用于抛光铜膜的CMP浆液组合物以及使用其抛光铜膜的方法
阅读：1030发布：2020-08-03
专利汇可以提供用于抛光铜膜的CMP浆液组合物以及使用其抛光铜膜的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种用于 抛光 铜 膜的CMP 浆液 组合物和使用其抛光铜膜的方法。CMP浆液组合物包含：选自极性 溶剂 和非极性溶剂当中的至少一种；金属 氧 化物 磨料 ；甘 氨 酸；组氨酸；以及咪唑化合物。，下面是用于抛光铜膜的CMP浆液组合物以及使用其抛光铜膜的方法专利的具体信息内容。
1.一种用于铜膜的CMP浆液组合物，包括：
选自极性溶剂和非极性溶剂当中的至少一种；金属氧化物磨料；甘氨酸；组氨酸；以及咪唑化合物。
2.根据权利要求1所述的用于铜膜的CMP浆液组合物，其中所述咪唑化合物包括由式1表示的化合物：
[式1]
1 2 3 4
其中R是氢、C1到C10烷基或C6到C20芳基；且R、R以及R各自独立地是氢、C1到C10烷基、C6到C20芳基或卤素原子。
3.根据权利要求1所述的用于铜膜的CMP浆液组合物，其中所述咪唑化合物包括选自咪唑和甲基咪唑当中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的用于铜膜的CMP浆液组合物，其中以所述用于铜膜的CMP浆液组合物的总量计，所述甘氨酸和所述组氨酸以0.02重量％到10重量％的总量存在于所述用于铜膜的CMP浆液组合物中。
5.根据权利要求1所述的用于铜膜的CMP浆液组合物，还包括：
腐蚀抑制剂。
6.根据权利要求5所述的用于铜膜的CMP浆液组合物，其中以所述用于铜膜的CMP浆液组合物的总量计，所述腐蚀抑制剂以0.001重量％到5重量％的量存在于所述用于铜膜的CMP浆液组合物中。
7.根据权利要求5所述的用于铜膜的CMP浆液组合物，其中所述腐蚀抑制剂包括选自三唑和四唑当中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的用于铜膜的CMP浆液组合物，其中所述CMP浆液组合物具有5到
9的pH。
9.一种抛光铜膜的方法，使用如权利要求1到8中任一项所述的用于铜膜的CMP浆液组合物。
用于抛光铜膜的CMP浆液组合物以及使用其抛光铜膜的方法
[0001] 相关申请案的交叉引用
技术领域
[0003] 本发明涉及一种用于抛光铜膜的CMP浆液组合物和使用其抛光铜膜的方法。更特定来说，本发明涉及一种用于铜膜的CMP浆液组合物，其可实现铜膜的抛光速率(polishing rate)的显著提高和对铜膜的凹陷的抑制。
背景技术
[0004] 随着半导体集成电路的高度集成和高性能，化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)作为微制造技术已受到关注。CMP通常用于层间绝缘膜的平坦化、金属塞的形成以及嵌入式导线的形成。近来，将铜和铜合金(其具有比铝等更低的电阻值，且因此可显著提高集成电路的性能)用作导线的导电材料。另外，将钽(Ta)或氮化钽(TaN)用作用于将金属层接合到绝缘膜(SiO2)的粘着层。此粘着层充当防止带电金属与绝缘膜之间的扩散的势垒层。
[0005] 在半导体装置的制造中，CMP工艺极适用于晶片表面的平坦化。一般来说，用于铜的CMP工艺分成两个步骤进行。在CMP工艺的初级步骤中，由于必须去除块状Cu膜，因此需要具有铜的高抛光速率的浆液组合物。
发明内容
[0006] 本发明的一个目标是提供一种可提高铜膜的抛光速率的用于铜膜的CMP浆液组合物。
[0007] 本发明的另一目标是提供一种可通过抑制铜膜的凹陷来提高抛光表面的平坦度的用于铜膜的CMP浆液组合物。
[0008] 根据本发明的一个方面，一种用于铜膜的CMP浆液组合物包含：选自极性溶剂和非极性溶剂当中的至少一种；金属氧化物磨料(metal oxide abrasive)；甘氨酸；组氨酸；以及咪唑化合物。
