CN113964031A - 光催化辅助的钨化学机械抛光组合物及抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为光催化辅助的钨化学机械抛光组合物及抛光方法，包括：包含钨和电介质的衬底；以二氧化钛作为磨料，不添加氧化剂的抛光组合物；具有抛光表面的化学机械抛光垫；紫外光源；化学机械抛光垫与衬底之间的界面处产生动态接触，在紫外光照射下，将上述抛光组合物分配到化学机械抛光垫与衬底之间的界面处或附近的化学机械抛光表面上进行抛光。该抛光组合物中不含氧化剂，以二氧化钛作为磨料，该抛光方法在不添加金属离子的同时保证钨的抛光速率，污染更少。本申请为钨抛光提供了一种新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及钨化学机械抛光组合物技术领域，尤其是一种光催化辅助的钨化学机械抛光组合物及抛光方法。
背景技术
在集成电路和其他电子器件的制造过程中，随着材料层的依次沉积和去除，晶圆的最上表面变得不平坦。为了方便后续步骤的进行，需要将晶圆平坦化。
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)是应用于晶圆全局或局部平坦化的常见技术。在CMP过程中，晶圆被安装在载体组件上并与CMP设备中的抛光垫接触，载体组件向晶圆提供可以控制的压力，将其压在抛光垫上。晶圆及抛光垫在外部驱动力的作用下相对于彼此移动。同时，在晶圆与抛光垫之间提供抛光浆料，使晶圆在机械和化学的双重作用下实现平坦化。
在CMP过程中，抛光浆料通常包括具有物理抛光效果的磨料和具有化学抛光效果的活性成分(腐蚀剂或氧化剂)，使晶圆表面的任何突出部分被选择性地物理化学腐蚀，从而导致晶圆的平坦化。
根据抛光对象的不同，CMP抛光浆料可分为绝缘层抛光浆料和金属抛光浆料。在半导体制造工艺中，绝缘层抛光浆料可以应用于层间电介质抛光过程或浅沟槽隔离抛光过程。金属抛光浆料可以应用于形成互联线的钨、铝或铜导线和钨触点/通孔插头的互联，或应用于双大马士革工艺。
钨具有良好的填隙能力，在传统的铝互联线和先进的铜互联线中都得到了广泛的应用。用于钨的抛光浆料一般包括磨料、氧化剂、催化剂、分散剂、pH控制剂和其他添加剂等。其中磨料用于机械抛光，氧化剂和催化剂用于通过金属层的氧化促进抛光，pH控制剂是根据不同的pH值控制氧化发生的pH范围，其他添加剂是为了改善或补充浆料的性能。
市售可得的钨抛光浆料组合物通常利用铁或其他金属离子作为催化剂来辅助过氧化氢进行钨的氧化促进抛光。但晶圆表面的金属离子残留会对后续工艺造成严重的影响，严重的甚至会引起晶圆报废。此外，金属离子与抛光浆料中的过氧化氢发生Fenton反应，会导致其迅速地分解失效，使产品无法长时间存放。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是，提供一种不含氧化剂的，用二氧化钛作为磨料的抛光组合物，在不添加金属离子的同时保证钨的抛光速率。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：
一种钨化学机械抛光方法，包括：包含钨和电介质的衬底；以二氧化钛作为磨料，不添加氧化剂的抛光组合物；具有抛光表面的化学机械抛光垫；紫外光源；
化学机械抛光垫与衬底之间的界面处产生动态接触，在紫外光照射下，将上述抛光组合物分配到化学机械抛光垫与衬底之间的界面处或附近的化学机械抛光表面上进行抛光。
在晶圆与抛光垫之间的压力和相对运动的作用下，通过物理机械作用去除晶圆上的突出部分，同时二氧化钛能够在紫外光照射下将抛光组合物中溶解的氧气和抛光组合物中的水催化产生具有强氧化性的超氧自由基和羟基自由基将晶圆表面的钨氧化为氧化钨，进而加速钨的去除。
所述紫外光源采用紫外灯，紫外灯的功率为15-25W，抛光组合物流速：200-300ml/min，上、下抛头转速在90-110rpm之间，上、下抛头转速相差3-5rpm，抛光压力：1.5-3psi。
优选地，所述紫外灯的功率为18W，抛光组合物流速：200ml/min，上、下抛头转速：97/101rpm，抛光压力：1.5psi。
所述钨去除速率大于
优选为
凹陷程度小于
本发明还保护一种钨抛光浆料组合物，所述抛光组合物的重量百分比如下：胶态二氧化钛磨料10～15％；螯合剂：0.1～6％；表面活性剂：0.1～1％；pH调节剂：0.1～2％；任选的杀生物剂：0.1～2％；余量为去离子水；
