TW201623559A - 化學機械拋光液 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種化學機械拋光液，該拋光液以二氧化鈰為磨料，同時還含有有機多元酸、高分子聚合物。本發明公開的拋光液在不添加化學氧化劑的情況下仍然具有高的二氧化矽拋光速率。且通過調節拋光液pH值，可實現對阻擋層拋光速率在10-2000A/min範圍內調控，通過添加高分子聚合物和對拋光液pH的調控，可實現對阻擋層(如Ta、Ti、TaN及TiN)/二氧化矽拋光速率選擇比的調控。

Description

化學機械拋光液
本發明涉及一種化學機械拋光液，尤其涉及一種用於STI領域的化學機械拋光液。
氧化鈰是近年來廣受關注的一種化學機械拋光磨料，這主要是由於其對二氧化矽的高拋光活性，並且在較低的固含量下即可達到高的拋光效果。因此，以氧化鈰為磨料的化學機械拋光液在性能和成本上相比于傳統的氧化矽或氧化鋁材料具有更大的應用前景和市場優勢。
目前，氧化鈰作為磨料應用於淺溝槽隔離(STI)工藝拋光研究已有大量報導，如專利201310495424.5報導了一種用於淺溝槽隔離(STI)工藝的化學機械拋光(CMP)組合物，組合物以氧化鈰為磨料，拋光要求達到高的氧化矽/氮化矽拋光選擇比；專利200510069987.3報導了一種化學機械拋光漿料及拋光基板的方法，所涉及拋光薄膜為氧化矽層，要求對氧化矽具有高的拋光速率和低的缺陷產生，對氮化矽顯示低的拋光速率，從而達到高的氧化矽/氮化矽拋光選擇比。
以氧化鈰為磨料應用於阻擋層拋光的研究鮮有報導。目前，阻擋層拋光液主要由磨料、氧化劑、絡合劑及其它添加劑等功能性組分組成，所涉及的磨料主要為氧化矽顆粒，為了達到較高的阻擋層拋光速率，需要拋光液具有較高的磨料濃度和氧化劑、絡合劑含量。但是， 在提高阻擋層拋光速率的同時，不可避免地在一定程度上將引起拋光過程中其它非金屬介質(如氧化矽)和金屬結構(如銅)拋光平坦化惡化，產生如Dishing、Erosion等缺陷。為了克服上述缺陷，本發明設計了一種以氧化鈰為磨料的阻擋層拋光液，在較低的磨料濃度條件下，無需添加氧化劑，可達到較高的拋光速率，並且可實現阻擋層/二氧化矽拋光速率選擇比在一定範圍內可調。
本發明提出一種化學機械拋光液，該拋光液以二氧化鈰為磨料，同時還含有有機多元酸、高分子聚合物。本發明公開的拋光液在不添加化學氧化劑的情況下仍然具有高的二氧化矽拋光速率。且通過調節拋光液pH值，可實現對阻擋層拋光速率在10-2000A/min範圍內調控，通過添加高分子聚合物可實現對阻擋層(如Ta、Ti、TaN及TiN)/二氧化矽拋光速率選擇比的調控。
本發明的一方法在於提供一種拋光液，拋光液中不含有化學氧化劑，其包含：氧化鈰磨料、有機多元酸、高分子聚合物。
其中，氧化鈰磨料平均顆粒粒徑為40-300奈米，氧化鈰磨料平均顆粒粒徑為15-100奈米，優選的平均顆粒粒徑為60-250奈米，優選平均顆粒粒徑為20-60奈米。
其中，氧化鈰磨料濃度為品質百分比0.1%-5.0%，優選的濃度為品質百分比0.25%-2.0%。
其中，拋光液所選有機多元酸為乙酸、檸檬酸、琥珀酸、甘氨酸或L-精氨酸中一種或多種，所選有機多元酸在拋光液中的濃度範圍為品質百分比0.1%-0.5%。
本發明中，拋光液所選高分子聚合物可以選自聚羧酸類化合物或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)類化合物中一種或多種。其中，聚羧酸類化合物為聚羧酸及其鹽類化合物，聚羧酸類化合物選自聚丙烯酸 (PAA)及聚丙烯酸鈉(PAAS)中的一種或多種，聚丙烯酸(PAA)及聚丙烯酸鈉(PAAS)相對分子量優選範圍為1000-10000；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)類化合物相對分子量優選範圍為1000-10000000範圍內的一種或多種聚合物，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)類化合物的K值為15、17、25或90；所選高分子聚合物在拋光液中的含量為品質百分比0.01%-1.0%，更為優選的範圍為品質百分比0.1%-0.5%；。
本發明中拋光液的pH值範圍為4.0-11.0，所述拋光液進一步包括pH值調節劑，所述pH值調節劑為KOH或HNO3溶液。
本發明的拋光液可具有高的二氧化矽拋光速率，可調節的阻擋層拋光速率，以及可調節的阻擋層(如Ta、Ti、TaN及TiN)/二氧化矽拋光速率選擇比。
本發明的另一方面，在於提供一種化學機械拋光液在調節阻擋層拋光速率中的應用，該應用包括：使用如上所述組分的拋光液，並將該拋光液的pH值調節為大於7，從而使得阻擋層拋光速率達到1000A/min以上，或者將該拋光液的pH值調節為小於等於7，從而使得阻擋層拋光速率達到200A/min以下。
本發明的另一方面，在於提供一種化學機械拋光液在提高二氧化矽拋光速率中的應用，該應用包括：使用如上所述組分的拋光液。
下面通過實施例的方式進一步說明本發明，並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。
按照表1中各實施例以及對比實施例的成分及其比例配製拋光 液，混合均勻。另外需要說明的是，拋光液中使用的氧化鈰顆粒為原始濃度10wt%至20wt%的水分散液，顆粒的粒徑為平均折合直徑，其平均粒徑由Malvern公司的Nano-ZS90鐳射細微性分析儀測定；拋光液中使用的氧化鈰顆粒的晶粒度通過XRD-6100島津X射線衍射儀測試。
表1中拋光液的具體調配方式為：將除研磨顆粒外的組分按照表中所列的含量，在去離子水中混合均勻，用KOH調節到所需pH值，然後加入研磨顆粒分散液，若pH下降則用KOH調節到所需的pH值，並用去離子水補足百分含量至100wt%，即可制得化學機械拋光液。
效果實施例