[0009] 在一个实施例中，咪唑化合物可包含由式1表示的化合物：
[0010] [式1]
[0011]
[0012] 其中R1是氢、C1到C10烷基或C6到C20芳基；且R2、R3以及R4各自独立地是氢、C1到C10烷基、C6到C20芳基或卤素原子。
[0013] 在一个实施例中，咪唑化合物可包含选自咪唑和甲基咪唑当中的至少一种。
[0014] 在一个实施例中，甘氨酸和组氨酸可以0.02重量％到10重量％的总量存在于CMP浆液组合物中。
[0016] 在一个实施例中，腐蚀抑制剂可以0.001重量％到5重量％的量存在于CMP浆液组合物中。
[0017] 在一个实施例中，腐蚀抑制剂可包含选自三唑和四唑当中的至少一种。
[0018] 在一个实施例中，CMP浆液组合物可具有5到9的pH。
[0019] 根据本发明的另一方面，一种抛光铜膜的方法包含：使用根据本发明的用于铜膜的CMP浆液组合物来抛光铜膜。
[0020] 本发明提供一种可提高铜膜的抛光速率的用于铜膜的CMP浆液组合物。
[0021] 本发明提供一种可通过抑制铜膜的凹陷来提高所抛光表面的平坦度的用于铜膜的CMP浆液组合物。
具体实施方式
[0022] 抛光半导体装置的方法包含用于抛光铜膜(铜线)的初级抛光工艺，以及用于同时抛光铜膜、反扩散膜以及绝缘层的二级抛光工艺。在初级抛光工艺中，经由抛光快速去除铜膜。在本文中，铜膜可包含由纯铜或铜合金构成的膜。
[0023] 根据本发明的一个方面，铜膜的抛光速率可通过将咪唑化合物掺入到包含甘氨酸和组氨酸的用于铜膜的CMP浆液组合物中来显著地提高。另外，根据本发明的一个方面，铜膜的抛光速率的显著提高和对凹陷的抑制二者可通过将咪唑化合物和腐蚀抑制剂掺入到包含甘氨酸和组氨酸的用于铜膜的CMP浆液组合物中来实现。
[0024] 根据本发明的CMP浆液组合物包含：选自极性溶剂和非极性溶剂当中的至少一种；金属氧化物磨料；甘氨酸；组氨酸；以及咪唑化合物。现将详细地描述根据本发明的CMP浆液组合物的各个组分。
[0025] 选自极性溶剂和非极性溶剂当中的至少一种用以在用金属氧化物磨料抛光铜膜时减小摩擦力。选自极性溶剂和非极性溶剂当中的至少一种可包含水(例如超纯水或去离子水)、有机胺、有机醇、有机醇胺、有机醚、有机酮等。优选地，选自极性溶剂和非极性溶剂当中的至少一种是超纯水或去离子水。选自极性溶剂和非极性溶剂当中的至少一种可以余量存在于CMP浆液组合物中。
[0026] 金属氧化物磨料可在高抛光速率下抛光铜膜。具体来说，金属氧化物磨料可包含由下述者所组成的群组中选出的至少一种：二氧化硅、氧化铝、二氧化铈、二氧化钛以及氧化锆。优选地，金属氧化物磨料是二氧化硅。
[0027] 金属氧化物磨料可以是球形颗粒或非球形颗粒，且可具有10纳米到150纳米(例如20纳米到70纳米)的平均粒径(D50)。在此范围内，金属氧化物磨料可提供用于铜膜(其是本文中的抛光目标)的充足抛光速率，不产生刮痕，且可提高铜膜的抛光表面的平坦度。如本文中所使用，“平均粒径(D50)”是所属领域中已知的典型粒径计量，且是指在磨料颗粒的重量累积分布中对应于50重量％的粒径。
[0028] 金属氧化物磨料可以0.001重量％到20重量％的量，具体地以0.01重量％到10重量％的量，更具体地以0.01重量％到5重量％的量，又更具体地以0.01重量％到1重量％的量存在于CMP浆液组合物中。在此范围内，金属氧化物磨料可提供用于铜膜的充足抛光速率，不产生刮痕，且可提高组合物的分散稳定性。举例来说，金属氧化物磨料可以0.001重量％、0.005重量％、0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％、15重量％、16重量％、17重量％、18重量％、19重量％或20重量％的量存在于CMP浆液组合物中。
