专利名称：一种基于金属Co的抛光工艺的抛光液及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子工艺中技术领域，具体涉及一种用于微电子抛光工艺的抛光液及其应用。
背景技术：
随着超大规模集成电路(ULSI)技术向更小器件尺寸发展，后端铜互连的尺寸也随之缩小。为减小互连延时，铜互连结构中的阻挡层和粘附层越来越薄，传统的铜粘附层/阻挡层-Ta/TaN已经不能满足要求，因为Ta相对的高电阻率，以及Ta不能作为铜直接电镀的籽晶层。金属钴(Co)价格相对便宜，和铜有很好的粘附性，Cu在Co上容易成核，同时Co的电阻率较低，同时也能作为铜的直接电镀籽晶层。钴或者钴的合金作为铜互连结构中铜的粘附层已经有一些实验报道。
在目前的化学机械抛光过程中，为减少低K介质在化学机械抛光过程中的损伤， 目前使用的大多数铜和阻挡层的抛光液是酸性的。但实验发现，在含有氧化剂(H2O2)的酸性溶液中，铜和钴都极易溶解，这使得在抛光过程中，铜钴的抛光速率过快，容易导致铜的蝶形坑(dishing)出现。而钴的溶解很容易造成沟槽中钴的溶解进而导致铜的脱附。所以在酸性抛光液中加入抑制剂十分必要。加入合适的抑制剂后，可以避免酸性抛光液中钴抛光速度过快。同时能有效抑制铜互连结构中沟槽侧壁处钴的溶解，有效提高钴作为铜粘附层的可靠性。发明内容
本发明的目的是提供一种用于微电子抛光工艺的抛光液，该抛光液可以有效抑制酸性抛光液中钴化学自腐蚀速率，防止因抛光速度过快可能引起的可靠性问题。
为实现以上目的，本发明提供了一种基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其中，该抛光液组分包含以下按重量百分数计的原料抑制剂0. 01-2 %， 氧化剂0-5 %， 研磨颗粒0. 1-10 %， 螯合剂 0. 001-10 %， 余量为水；上述原料通过PH值调节剂调节至该抛光液的pH值为3-5 ；所述抑制剂选自含S、N或同时含S和N的五元杂环衍生物中的任意一种以上；抑制剂的作用是降低铜和钴在抛光液中的静态腐蚀速率，有助于增大抛光平坦化速率以及减低蝶形坑缺陷和防止沟槽侧壁粘附层的溶解。
所述氧化剂选自过氧化氢，过硫酸铵，高碘酸钾，高氯酸钾中的任意一种以上；氧化剂的作用是将金属铜、钴以及阻挡层金属氧化为相应的金属氧化物、氢氧化物或者金属离子。其中，优选过氧化氢作为氧化剂。氧化剂在抛光液中所占重量百分数为0-5%;其中，优选氧化剂所占重量百分数为0. 5%-5%。
所述的研磨颗粒选自二氧化硅，二氧化铈，三氧化二铝中的任意一种以上；研磨颗粒的作用是通过机械摩擦去除与研磨颗粒接触的金属或者金属的反应物，达到机械去除的目的。其中，优选二氧化硅溶胶作为研磨颗粒。所述研磨颗粒的粒径大小会影响抛光速率和粗糙度，本发明选择粒子直径为IO-IOOnm的研磨颗粒。
所述的螯合剂选择氨基酸或柠檬酸或二者的混合物；螯合剂的作用是与抛光表面以及抛光液中的金属离子形成螯合物，有助于减小抛光液中的金属颗粒和抛光金属表面的金属离子污染。
上述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其中，所述的抛光液组分包含以下按重量百分数计的原料抑制剂0. 01-1 %， 氧化剂0. 5-2 %， 研磨颗粒1-5 %， 螯合剂0. 4%， 余量为水。
上述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其中，所述的作为抑制剂的五元杂环衍生物中环内含有2个杂原子。
进一步地，所述的抑制剂选择苯并三氮唑，2-巯基噻唑啉、2-巯基苯骈噻唑，咪唑，2-氨基苯并咪唑，2-巯基苯并咪唑，2-甲基苯并咪唑中的任意一种以上。其中，优选苯并三氮唑、2-巯基噻唑啉的混合物作为抑制剂。苯并三氮唑和2-巯基噻唑啉能同时有效抑制铜和钴的静态腐蚀。
