TWI886366B - 化學機械拋光液及其使用方法 - Google Patents

化學機械拋光液及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種化學機械拋光液及其使用方法。具體的，所述化學機械拋光液包括：研磨顆粒、金屬緩蝕劑、螯合劑、氧化劑、表面活性劑和水，其中所述表面活性劑為一種或多種脂肪胺衍生物。本發明中的拋光液不僅能夠滿足阻擋層拋光過程中對各種材料的去除速率和選擇比的要求，而且對拋光後的表面形貌有很好地控制能力。

Description

化學機械拋光液及其使用方法
本發明涉及化學機械拋光領域，尤其涉及一種化學機械拋光液及其使用方法。
在積體電路製造中，互連技術的標準在提高，隨著互連層數的增加和工藝特徵尺寸的縮小，對矽片表面平整度的要求也越來越高，如果沒有平坦化的能力，在半導體晶圓上創建複雜和密集的結構是非常有限的，化學機械拋光(CMP)方法就是可實現整個矽片平坦化的最有效的方法。
CMP工藝就是使用一種含磨料的混合物和拋光墊拋光積體電路表面。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。
銅阻擋層的CMP通常分為三步，第一步使用較高的壓力去除大量的銅，第二步減低拋光壓力，移除晶圓表面殘餘的銅並停在阻擋層上。第三步使用銅阻擋層拋光液進行阻擋層拋光。其中在第二步去除殘餘銅的過程中，銅表面會形成碟型凹陷。針對這一現象，通常會在第三步使用具有一定銅、阻擋層材料、介電層材料的去除速率選擇比的拋光液對碟型凹陷加以修復。
隨著積體電路技術向45nm及以下技術節點發展以及互連佈線密度的急劇增加，互連系統中電阻、電容帶來的RC耦合寄生效應迅速增長，影響了器件的速度。為減小這一影響，就必須採用低介電常數（low k）絕緣材料來降低相鄰金屬線之間的寄生電容，由於低介電常數材料的機械強度變弱，因而該材料的引入給工藝技術尤其是化機械拋光（CMP）工藝帶來極大的挑戰。通常而言，去除速率選擇比的調節是通過對金屬移除速率和阻擋層材料、介電層材料的移除速率的優化與調整，在CMP過程中需要滿足阻擋層拋光過程中對各種材料的去除速率和選擇比的要求。
本發明提供的拋光液不僅滿足阻擋層拋光過程中對各種材料的去除速率和選擇比的要求，針對前程銅拋光後的不同程度的碟型凹陷，均有很好的修復與控制能力。
為了克服上述技術缺陷，本發明的目的在於提供一種化學機械拋光液及其使用方法。
具體的，所述化學機械拋光液包括：包括：研磨顆粒、金屬緩蝕劑、螯合劑、氧化劑、表面活性劑，及水，其中所述表面活性劑為一種或多種脂肪胺衍生物。
在一些實施例中，所述表面活性劑的結構式為： 其中，R 1為H或有機取代基；R 2為H或有機取代基；X為氮原子；n為大於0且小於等於80的整數。
在一些實施例中，所述R 1為具有12-18個碳原子的飽和脂肪烴取代基；所述R 2為具有環氧乙烷結構的親水性取代基。
在一些實施例中，所述表面活性劑的質量百分比含量為0.0005wt%-0.1wt%。
在一些實施例中，所述表面活性劑的質量百分比含量為0.001wt%-0.02wt%。
在一些實施例中，所述研磨顆粒為二氧化矽顆粒；所述研磨顆粒的質量百分比含量為2wt%-15wt%；及所述研磨顆粒的粒徑為20-120nm。
在一些實施例中，所述金屬緩蝕劑為苯並三氮唑、甲基苯並三氮唑、1,2,4-三氮唑、3-氨基-1,2,4-三氮唑、2,2'-[[(甲基-1H-苯並三唑-1-基)甲基]亞氨基]雙乙醇、羧基苯並三氮、4-氨基-1,2,4-三氮唑、5-甲基-四氮唑、5-氨基-四氮唑、5-苯基四氮唑、巰基苯基四氮唑、苯並咪唑、萘並三唑，和/或2-巰基-苯並噻唑中的一種或多種；及所述金屬緩蝕劑的質量百分比含量為0.001wt%-0.5wt%。
在一些實施例中，所述螯合劑為有機酸、有機胺中的一種或多種；以及所述螯合劑的質量百分比含量為0.01wt%-2.0wt%。
在一些實施例中，所述有機酸為草酸、丙二酸、丁二酸、檸檬酸、酒石酸、甘氨酸、丙氨酸、羥基亞乙基二膦酸，氨基三亞甲基膦酸，L-半胱氨酸，乙二胺四乙酸中的一種或多種；及所述有機胺化合物為乙二胺、三乙醇胺中的一種或多種。
在一些實施例中，所述氧化劑為過氧化氫；以及所述氧化劑的質量百分比含量為0.05wt%-1.0wt%。
在一些實施例中，所述化學機械拋光液的pH值為8-12。
除此之外，根據實際使用情況，本發明的化學機械拋光液還可以包含助溶劑和殺菌劑等其他本領域常用添加劑。
本發明的拋光液還可以濃縮製備，使用前用水稀釋至本發明的濃度範圍即可。
本發明還公開了一種化學機械拋光液的使用方法，上述任一化學機械拋光液在拋光矽片阻擋層中的應用。
採用了上述技術方案後，與現有技術相比，具有以下有益效果： 1.滿足阻擋層拋光過程中對各種材料的去除速率和選擇比的要求； 2.針對不同程度的碟型凹陷，均有很好的修復與控制能力。