[0029] 甘氨酸和组氨酸用以螯合在铜膜抛光期间产生的氧化铜。甘氨酸和组氨酸可以0.02重量％到10重量％(具体地1重量％到5重量％)的总量存在于CMP浆液组合物中。在此范围内，甘氨酸和组氨酸可根据浆液的分散稳定性和所抛光铜膜的表面特征提供良好特性且可结合咪唑化合物来提高铜膜的抛光速率。举例来说，甘氨酸和组氨酸可以0.02重量％、
0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、
0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％或10重量％的总量存在于CMP浆液组合物中。
0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、
0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％或10重量％的总量存在于CMP浆液组合物中。
[0030] 甘氨酸可以0.01重量％到5重量％的量，具体地以0.05重量％到5重量％的量，更具体地以0.1重量％到5重量％的量存在于CMP浆液组合物中。在此范围内，甘氨酸可在抛光速率、浆液的分散稳定性以及所抛光铜膜的表面特征方面提供良好特性。举例来说，甘氨酸可以0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％或5重量％的量存在于CMP浆液组合物中。
[0031] 组氨酸可以0.01重量％到5重量％的量，具体地以0.05重量％到5重量％的量，更具体地以0.1重量％到5重量％的量存在于CMP浆液组合物中。在此范围内，组氨酸可在抛光速率、浆液的分散稳定性以及所抛光铜膜的表面特征方面提供良好特性。举例来说，组氨酸可以0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％或5重量％的量存在于CMP浆液组合物中。
[0032] 如上文所描述，在包含于CMP浆液组合物(其包含甘氨酸和组氨酸)中时，咪唑化合物可显著地提高铜膜的抛光速率。咪唑化合物可以0.001重量％到5重量％的量，具体地以0.005重量％到1重量％的量，更具体地以0.01重量％到0.5重量％的量存在于根据本发明的CMP浆液组合物中。在此范围内，咪唑化合物可显著地提高铜膜的抛光速率。举例来说，咪唑化合物可以0.001重量％、0.005重量％、0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％或5重量％的量存在于CMP浆液组合物中。
[0033] 咪唑化合物可包含具有经取代或未经取代的咪唑基的单分子化合物。在本文中，术语“单分子化合物”可指由一个咪唑分子组成的化合物，而不是通过聚合一或多种咪唑化合物而获得的寡聚物或聚合物。
[0034] 咪唑化合物可包含由式1表示的化合物：
[0035] [式1]
[0036]
[0037] 其中R1是氢、C1到C10烷基或C6到C20芳基，且R2、R3以及R4各自独立地是氢、C1到C10烷基、C6到C20芳基或卤素原子。
[0038] 优选地，R1是氢或甲基。优选地，R2、R3以及R4各自独立地是氢或C1到C10烷基。举例来说，咪唑化合物可包含：咪唑；以及甲基咪唑，例如1-甲基咪唑、2-甲基咪唑以及4-甲基咪唑。
[0039] CMP浆液组合物可更包含腐蚀抑制剂。
[0040] 腐蚀抑制剂用以抑制在铜膜抛光期间的凹陷。腐蚀抑制剂可包含选自三唑和四唑当中的至少一种。根据本发明的CMP浆液组合物可提高铜膜的抛光速率，且可通过包含咪唑化合物(其为二唑)和选自三唑和四唑当中的至少一种作为腐蚀抑制剂来抑制铜膜的凹陷，以提高所抛光表面的平坦度。
[0041] 三唑可包含由式2或式3表示的化合物：
[0042] [式2]
[0043]
[0044] 其中R5和R6可各自独立地是氢、未经取代的C1到C10烷基、未经取代的C6到C10芳基、氨基(-NH2)、磺酸基、羧酸基、经氨基取代的C1到C10烷基、经氨基取代的C6到C10芳基、经羧酸基取代的C6到C10芳基或经磺酸基取代的C6到C10芳基，或可彼此连接以形成未经取代的C4到C10芳基或经取代的C4到C10芳基；且R7是氢或羟基，以及
