TW201908432A - 化學機械拋光液 - Google Patents

化學機械拋光液

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TW107124360A
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李守田
尹先升
賈長征
王雨春
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大陸商安集微電子科技(上海)股份有限公司
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09K3/00—Materials not provided for elsewhere
    • C09K3/14—Anti-slip materials; Abrasives

Abstract

本發明提供了一種化學機械拋光液，其特徵在於，該化學機械拋光液包含氧化鈰磨料、低聚醣及pH調節劑。本發明還提供了一種採用上述配方的化學機械拋光液在二氧化矽介質表面拋光中的應用。採用上述配方的化學機械拋光液，能夠保持低的缺陷度的同時顯著提高氧化鈰磨料對二氧化矽介質材料的拋光速率。

Description

化學機械拋光液
本發明是關於一種化學機械拋光液領域，尤其關於一種含有β-環糊精分子的化學機械拋光液。
氧化鈰是一種重要的CMP拋光液磨料。相比於傳統矽溶膠磨料，由於氧化鈰更高效的拋光特性，已被廣泛應用於STI和LID的CMP拋光液中。目前，用於CMP拋光的氧化鈰磨料主要分為兩種：一種是傳統的高溫焙燒合成氧化鈰粉體，經過球磨分散製備得到的氧化鈰磨料分散液；另一種是水熱合成製備得到的溶膠型奈米氧化鈰磨料。兩種氧化鈰磨料具有不同的拋光特性：傳統高溫焙燒合成的氧化鈰磨料可以通過添加吡啶甲酸(picolinic acid)等化合物提高其對二氧化矽介質層的拋光速率(見文獻： Carter et al., Electrochemical and Solid-State Letter ( vol 8(8), page G218-G221, year 2005)；而對於溶膠型氧化鈰而言，吡啶甲酸的添加不僅不能提高其對二氧化矽介質層的拋光速率，反而會抑制氧化鈰的拋光活性。(見案例1)。文獻中提及不同氧化鈰製備方法對拋光活性以及化學化合物對其影響不同(見文獻：Srinivasan et al., ECS Journal of Solid State Science and Technology, 4 (11) P5029-P5039 (2015))
然而，隨著積體電路技術節點向著更小尺寸發展，工藝方面對CMP拋光過程提出了更低的拋光缺陷要求。傳統高溫焙燒法合成的氧化鈰磨料由於顆粒呈多菱角狀，CMP拋光過程中不可避免產生微劃痕，故其難以滿足先進製程的CMP拋光要求。而溶膠型氧化鈰磨料具有近圓形的顆粒形貌，具有良好的CMP拋光應用前景，受到人們越來越多的關注。因此，需要提供一種以溶膠型氧化鈰為磨料的化學機械拋光液配方，既能保持現有溶膠型氧化鈰拋光液具有的更低的拋光缺陷的特性，又能夠實現傳統高溫焙燒法合成的氧化鈰磨料具有的高的二氧化矽拋光速率。
為了解決上述拋光速率的問題，本發明提供了一種含有β-環糊精分子的化學機械拋光液，其以氧化鈰為磨料，既能確保具有更低的拋光缺陷，同時又能顯著提高對二氧化矽介質材料的拋光速率。
該化學機械拋光液包含氧化鈰磨料、β-環糊精分子及pH調節劑。 優選地，該氧化鈰磨料包含溶膠型氧化鈰磨料。 優選地，該氧化鈰磨料的粒徑為30-90nm。 優選地，該氧化鈰磨料的濃度為品質百分比0.05wt%-2wt%。 優選地，該β-環糊精分子的濃度為0.005wt%-2wt%，優選濃度為0.005wt-0.1wt%。 優選地，所述化學機械拋光液的pH值為3.5-5.5。
本發明還公開了一種化學機械拋光液在二氧化矽介質表面拋光中的應用。
與現有技術相比較，本發明的積極進步效果在於：
通過在化學機械拋光液中添加β-環糊精分子，既能確保具有更低的拋光缺陷，同時又能顯著提高氧化鈰磨料對TEOS的拋光速率。
本發明提到的顆粒尺寸是以電子顯微鏡為基準的，同一個顆粒，電子顯微鏡的結果和光散射(DLS)的結果有區別，見下表： 數據引自文獻：Pandija et al, “Effect of Ceria Size and Concentration in Shallow Trench Isolation (STI)Chemical Mechanical Polishing (CMP)” in International Conference on Planarization/CMP Technology · October 25 – 27, 2007 Dresden, VDE VERLAG GMBH · Berlin-Offenbach
下面通過具體實施例進一步闡述本發明的優點，但本發明的保護範圍不僅僅局限於下述實施例。實施例一