以下結合具體實施例進一步闡述本發明的優點。
表1給出了對比例1-2和實施例1-17的拋光液的組分及其含量，按表中所給的配方，將除氧化劑以外的其他組分混合均勻，用KOH或HNO 3調節到所需要的pH值。使用前加氧化劑，混合均勻即可。水為餘量。
表1 對比例1-2和實施例1-17的拋光液的組分及其含量
拋光液 研磨顆粒 金屬緩蝕劑 螯合劑 表面活性劑 氧化劑 pH
具體物質 含量wt% 具體物質 含量wt% 具體物質 含量wt% 物質 R1碳原子數 EO摩爾數 含量wt% 具體物質 含量wt%
對比例1 SiO 2 7 苯並三氮唑 0.02 丙二酸 0.30 - - - - H 2O 2 0.5 10
70nm
對比例2 SiO 2 4 苯並三氮唑 0.01 檸檬酸 0.10 AC1210 12 10 0.0002 H 2O 2 0.3 9
30nm
實施例1 SiO 2 6 2,2’-[[甲基-1H-苯並三唑-1-基]甲基]亞氨基]雙乙醇 0.03 乙二胺四乙酸 0.25 AC1815 18 15 0.02 H 2O 2 0.8 9
50nm
實施例2 SiO 2 8 巰基苯基四氮唑 0.06 乙二胺 0.20 AC1215 12 15 0.04 H 2O 2 0.5 9
20nm
實施例3 SiO 2 8 甲基苯並三氮唑 0.03 丁二酸 0.80 AC1815 18 15 0.01 H 2O 2 0.7 8
70nm
實施例4 SiO 2 6 苯並三氮唑 0.5 檸檬酸 0.05 AC1210 12 10 0.03 H 2O 2 0.8 11
50nm
實施例5 SiO 2 10 甲基苯並三氮唑 0.05 甘氨酸 0.04 AC1860 18 60 0.06 H 2O 2 0.2 10
100nm
實施例6 SiO 2 6 1,2,4-三氮唑 0.02 羥基乙叉二磷酸 0.30 AC1230 12 30 0.08 H 2O 2 0.5 8
80nm
實施例7 SiO 2 4 3-氨基-1,2,4三氮唑 0.04 丙氨酸 0.10 AC1850 18 50 0.1 H 2O 2 0.8 8
100nm
實施例8 SiO 2 5 苯並三氮唑 0.05 氨基三亞甲基膦酸 0.40 AC1830 18 30 0.1 H 2O 2 0.8 11
70nm
實施例9 SiO 2 12 5-苯基四氮唑 0.01 丙二酸 0.30 AC1210 12 10 0.03 H 2O 2 0.5 11
120nm
實施例10 SiO 2 6 甲基苯並三氮唑 0.02 丁二酸 2.00 AC1815 18 15 0.08 H 2O 2 0.2 10
60nm
實施例11 SiO 2 6 羧基苯並三氮唑 0.04 檸檬酸氫二銨 0.20 AC1860 18 60 0.005 H 2O 2 1.0 11
50nm
實施例12 SiO 2 4 2,2’-[[甲基-1H-苯並三唑-1-基]甲基]亞氨基]雙乙醇 0.03 檸檬酸 0.60 AC1215 12 15 0.03 H 2O 2 0.5 10
70nm
實施例13 SiO 2 2 1,2,4-三氮唑 0.001 酒石酸 0.50 AC1830 18 30 0.06 H 2O 2 0.5 9
100nm
實施例14 SiO 2 5 3-氨基-1,2,4-三氮唑 0.01 丙二酸 0.05 AC1210 12 10 0.01 H 2O 2 0.8 9
120nm
實施例15 SiO 2 8 羧基苯並三氮 0.02 L-半胱氨酸 0.40 AC1830 18 30 0.02 H 2O 2 0.05 12
80nm
實施例16 SiO 2 6 苯並三氮唑 0.06 草酸 0.60 AC1205 12 5 0.005 H 2O 2 0.6 8
100nm
實施例17 SiO 2 15 羧基苯並三氮 0.1 甘氨酸 0.10 AC1860 18 60 0.04 H 2O 2 0.5 8
50nm
採用對比例1-2和實施例1-17中的拋光液，按照下述條件對銅（Cu）、鉭（Ta）、二氧化矽（TEOS），和低介電材料（BD）以及市售的圖形晶片Sematec754進行拋光，圖形晶片使用市售的銅拋光液去除掉大量的銅，停在阻擋層上，隨後用上述阻擋層拋光液進行拋光。拋光條件：拋光機台為12”Reflexion LK機台，拋光墊為富士紡株式會社（Fujibo）製造的軟拋光墊，下壓力為1.5psi，轉速為拋光盤/拋光頭=83/77rpm，拋光液流速為300ml/min，拋光時間為1min。測試結果記於表2。
表2  對比例1-2和實施例1-17的拋光液對銅(Cu)、鉭（Ta）、二氧化矽(TEOS)以及低介電材料（BD）的去除速率以及拋光前後的碟型凹陷測試資料
拋光液 去除速率(Å/min) 碟型凹陷(Å)
Cu Ta TEOS BD 拋光前 拋光後
對比例1 500 540 510 1500 350 -99
