TW202024292A - 化學機械拋光液及其應用 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種化學機械拋光液，包含研磨顆粒和乙氧基化丁氧基化烷基醇。本發明的化學機械拋光液，通過加入特定分子結構的非離子表面活性劑，在獲得高的二氧化矽（TEOS）去除速率的同時極大地改善了拋光後二氧化矽（TEOS）的表面粗糙度，並有效地減少了表面污染物的殘留，保證拋光後獲得較好的晶圓表面光潔度和平坦度，能夠滿足各種工藝條件下對介質材料表面的要求。

Description

化學機械拋光液及其應用
本發明是關於拋光液技術領域，尤其是關於一種用於集成電路製造領域二氧化矽基材平坦化的化學機械拋光液及其應用。
在集成電路的製造過程中，矽晶圓基片上往往構建了成千上萬的結構單元，這些結構單元通過多層金屬互連進一步形成功能性電路和元器件。在多層金屬互連結構中，金屬導線之間填充二氧化矽或摻雜其他元素的二氧化矽作為層間介電質（Inter-Layer Dielectric, ILD）。隨著集成電路金屬互連技術的發展和佈線層數的增加，化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）已經廣泛應用於芯片製造過程中的表面平坦化。這些平坦化的芯片表面有助於多層集成電路的生產，且防止將電介層塗覆在不平表面上引起的畸變。
CMP工藝就是使用一種含磨料的混合物和拋光墊拋光集成電路表面。在典型的化學機械拋光方法中，將襯底直接與旋轉拋光墊接觸，用一載重物在襯底背面施加壓力。在拋光期間，墊片和操作臺旋轉，同時在襯底背面保持向下的力，將磨料和化學活性溶液（通常稱為拋光液或拋光漿料）塗於墊片上，該拋光液與正在拋光的薄膜發生化學反應開始進行拋光過程。
二氧化矽作為集成電路中常用的介電材料，在很多拋光工藝中都會涉及二氧化矽介質層的去除。如在氧化物層間介質拋光過程中，拋光漿料主要用於去除氧化物介質層並平坦化；在淺溝槽隔離層拋光時，拋光液主要用於去除以及平坦化氧化物介質層並停在氮化矽上；在阻擋層拋光中，拋光液需要去除二氧化矽、銅和銅阻擋層；在矽通孔（Through Silicon Via, TSV）工藝，通孔的形成也需要用拋光液去除多餘的二氧化矽。在這些拋光工藝中，都要求較高的氧化物介質層的去除速率，以保證產能。
氧化物介電材料包括薄膜熱氧化二氧化矽（thin thermal oxide）、高密度等離子二氧化矽（high density plasma oxide）、硼磷化矽玻璃（borophosphosilicate glass）、四乙氧基二氧化矽（PETEOS）和摻碳二氧化矽（carbon doped oxide）等。用於二氧化矽介電材料拋光漿料的拋光磨料主要為二氧化鈰和二氧化矽，但氧化鈰磨料在拋光過程中容易劃傷表面。二氧化矽在拋光過程中產生的表面缺陷較少，故大量使用二氧化矽作為研磨顆粒。但為了達到較高的氧化物材料去除速率，通常通過提高研磨顆粒的用量來達到，但研磨顆粒用量的增大會導致晶圓表面粗糙度增加。
中國專利CN104449396A公開的一種化學機械拋光液採用了磺酸類化合物來改善拋光後二氧化矽的表面缺陷度，該拋光液包括水、膠體二氧化矽磨料、磺酸類添加劑、包合物和氧化劑，pH值大於等於10。該化學機械拋光液具有的氧化矽去除速率為≥1000Å/分鐘，以及促進了拋光後尺寸＞0.16微米的SP1缺陷計數≤70、SP1劃痕數≤25。許多專利也公開了非離子表面活性劑在拋光液中的應用。中國專利CN1688665A公開了一種兩親性非離子表面活性劑在銅的化學機械拋光工藝中的應用，通過加入該表面活性劑減少了碟形下陷以及介電層侵蝕，但未談及該表面活性劑對二氧化矽表面的影響。中國專利CN101280158A公開了一種多晶矽的化學機械拋光液，通過選用多元醇型非離子表面活性劑來抑制多晶矽的去除速率，獲得工藝要求的多晶矽/二氧化矽去除速率選擇比。但未提及該非離子表面活性劑對二氧化矽表面的影響。
為了克服現有化學拋光液在拋光過程中二氧化矽（TEOS）的表面粗糙度值大和污染物殘留多的問題，亟待尋求新的化學機械拋光液。
