CN113122141A - 一种化学机械抛光液 - Google Patents

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王晨
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    • C09G—POLISHING COMPOSITIONS; SKI WAXES
    • C09G1/00—Polishing compositions
    • C09G1/02—Polishing compositions containing abrasives or grinding agents

Abstract

本发明提供一种化学机械抛光液，包括：水、研磨颗粒，钨的抛光促进剂、过氧化物稳定剂、过氧化物以及直链聚丙烯酸或其盐。本发明的抛光液可以有效降低芯片的表面缺陷，显著提高产品的良率，同时具有优异的钨的抛光速度。

Description

一种化学机械抛光液
技术领域
本发明涉及化学机械抛光液领域，尤其涉及一种钨的化学机械抛光液。
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。二十世纪80年代，由IBM公司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)由化学作用、机械作用以及这两种作用结合而成。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相同的运动方向旋转。与此同时，含有研磨剂的浆液滴到抛光垫上，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。金属层化学机械抛光(CMP)的主要机制是：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，并且能够与硅产生很好的欧姆接触，所以可作为接触窗及介层洞的填充金属及扩散阻挡层。
钨的化学机械抛光(CMP)，有多种方法：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 FabricatingPatterned W Metal Features as Chip Interconnects"，Journal of the Electrochemical Society，Vol.138，No.11，1991年11月)。US 5340370公开了一种用于钨的化学机械抛光(CMP)的配方，其中含有0.1M铁氰化钾，5％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。US 5527423、US 6008119，US 6284151等公开了将Fe(NO3)3，氧化铝体系用于钨的机械抛光(CMP)的技术方案，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)方面存在明显的不足。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稳定性。
US 5225034，US 5354490公开的技术方案中，将过氧化氢和硝酸银共同使用，用做氧化剂进行对金属(铜)进行抛光。但是在该类型方法中，硝酸银用量很大(大于2％)，造成抛光液成本过高，同时出现研磨剂不稳定、容易沉淀，双氧水快速分解等问题。US5958288公开了将硝酸铁用做催化剂，过氧化氢用做氧化剂，进行钨的化学机械抛光的方法，但是，在该专利中，提到了多种过渡金属元素，被实验证实显著有效的只有铁元素。因此该发明的实际实施效果和范围十分有限。该方法虽然大幅度降低了硝酸铁的用量，但是由于铁离子仍然存在，和双氧水之间发生芬顿(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。US 5980775以及US 6068787在US 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，但是抛光后研磨颗粒和副产物在芯片表面很难清洗，存在造成缺陷的风险。CN98809580.7和CN200610077360.7公开了一种抛光液，在双氧水和铁的体系中加入了钨的侵蚀抑制剂，抑制钨的腐蚀。
上述抛光液存在一个共性的问题：抛光后，研磨剂以及抛光副产物会黏附在芯片表面，造成表面缺陷，需要进一步进行表面清洗(post-CMP clean)。因此，抛光后芯片表面黏附研磨剂以及抛光副产物的含量，直接影响到post-CMP clean的清洗效率和难度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种化学机械抛光液，该抛光液能够显著降低芯片的表面缺陷，显著提高产品的良率，同时具有比较高的钨的抛光速度。
具体的，本发明提供一种化学机械抛光液，包括：水、研磨颗粒、钨的抛光促进剂、过氧化物、过氧化物稳定剂以及直链聚丙烯酸或其盐。
本发明中，所述研磨颗粒选自硅溶胶、气相二氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化钛、氧化锆中的一种或多种。所述研磨颗粒的质量百分比浓度为0.1～15％，优选的，研磨颗粒的质量百分比浓度为0.2～7％。
本发明中，所述钨的抛光促进剂来自于可溶性银盐、铁盐中的一种或者多种，可溶性银盐选自硫酸银、硝酸银、氟化银、高氯酸银的一种或者多种，所述铁盐为硝酸铁。钨的抛光促进剂的质量百分比浓度为0.001％～0.3％。
本发明中，所述过氧化物为过氧化氢，过氧化物的质量百分比浓度为0.1～6％。
本发明中，所述过氧化物稳定剂选自丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、邻苯二甲酸中的一种或多种，优选为丙二酸。
优选的，所述过氧化物稳定剂的质量百分比浓度为0.0005～1％。
本发明中，所述直链聚丙烯酸或其盐的数均分子量为2000～500000。直链聚丙烯酸或其盐的质量百分比浓度为0.001％～0.3％，优选的，直链聚丙烯酸或其盐的质量百分比浓度为0.01％～0.1％。
本发明中，优选的，所述化学机械抛光液含有pH调节剂，化学机械抛光液的pH值为0.5～5。
本发明提供的化学机械抛光液，通过添加直链聚丙烯酸及其盐，能够显著降低芯片清洗后的表面缺陷，同时抛光液具有优异的钨的抛光速度。
具体实施方式
下面通过具体实施例，详细阐述本发明的优势。
表1给出了本发明的化学机械抛光液对比例1～7及实施例1～22的组分、含量以及抛光液的pH值。
按表1中所列组分及其含量进行配比，在去离子水中混合均匀，用pH调节剂调节至所需的pH值，即可制得相应的化学机械抛光液。
表1本发明对比例1～7及实施例1～22的组分、含量以及抛光液pH值
Figure BDA0002347791520000031
Figure BDA0002347791520000041
Figure BDA0002347791520000051
上表中PAA:直链聚丙烯酸，PAAS：直链聚丙烯酸钠盐。
随后使用实施例1～17与对比例1～7的抛光液对钨材料进行抛光，并测量抛光后晶圆表面的缺陷。具体抛光条件为：抛光机台为AMAT(美国)LK型，IC1010抛光垫，12英寸晶圆(Wafer)，研磨压力3.0psi，研磨台转速110转/分钟，研磨头自转转速104转/分钟，抛光液滴加速度200ml/min。Surface SP2表面缺陷扫描仪对抛光后的晶圆表面缺陷进行扫描，得到晶圆表面的缺陷结果，如表2所示。
表2实施例1～17及对比例1～7的测试结果
Figure BDA0002347791520000052
Figure BDA0002347791520000061
由上述对比例和实施例中，钨的抛光速度和磨料的形状，种类，颗粒大小有关，化学组成成分一样，磨料种类不一样，钨的抛光速度差别很大。
对比例1的测试结果表明：只有双氧水和研磨剂存在时，抛光液对钨的抛光速度很低，而且晶圆表面的缺陷颗粒数目较多。
对比例2和对比例3的测试结果表明：在没有直链聚丙烯酸或其盐的存在时，虽然对钨的抛光速度明显提高，但同时抛光后晶圆表面的缺陷颗粒数目较多，即抛光后晶圆表面有大量的抛光副产物。
对比例2～3和实施例1～2的测试结果表明：本发明的抛光液中添加直链聚丙烯酸或其盐可以降低晶圆表面缺陷颗粒数；对比例5～7和实施例13～15的测试结果表明：本发明的抛光液中添加直链聚丙烯酸或其盐可以降低晶圆表面缺陷颗粒数。对比例4和实施例9，实施例16的测试结果表明：本发明的抛光液中随着直链聚丙烯酸或其盐的浓度升高，晶圆表面缺陷颗粒数显著降低，即晶圆表面的抛光副产物的含量显著减少。
由此可知在本发明抛光液通过添加直链聚丙烯酸或其盐，可以有效去除抛光后芯片表面黏附研磨剂以及抛光副产物，起到保护芯片的作用，显著降低芯片的表面缺陷。同时，随着直链聚丙烯酸或其盐的含量的增加，抛光后芯片表面黏附研磨剂以及抛光副产物的含量减少，芯片表面的缺陷数量减少，但若直链聚丙烯酸或其盐的含量继续增加，其去除表面黏附研磨剂以及抛光副产物的效率会逐渐降低，因此，抛光液中添加的直链聚丙烯酸或其盐的含量具有选择性。
综上可知，本发明中抛光液对钨具有优异的抛光速率，同时通过添加一定含量的直链聚丙烯酸，可以有效去除抛光后芯片表面黏附研磨剂以及抛光副产物，起到保护芯片的作用。
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 (18)

