，即抑制抛光速率的效果不明显。而随着聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸)的量不断增加，对氮化硅的抛光速率的抑制作用不断加强，但其对钨的附加影响也越来越强，在实际应用中可以通过用量调整合适的速度选择比，但是对二氧化硅的抛光速率的附加影响较小。而聚合物单体2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸并不具有该抑制作用。
通过实施例12-15可知，在氧化剂、催化剂、稳定剂、氮化硅抑制剂相同的条件下，随着研磨颗粒的质量浓度的不断增加，钨和二氧化硅的抛光速率不断增加，但是，对氮化硅的抛光速率的附加影响不大。
通过实施例18-21可知，在研磨颗粒、氧化剂、稳定剂、氮化硅抑制剂相同的条件下，随着催化剂的质量浓度的不断增加，钨的抛光速率不断增加，但对二氧化硅和氮化硅的速率附加影响不大。
通过实施例8、16、17可知，在研磨颗粒、催化剂、稳定剂、氮化硅抑制剂相同的条件下，随着氧化剂的质量浓度的不断增加，钨的抛光速率不断增加，但是，对氮化硅和二氧化硅的抛光速率的附加影响不大。综上，本申请的化学机械抛光液具有很高的钨抛光速率和中等的二氧化硅抛光速率，同时在具有很低的氮化硅速度，起到在不影响前二者速度的情况下保护底层材料氮化硅的作用。分别满足了对钨、氧化硅和氮化硅的不同抛光速率的要求。并且，可以通过调节研磨颗粒、催化剂、氧化剂、氮化硅抑制剂的量来调节各种材料(如钨、氧化硅、氮化硅)的抛光速率。
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 (6)
1.一种化学机械抛光液，其特征在于，包括氧化硅、催化剂、稳定剂、氧化剂、氮化硅抑制剂、水、以及pH调节剂，所述氧化硅的质量浓度范围为0.1％～15％；
所述氮化硅抑制剂为聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1丙磺酸)，所述氮化硅抑制剂的质量浓度范围是0.005％～0.5％；
所述催化剂为九水硝酸铁，所述催化剂的质量浓度范围为0.005％～0.2％；
所述稳定剂是丙二酸，所述稳定剂的质量浓度范围为0.01％～0.4％；
所述氧化剂是H2O2，所述氧化剂的质量浓度为1～5％；
所述化学机械抛光液的pH为2～4。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，其中，所述氮化硅抑制剂的质量浓度范围是0.005％～0.3％。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，其中，所述氧化硅的质量浓度范围为2％～13％。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，其中，所述催化剂的质量浓度范围为0.01％～0.07％。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，其中，所述稳定剂的质量浓度范围为0.02％～0.2％。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，其中，所述pH调节剂是HNO3。
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