為解決上述問題，本發明提出一種化學機械拋光液，該化學機械拋光液藉由特定分子結構的非離子表面活性劑改善了拋光後晶圓表面平整度和污染物殘留多的問題。
為實現以上目的，本發明藉由以下技術方案實現：提供一種化學機械拋光液，其包含研磨顆粒和乙氧基化丁氧基化烷基醇。
較佳地，所述乙氧基丁氧基化烷基醇中乙氧基數x為5-20，丁氧基數y為5-20，烷基為碳原子數11-15的直鏈或支鏈。
較佳地，所述乙氧基丁氧基化烷基醇的質量百分比濃度為0.0005%-1%
較佳地，所述乙氧基丁氧基化烷基醇的質量百分比濃度為0.001%-0.5%。
較佳地，所述的研磨顆粒選自二氧化矽、三氧化二鋁、二氧化鈰、摻雜鋁的二氧化矽和聚合物顆粒中的一種或多種。
較佳地，所述研磨顆粒的質量百分比含量為5-30%。。
較佳地，所述研磨顆粒的質量百分比含量為10-25%。
較佳地，所述研磨顆粒的粒徑為30~200nm。
較佳地，所述研磨顆粒的粒徑為50~180nm。
較佳地，所述化學機械拋光液的pH值為8-12。
較佳地，所述化學機械拋光液的pH值為9-12。
本發明的化學機械拋光液還可以包括金屬緩蝕劑、絡合劑、氧化劑等用來同時對二氧化矽和金屬進行拋光。
本發明的化學機械拋光液還可以包括pH調節劑、殺菌劑等其他本領域常用的添加劑。
本發明另一方面，在於提供一種如上所述的化學機械拋光液在二氧化矽拋光中的應用。
本發明的化學機械拋光液可按下述方法製備：將所述組分按比例混合均勻，用pH調節劑（如KOH或HNO3 ）調節到所需要的pH值即可。
與現有技術相比較，本發明的化學機械拋光液具有如下有益效果：本發明的化學機械拋光液，通過特定分子結構的非離子表面活性劑，極大地改善了拋光後二氧化矽（TEOS）的表面粗糙度，並有效地減少了表面污染物的殘留，在獲得高的二氧化矽（TEOS）去除速率的同時還保證拋光後獲得較好的晶圓表面光潔度和平坦度，能夠滿足各種工藝條件下對介質材料表面的要求。
以下結合具體實施例，對本發明做進一步說明。應理解，以下實施例僅用於說明本發明而非用於限制本發明的範圍。
本發明所用試劑及原料均市售可得。
本發明所述wt%均指的是質量百分含量。製備實施例：
表1為本發明實施例1-11以及對比例1-3的拋光液的成分及含量。按照該表配製實施例和對比例拋光液，將各組分混合均勻，用水補足質量百分比至100%，用pH調節劑調節pH至相應值，得到本發明各實施例及對比例的拋光液。 表1  本發明實施例1-11和對比例1-3的拋光液成分
拋光液 研磨顆粒 (乙氧基)x化(丁氧基)y化烷基醇 pH
具體物質 含量           wt% 具體物質 含量                           wt%
對比1 SiO2 12 不加入 　 11
(150nm)
對比2 SiO2 12 聚氧乙烯(20)失水山梨醇單月桂酸酯(Tween20) 0.01 11
(150nm)
對比3 SiO2 12 2,4,7,9-四甲基一5一癸炔一4,7一二醇乙氧基化表面活性劑 0.01 11
(150nm)
實施例1 SiO2 12 (乙氧基)5 (丁氧基)10 C12醇 0.001 11
(150nm)
實施例2 SiO2 12 (乙氧基)8 (丁氧基)5 C11醇 0.005 11
(150nm)
實施例3 SiO2 12 (乙氧基)8 (丁氧基)5 C15醇 0.01 11
(150nm)
實施例4 SiO2 10 (乙氧基)9 (丁氧基)7 C13醇 0.02 10
(180nm)
實施例5 SiO2 15 (乙氧基)10 (丁氧基)14 C12醇 0.05 10
(120nm)
實施例6 SiO2 20 (乙氧基)10 (丁氧基)7 C12醇 0.1 9
(90nm)
實施例7 SiO2 25 (乙氧基)12 (丁氧基)8 C12醇 0.3 12
(50nm)
實施例8 摻雜鋁的二氧化矽 30 (乙氧基)13 (丁氧基)8 C14醇 0.5 8
(30nm)
實施例9 三氧化二鋁 10 (乙氧基)16 (丁氧基)6 C13醇 0.0005 12
(150nm)
實施例10 二氧化鈰 5 (乙氧基)16 (丁氧基)20 C14醇 1 11
(200nm)