1.一种化学机械抛光液，其特征在于，
包括：水、研磨颗粒、钨的抛光促进剂、过氧化物、过氧化物稳定剂以及直链聚丙烯酸或其盐。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：
所述研磨颗粒选自硅溶胶、气相二氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化钛、氧化锆中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述研磨颗粒的质量百分比浓度为0.1～15％。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述研磨颗粒的质量百分比浓度为0.2～7％。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述钨的抛光促进剂选自可溶性银盐、铁盐中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述可溶性银盐选自硫酸银、硝酸银、氟化银、高氯酸银的一种或多种。
7.如权利要求5所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述铁盐为硝酸铁。
8.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述钨的抛光促进剂的质量百分比浓度为0.001％～0.3％。
9.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述过氧化物为过氧化氢。
10.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述过氧化物的质量百分比浓度为0.1～6％。
11.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述过氧化物稳定剂选自丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、邻苯二甲酸中的一种或多种。
12.如权利要求11所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述过氧化物稳定剂选自丙二酸。
13.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述过氧化物稳定剂的质量百分比浓度为0.0005～1％。
14.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述直链聚丙烯酸或其盐的数均分子量为2000～500000。
15.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述直链聚丙烯酸或其盐的质量百分比浓度为0.001％～0.3％。
16.如权利要求15所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述直链聚丙烯酸或其盐的质量百分比浓度为0.01％～0.1％。
17.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述化学机械抛光液含有pH调节剂。
18.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述化学机械抛光液的pH值为0.5～5。
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