表1為添加吡啶甲酸、離子型電解質和非離子型電解質的化學機械拋光液對二氧化矽拋光速率的影響。其中，吡啶甲酸的濃度為0.01wt%-0.20wt%；離子型電解質分別為硝酸鉀(KNO3 )，氯化鉀(KCl)，醋酸鉀(KAc)，四甲基乙酸銨(TMAAc)，四甲基丁酸銨(TBAAc)，濃度為0.10wt%；非離子型電解質分別為苯並三氮唑(BTA)、三唑(TAZ)、聚乙二醇(PEG)、乙二醇(Ethylene glycol)、甘露醇(Mannitol)、山梨醇(Sorbitol)和蔗糖(Sucrose)及β-環糊精。對應的溶膠型氧化鈰濃度為1wt%，平均粒徑為60nm，以氫氧化鉀(KOH)或硝酸(HNO3 )調節pH至4.5。光液拋光性能通過對應TEOS空白晶圓的拋光去除速率來評價，選用Mirra拋光機台進行拋光測試，對應拋光條件包括：IC1010拋光墊，底盤和拋光頭轉速分別為93rpm和87rpm，壓力為3psi，拋光液流速為150mL/min，拋光時間為60秒。對比實施例對應TEOS拋光速率為5800 Å/min。表1添加不同組分對TEOS拋光速率的影響
如表1所示，由對比實施例1-6可知，吡啶甲酸的添加對氧化鈰拋光活性的影響隨著其濃度的增大而增大。與空白對比實施例相比，當添加的吡啶甲酸的濃度為0.2wt%時，其對應TEOS拋光速率下降50%，僅為2900Å /min。
此外，由對比實施例1與對比實施例7-11可知，離子型電解質的添加同樣也對溶膠型氧化鈰的拋光速率產生了顯著的抑制效果。尤其，當拋光液中添加了氯化鉀(KCl)離子型電解質時，與空白對比實施例相比，拋光液對TEOS拋光速率被抑制了54%，TEOS拋光速率僅為對比實施例的46%。
由對比實施例1、對比實施例12-23及實施例可知，非離子型電解質的添加對溶膠氧化鈰的拋光速率也會產生一定的抑制效果，但其影響遠小於離子型電解質。然而，例外的是，β-環糊精分子作為非電解質卻能進一步促進溶膠氧化鈰的拋光速率。當在拋光液中添加0.01wt%的β-環糊精後，溶膠型氧化鈰對TEOS的拋光速率增加了2%。實施例二
表2為調節β-環糊精分子添加量及分子量對溶膠氧化鈰拋光速率影響的進一步優化研究。通過調節配方體系中β-環糊精的添加量和分子量，進一步優化了β-環糊精對溶膠氧化鈰拋光速率的提升水準。拋光液拋光性能通過對應TEOS空白晶圓的拋光去除速率來評價，選用Mirra拋光機台進行拋光測試，對應拋光條件包括：IC1010拋光墊，底盤和拋光頭轉速分別為93rpm和87rpm，壓力3psi，拋光液流速為150mL/min，拋光時間為60秒。表3為所配製拋光液的配方組分，對應溶膠型氧化鈰濃度為1wt%，平均粒徑為60nm，以氫氧化鉀(KOH)或硝酸(HNO3 )調節pH至4.5，未添加離子型電解質的配方組分對應TEOS拋光速率為5800 Å/min。 表2β-環糊精的添加量及分子量對溶膠氧化鈰拋光速率的影響
如表2所示，由對比實施例及實施例1-6可知，當添加的β-環糊精濃度從0.001-2wt%時，拋光液中的溶膠型氧化鈰磨料對TEOS的拋光速率都有提高；尤其，當β-環糊精的含量為0.005wt%時，其提高的TEOS拋光速率最為顯著，較未添加的拋光液提高4%。由實施例7可知，當β-環糊精的含量達到0.500wt%時，拋光液中的溶膠型氧化鈰磨料對TEOS的拋光速率開始下降，較未添加的拋光液提高2%。 實施例三 表3在氧化鈰拋光液中添加β-環糊精對TEOS拋光速率的影響
表3為不同氧化鈰濃度、顆粒粒徑及pH值條件下，在拋光液中添加β-環糊精，對TEOS拋光速率的影響。由表3可知，當氧化鈰粒徑為30-90nm，氧化鈰的濃度為0.05-2wt%，且拋光液pH值為3.5-5.5時，添加一定量的β-環糊精都能顯著提高拋光液對TEOS的拋光速率。β-環糊精的添加，在不同pH和氧化鈰磨料固含量條件下均可以一定程度促進氧化鈰的拋光性能。
綜上所述，相比於吡啶甲酸、離子型電解質以及其他非離子型電解質的添加，當以溶膠型氧化鈰為磨料的化學機械拋光液中添加β-環糊精分子後，不僅不會對溶膠型氧化鈰磨料的拋光速率產生抑制作用，反而能提高其對二氧化矽的拋光速率。對所述β-環糊精分子的含量進行進一步優化，可知，當拋光液中β-環糊精的含量為0.005wt%時，溶膠型氧化鈰磨料對二氧化矽可以實現最優化的拋光速率，較未添加的拋光液提高4%。由此，本發明所提供的化學機械拋光液，其以溶膠型氧化鈰為磨料，在添加β-環糊精分子後，能夠應用於顯著提高溶膠型氧化鈰磨料對二氧化矽介質材料的拋光速率，為溶膠型氧化鈰的拋光速率問題提供了一種優化的解決方案。

Claims (10)

  1. 一種化學機械拋光液，包含氧化鈰磨料、低聚醣及pH調節劑。
  2. 如請求項1所述之化學機械拋光液，其中，該低聚醣選自β-環糊精或葡聚糖。
  3. 如請求項1所述之化學機械拋光液，其中，該低聚醣選自β-環糊精。
  4. 如請求項1所述之化學機械拋光液，其中，該氧化鈰磨料包含溶膠型氧化鈰磨料。
  5. 如請求項1所述之化學機械拋光液，其中，該氧化鈰磨料的粒徑為30-90nm。
  6. 如請求項1所述之化學機械拋光液，其中，該氧化鈰磨料的濃度為品質百分比0.05wt%-2wt%。
  7. 如請求項3所述之化學機械拋光液，其中，該β-環糊精分子的濃度為0.005wt%-2wt%。
  8. 如請求項7所述之化學機械拋光液，其中，該β-環糊精分子的濃度為0.005wt%-0.1wt%。
  9. 如請求項1所述之化學機械拋光液，其中，該化學機械拋光液的pH值為3.5-5.5。
  10. 一種如請求項1-9任一項所述的化學機械拋光液在二氧化矽介質表面拋光中的應用。
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