TW201623554A - 一種組合物在阻障層拋光中的應用 - Google Patents

一種組合物在阻障層拋光中的應用 Download PDF

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Abstract

本發明旨在提供一種組合物在阻障層拋光中的應用，其中，該組合物被加入化學機械拋光液中，且化學機械拋光液中包括矽溶膠，該組合物為四甲基氫氧化銨與烷基苯磺酸類化合物。

Description

一種組合物在阻障層拋光中的應用
本發明關於一種組合物在阻障層拋光中的應用。
化學機械拋光(CMP)，是實現晶片表面平坦化的最有效方法。阻障層通常介於二氧化矽和銅線之間，達到阻擋銅離子向介電層(二氧化矽)擴散的作用。拋光時，首先阻障層之上的銅被去除。由於此時銅的拋光速度很快，會形成各種凹陷(例如：碟形凹陷(dishing)與侵蝕(erosion))。在拋光銅時，通常要求銅CMP先停止在阻障層上，然後換另外一種專用的阻障層拋光液，去除阻障層(例如鉭)，同時對碟形凹陷和侵蝕進行修正，實現全域平坦化。
商業化的阻障層拋光液有酸性和鹼性兩種，各有優缺點。例如酸性阻障層拋光液對銅的拋光速度容易通過雙氧水調節，且雙氧水穩定，但是銅的腐蝕速度比鹼性快；鹼性阻障層拋光液對銅的拋光速度不容易通過雙氧水調節，且雙氧水不穩定，相對酸性拋光液，銅的腐蝕速度容易控制。
鉭和氮化鈦是阻障層常用的金屬。在現有的拋光技術中，US7241725、US7300480用亞胺、肼、胍提升阻障層的拋光速度。US7491252B2用鹽酸胍提升阻障層的拋光速度。US7790618B2用到亞胺衍生物和聚乙二醇硫酸鹽表面活性劑，用於阻障層的拋光。 CN200510030871.9用有機膦酸、聚丙烯酸類、氧化劑提高鉭的拋光速度。US20080276543用碳酸胍類化合物提高鉭的拋光速度。在提高阻障層(鉭和氮化鈦)拋光速度的各種努力中，起作用最明顯的仍然是增加機械力，即：增加研磨顆粒的固含量。
阻障層拋光除了會涉及鉭和氮化鈦這類常用的阻障層金屬以外，還會同時對銅、二氧化矽、low-K材料進行拋光。只有控制好這些材料之間的選擇比以及絕對的拋光速度，才能最終實現矽片表面的平坦化。
本發明旨在提供一種組合物在阻障層拋光中的應用，其中，該組合物被加入化學機械拋光液中，且化學機械拋光液中包括矽溶膠，該組合物為四甲基氫氧化銨與烷基苯磺酸類化合物。
其中，該矽溶膠的含量為質量百分比2%~10%。
其中，該四甲基氫氧化銨的含量為質量百分比0.1%~0.3%。
其中，該烷基苯磺酸類化合物是直鏈烷基苯磺酸。
其中，該直鏈烷基苯磺酸選自十烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸、十六烷基苯磺酸中的一種或多種。
其中，該烷基苯磺酸類化合物濃度小於或等於20ppm。
其中，該化學機械拋光液還包括絡合劑、腐蝕抑制劑、氧化劑。
其中，該絡合劑為有機磷酸及其鹽。其中，該絡合劑為羥基乙叉二膦酸、氨基三亞甲基膦酸和/或多氨基多醚基甲叉膦酸。絡合劑的含量無任何限定，作為舉例可為質量百分比0.1~0.3%。
其中，該腐蝕抑制劑為唑類化合物。其中，該腐蝕抑制劑為苯並三氮唑。其中，該腐蝕抑制劑的含量為質量百分比0.01~0.2%。
其中，該氧化劑為雙氧水。氧化劑的含量無特殊限定，作為舉例可為質量百分比0.01~5%。
其中，該化學機械拋光液還包括低介電材料速度抑制劑。
其中，該低介電材料速度抑制劑為PVP。其中，該PVP的k值可為12、17、30。
其中，該低介電材料速度抑制劑的含量為質量百分比0.01%~0.1%。
其中，該化學機械拋光液為酸性。
其中，該水為餘量。
本發明的另一方面在於提供一種四甲基氫氧化銨在提高化學機械拋光液中矽溶膠穩定性的應用。
本發明的又一方面在於提供一種烷基苯磺酸類化合物在抑制銅腐蝕中的應用。
本發明的有益效果在於，本發明的申請人發現：
1.TMAH可增強矽溶膠的穩定性。
2.烷基苯磺酸抑制銅腐蝕，同時又不抑制阻障層TiN的拋光。
3.同時含有四甲基氫氧化銨和和陰離子型的十二烷基苯磺酸，在增加矽溶膠穩定性的同時，還進一步抑制了對銅的腐蝕，提高了拋光液的穩定性和耐腐蝕性，可用於阻障層的拋光。
下面通過實施例的方式進一步說明本發明，但並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。
表1給出了本發明的化學機械拋光液的實施例1~20，按表中所給配方，將除H2O2以外的其他組分混合均勻，用水補足質量百分比至100%。用KOH或HNO3調節到所需要的pH值。使用前加H2O2，混合均勻即可。
[表1]
其中，化合物名稱縮寫： HEDP：羥基乙叉二膦酸； ATMP：氨基三亞甲基膦酸； PAPEMP：多氨基多醚基甲叉膦酸。
效果實施例
表2給出了對比拋光漿料1和本發明的拋光漿料實施例1-20組分的拋光效果、穩定性及對銅的腐蝕效果。
拋光條件：所配的拋光液在Mirra上拋光，Fujibo拋光墊，下壓力1.5PSI，拋光頭/盤轉速：93/87，拋光液流量：200ml/min。
Cu：矽基板的金屬銅薄膜晶圓，Ta：矽基板的金屬鉭薄膜晶圓，Teos：矽基板的介電材料二氧化矽薄膜晶圓，BD：矽基板的低介電材料薄膜晶圓，TiN：矽基板的氮化鈦薄膜晶圓。
穩定性研究的條件：將對比拋光漿料1和實施例1~20的拋光漿料放入烘箱，1個月後測量研磨顆粒平均粒徑。
銅腐蝕研究的條件及實驗過程：將裝有對比例1和實施例1~20的拋光漿料的燒杯分別放入40攝氏度水浴中預熱20分鐘後，把4cm*4cm矽基板的金屬銅薄膜晶圓分別放入相應含有不同拋光漿料的燒杯中放置，幾分鐘後取出得出銅的腐蝕速度。
對比例1表明：在沒有TMAH和烷基苯磺酸的情況下，矽溶膠的穩定性差，1個月內研磨顆粒平均粒徑增長40nm，40攝氏度靜態腐蝕速度達到10A/min，這不能滿足阻障層的拋光需求。
實施例1表明：在不穩定的體系中加入TMAH，矽溶膠的穩定性顯著提高，1個月內研磨顆粒平均粒徑不增長。
實施例2表明：在對比例1的基礎上加入烷基苯磺酸，銅在40攝氏度條件下的靜態腐蝕速度降低到1A/min，銅的表面得到很好的保護。
實施例2、3、4、5中：烷基苯磺酸的含量逐漸升高，TiN的拋光速度逐漸被抑制，從800A逐漸降低到50A，這表明烷基苯磺酸的含量是有濃度特定要求的，濃度高於20PPM時會顯著抑制TiN拋光速度。
實施例6含有四丁基氫氧化銨TBAH，不含四甲基氫氧化銨TMAH，兩者都是季胺鹽，但是只有TMAH才對矽溶膠起穩定作用，用TBAH反而會破壞矽溶膠的穩定性，使顆粒平均粒徑迅速增加。
實施例7至實施例16，配方中同時含有TMAH和烷基苯磺酸，靜態腐蝕降低到1A/min，矽溶膠穩定性很好，TiN的拋光速度也沒有被抑制。
實施例14、15、16繼續含有(BD)低介電材料速度調節劑，可以進一步調節(BD)低介電材料的拋光速度，同時其他材料的拋光速度不受影響。
實施例17、18表明：pH值大於4.0時，各種材料的拋光速度會下降，最佳pH值是介於2.0到4.0之間。
實施例19、20表明：TMAH的含量低於0.1%時，對矽溶膠穩定能力減弱，研磨顆粒平均粒徑隨時間延長，逐漸增加。
應當理解的是，本發明所述wt%均指的是質量百分含量。
以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為範例，本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。

