一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液及其使用方法 |
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| 申请号 | CN201310727942.5 | 申请日 | 2013-12-25 | 公开(公告)号 | CN104745086A | 公开(公告)日 | 2015-07-01 |
| 申请人 | 安集微电子(上海)有限公司; | 发明人 | 荆建芬; 姚颖; 邱腾飞; 蔡鑫元; 张建; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于阻挡层平坦化的化学机械 抛光 液 及其使用方法，该抛光液包含 研磨 颗粒、 腐蚀 抑制剂 、 铜 表面保护剂、络合剂、一种非离子 表面活性剂 和 氧 化剂。本发明的 化学机械抛光 液可以满足阻挡层抛光过程中对各种材料的抛光速率和选择比要求，对 半导体 器件表面的 缺陷 有很强的矫正能 力 ，快速实现平坦化，且可防止金属抛光过程中产生的局部和整体腐蚀，提高工作效率，降低生产成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液，该抛光液包含研磨颗粒、腐蚀抑制剂、铜表面保护剂、络合剂、非离子表面活性剂和氧化剂。 |
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| 说明书全文 | 一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液及其使用方法技术领域背景技术[0002] 在集成电路制造中，互连技术的标准在提高，随着互连层数的增加和工艺特征尺寸的缩小，对硅片表面平整度的要求也越来越高，如果没有平坦化的能力，在半导体晶圆上创建复杂和密集的结构是非常有限的，化学机械抛光方法CMP就是可实现整个硅片平坦化的最有效的方法。 [0003] CMP工艺就是使用一种含磨料的混合物和抛光垫抛光集成电路表面。在典型的化学机械抛光方法中，将衬底直接与旋转抛光垫接触，用一载重物在衬底背面施加压力。在抛光期间，垫片和操作台旋转，同时在衬底背面保持向下的力，将磨料和化学活性溶液（通常称为抛光液或抛光浆料）涂于垫片上，该抛光液与正在抛光的薄膜发生化学反应开始进行抛光过程。 [0004] 随着集成电路技术向超深亚微米（32、28nm）方向发展，因特征尺寸减小而导致的寄生电容愈加严重的影响着电路的性能，为减小这一影响，就必须采用超低介电材料（ULK）来降低相邻金属线之间的寄生电容，目前较多采用超低介电材料为Coral，在CMP过程中除了要严格控制表面污染物指标以及杜绝金属腐蚀外，还要具有较低的蝶形凹陷和抛光均一性才能保证更加可靠的电性能，特别是阻挡层的平坦化过程中需要在更短的时间和更低的压力下快速移除阻挡层金属，封盖氧化物并能很好的停止在超低介电材料表面，形成互连线，而且对小尺寸图形不敏感。这就对CMP提出了更高的挑战，因为通常超低介电材料为参杂碳的氧化硅，与二氧化硅具有相似的表面性，要控制停止层的残留厚度，就要有很强的选择比的调控能力，还要有很高的稳定性和易清洗等特征。本专利旨在提供一种适合于ULK-铜互连制程中的阻挡层抛光液，在较温和的条件下具有高的阻挡层去除速率和超低介电材料界面的工艺停止特性，并能很好的控制蝶形凹陷，金属腐蚀和表面污染物指标。 [0005] CN1400266公开了一种碱性阻挡层抛光液，该抛光液包含二氧化硅磨料，胺类化合物和非离子表面活性剂，但是该专利中的抛光液会对铜产生腐蚀。CN101372089A公开了一种碱性阻挡层抛光液，该抛光液包含二氧化硅磨料，腐蚀抑制剂，氧化剂，非离子氟表面活性剂，芳族磺酸氧化剂化合物，但是该专利中的抛光液对阻挡层的抛光速率较低，产率较低。CN101012356A公开了一种酸性阻挡层抛光液，该抛光液包含氧化剂，部分被铝覆盖的二氧化硅颗粒，抑制剂和络合剂，但是该酸性抛光液存在对铜腐蚀严重的缺陷。 发明内容[0007] 其中研磨颗粒可为本领域常用研磨颗粒，如二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铈、掺杂铝的二氧化硅，和/或聚合物颗粒等；研磨颗粒的质量百分比浓度较佳的为1～20%，更佳的为2～10%；研磨颗粒的粒径较佳的为20～150nm，更佳的为30～120nm。 [0008] 其中腐蚀抑制剂较佳的选自下列中的一种或多种：苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、5-苯基四氮唑、巯基苯基四氮唑、苯并咪唑、萘并三唑，和/或2-巯基-苯并噻唑。所述的腐蚀抑制剂的质量百分比浓度较佳的为0.001～1%，更佳的为0.01～0.5%。 [0009] 其中铜表面保护剂较佳的选自下列中的一种或多种：5-氨基四氮唑、1,2,4-三氮唑、3-氨基-1,2,4三氮唑、4-氨基-1,2,4三氮唑，和/或3,5-二氨基-1,2,4三氮唑。所述的铜表面保护剂的质量百分比浓度较佳的为0.001～1%，更佳的为0.01～0.5%。 [0010] 其中络合剂选自有机酸、有机磷酸和氨羧化合物中的一种或多种。较佳的选自下列中的一种或多种：乙酸、丙酸、草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羟基乙叉二膦酸、乙二胺四甲叉膦酸，和/或甘氨酸。所述的络合剂的质量百分比的浓度较佳的为0.001～2%，更佳的为0.01～1%。 [0011] 其中非离子表面活性剂较佳的选自下列中的一种或多种：C10～18脂肪醇聚氧乙烯（n）醚(n=7～30)、C8～9烷基酚聚氧乙烯(n)醚(n=8～200)、C12～18脂肪胺聚氧乙烯（n）醚(n=10～60)、陶氏化学公司的TritonCF-10、陶氏化学公司的TritonCF-21、陶氏化学公司的TritonDF-12、陶氏化学公司的TritonDF-16，和/或陶氏化学公司的TritonDF-18。所述的非离子表面活性剂的质量百分比浓度较佳的为：0.001～0.5%，更佳的为0.01～0.2%。 [0013] 其中化学机械抛光液的pH值为8.0～12.0，更佳的为9.0～11.0。 [0015] 本发明的化学机械抛光液可按下述方法制备：将除氧化剂以外的其他组分按比例混合均匀，用pH调节剂（如KOH或HNO3）调节到所需要的pH值，使用前加氧化剂，混合均匀即可。 [0016] 本发明所用试剂及原料均市售可得。 [0017] 本发明的积极进步效果在于： [0018] 使用本发明的抛光液，可以达到高的阻挡层（TaN/Ta）的抛光速率，并满足阻挡层抛光工艺中对二氧化硅（Teos）、铜和超低介电材料（ULK）的去除速率及去除速率选择比的要求，且对半导体器件表面的缺陷有很强的矫正能力，污染物残留少，稳定性高的抛光液。本发明通过组合使用腐蚀抑制剂和铜表面保护剂，解决了在抛光过程中抛光机台出故障时芯片产生腐蚀的问题 附图说明 [0019] 图1为采用对比抛光液2抛光后Semtech854图形测试晶圆的表面形貌的SEM图； [0020] 图2为采用抛光液1抛光后Semtech854图形测试晶圆的表面形貌的SEM图； [0021] 图3为采用对比抛光液2浸渍30分钟后Semtech854图形测试晶圆的表面形貌的SEM图； [0022] 图4为采用抛光液1浸渍30分钟后Semtech854图形测试晶圆的表面形貌的SEM图。 具体实施方式[0023] 下面通过具体实施例进一步阐述本发明的优点，但本发明的保护范围不仅仅局限于下述实施例。 [0024] 表1给出了本发明的对比抛光液1～4和本发明的抛光液1～15，按表中所给的配方，将除氧化剂以外的其他组分混合均匀，用KOH或HNO3调节到所需要的pH值。使用前加氧化剂，混合均匀即可。水为余量。 [0025] 表1对比抛光液1～4和本发明的抛光液1～15 [0026] [0027] [0028] [0029] 效果实施例1 [0030] 采用对比抛光液1～4和本发明的抛光液1～9按照下述条件对铜(Cu)、钽（Ta）、二氧化硅（TEOS）和超低介电材料（ULK）进行抛光。抛光条件：抛光机台为8’’Mirra机台，抛光垫为Fujibo pad，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间为1min。 [0031] 表2对比抛光液1～4和本发明抛光液1～9对铜(Cu)、钽（Ta）、二氧化硅（TEOS）和超低介电材料（ULK）的去除速率及铜(Cu)的静态腐蚀速率 [0032] [0033] [0034] 由表2可见，与对比抛光液1相比，本发明的抛光液可以获得较高的阻挡层Ta和二氧化硅（TEOS）的去除速率，同时获得较低的超低介电材料ULK的去除速率，能在抛光过程中较好的停止在超低介电材料ULK的表面。由对比抛光液1～4的抛光结果可以看出，腐蚀抑制剂的使用降低了铜的腐蚀速率，但却过度抑制了铜的抛光速率，即使调节腐蚀抑制剂的用量也不能调节铜的抛光速率，而加入了铜表面保护剂，可以有效的将铜的抛光速率调节至适当的水平，同时也很好地保护了铜的表面。 [0035] 效果实施例2 [0036] 采用对比抛光液1～2和本发明的抛光液1～3按照下述条件对Semtech854图形测试晶圆进行抛光。抛光条件：抛光机台为8’’Mirra机台，抛光垫为Fujibo pad，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间为1min。 [0037] 表3对比抛光液1～2和本发明抛光液1～3对带有图案的铜晶片抛光后的矫正能力对比 [0038] [0039] 其中，表3中Dishing是指阻挡层抛光前在金属垫上的蝶形凹陷（埃），Erosion是指阻挡层在细线区域（50%line）上的侵蚀（埃）， 是指抛光后的矫正能力值。 [0040] 由表3可以看出，对比抛光液2由于铜的抛光速率过低，进而矫正过度，产生了铜的突出现象，而与对比抛光液相比，本发明的抛光液能较好的修正前程在晶圆上产生的碟形凹陷和侵蚀，获得了较好的晶圆形貌。 [0041] 效果实施例3 [0042] 采用对比抛光液2和抛光液1？按照下述条件对Semtech854图形测试晶圆进行抛光。抛光条件：抛光机台为8’’Mirra机台，抛光垫为Fujibo pad，下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间为1min。 [0043] 图1和图2分别采用对比抛光液2和抛光液1抛光后Semtech854图形测试晶圆的表面形貌的SEM图。图3和图4分别采用对比抛光液2和抛光液1浸渍30分钟后Semtech854图形测试晶圆的表面形貌的SEM图。对比可以看出，本发明的抛光液采用腐蚀抑制剂和铜表面保护剂的组合有效的抑制了金属腐蚀，特别是对铜线区域有很好的保护，图形片经过本发明的抛光液抛光后和浸渍后，表面仍然清晰锐利，未发现金属腐蚀现象，且无污染颗粒残留。 [0044] 应当理解的是，本发明所述wt%均指的是质量百分含量。 [0045] 以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。 |
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