所述胶态二氧化钛磨料为悬浮于液体载剂中的胶态二氧化钛粒子，胶态二氧化钛粒子可为聚合的和非聚合的，球形或近似球形的离散粒子；所述螯合剂能够螯合金属离子，具有水溶性且不含金属离子的化合物；
所述二氧化钛粒子需要经380-450℃的高温活化处理，使其具有光学活性。磨料的活化处理过程是：将磨料置于干净的石英坩埚中，在管式电阻炉内380-450℃高温煅烧2h，冷却到室温后将磨料取出，磨料活化处理后粒径：80-100nm。
所述螯合剂的作用是：去除晶圆表面沾附的金属离子，同时可以与氧化后的钨结合使其进入到溶液中，离开衬底。螯合剂可以为氨基羧酸型：乙二胺四乙酸(EDTA)，氮川三乙酸(NTA)，N-羟乙基乙氨三乙酸(HEDTA)，N-四乙酸(EGTA)等；有机磷酸型：氨基三亚甲基膦酸(ATMP)，1-二磷酸(HEDP)等；羟基羧酸型：葡萄糖酸，聚丙烯酸(PAA)，马来酸(MAO)等。
所述表面活性剂为不含金属离子的阳离子表面活性剂，如氢氧化四甲基铵、氢氧化三甲胺β-羟乙基铵等季铵化物、硬脂酸等，能润滑晶圆表面，使螯合后的钨更容易进入到溶液中。
pH调节剂：调节抛光浆料的pH值，使其保持稳定，优选pH＝2-5。
杀生物剂：将抛光浆料中的微生物灭活，增加浆料的存放时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明中用二氧化钛作为磨料，提供机械抛光作用的同时在紫外光下产生具有强氧化性的自由基，使抛光组合物中无需加入氧化剂和金属离子，减小了晶圆在抛光过程中金属离子的污染，在提高抛光速率的的前提下更稳定，污染更少。本申请为钨抛光提供了一种新的思路。
本发明综合考虑抛光要求，合适设置抛光相关参数，保证抛光效果，紫外灯功率过低，会导致氧化性中间体的生成速率低，抛光速率过慢；功率过高，超过二氧化钛吸光能力会导致能源浪费。抛光组合物流速过低，抛光速率减慢，抛光过程中去除的钨无法及时带走，会影响抛光质量；流速过高，会导致浪费。下抛头转速过慢，无法及时对接触部分补充新的抛光液；转速过快，会导致抛光液甩出。上下抛头转速差过小，机械磨削力不够，无法及时去除钨表面的物质；转速差过大，机械磨削力过强，会导致钨表面损伤。
附图说明
图1为本发明抛光方法的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明抛光原理是：二氧化钛磨料在紫外光下产生强氧化性自由基的机理，在紫外光照射下二氧化钛价带中的电子吸收光子中的能量从价带跃迁到导带，在导带中产生具有还原性的激发电子，同时在价带中留下具有氧化性的空穴，导带中的电子还原抛光组合物中溶解的氧气(液体与氧气的接触面积很大，消耗的氧气会随时得到补充)产生具有强氧化性的超氧自由基，留在价带中的空穴则可以将抛光组合物中的水氧化成同样具有强氧化性的羟基自由基；在抛光垫的旋转作用下，溶解在抛光组合物中的强氧化性自由基(羟基自由基和超氧自由基)进入到化学机械抛光垫与衬底接触的界面上，进而将衬底上的钨氧化。
实施例1
螯合剂：乙二胺四乙酸。
表面活性剂：硬脂酸。
磨料：胶体二氧化钛:10％，二氧化钛粒子粒径:90nm。
pH调节剂：HNO3
pH＝3
本抛光组合物的成分及重量百分比如下：胶体二氧化钛:10％；螯合剂：0.1％；表面活性剂：0.1％；pH调节剂：0.1％；杀生物剂：0.1％。
对应的实验数据：抛光条件：上下抛头转速：97/101rpm；抛光组合物流速：200ml/min；抛光压力：1.5psi；紫外灯功率：18W。钨去除速率：
凹陷程度：
实施例2
本抛光组合物的成分及重量百分比如下：胶体二氧化钛:12.5％；螯合剂：1％；表面活性剂：0.1％；pH调节剂：1％；杀生物剂：1％。
对应的实验数据：抛光条件：上下抛头转速：97/101rpm；抛光组合物流速：200ml/min；抛光压力：1.5psi；紫外灯功率：18W。钨去除速率：
凹陷程度：
实施例3
本抛光组合物的成分及重量百分比如下：胶体二氧化钛:15％；螯合剂：6％；表面活性剂：1％；pH调节剂：2％；杀生物剂：2％。
对应的实验数据：抛光条件：上下抛头转速：97/101rpm；抛光组合物流速：200ml/min；抛光压力：1.5psi；紫外灯功率：18W。钨去除速率：
凹陷程度：
实施例4
本抛光组合物的成分及重量百分比如下：胶体二氧化钛:12.5％；螯合剂：5％；表面活性剂：0.8％；pH调节剂：1％；杀生物剂：1％。