[0045] [式3]
[0046]
[0047] 其中R8和R9各自独立地是氢、未经取代的C1到C10烷基、未经取代的C6到C10芳基、氨基(-NH2)、磺酸基、羧酸基、经氨基取代的C1到C10烷基、经氨基取代C6到C10芳基、经羧酸基取代的C6到C10芳基或经磺酸基取代的C6到C10芳基；且R10是氢或羟基。
[0048] 举例来说，三唑可包含：苯并三唑化合物，所述苯并三唑化合物包含苯并三唑、甲基苯并三唑(甲苯基三唑)(例如5-甲基苯并三唑和4-甲基苯并三唑)、乙基苯并三唑、丙基苯并三唑、丁基苯并三唑、戊基苯并三唑、己基苯并三唑以及羟基苯并三唑；1,2,4-三唑；以及1,2,3-三唑。CMP浆液组合物可包含三唑本身或其盐。
[0049] 四唑可包含由式4表示的化合物：
[0050] [式4]
[0051]
[0052] 其中R1是氢、未经取代的C1到C10烷基、未经取代的C6到C10芳基、氨基(-NH2)；磺酸基、羧酸基、经氨基取代的C1到C10烷基；经氨基取代的C6到C10芳基；经羧酸基取代的C6到C10芳基或经磺酸基取代的C6到C10芳基。
[0053] 举例来说，四唑可包含选自下述者当中的至少一种：5-氨基四唑、5-甲基四唑以及5-苯基四唑。CMP浆液组合物可包含四唑本身或其盐。
[0054] 腐蚀抑制剂可以0.001重量％到5重量％的量，具体地以0.005重量％到1重量％的量，更具体地以0.01重量％到0.1重量％的量存在于CMP浆液组合物中。在此范围内，腐蚀抑制剂可抑制铜膜在铜膜抛光期间的凹陷，同时提高铜膜的抛光速率。举例来说，腐蚀抑制剂可以0.001重量％、0.005重量％、0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％或5重量％的量存在于CMP浆液组合物中。
[0055] CMP浆液组合物可更包含氧化剂。氧化剂通过使铜膜氧化来促进铜膜的抛光，且通过使铜膜的表面平滑化来提供所抛光表面的表面粗糙度方面的所需特性。
[0056] 氧化剂可包含由下述者所组成的群组中选出的至少一种：无机过化合物(inorganic per-compound)、有机过化合物(organic per-compound)、溴酸或其盐、硝酸或其盐、氯酸或其盐、铬酸或其盐、碘酸或其盐、铁或其盐、铜或其盐、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物以及重铬酸钾。在本文中，“过化合物(per-compound)”是指含有至少一个过氧化基(-O-O-)或含有处于最高氧化态的元素的化合物。优选地，氧化剂是过化合物。过化合物的实例可包含由下述者所组成的群组中选出的至少一种：过氧化氢、过碘酸钾、过硫酸钙以及铁氰化钾。优选地，氧化剂是过氧化氢。
[0057] 氧化剂可以0.01重量％到5重量％的量，具体地以0.05重量％到3重量％的量，更具体地以0.1重量％到2重量％的量存在于CMP浆液组合物中。在此范围内，氧化剂可改善对铜线的抛光选择性。举例来说，氧化剂可以0.01重量％、0.05重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％或5重量％的量存在于CMP浆液组合物中。
[0058] CMP浆液组合物可具有5到9(具体地6到8)的pH。在此范围内，CMP浆液组合物可提供对铜膜的良好防腐蚀性。举例来说，CMP浆液组合物可具有5、6、7、8或9的pH。
[0059] CMP浆液组合物可更包含将CMP浆液组合物的pH值调整在上述范围内的pH调节剂。pH调节剂可包含：无机酸，例如硝酸、磷酸、氢氯酸以及硫酸中的至少一种；以及有机酸，例如pKa为6或小于6的有机酸，例如乙酸和柠檬酸中的至少一种。或者，pH调节剂可包含碱，例如由下述者所组成的群组中选出的至少一种：氢氧化钾、氢氧化钠以及氢氧化铵；碳酸钠以及碳酸钾。
