CN113122144A - 一种化学机械抛光液 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种化学机械抛光液，所述抛光液含有：研磨颗粒、金属腐蚀抑制剂、络合剂、氧化剂、非离子表面活性剂以及水，所述非离子表面活性剂为乙氧基化丁氧基化烷基醇。使用本发明中的化学机械抛光液在获得较高TEOS(二氧化硅)和钽的去除速率的同时，能有效地调节BD(低介电常数材料)和铜的去除速率，能满足各种工艺条件下对材料去除的要求。

Description

一种化学机械抛光液

技术领域

本发明涉及一种化学机械抛光液。

背景技术

在集成电路的制造中，半导体硅晶片上有许多包含多重沟槽的电介质层，这些填充有金属导线的沟槽在电介质层内排列形成电路互连图案，图案的排列通常具有金属镶嵌结构和双重金属镶嵌结构。这些镶嵌结构先采用阻挡层覆盖电介质层，再用金属覆盖阻挡层。这些金属至少需要充满沟槽从而形成电路互连。随着集成电路的器件尺寸缩小、布线层数增加，由于铜具有比铝更优异的抗电迁移能力和高的导电率，现有技术中，铜已替代铝成为深亚微米集成电路的导线材料。而阻挡层主要采用钽或氮化钽，用以阻止铜扩散至邻近的电介质层。

在芯片的制造过程中，化学机械抛光(CMP)用来平坦化芯片表面。这些平坦化的芯片表面有助于集成电路芯片的多层叠加和集成电路技术的发展。铜的CMP工艺通常分为两步：第一步是用铜的化学机械抛光液与金属铜互联，并停留在阻挡层表面，该步骤根据抛光机台的不同可以在一个抛光盘或两个抛光盘上完成；第二步是使用阻挡层的化学机械抛光液去除阻挡层、部分介电层和铜，提供平坦的抛光表面。阻挡层的抛光步骤通常要求快速地去除阻挡层和部分介电材料，但为实现抛光表面平坦化的效果，抛光液通常需要对不同的材料有不同的去除速率，以免造成作为互连导线的铜的过度凹陷。

二氧化硅(TEOS)是常见的介电材料，随着技术的不断发展，半导体的制造过程引入了低介电常数(Low-K)材料(BD)。而TEOS作为封盖层沉积在BD表面，在抛光过程中，TEOS被全部去除，而BD被部分去除。为了提高产能，通常需要较高的TEOS去除速率，但BD的去除速率不能太高，以便较好地控制抛光过程。同时在抛光过程中，在介电材料和铜之间有一个合适的抛光选择比，从而实现全局平坦化。由于TEOS具有较强的化学惰性，较难通过化学方法来提高去除速率，因此现在的抛光液主要通过提高抛光液的磨料含量来提高TEOS的去除速率，但是高含量的抛光磨料会明显增大BD的去除速率，不宜控制抛光终点。

发明内容

本发明旨在提供一种可用于阻挡层抛光的化学机械抛光液，在获得高TEOS和钽去除速率的同时，能有效地调节BD和铜的去除速率，能满足各种工艺条件下对芯片平坦化的要求。

具体的，本发明中的化学机械抛光液含有：研磨颗粒、金属腐蚀抑制剂、络合剂、氧化剂、非离子表面活性剂以及水。

其中，所述非离子表面活性剂为乙氧基化丁氧基化烷基醇，所述乙氧基化丁氧基化烷基醇中，乙氧基数x为5-20，丁氧基数y为5-20，烷基为碳原子数11-15的直链或支链；优选的，烷基为碳原子数12-14的直链或支链。

本发明中，所述非离子表面活性剂的质量百分比浓度为0.001～0.2％，优选为0.005～0.1％。

本发明中，所述研磨颗粒为二氧化硅。

本发明中，所述研磨颗粒的质量百分比浓度为3～20％。

其中，所述金属腐蚀抑制剂为唑类化合物，优选为苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、1，2，4-三氮唑、5-甲基-四氮唑、5-氨基-四氮唑、5-苯基四氮唑、巯基苯基四氮唑、苯并咪唑、萘并三唑、2-巯基-苯并噻唑中的一种或多种。

本发明中，所述金属腐蚀抑制剂的质量百分比浓度为0.005～0.5％，优选为0.01～0.2％。

本发明中，所述络合剂为有机酸、有机胺中的一种或多种。所述有机酸选自草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、酒石酸、甘氨酸、丙氨酸、氨三乙酸、2-膦酸基丁烷-1，2，4-三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羟基亚乙基二膦酸、乙二胺四亚甲基、2-羟基膦酸基乙酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸、乙二胺四乙酸中的一种或多种；有机胺选自乙二胺、三乙醇胺中的一种或多种。

本发明中，所述络合剂的质量百分比浓度为0.01～2％。

本发明中，所述氧化剂为过氧化氢。

本发明中，所述氧化剂的质量百分比浓度为0.05～1％。

其中，水为余量。

其中所述的化学机械抛光液的pH值为8～12。

本发明中的化学机械抛光液中，还可以包含pH调节剂和杀菌剂等其他本领域的添加剂。

本发明的化学机械抛光液可以将除氧化剂以外的组分浓缩制备，在使用前用去离子水稀释并添加氧化剂至本发明的浓度范围。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在获得高TEOS和钽的去除速率的同时，能有效地调节BD和铜的去除速率。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐述本发明的优势，但本发明的保护范围不仅仅局限于下述实施例。

实施例

按照表1中对比例1～3和实施例1～17的组分以及含量，将除氧化剂以外的其他组分混合均匀，其中，水为余量。再使用pH调节剂将抛光液调节至所需pH值。在使用前添加相应含量的氧化剂，混合均匀即可。

