CN1680508A

CN1680508A - 半导体芯片化学机械研磨剂及其配制方法

Info

Publication number: CN1680508A
Application number: CN 200410017579
Authority: CN
Inventors: 姚立新
Original assignee: YUEXU SEMICONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI
Current assignee: Zhejiang welch Materials, Inc.
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: CN100475927C

Abstract

本发明提供了一种半导体芯片化学机械研磨剂及其配制方法，研磨剂由下述物质按所附重量百分比配制而成：研磨粒子0.01－20％，第一氧化剂0.01－50％，第二氧化剂0.001－50％，稳定剂0.1－5％，添加剂0.01－10％，余量为水。其配制方法包括三种形式，一种是将所有物质混合在一起的单组分形式；第二种是将第二氧化剂作为一个组分，其余物质作为一个组分的双组分形式，第三种是将第一氧化剂作为一个组分，将第二氧化剂作为一个组分，其余物质作为一个组分的三组分形式。本发明半导体芯片化学机械研磨剂对钨的磨除速率高、能减少凹坑的产生和介质层的损耗、研磨后硅片具有极佳的表面光洁度。

Description

半导体芯片化学机械研磨剂及其配制方法

技术领域

本发明涉及一种化学组合物及其配制方法，尤其涉及一种在半导体芯片加工制造过程中用于去除芯片上附着的金属钨的半导体芯片化学机械研磨剂及其配制方法。

背景技术

在半导体芯片的加工制造过程中，随着采用嵌入式(damascene)工序(一种费用相当便宜且能在硅芯片上建立更密集的元器件结构的工序)的逐步普及，对芯片中的金属导线进行化学机械研磨(CMP，chemical mechanical planarization)抛光亦变得必不可少。钨以其极好的对通孔和沟槽的填充性能、低的电子迁移和电阻以及优异的耐腐蚀性，被广泛地用于半导体芯片加工制造的工艺过程中。如作为金属触点、通孔导线和层间互连线等。传统上，钨可以采用等离子体的方法刻蚀，称作钨回蚀(WEB，tungsten etch back)。不过，钨回蚀是一种成本高且会造成较大环境污染的工艺。与此相反，钨的CMP工艺，在成本和环保两方面要好得多。尤其重要的是，采用CMP的钨抛光方法，有助于提高嵌入式工序对芯片的配线密度，进而获得更高的芯片性能。因此，在半导体制造业中，钨CMP已迅速成为一种被广泛使用的技术。

自上世纪九十年代以来，钨CMP使用过相当多的不同种类的化学机械研磨剂。如基于硝酸铁氧化剂和氧化铝研磨粒子的第一代化学机械研磨剂，基于碘酸钾氧化剂和氧化铝研磨粒子的第二代化学机械研磨剂以及基于过氧化氢氧化剂和二氧化硅研磨粒子的第三代化学机械研磨剂等。从完善钨的CMP加工工艺方面考虑，理想的化学机械研磨剂应具有：钨去除速率高、介质去除速率很低、钨表面的碟型凹陷和对介质层的腐蚀都极微、研磨后硅片表面光洁度极好以及性能价格比高等特性。相对于第一代，尽管在性能方面已经作了很大的改善，目前商业销售的钨化学机械研磨剂依然存在如下的问题：钨去除速率相对较低，介质去除速率太高，碟型凹坑和腐蚀性大，以及价格比较昂贵等。随着芯片制造工艺转向更小的尺寸(小于0.25微米)，钨化学机械研磨剂的这些缺点将显得更加突出。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种钨的磨除速率高、介质选择性好、研磨后硅片表面光洁度极好的半导体芯片化学机械研磨剂及其配制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种半导体芯片化学机械研磨剂，由下列物质按所附重量百分比配制而成：

研磨粒子：0.01-20％；

第一氧化剂：0.01-50％；

第二氧化剂：0.001-50％；

稳定剂：0.1-5％：

添加剂：0.01-10％；

水：余量。

所述的水为去离子水；所述的研磨粒子为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅、二氧化鈰、氧化锰中的一种或几种的混合物；所述的第一氧化剂为焦磷酸盐；所述的第二氧化剂为碘酸盐、过氧化氢、羟胺或硝酸盐中的一种或几种的混合物；所述的稳定剂为磷酸盐、磷酸、丙烯酸、聚丙烯酸或表面活性剂中的一种或几种的混合物；所述的添加剂为氢氧化四甲基胺及其盐类、氢氧化四己基胺及其盐类、羧酸及其盐类中的一种或几种的混合物。

所述的研磨粒子次级粒子的粒径范围为20-400nm，优选范围为50-200nm，最优选范围为100-150nm；原生粒子的B.E.T比表面积为20m²/g-400m²/g，优选范围为50m²/g-200m²/g，最优选范围为100m²/g-150m²/g。

所述的研磨粒子的优选浓度范围为：0.1-10％；第一氧化剂的优选浓度范围为：0.1-10％；第二氧化剂的优选浓度范围为：0.01-10％；添加剂的优选浓度范围为：0.05-10％。