[0060] CMP浆液组合物可更包含所属领域中已知的典型添加剂，例如界面活性剂(surfactant)、分散剂、改质剂以及表面活性剂(surface active agent)。
[0061] 根据本发明的抛光铜膜的方法包含：使用根据本发明的用于铜膜的CMP浆液组合物来抛光铜膜。
[0062] 接下来，将参考一些实例更详细地描述本发明。应理解，这些实例只是出于说明而提供，并且不应以任何方式解释为限制本发明。
[0063] 实例和比较例中所使用的各个组分的细节如下：
[0064] 金属氧化物磨料：具有25纳米的平均粒径(D50)的二氧化硅(DVSTS027，纳尔科公司(Nalco Company))
[0065] pH调节剂：硝酸或氢氧化钾
[0066] 实例1
[0067] 将0.1重量％的金属氧化物磨料、1.2重量％的甘氨酸、0.4重量％的组氨酸、0.2重量％的咪唑以及作为腐蚀抑制剂的0.02重量％的苯并三唑与余量的超纯水混合，由此制备CMP浆液组合物，其中前述组分的量是以组合物的总重量计。接着，使用硝酸或氢氧化钾将浆液组合物的pH调整为7.0。
[0068] 实例2到实例4
[0069] 除了将甘氨酸、组氨酸以及咪唑的量更改为如表1中所列且将腐蚀抑制剂的种类和量(单位：重量％)更改为如表1中所列之外，以与实例1中相同的方式制备浆液组合物。
[0070] 实例5
[0071] 将0.1重量％的金属氧化物磨料、0.7重量％的甘氨酸、0.4重量％的组氨酸、0.2重量％的咪唑以及作为腐蚀抑制剂的0.02重量％的苯并三唑与余量的超纯水混合，由此制备CMP浆液组合物，其中前述组分的量是以组合物的总重量计。接着，使用硝酸或氢氧化钾将浆液组合物的pH调整为7.0。
[0072] 比较例1
[0073] 除了不包括咪唑之外，以与实例1中相同的方式制备浆液组合物。
[0074] 比较例2
[0075] 除了使用聚乙烯基咪唑替代咪唑之外，以与实例1中相同的方式制备浆液组合物。
[0076] 比较例3
[0077] 除了使用聚乙烯吡咯啶酮替代咪唑之外，以与实例1中相同的方式制备浆液组合物。
[0078] 在实例和比较例中制备的每一个CMP浆液组合物均以下列特性评估：
[0079] (1)铜膜的抛光速率(单位： )：使用200毫米MIRRA抛光机(应用材料(Applied Materials，AMAT)公司)，在工作台旋转速度(table rotation speed)为93转/分钟、磁头旋转速度为87转/分钟、抛光压力为1.5磅/平方英寸、浆液进料速率为150毫升/分钟且抛光持续时间为60秒的条件下抛光铜膜。此处，使用IC1010垫(罗德尔公司(Rodel Co.,Ltd))作为抛光垫。基于电阻值转换的抛光前后的厚度差来计算抛光速率。
[0080] (2)凹陷(单位：纳米)：在与(1)中相同的抛光条件下执行图案评估。在铜和氧化物膜的宽度为100微米的区域中测量凹陷。
[0081] 表1
[0082]
[0083] 根据表1中所显示的结果，可看出根据本发明的CMP浆液组合物对于铜线具有非常高的抛光速率，同时显著地抑制凹陷。
[0084] 相反，与包含相同量的组氨酸和甘氨酸的实例1的CMP浆液组合物相比，不含咪唑化合物的比较例1的CMP浆液组合物对于铜线具有相当低的抛光速率。另外，与包含相同量的组氨酸和甘氨酸的实例1的CMP浆液组合物相比，包含聚乙烯基咪唑而非咪唑化合物的比较例2的CMP浆液组合物对于铜线也具有相当低的抛光速率。此外，包含聚乙烯吡咯啶酮而非咪唑化合物的比较例3的CMP浆液组合物具有低抛光速率且在抑制凹陷方面展现不良特性。
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
浆液热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