CN116254058A - 一种化学机械抛光液及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种化学机械抛光液及其应用，所述化学机械抛光液包括：研磨颗粒，金属缓蚀剂，络合剂，氧化剂，聚乙二醇，烷基磺酸盐类表面活性剂及水。本发明提供的化学机械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，同时针对前程铜抛光后的不同程度的碟型凹陷和介质层侵蚀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，尤其涉及一种化学机械抛光液及其应用。
背景技术
在集成电路制造中，互连技术的标准逐渐提高。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十分有限，化学机械抛光工艺CMP就是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研磨颗粒的混合物抛光晶圆表面。在典型的化学机械抛光方法中，将晶圆表面直接与旋转抛光垫接触，用一载重物在晶圆背面施加压力。在抛光期间，抛光垫和操作台旋转，同时在晶圆背面保持向下的力，将研磨颗粒和化学活性溶液(通常称为抛光液或抛光浆料)涂于抛光垫上，该抛光液与正在抛光的晶圆表面发生化学反应并开始进行抛光过程。
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，晶圆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、介电层去除速率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(低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学机械抛光工艺(CMP)带来极大的挑战。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，而且需对半导体器件表面的缺陷有很强的矫正能力。因而需要阻挡层抛光液具有一定的去除速率选择比的调节能力，通常而言，去除速率选择比的调节是指通过对金属去除速率和阻挡层、介电层材料去除速率的优化与调整。
发明内容
为了使抛光液具有良好的抛光选择比，同时能够修复与控制碟形凹陷和介质层侵蚀，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，聚乙二醇，烷基磺酸类表面活性剂及水。
优选的，所述研磨颗粒为二氧化硅，质量百分比浓度为2-10％，粒径为20-100nm。
优选的，所述金属缓蚀剂选自苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、羧基苯并三氮唑、巯基苯丙三氮唑和/或羟基苯丙三氮唑的一种或多种。
优选的，所述金属缓蚀剂的质量百分比浓度为0.005～0.5％。
优选的，所述络合剂选自草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、酒石酸、甘氨酸，丙氨酸和/或乙二胺四乙酸中的一种或多种。
优选的，所述络合物的质量百分比浓度为0.1～1％。
优选的，所述氧化剂为过氧化氢。
优选的，所述氧化剂的质量百分比浓度为0.1～1％。
优选的，所述聚乙二醇的分子量为200-20000。
优选的，所述聚乙二醇的质量百分比浓度为0.005-0.2％。
优选的，所述聚乙二醇的质量百分比浓度为0.01-0.1％。
优选的，所述烷基磺酸类表面活性剂选自碳原子数为12～20的的烷基磺酸及其钠盐、钾盐或铵盐。
优选的，所述烷基磺酸类表面活性剂的质量百分比浓度为0.0005～0.05％。
优选的，所述烷基磺酸类表面活性剂的质量百分比浓度为0.001～0.02％。
优选的，所述化学机械抛光液的pH值为8-12。
优选的，所述化学机械抛光液的pH值为9-11。
本发明的另一方法，还提供一种将上述任一所述的化学机械抛光液用于阻挡层平坦化的应用方法。
本发明中的化学机械抛光液不仅能够满足阻挡层抛光过程中对各种材料的去除速率和去除速率选择比的要求，而且对半导体器件表面的缺陷有很强的矫正能力，能有效的矫正铜抛光后的碟形凹陷和介质层侵蚀，保证较好的抛光后的晶圆表面质量。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步阐述本发明的优点，但并不以此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本发明的化学机械抛光液可按下述方法制备：将除氧化剂以外的其他组分按比例混合均匀，用pH调节剂(如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。
本发明所用试剂及原料均市售可得。
表1为对比例1-4和本发明实施例1-12中的化学机械抛光液中各组分及其含量。按表1中的配方制备抛光液时，首先将除氧化剂以外的其他组分混合均匀，再用KOH或HNO3将抛光液调节到所需要的pH值。最后，在使用抛光液前进一步加入氧化剂H2O2，混合均匀即可。水为余量。
表1对比例1-4和实施例1-12的组分及其含量
按照下述条件，使用对比例1-4及实施例1-12的抛光液分别对铜(Cu)、钽(Ta)、二氧化硅(TEOS)和低介电材料(BD)空白晶圆进行抛光，比较不同抛光液对铜(Cu)、钽(Ta)、二氧化硅(TEOS)和低介电材料(BD)的抛光速率的影响。
具体抛光条件为：抛光机台为12”Reflexion LK机台，抛光垫为Fujibo pad，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间为1min。用金属薄膜测厚仪测量抛光前后的铜和钽的电阻率，计算出抛光前后的铜和钽的厚度，获得铜和钽的去除速率，用非金属薄膜测厚仪测量抛光前后的TEOS和BD的厚度，获得TEOS和BD的去除速率，抛光结果见表2。
表2对比例1-4和实施例1-12的抛光速率测试结果
由表2可见，与对比例1-4相比，实施例1-12中的抛光液，在添加聚乙二醇和烷基磺酸类表面活性剂后，不影响阻挡层Ta、二氧化硅(TEOS)的去除速率，因而能保证较短的抛光时间，提高产能，且可更好的调节BD材料的去除速率，能在抛光过程中很好的停止在BD层上。
进一步的，为了表征本申请中抛光液对晶片表面的形貌影响，采用对比例1-4和实施例1-4按照下述条件对带有图案的铜晶片进行抛光。