上述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其中，所述的螯合剂可选自于氨基酸中的一种或者几种，如甘氨酸，谷氨酸，亮氨酸，精氨酸；以及其他有机酸，如柠檬酸。其中优选地，甘氨酸作为螯合剂。
上述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其中，所述的pH值调节剂选择稀释的硝酸、硫酸、稀醋酸、盐酸、氢化化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠中的任意一种以上；优选稀释的硝酸和氢氧化钾。
本发明还提供了一种上述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液在抛光工艺中的应用。在集成电路中，Co主要作为铜互连的阻挡层和粘附层，但是Co也可以作为纳米晶在存储器中使用，作为金属栅在MOSFET中使用。凡是利用Co或者Co的合金、Co的化合物在电路中使用，并需要进行抛光工艺的，都属于本发明的抛光液的应用范围。
本发明提供的用于CMP (化学机械抛光)的抛光液pH值范围为3-5。若抛光液pH 值过低，在pH<2的情况下时，抛光液容易造成铜布线的腐蚀，而且容易腐蚀设备；若pH值处于中性区间时，即6<pH<8时，抛光液中硅溶胶不稳定；而若pH值过高，pH>9时，容易造成低_k介质(即low-k介质)的损伤；所以pH值选为3-5比较合适。
本发明提供的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，能有效抑制钴的静态腐蚀，降低钴的抛光速率，因而有效降低抛光过后缺陷的产生。
图Ia为抛光前的双镶嵌互连结构截面示意图；图Ib为抛光后的双镶嵌互连结构截面示意图。
图加为钴分别在实施例1和对比例1中所述抛光液(pH值为3)中的动电位极化曲线对比图；图2b为钴分别在实施例1和对比例1中所述抛光液(pH值为5)中的动电位极化曲线对比图。
图3为钴在实施例2中所述抛光液中的抛光速率随苯并三氮唑浓度变化的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明的
具体实施方式
。
使用本发明的抛光液的
具体实施方式
与传统的抛光液使用方式类似。在化学机械抛光工艺期间，晶片由抛光头支撑正面朝下，压在附有抛光垫的抛光台上，抛光液由泵的抽取和抛光台的旋转均勻的分散在晶片表面，由抛光头对晶片施加压力，抛光头和抛光台同时旋转达到去除晶片上多余铜以及介质表面的粘附层和阻挡层的目的。值得注意的是，以上所述使用方式是基于本领域传统抛光机而言，对特别的抛光机系统，可以根据实际情况合理调整执行方式同样能达到化学机械平坦化目的。图Ia是抛光前双镶嵌互连结构截面示意图；图Ib为经本发明的抛光液抛光后形成的双镶嵌互连结构截面示意图。其中，介质 10可以是传统的二氧化硅，也可以是low-k介质；铜粘附层和阻挡层20的材料可以是Co/ TaN, Co/TiN, Co/TaCN, Co/TiCN等钴与金属氮化物或者金属氮碳化合物的双层结构，也可以是CoMo，CoTa等钴合金的单层结构。粘附层与阻挡层的生长方式可以是物理气相淀积 (PVD)、原子层淀积(ALD)或者化学气相淀积(CVD)；刻蚀阻挡层30的材料可以是SiN，SiC， SiCN以及其他难刻蚀的介质材料。通过使用本发明的抛光液去除图Ia中上表面多余的铜以及介质10上面的铜粘附层和阻挡层20，从而形成附图Ib所示结构。通过以下实施案例进一步阐述本发明的实施方式。
实施例1抛光液配置lwt%的硅溶胶；0. 75wt%的甘氨酸；0. 12wt%的二巯基噻唑啉(MTZ)；以及余量的水，采用稀释的硝酸和氢氧化钾调节PH值至3. 0。
抛光设备以及机械参数设置本实施例所用抛光机为CETR公司生产的CP-4桌上型抛光机；机械参数设置为压力为2psi，抛光液流速为lOOml/min，抛光头转速为150rpm， 抛光台转速为150rpm。