對比例2 320 350 330 820 280 170
實施例1 340 490 480 180 280 51
實施例2 500 630 700 220 300 91
實施例3 480 550 580 350 330 56
實施例4 100 530 520 120 330 -50
實施例5 380 800 890 85 280 120
實施例6 510 490 430 65 280 121
實施例7 370 350 400 50 280 100
實施例8 230 470 480 40 280 131
實施例9 210 900 960 240 330 -20
實施例10 270 530 510 110 280 78
實施例11 250 500 510 500 350 -10
實施例12 120 360 410 230 350 -31
實施例13 350 310 280 100 280 106
實施例14 410 450 480 370 310 -3
實施例15 130 510 600 155 350 -28
實施例16 550 280 220 410 310 -39
實施例17 560 700 720 70 280 140
其中，上文中所述碟型凹陷，是指阻擋層拋光前後在金屬墊上的碟型凹陷，其中正值代表銅線兩側的介電層高於銅線，負值代表銅線高於兩側的介電層。過大或者過小的碟型凹陷都會對後續的工序產生不利的影響。
如表2所示，與未添加上述表面活性劑的對比拋光液1，以及添加了低濃度表面活性劑的對比拋光液2相比，在具有同等甚至更低的拋光速率選擇比的情況下，拋光液1-17均體現出對銅拋光後產生的碟型凹陷更有效的修復能力。與此同時銅的去除速率仍能保持在較高的水準。
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 (11)

  1. 一種化學機械拋光液，其特徵在於，包含：研磨顆粒、金屬緩蝕劑、螯合劑、氧化劑、表面活性劑，及水，其中所述表面活性劑為一種或多種脂肪胺衍生物，其中，所述表面活性劑的結構式為：其中，R1為H或有機取代基；R2為H或有機取代基；X為氮原子；及n為大於0且小於等於80的整數。
  2. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述R1為具有12-18個碳原子的飽和脂肪烴取代基；及所述R2為具有環氧乙烷結構的親水性取代基。
  3. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述表面活性劑的質量百分比含量為0.0005wt%-0.1wt%。
  4. 如請求項3所述的化學機械拋光液，其中，所述表面活性劑的質量百分比含量為0.001wt%-0.02wt%。
  5. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述研磨顆粒為二氧化矽顆粒；所述研磨顆粒的質量百分比含量為2wt%-15wt%；以及所述研磨顆粒的粒徑為20-120nm。
  6. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述金屬緩蝕劑為苯並三氮唑、甲基苯並三氮唑、1,2,4-三氮唑、3-氨基-1,2,4-三氮唑、2,2'-[[(甲基-1H-苯並三唑-1-基)甲基]亞氨基]雙乙醇、羧基苯並三氮、4-氨基-1,2,4-三氮唑、5-甲基-四氮唑、5-氨基-四氮唑、5-苯基四氮唑、巰基苯基四氮唑、苯並咪唑、萘並三唑，和/或2-巰基-苯並噻唑中的一種或多種；以及所述金屬緩蝕劑的質量百分比含量為0.001wt%-0.5wt%。
  7. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述螯合劑為有機酸、有機胺中的一種或多種；以及所述螯合劑的質量百分比含量為0.01wt%-2.0wt%。
  8. 如請求項7所述的化學機械拋光液，其中，所述有機酸為草酸、丙二酸、丁二酸、檸檬酸、酒石酸、甘氨酸、丙氨酸、羥基亞乙基二膦酸，氨基三亞甲基膦酸，L-半胱氨酸，乙二胺四乙酸中的一種或多種；以及所述有機胺化合物為乙二胺、三乙醇胺中的一種或多種。
  9. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述氧化劑為過氧化氫；以及所述氧化劑的質量百分比含量為0.05wt%-1.0wt%。
  10. 如請求項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. 一種化學機械拋光液的使用方法，其特徵在於，將如請求項1至10項中任一項所述的化學機械拋光液在拋光矽片阻擋層中的應用。
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