CN114686118A - 一种化学机械抛光液及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液及其使用方法。该化学机械抛光液包括研磨颗粒，金属缓蚀剂，络合剂，氧化剂，表面活性剂和水，其中所述表面活性剂为一种或多种脂肪醇衍生物。本发明中的化学机械抛光液可以满足阻挡层抛光过程中对各种材料的抛光速率和选择比的要求，针对前程铜抛光后的不同程度的碟型凹陷，均有很好的修复与控制能力。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械抛光领域，尤其涉及一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液及其使用方法。
背景技术
在集成电路制造中，互连技术的标准在提高，随着互连层数的增加和工艺特征尺寸的缩小，对硅片表面平整度的要求也越来越高，如果没有平坦化的能力，在半导体晶圆上创建复杂和密集的结构是非常有限的，化学机械抛光工艺CMP就是可实现整个硅片平坦化的最有效的方法。
CMP工艺就是使用一种含磨料的混合物抛光集成电路表面。在典型的化学机械抛光方法中，将衬底直接与旋转抛光垫接触，用一载重物在衬底背面施加压力。在抛光期间，垫片和操作台旋转，同时在衬底背面保持向下的力，将磨料和化学活性溶液(通常称为抛光液或抛光浆料)涂于垫片上，该抛光液与正在抛光的薄膜发生化学反应开始进行抛光过程。
铜阻挡层的CMP通常分为三步，第一步使用较高的压力去除大量的铜，第二步减低抛光压力，移除晶圆表面残余的铜并停在阻挡层上。第三步使用铜阻挡层抛光液进行阻挡层抛光。其中在第二步去除残余铜的过程中，铜表面会形成碟型凹陷。针对这一现象，通常会在第三步使用具有一定铜、阻挡层、介电层选择比的抛光液对碟型凹陷加以修复。
随着集成电路技术向45nm及以下技术节点发展以及互连布线密度的急剧增加，互连系统中电阻、电容带来的RC耦合寄生效应迅速增长，影响了器件的速度。为减小这一影响，就必须采用低介电常数(low k)绝缘材料来降低相邻金属线之间的寄生电容，由于低介电常数材料的机械强度变弱，因而该材料的引入给工艺技术尤其是化机械抛光工艺(CMP)带来极大的挑战。通常而言，选择比的调节是通过对金属移除速率和阻挡层、介电层移除速率的优化与调整，在CMP过程中不仅需要满足阻挡层抛光过程中对各种材料的抛光速率和选择比的要求。
本专利提供的抛光液不仅满足阻挡层抛光过程中对各种材料的抛光速率和选择比的要求，针对前程铜抛光后的不同程度的碟型凹陷，均有很好的修复与控制能力。
发明内容
本发明旨在提供一种化学机械抛光液适合于铜互连制程中的阻挡层平坦化，用于抛光至少包含阻挡层金属钽(Ta)、铜及二氧化硅介电层的工艺，或者至少包含阻挡层金属钽(Ta)、铜、二氧化硅介电层及低介电(low k)材料的工艺。本发明提供一种化学机械抛光液，包括研磨颗粒，金属缓蚀剂，络合剂，氧化剂，表面活性剂和水，其中所述表面活性剂为一种或多种脂肪醇衍生物。
优选的，所述表面活性剂的结构式为：
R1-X-(CH2CH2O)nH
其中，R1为H或所含碳原子数的范围为4-30的有机取代基；
X为氧原子；
n为大于0且小于等于40的整数。
优选的，所述表面活性剂的质量百分比含量为0.0005％-0.1％。
优选的，所述表面活性剂的质量百分比含量为0.001％-0.02％。
优选的，所述研磨颗粒为二氧化硅颗粒，所述研磨颗粒的质量百分比含量为2％-15％，所述研磨颗粒的粒径为20-120nm。
优选的，所述金属缓蚀剂为苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、1，2，4-三氮唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑、2,2'-[[(甲基-1H-苯并三唑-1-基)甲基]亚氨基]双乙醇、羧基苯并三氮、4-氨基-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，和/或2-巯基-苯并噻唑中的一种或多种；所述金属缓蚀剂的质量百分比含量为0.001-0.5％。
优选的，所述络合剂为有机酸，有机胺中的一种或多种，所述有机酸为草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、酒石酸、甘氨酸、丙氨酸、羟基亚乙基二膦酸，氨基三亚甲基膦酸，L-半胱氨酸，乙二胺四乙酸中的一种或多种；所述有机胺为乙二胺、三乙醇胺中的一种或多种；所述络合剂的质量百分比含量为0.01％-2.0％。
优选的，所述氧化剂为过氧化氢，所述氧化剂的质量百分比含量为0.05％-1.0％。
优选的，所述化学机械抛光液的pH值为8-12。
除此之外，根据实际使用情况，本发明的化学机械抛光液还可以包含助溶剂和杀菌剂等其他本领域常用添加剂。
本发明的抛光液还可以浓缩制备，使用前用水稀释至本发明的浓度范围即可。
本发明还公开了一种化学机械抛光液的使用方法，即，上述任一化学机械抛光液在硅片阻挡层平坦化中的使用。
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.满足阻挡层抛光过程中对各种材料的抛光速率和阻挡层/介电层/铜线之间可调选择比的要求；