对应的实验数据：抛光条件：上下抛头转速：97/101rpm；抛光组合物流速：200ml/min；抛光压力：1.5psi；紫外灯功率：18W。钨去除速率：
凹陷程度：
实施例5
本抛光组合物的成分及重量百分比如下：胶体二氧化钛:12.5％；螯合剂：5％；表面活性剂：1％；pH调节剂：1％；杀生物剂：1％。
对应的实验数据：抛光条件：上下抛头转速：97/101rpm；抛光组合物流速：200ml/min；抛光压力：1.5psi；紫外灯功率：18W。钨去除速率：
凹陷程度：
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (10)
1.一种光催化辅助的钨化学机械抛光方法，包括：包含钨和电介质的衬底；以二氧化钛作为磨料，不添加氧化剂的抛光组合物；具有抛光表面的化学机械抛光垫；紫外光源；
化学机械抛光垫与衬底之间的界面处产生动态接触，在紫外光照射下，将上述抛光组合物分配到化学机械抛光垫与衬底之间的界面处或附近的化学机械抛光表面上进行抛光。
2.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，在晶圆与抛光垫之间的压力和相对运动的作用下，通过物理机械作用去除晶圆上的突出部分，同时二氧化钛能够在紫外光照射下将抛光组合物中溶解的氧气和抛光组合物中的水催化产生具有强氧化性的超氧自由基和羟基自由基将晶圆表面的钨氧化为氧化钨，进而加速钨的去除。
3.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，所述紫外光源采用紫外灯，紫外灯的功率为15-25W，抛光组合物流速：200-300ml/min，上、下抛头转速在90-110rpm之间，上、下抛头转速相差3-5rpm，抛光压力：1.5-3psi。
4.根据权利要求3所述的抛光方法，其特征在于，所述紫外灯的功率为18W，抛光组合物流速：200ml/min，上、下抛头转速：97/101rpm，抛光压力：1.5psi。
5.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，所述钨去除速率大于
凹陷程度小于
6.一种光催化辅助的钨化学机械抛光组合物，其特征在于，所述抛光组合物的重量百分比为：胶态二氧化钛磨料10～15％；螯合剂：0.1～6％；表面活性剂：0.1～1％；pH调节剂：0.1～2％；任选的杀生物剂：0.1～2％；余量为去离子水；
所述胶态二氧化钛磨料为悬浮于液体载剂中的胶态二氧化钛粒子；所述螯合剂能够螯合金属离子，具有水溶性且不含金属离子的化合物；所述表面活性剂为不含金属离子的阳离子表面活性剂。
7.根据权利要求6所述的抛光组合物，其特征在于，所述胶态二氧化钛粒子为聚合的或非聚合的，球形或近似球形的离散粒子；
所述二氧化钛粒子需要经380-450℃的高温活化处理，使其具有光学活性，活化处理后磨料粒径为80-100nm。
8.根据权利要求6所述的抛光组合物，其特征在于，所述螯合剂为氨基羧酸型：乙二胺四乙酸(EDTA)，氮川三乙酸(NTA)，N-羟乙基乙氨三乙酸(HEDTA)，N-四乙酸(EGTA)；有机磷酸型：氨基三亚甲基膦酸(ATMP)，1-二磷酸(HEDP)；羟基羧酸型：葡萄糖酸，聚丙烯酸(PAA)，马来酸(MAO)。
9.根据权利要求6所述的抛光组合物，其特征在于，所述表面活性剂为季铵化物或硬脂酸，季铵化物为氢氧化四甲基铵、氢氧化三甲胺、β-羟乙基铵。
10.根据权利要求6所述的抛光组合物，其特征在于，抛光组合物的pH为2-5。
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| CN202111260053.3A CN113964031A (zh) | 2021-10-28 | 2021-10-28 | 光催化辅助的钨化学机械抛光组合物及抛光方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114806413A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-07-29 | 大连理工大学 | 一种绿色可见光催化辅助金刚石化学机械抛光液 |
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