實施例11 聚合物 顆粒 20 (乙氧基)20 (丁氧基)12 C13醇 0.01 11
(100nm)
效果實施例：
採用對比1~3拋光液和實施例1~11拋光液按照下述拋光條件對二氧化矽（TEOS）進行拋光，拋光條件：拋光機台為12”Reflexion LK機台，拋光墊為IC1010 pad，下壓力為4.0psi，轉速為拋光盤/拋光頭=93/87rpm，拋光液流速為300ml/min，拋光時間為1min。去除速率，用原子力顯微鏡AFM測試的拋光後的二氧化矽晶圓表面粗糙度，以及用缺陷掃描儀SP2測試的拋光後的二氧化矽晶圓表面污染物顆粒數的結果見表2。 表2 對比1~3拋光液和實施例1~11拋光液對TEOS的去除速率、表面粗糙度、表面污染物顆粒數
拋光液 二氧化矽（TEOS）
去除速率 （Å/min） 表面粗糙度(nm) 表面污染物顆粒數（顆）
對比1 3200 1.84 1645
對比2 3276 2.01 1563
對比3 3298 1.93 1651
實施例1 3323 0.64 89
實施例2 3256 0.43 65
實施例3 3275 0.31 57
實施例4 3345 0.23 32
實施例5 3396 0.15 15
實施例6 3245 0.17 21
實施例7 3301 0.13 11
實施例8 3012 0.12 10
實施例9 3145 1.03 235
實施例10 3685 0.84 123
實施例11 2432 0.35 46
結果如表2所示：乙氧基丁氧基化烷基醇的加入，極大的改善了拋光後TEOS的表面粗糙度，並有效的減少了表面污染物的殘留，因而採用本發明的拋光液在獲得高的二氧化矽去除速率的同時保證拋光後獲得較好的晶圓表面光潔度和平坦度，能夠滿足各種工藝條件下對介質材料表面的要求。
應當注意的是，本發明的實施例有較佳的實施性，且並非對本發明作任何形式的限制，任何熟悉該領域的技術人員可能利用上述揭示的技術內容變更或修飾為等同的有效實施例，但凡未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何修改或等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

Claims (12)

  1. 一種化學機械拋光液，其包含研磨顆粒和乙氧基化丁氧基化烷基醇。
  2. 根據請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述乙氧基化丁氧基化烷基醇中，乙氧基數x為5-20，丁氧基數y為5-20，烷基為碳原子數11-15的直鏈或支鏈。
  3. 根據請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述乙氧基化丁氧基化烷基醇的質量百分比濃度為0.0005%-1%。
  4. 根據請求項3所述的化學機械拋光液，其中，所述乙氧基化丁氧基化烷基醇的質量百分比濃度為0.001%-0.5%。
  5. 根據請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述的研磨顆粒選自二氧化矽、三氧化二鋁、二氧化鈰、摻雜鋁的二氧化矽和聚合物顆粒中的一種或多種。
  6. 根據請求項1所述化學機械拋光液，其中，所述研磨顆粒的質量百分比含量為5-30%。
  7. 根據請求項6所述化學機械拋光液，其中，所述研磨顆粒的質量百分比含量為10-25%。
  8. 根據請求項1所述化學機械拋光液，其中，所述研磨顆粒的粒徑為30~200nm。
  9. 根據請求項8所述化學機械拋光液，其中，所述研磨顆粒的粒徑為50~180nm。
  10. 根據請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述化學機械拋光液的pH值為8-12。
  11. 根據請求項10所述的化學機械拋光液，其中，所述化學機械拋光液的pH值為9-12。
  12. 一種如請求項1-11任一項所述的化學機械拋光液在二氧化矽拋光中的應用。
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