Claims (20)

  1. 一種組合物在阻障層拋光中的應用，其中，該組合物被加入化學機械拋光液中，且該化學機械拋光液中包括矽溶膠，其特徵在於，該組合物為四甲基氫氧化銨與烷基苯磺酸類化合物。
  2. 如申請專利範圍第1項之應用，其中，該矽溶膠的含量為質量百分比2%~10%。
  3. 如申請專利範圍第1項之應用，其中，該四甲基氫氧化銨的含量為質量百分比0.1%~0.3%。
  4. 如申請專利範圍第1項之應用，其中，該烷基苯磺酸類化合物是直鏈烷基苯磺酸。
  5. 如申請專利範圍第4項之應用，其中，該直鏈烷基苯磺酸選自十烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸、十六烷基苯磺酸中的一種或多種。
  6. 如申請專利範圍第1項之應用，其中，該烷基苯磺酸類化合物濃度小於或等於20ppm。
  7. 如申請專利範圍第1項之應用，其中，該化學機械拋光液還包括絡合劑、腐蝕抑制劑、氧化劑。
  8. 如申請專利範圍第7項之應用，其中，該絡合劑為有機磷酸及其鹽。
  9. 如申請專利範圍第8項之應用，其中，該絡合劑為羥基乙叉二膦酸、氨基三亞甲基膦酸和/或多氨基多醚基甲叉膦酸。
  10. 如申請專利範圍第7項之應用，其中，該腐蝕抑制劑為唑類化合物。
  11. 如申請專利範圍第10項之應用，其中，該腐蝕抑制劑為苯並三氮唑。
  12. 如申請專利範圍第7項之應用，其中，該腐蝕抑制劑的含量為質量百分比0.01~0.2%。
  13. 如申請專利範圍第7項之應用，其中，該氧化劑為雙氧水。
  14. 如申請專利範圍第7項之應用，其中，該化學機械拋光液還包括低介電材料速度抑制劑。
  15. 如申請專利範圍第14項之應用，其中，該低介電材料速度抑制劑為PVP。
  16. 如申請專利範圍第15項之應用，其中，該PVP的k值可為12、17、30。
  17. 如申請專利範圍第14項之應用，其中，該低介電材料速度抑制劑的含量為質量百分比0.01%~0.1%
  18. 如申請專利範圍第1項之應用，其中，該化學機械拋光液為酸性。
  19. 一種如申請專利範圍第1項之四甲基氫氧化銨在提高化學機械拋光液中矽溶膠穩定性的應用。
  20. 一種如申請專利範圍第1項之烷基苯磺酸類化合物在抑制銅腐蝕中的應用。
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