分別用上述實施例中拋光液1-12和對比1-6的化學機械拋光漿 料對空白Cu晶片進行拋光，拋光條件相同，拋光參數如下：Logitech拋光墊，向下壓力3psi，轉盤轉速/拋光頭轉速=60/80rpm，拋光時間60s，化學機械拋漿料流速100mL/min。拋光所用晶圓切片均由市售(例如美國SVTC公司生產的)8英寸鍍膜晶圓切片而成。拋光所用的金屬薄膜晶圓切片上金屬薄膜層厚度由NAPSON公司生產的RT-7O/RG-7B測試儀測得，TEOS厚度由TEOS NANO Matrics公司生產的RT-7O/RG-7B測試儀測得。用拋光前後測得的厚度差值除以拋光耗用時間即得金屬薄膜去除速率，拋光時間為1分鐘。
實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規條件，或按照製造廠商所建議的條件。
從表4可以看出，實施例1-12中，以氧化鈰為磨料，通過添加關鍵化學及對pH的調控，可以達到較高的TEOS拋光速率，同時實現對阻擋層薄膜拋光速率在10-2000A/min範圍內調控；特別地，實施例7-10在化學組分相近的條件下，僅改變拋光液的pH，阻擋層薄膜拋光速率在pH為7.0前後出現了明顯的轉折，在pH7.0時，阻擋層薄膜對應拋光速率較低，當pH>7.0時，阻擋層薄膜對應拋光速率快速增加，說明氧化鈰磨料拋光液體系中，在未添加氧化劑的情況下，阻擋層薄膜對應拋光速率可通過對拋光液pH的調控來調節。TEOS的拋光速率則主要通過添加高分子聚合物實現對拋光速率的調控。對比實施例1-2對應配方pH值超出了本發明包含的範圍，在拋光液pH範圍超出本發明限定範圍情況下，拋光液穩定性極不穩定；對比實施例3-6分別以氧化矽和氧化鋁為磨料，結果表明，對應TEOS拋光速率很低，阻擋層薄膜拋光速率較低，且不受拋光液pH調控。
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。對於本領域技術人員而言，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. 一種化學機械拋光液，拋光液中不含有化學氧化劑，其包含：氧化鈰磨料、有機多元酸、高分子聚合物。
  2. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述氧化鈰磨料平均顆粒粒徑為40-300奈米。
  3. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述氧化鈰磨料平均顆粒粒徑為15-100奈米。
  4. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述氧化鈰磨料平均顆粒粒徑為60-250奈米。
  5. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述氧化鈰磨料平均顆粒粒徑為20-60奈米。
  6. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述氧化鈰磨料濃度為品質百分比0.1%-5.0%。
  7. 如請求項6所述的拋光液，其中，所述氧化鈰磨料濃度為品質百分比0.25%-2.0%。
  8. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述有機多元酸為乙酸、檸檬酸、琥珀酸、甘氨酸或L-精氨酸中一種或多種。
  9. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述有機多元酸的濃度範圍為品質百分比0.1%-0.5%。
  10. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述高分子聚合物選自聚羧酸類化合物或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)類化合物中一種或多種。
  11. 如請求項10所述的拋光液，其中，所述聚羧酸類化合物為聚羧酸及其鹽類化合物。
  12. 如請求項10所述的拋光液，其中，所述聚羧酸類化合物選自聚丙烯酸(PAA)及聚丙烯酸鈉(PAAS)中的一種或多種。
  13. 如請求項12所述的拋光液，其中，所述聚丙烯酸(PAA)及聚丙烯酸鈉(PAAS)相對分子量優選範圍為1000-10000。
  14. 如請求項10所述的拋光液，其中，所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)類化合物相對分子量優選範圍為1000-10000000範圍。
  15. 如請求項10所述的拋光液，其中，所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)類化合物的K值為15、17、25或90。
  16. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述高分子聚合物的含量為品質百分比0.01%-1.0%。
  17. 如請求項16所述的拋光液，其中，所述高分子聚合物的含量為品質百分比0.1%-0.5%。
  18. 如請求項1所述的拋光液，其中，所述拋光液的pH值範圍為4.0-11.0。
  19. 一種化學機械拋光液在調節阻擋層拋光速率中的應用，該應用包括：使用如請求項1-18任一項所述的拋光液，並將所述拋光液的pH值調節為大於7，從而使得阻擋層拋光速率達到1000A/min以上，或者將所述拋光液的pH值調節為小於等於7，從而使得阻擋層拋光速率達到200A/min以下。
  20. 一種化學機械拋光液在提高二氧化矽拋光速率中的應用，該應用包括：使用如請求項1-18任一項所述的拋光液。
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