所述的研磨粒子的最优选浓度范围为：4-7％；第一氧化剂的最优选浓度范围为：1-5％；第二氧化剂的最优选浓度范围为：0.05-5％；添加剂的最优选浓度范围为：0.1-5％。

一种半导体芯片化学机械研磨剂的配制方法为，取下列物质按所附重量百分比配料：研磨粒子0.01-20％，第一氧化剂0.01-50％，第二氧化剂0.001-50％，稳定剂0.1-5％，添加剂0.01-10％，补水至100％，按以下三种形式配制使用：

1)：将配料量的研磨粒子、稳定剂、第一氧化剂、第二氧化剂、添加剂和去离子水混合放在一个容器内的单组分形式；

2)：将配料量的研磨粒子、稳定剂、第一氧化剂、添加剂和去离子水混合放在一个容器内作为第一组分，将配料量的第二氧化剂放在一个容器内作为第二组分的双组分形式，使用时将上述两组分按化学计量精确混合；

3)：将配料量的研磨粒子、稳定剂、添加剂和去离子水混合放在一个容器内作为第一组分，将配料量的第一氧化剂放在一个容器内作为第二组分，将配料量的第二氧化剂放在一个容器内作为第三组分的三组分形式，使用时将上述三组分按化学计量精确混合。

所述的研磨粒子为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅、二氧化鈰、氧化锰中的一种或几种的混合物；所述的第一氧化剂为焦磷酸盐，第二氧化剂为碘酸盐、过氧化氢、羟胺或硝酸盐中的一种或几种的混合物；所述的稳定剂为磷酸盐、磷酸、丙烯酸、聚丙烯酸或表面活性剂中的一种或几种的混合物；所述的添加剂为氢氧化四甲基胺及其盐类、氢氧化四己基胺及其盐类、羧酸及其盐类中的一种或几种的混合物。

本发明半导体芯片化学机械研磨剂具有以下的特点和优点：

1、由于使用了由焦磷酸钾和诸如碘酸钾、过氧化氢、羟胺等共氧化剂组成的多重氧化剂，能使钨层转变成钨氧化物层的厚度非常恰当，刚好能被研磨粒子的机械磨削作用完全去除，但又不至于因太厚而妨碍钨的进一步氧化。即使明显降低了以研磨时的下压力及相对线速度大小作为强度表征的机械磨削力，仍可保持极高的钨去除速率。由于相对降低了机械力的作用强度，凹坑、腐蚀和介质层的损耗等问题也减小了。

2、由于使用了诸如不饱和羧酸这样的添加剂，可避免焦磷酸盐在强氧化环境中可能会产生的不稳定性。羧酸在研磨粒子的表面，特别是气相二氧化硅粒子的表面，有强烈的吸附倾向。当阻挡层被磨除后，羧酸对露出的介质层表面也有很强的吸附倾向。羧酸既在研磨粒子的表面吸附，也在介质层的表面吸附，使两者之间产生静电斥力，由此减少了对介质层表面的机械磨损。因此，羧酸的加入，使本发明的半导体芯片化学机械研磨剂具备了较小的介质层磨损率和较低的腐蚀度。

3、由于使用了诸如羟胺这样的共氧化剂，通过带电效应，可以促进研磨粒子的稳定性；由于羟胺根据化学环境和pH值的不同，既可作为氧化剂，又可作为还原剂，因此可以用来平衡钨的氧化腐蚀和机械磨削的速率。

具体实施方式

实施例1

取二氧化硅粒子7克，焦磷酸钾5克，碘酸钾1克，磷酸钠5克，氢氧化四甲基胺5克，补水至100克，放在一个容器内混合配制成本发明的一种单组分研磨剂。

实施例2

取氧化铝粒子4克，焦磷酸钾1克，过氧化氢0.05克，磷酸钾0.1克，氢氧化四甲基胺的钠盐0.1克，补水至100克，放在一个容器内混合配制成本发明的一种单组分研磨剂。

实施例3

取氧化锆粒子5克，焦磷酸钾3克，羟胺2克，磷酸铵3克，水84克，混合放在一个容器内作为第一组分，取氢氧化四己基胺3克放在一个容器内作为第二组分，得到本发明的一种双组分研磨剂。使用时将上述两组分按化学计量精确混合。

实施例4

取碳化硅粒子1克，焦磷酸钾10克，硝酸铵5克，磷酸2克，氢氧化四己基胺的钾盐10克，补水至100克，放在一个容器内混合配制成本发明的一种单组分研磨剂。

实施例5

取二氧化鈰粒子10克，焦磷酸钾50克，碘酸钠8克，丙烯酸4克，水20克，放在一个容器内作为第一组分，取马来酸8克，放在一个容器内作为第二组分，得到本发明的一种双组分研磨剂。使用时将上述两组分按化学计量精确混合；

实施例6

取氧化锰粒子20克，聚丙烯酸1克，乙酸1克，水20克混合放在一个容器内作为第一组分，取焦磷酸钾8克放在一个容器内作为第二组分，取过氧化氢50克放在一个容器内作为第三组分，得到本发明的一种三组分研磨剂。使用时将上述三组分按化学计量精确混合。