表1对比例1～3和实施例1～17抛光液的组分、含量和pH值

效果实施例一

使用对比例1～3及实施例1～17的抛光液按照下述条件分别对铜(Cu)、钽(Ta)、二氧化硅(TEOS)和低介电常数材料BD进行抛光。抛光条件：抛光机台为12”ReflexionLK机台，抛光垫为Fujibo pad，下压力为2.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间为60s。测得对比例1～3和实施例1～17抛光液对铜(Cu)、钽(Ta)、二氧化硅(TEOS)、低介电常数材料BD的去除速率，记于表2。

表2对比例1～3和实施例1～17抛光液的去除速率

由表2可见，与对比例相比，本发明实施例1～17抛光液通过添加乙氧基化丁氧基化烷基醇作为离子表面活性剂，在碱性条件下可调节抛光液对Cu和BD的去除速率，同时保持了不影响Ta和TEOS的去除速率。对比例3抛光液pH小于8，不能实现较高的Ta和TEOS去除速率；抛光液pH高于12则会降低抛光液中研磨颗粒的稳定性。对比例1的抛光液仅使用含量较高的研磨颗粒及氧化剂，对铜(Cu)、钽(Ta)、二氧化硅(TEOS)、低介电常数材料BD均有较高的去除速率，并不能有效地调节抛光液对铜(Cu)和低介电常数材料BD的去除速率。

效果实施例二

使用对比例1的抛光液和本发明实施例1、4、10的抛光液按照下述条件对带有图案的铜芯片进行抛光。

所述图形芯片为市售的12英寸Sematech754图形芯片，膜层材料从上至下为铜/钽/氮化钽/TEOS/BD，抛光过程分三步，第一步用市售的铜抛光液去除大部分的铜，第二步用市售的铜抛光液去除残留的铜，第三步用本发明的阻挡层抛光液去除阻挡层(钽/氮化钽)、二氧化硅TEOS、和部分BD，并最终抛光过程停在BD层上。

上述阻挡层抛光液的抛光条件为：抛光机台为12”Reflexion LK机台，抛光垫为Fujibopad，下压力为2.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间为60s。测得的对比例1和实施例1、4、10抛光液的去除速率记于表3。

表3对比例1和实施例1、4、10抛光液抛光前后的碟型凹陷(Dishing)和介质层侵蚀(Erosion)

其中，表3中所述“碟型凹陷”是指阻挡层抛光前在金属垫上的碟型凹陷，“介质层侵蚀”是指阻挡层在线宽为0.18微米，密度为50％的密线区域(50％铜/50％介电层)上的介质层侵蚀。

由表3可以看出，对比例1的抛光液虽然可修正前程(铜抛光后)在晶圆上产生的碟型凹陷，但是铜区域高于介质层区域，且不能修正前程在晶圆密线区域上产生的介质层侵蚀，不能获得工艺要求的晶圆形貌。与对比例1抛光液相比，本发明实施例的抛光液由于能够有效的控制TEOS/BD对铜的去除速率的选择比，因而能较好的修正前程(铜抛光后)在晶圆上产生的碟型凹陷和介质层侵蚀，获得了较好的晶圆形貌。

综上所述，本发明提供的一种可用于阻挡层抛光的化学机械抛光液，通过添加乙氧基化丁氧基化烷基醇作为非离子表面活性剂，使得抛光液在碱性条件下在获得高TEOS和钽去除速率的同时，能有效地调节BD和铜的去除速率，从而较好的修正前程(铜抛光后)在晶圆上产生的碟型凹陷和介质层侵蚀。

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 (15)

1.一种化学机械抛光液，包括研磨颗粒、金属腐蚀抑制剂、络合剂、氧化剂、非离子表面活性剂和水，所述非离子表面活性剂为乙氧基化丁氧基化烷基醇。

2.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述乙氧基化丁氧基化烷基醇中，乙氧基数x为5-20，丁氧基数y为5-20，烷基为碳原子数11-15的直链或支链烷基。

3.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述非离子表面活性剂的质量百分比浓度为0.001～0.2％。

4.根据权利要求3所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述非离子表面活性剂的质量百分比浓度为0.005～0.1％。

5.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述研磨颗粒为二氧化硅。

6.根据权利要求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3～20％。

7.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述金属腐蚀抑制剂为唑类化合物。

8.根据权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述金属腐蚀抑制剂选自苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、1，2，4-三氮唑、5-甲基-四氮唑、5-氨基-四氮唑、5-苯基四氮唑、巯基苯基四氮唑、苯并咪唑、萘并三唑、2-巯基-苯并噻唑中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述金属腐蚀抑制剂的质量百分比浓度为0.005～0.5％。

10.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述络合剂选自有机酸、有机胺中的一种或多种。

11.根据权利要求10所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述有机酸选自草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、酒石酸、甘氨酸、丙氨酸、氨三乙酸、2-膦酸基丁烷-1，2，4-三羧酸、氨基三甲叉膦酸、氨基三亚甲基膦酸、羟基亚乙基二膦酸、乙二胺四亚甲基膦酸、2-羟基膦酸基乙酸、二乙烯三胺五亚甲基膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸、乙二胺四乙酸中的一种或多种；

所述有机胺选自乙二胺、三乙醇胺中的一种或多种。

12.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述络合剂的质量百分比浓度为0.01～2％。

13.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述氧化剂为过氧化氢。

14.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述氧化剂的质量百分比浓度为0.05～1％。

15.根据权利要求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为8～12。