2.针对不同程度的碟型凹陷，均有很好的修复与控制能力；
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步阐述本发明的优点。
表1给出了对比例1-2和实施例1～17抛光液的组分及其含量。按表1中所给的配方，将除氧化剂以外的其他组分混合均匀，用KOH或HNO3调节到所需要的pH值。使用前加氧化剂，混合均匀即可。去离子水为余量。
表1对比例1-2和实施例1～17的抛光液的组分及其含量
采用对比例1-2和实施例1-17中的抛光液，按照下述条件对铜(Cu)，钽(ta)，二氧化硅(TEOS)，和低介电材料(BD)以及市售的图形芯片Sematec754进行抛光，图形芯片使用市售的铜抛光液去除掉大量的铜，停在阻挡层上，随后用上述阻挡层抛光液进行抛光。抛光条件：抛光机台为12”Reflexion LK机台，抛光垫为富士纺株式会社(Fujibo)制造的软抛光垫，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝83/77rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间为1min。测试结果记于表2。
表2对比例1-2和实施例1～17的抛光液对铜(Cu)、钽(Ta)、TEOS以及低介电材料(BD)的去除速率以及抛光前后的碟型凹陷测试数据
其中，上文中所述碟型凹陷，是指阻挡层抛光前后在金属垫上的碟型凹陷，其中正值代表铜线两侧的介电层高于铜线，负值代表铜线高于两侧的介电层。过大或者过小的碟型凹陷都会对后续的工序产生不利的影响。
如表2所示，与未添加上述表面活性剂的对比抛光液1，以及添加了低浓度表面活性剂的对比抛光液2相比，在具有同等甚至更低的抛光速率选择比的情况下，抛光液1～17均体现出对铜抛光后产生的碟型凹陷更有效的修复能力。与此同时铜的去除速率仍能保持在较高的水平。
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种化学机械抛光液，其特征在于，
包括研磨颗粒，金属缓蚀剂，络合剂，氧化剂，表面活性剂和水，其中所述表面活性剂为一种或多种脂肪醇衍生物。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述表面活性剂的结构式为：
R1-X-(CH2CH2O)nH
其中，R1为H或所含碳原子数的范围为4-30的有机取代基；
X为氧原子；
n为大于0且小于等于40的整数。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述表面活性剂的质量百分比含量为0.0005％-0.1％。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述表面活性剂的质量百分比含量为0.001％-0.02％。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述研磨颗粒为二氧化硅颗粒，所述研磨颗粒的质量百分比含量为2-15％，所述研磨颗粒的粒径为20-120nm。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述金属缓蚀剂为苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、1，2，4-三氮唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑、2,2'-[[(甲基-1H-苯并三唑-1-基)甲基]亚氨基]双乙醇、羧基苯并三氮、4-氨基-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，和/或2-巯基-苯并噻唑中的一种或多种；
所述金属缓蚀剂的质量百分比含量为0.001％-0.5％。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述络合剂为有机酸，有机胺中的一种或多种，所述有机酸为草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、酒石酸、甘氨酸、丙氨酸、羟基亚乙基二膦酸，氨基三亚甲基膦酸，L-半胱氨酸，乙二胺四乙酸中的一种或多种；所述有机胺为乙二胺、三乙醇胺中的一种或多种；
所述络合剂的质量百分比含量为0.01％-2.0％。
8.如权利要求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，所述氧化剂的质量百分比含量为0.05％-1.0％。
9.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8-12。
10.一种化学机械抛光液的使用方法，其特征在于，如权利要求1-9中任一项所述的化学机械抛光液在阻挡层平坦化中的使用。
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