实施例7

取气相二氧化硅粒子0.05克，焦磷酸钾0.05克，羟胺0.05克，丙烯酸和聚丙烯酸的混合物0.5克，乙酸钠0.02克，补水至100克，放在一个容器内混合配制成本发明的一种单组分研磨剂。

实施例8

取二氧化硅粒子0.02克，焦磷酸钾0.02克，硝酸钠0.002克，表面活性剂0.2克，马来酸1克，补水至100克，放在一个容器内混合配制成本发明的一种单组分研磨剂。

本发明中所使用的研磨粒子次级粒子的粒径范围为20-400nm，优选范围为50-200nm，最优选范围为100-150nm；原生粒子的B.E.T比表面积为20m²/g-400m²/g，优选范围为50m²/g-200m²/g，最优选范围为100m²/g-150m²/g。

Claims

1、一种半导体芯片化学机械研磨剂，其特征在于：由下列物质按所附重量百分比配制而成：

研磨粒子：0.01-20％；

第一氧化剂：0.01-50％；

第二氧化剂：0.001-50％；

稳定剂：0.1-5％；

添加剂：0.01-10％；

水：余量。

2、根据权利要求1所述的半导体芯片化学机械研磨剂，其特征在于：所述的水为去离子水；所述的研磨粒子为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅、二氧化鈰、氧化锰中的一种或几种的混合物；所述的第一氧化剂为焦磷酸盐；所述的第二氧化剂为碘酸盐、过氧化氢、羟胺或硝酸盐中的一种或几种的混合物；所述的稳定剂为磷酸盐、磷酸、丙烯酸、聚丙烯酸或表面活性剂中的一种或几种的混合物；所述的添加剂为氢氧化四甲基胺及其盐类、氢氧化四己基胺及其盐类、羧酸及其盐类中的一种或几种的混合物。

3、根据权利要求1所述的半导体芯片化学机械研磨剂，其特征在于：所述的研磨粒子次级粒子的粒径范围为20-400nm，优选范围为50-200nm，最优选范围为100-150nm；原生粒子的B.E.T比表面积为20m²/g-400m²/g，优选范围为50m²/g-200m²/g，最优选范围为100m²/g-150m²/g。

4、根据权利要求1所述的半导体芯片化学机械研磨剂，其特征在于：所述的研磨粒子的优选浓度范围为：0.1-10％；第一氧化剂的优选浓度范围为：0.1-10％；第二氧化剂的优选浓度范围为：0.01-10％；添加剂的优选浓度范围为：0.05-10％。

5、根据权利要求1所述的半导体芯片化学机械研磨剂，其特征在于：所述的研磨粒子的最优选浓度范围为：4-7％；第一氧化剂的最优选浓度范围为：1-5％；第二氧化剂的最优选浓度范围为：0.05-5％；添加剂的最优选浓度范围为：0.1-5％。

6、一种半导体芯片化学机械研磨剂的配制方法，其特征在于：取下列物质按所附重量百分比配料：研磨粒子0.01-20％，第一氧化剂0.01-50％，第二氧化剂0.001-50％，稳定剂0.1-5％，添加剂0.01-10％，补水至100％，按以下三种形式配制使用：

7、根据权利要求6所述的半导体芯片化学机械研磨剂的配制方法，其特征在于：所述的研磨粒子为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅、二氧化鈰、氧化锰中的一种或几种的混合物；所述的第一氧化剂为焦磷酸盐，第二氧化剂为碘酸盐、过氧化氢、羟胺或硝酸盐中的一种或几种的混合物；所述的稳定剂为磷酸盐、磷酸、丙烯酸、聚丙烯酸或表面活性剂中的一种或几种的混合物；所述的添加剂为氢氧化四甲基胺及其盐类、氢氧化四己基胺及其盐类、羧酸及其盐类中的一种或几种的混合物。

8、根据权利要求6所述的半导体芯片化学机械研磨剂的配制方法，其特征在于：所述的研磨粒子次级粒子的粒径范围为20-400nm，优选范围为50-200nm，最优选范围为100-150nm；原生粒子的B.E.T比表面积为20m²/g-400m²/g，优选范围为50m²/g-200m²/g，最优选范围为100m²/g-150m²/g。

9、根据权利要求6所述的半导体芯片化学机械研磨剂的配制方法，其特征在于：所述的研磨粒子的优选浓度范围为：0.1-10％；第一氧化剂的优选浓度范围为：0.1-10％；第二氧化剂的优选浓度范围为：0.01-10％；添加剂的优选浓度范围为：0.05-10％。

10、根据权利要求6所述的半导体芯片化学机械研磨剂的配制方法，其特征在于：所述的研磨粒子的最优选浓度范围为：4-7％；第一氧化剂的最优选浓度范围为：1-5％；第二氧化剂的最优选浓度范围为：0.05-5％；添加剂的最优选浓度范围为：0.1-5％。