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。
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将阻挡层(钽/氮化钽)、部分TEOS去除并停在TEOS层上。
抛光条件：抛光机台为12”Reflexion LK机台，抛光垫为Fujibo pad，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间为70s。
表3对比例1-4和实施例1-4抛光液对带有图案的铜晶片抛光后的矫正能力对比
其中，上文中所述碟型凹陷，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，
根据表3中的数据可知，与没有添加聚乙二醇和烷基磺酸类表面活性剂的对比例1，单独使用聚乙二醇2000的对比例2以及单独使用十五烷基磺酸钠的对比例3相比，实施例1-4抛光液中通过添加聚乙二醇和烷基磺酸类表面活性剂复配使用，能够较好的修正前程(铜抛光后)在晶圆上产生的碟型凹陷和介质层侵蚀，以使抛光后的铜晶片获得较好的晶圆形貌。
进一步的，采用对比例1-4和实施例5-8按照下述条件对带有图案的铜晶片进行抛光。
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将阻挡层(钽/氮化钽)、二氧化硅TEOS、以及部分BD去除，并最终停在BD层上。
抛光条件：抛光机台为12”Reflexion LK机台，抛光垫为Fujibo pad，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间为70s。
表4对比例1-4和实施例5-8抛光液对带有图案的铜晶片抛光后的矫正能力对比
由表4可以看出，与对比例1-4抛光液相比，实施例5-8同时添加聚乙二醇和烷基磺酸类表面活性剂，能够较好的修正前程(铜抛光后)在晶圆上产生的碟型凹陷和介质层侵蚀，以使抛光后的铜晶片获得较好的晶圆形貌。因而本发明的抛光液也适合与低介电材料-铜互连制程中的阻挡层抛光。
对比实施例1、对比例2和对比例4可知，在其他组分及含量都相同的条件下，对比例4将聚乙二醇换成吐温-20，与十五烷基磺酸钠同时使用。但基于表2和表3中的数据可知，实施例1的抛光液相较于对比例4没有完全抑制BD的去除速率，这样可以保证BD一定的去除量和保证抛光时间，而相较于对比例2，又保证抛光后的碟形凹陷及介质层侵蚀有明显的减少。意味着本发明中的化学机械抛光液同时使用聚乙二醇和烷基磺酸类表面活性剂，能够满足对抛光材料的选择比的要求，同时对带有图案的铜晶片抛光后的表面具有较强的矫正能力，并且本发明中的抛光液对聚乙二醇的使用具有选择性。
应当理解的是，本发明所述wt％均指的是质量百分含量。
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 (17)
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，聚乙二醇，烷基磺酸类表面活性剂及水。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述研磨颗粒为二氧化硅，质量百分比浓度为2-10％，粒径为20-100nm。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述金属缓蚀剂选自苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、羧基苯并三氮唑、巯基苯丙三氮唑和/或羟基苯丙三氮唑的一种或多种。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述金属缓蚀剂的质量百分比浓度为0.005～0.5％。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述络合剂选自草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、酒石酸、甘氨酸，丙氨酸和/或乙二胺四乙酸中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述络合物的质量百分比浓度为0.1～1％。
7.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。
8.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述氧化剂的质量百分比浓度为0.1～1％。
9.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述聚乙二醇的分子量为200-20000。
10.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述聚乙二醇的质量百分比浓度为0.005-0.2％。
11.如权利要求10所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述聚乙二醇的质量百分比浓度为0.01-0.1％。
12.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述烷基磺酸盐表面活性剂选自碳原子数为12～20的烷基磺酸及其钠盐、钾盐或铵盐。
13.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述阴离子表面活性剂的质量百分比浓度为0.0005～0.05％。
14.如权利要求13所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述阴离子表面活性剂的质量百分比浓度为0.001～0.02％。
15.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。
16.如权利要求15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9-11。
17.一种将上述权利要求1-16中任一所述的化学机械抛光液用于阻挡层平坦化的应用方法。
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