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】
[0001] 本发明涉及一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液及其使用方法。
【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】
[0006] 本发明所要解决的问题是提供一种适合于ULK-铜互连制程中的阻挡层抛光，具 有高的阻挡层（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。通过组合使用腐蚀抑制剂和铜表面保护 齐IJ，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。
[0007] 本发明提供了一种应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、聚乙烯吡咯烷酮，氧化剂和水。
[0008] 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。
[0009] 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。腐蚀抑 制剂的质量百分比浓度较佳的为〇. 001~1%，更佳的为〇. 01~〇. 5%。
[0010] 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。铜 表面保护剂的质量百分比浓度较佳的为〇. 〇〇1~1%，更佳的为〇. 01~〇. 5%。
[0011] 其中络合剂为有机酸、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。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%。
[0012] 其中聚乙烯吡咯烷酮的分子量较佳的为1000~1000000,更佳的为1000~ 500000。聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度较佳的为：0. 001~2.0%，更佳的为0.01~ 1.0%。
[0013] 其中氧化剂较佳的选自下列中的一种或多种：过氧化氢、过氧乙酸、过硫酸钾，和 /或过硫酸铵。氧化剂的质量百分比浓度较佳的为0. 01~5%，更佳的为0. 1~2%。
[0014] 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还可以包含pH调节剂和杀菌剂等其他本领域添加剂。
[0016] 本发明的抛光液中，除上述组分外，余量为水。
[0017] 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K0H或HN03)调节到所需要的pH值，使用前加氧化剂，混合均匀 即可。
[0018] 本发明所用试剂及原料均市售可得。
[0019] 本发明的积极进步效果在于：本申请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】
[0020] 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；
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 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】
[0024] 下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不以此将本发明限制在所述的实 施例范围之中。
[0025] 实施例
[0026] 表1给出了对比抛光液1~4和本发明的抛光液1~13,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K0H或HN03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。
[0027] 表1对比抛光液1~4和本发明的抛光液1~13
[0028]
[0029]
【主权项】
1. 一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液，该抛光液含有研磨颗粒、腐蚀抑制剂、铜 表面保护剂、络合剂、聚乙烯吡咯烷酮，氧化剂和水。
2. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒选自二氧化硅、三 氧化二铝、二氧化铈、掺杂铝的二氧化硅，和/或聚合物颗粒中的一种或多种。
3. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒的浓度为质量百 分比浓度1~20%。
4. 如权利要求3所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒的浓度为质量百 分比浓度2~10%。
5. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒粒径为20~ 150nm〇
6. 如权利要求5所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒粒径为30~ 120nm〇
7. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述腐蚀抑制剂选自下列中的 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。
8. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述腐蚀抑制剂的浓度为质量 百分比0. 001~1%。
9. 如权利要求8所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述腐蚀抑制剂的浓度为质量 百分比0. 01~0. 5%。
10. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述铜表面保护剂选自下列中 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。
11. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述铜表面保护剂的浓度为质 量百分比0. 001~1%。
12. 如权利要求11所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述铜表面保护剂的浓度为 质量百分比〇. 01~〇. 5%。
13. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述络合剂选自有机酸、有机 磷酸和氨羧化合物中的一种或多种。
14. 如权利要求13所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述络合剂选自下列中的一 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。
15. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述络合剂的浓度为质量百分 比 0. 001 ~2%。
16. 如权利要求15所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述络合剂的浓度为质量百 分比0? 01~1%。
17. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量 为 1000 ~1000000。
18. 如权利要求17所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子 量为 1000 ~500000。
19. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮的浓度为 质量百分比〇. OOl~2. 0%。
20. 如权利要求19所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮的浓度 为质量百分比0.01~1.0%。
21. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述氧化剂选自下列中的一种 或多种：过氧化氢、过氧乙酸、过硫酸钾，和/或过硫酸铵。
22. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述氧化剂的浓度为质量百分 比 0. 01 ~5%。
23. 如权利要求22所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述氧化剂的浓度为质量百 分比0? 1~2%。
24. 如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述化学机械抛光液的pH值为 8. 0 ~12. 0。
25. 如权利要求23所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述化学机械抛光液的pH值 为 9. 0 ~11. 0。
【专利摘要】本发明公开了一种用于阻挡层平坦化的化学机械抛光液，该抛光液含有研磨颗粒、腐蚀抑制剂、铜表面保护剂、络合剂、聚乙烯吡咯烷酮，氧化剂和水。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。
【IPC分类】H01L21-3105, H01L21-321, C23F3-04, C09G1-02
【公开号】CN104745088
【申请号】CN201310727947
【发明人】姚颖, 荆建芬, 邱腾飞, 蔡鑫元, 张建
【申请人】安集微电子（上海）有限公司
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月25日