对比例1除了不添加二巯基噻唑啉(0wt%)外，所用原料及方法完全与实施例相同。
下面表一是对比钴在含0. 12wt% 二巯基噻唑啉(实施例1)与不含二巯基噻唑啉 (对比例1)的抛光液中的自腐蚀速率和抛光速率数据。
表一钴在实施例1及对比例1的抛光液中的自腐蚀速率和抛光速率
权利要求
1.一种基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其特征在于，该抛光液组分包含以下按重量百分数计的原料抑制剂0. 01-2 %， 氧化剂0-5 %， 研磨颗粒0. 1-10 %， 螯合剂 0. 001-10 %， 余量为水；上述原料通过PH值调节剂调节至该抛光液的pH值为3-5 ； 所述抑制剂选自含S、N或同时含S和N的五元杂环衍生物中的任意一种以上； 所述氧化剂选自过氧化氢，过硫酸铵，高碘酸钾，高氯酸钾中的任意一种以上； 所述的研磨颗粒选自二氧化硅，二氧化铈，三氧化二铝中的任意一种以上； 所述的螯合剂选择氨基酸或柠檬酸或二者的混合物。
2.如权利要求1所述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其特征在于，所述的抛光液组分包含以下按重量百分数计的原料抑制剂0. 01-1 %， 氧化剂0. 5-2 %， 研磨颗粒1-5 %， 螯合剂0. 4%， 余量为水。
3.如权利要求1或2所述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其特征在于，所述的作为抑制剂的五元杂环衍生物中环内含有2个杂原子。
4.如权利要求3所述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其特征在于，所述抑制剂选自苯并三氮唑、2-巯基噻唑啉、2-巯基苯骈噻唑、咪唑、2-氨基苯并咪唑、2-巯基苯并咪唑及2-甲基苯并咪唑中的任意一种以上。
5.如权利要求4所述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其特征在于，所述抑制剂为苯并三氮唑与2-巯基噻唑啉的混合物。
6.如权利要求1或2或4或5所述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其特征在于， 所述研磨颗粒粒子直径为lO-lOOnm。
7.如权利要求1或2或4或5所述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其特征在于， 所述的氨基酸选择甘氨酸、谷氨酸、亮氨酸、精氨酸中的任意一种以上。
8.如权利要求7所述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其特征在于，所述的抛光液中的螯合剂选择甘氨酸。
9.如权利要求1所述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液，其特征在于，所述的PH值调节剂选择稀释的硝酸、硫酸、稀醋酸、盐酸、氢化化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠中的任意一种以上。
10.一种根据权利要求1所述的基于金属Co的抛光工艺的抛光液在抛光工艺中的应
全文摘要
本发明公开了一种基于金属Co的抛光工艺的抛光液及其应用，该抛光液组分包含以下按重量百分数计的原料抑制剂0.01-2%，氧化剂0-5%，研磨颗粒0.1-10%，螯合剂0.001-10%，余量为水；上述原料通过pH值调节剂调节至该抛光液的pH值为3-5；该抑制剂选自含S、N或同时含S和N的五元杂环衍生物中的任意一种以上；该氧化剂选自过氧化氢，过硫酸铵，高碘酸钾，高氯酸钾中的任意一种以上；该研磨颗粒选自二氧化硅，二氧化铈，三氧化二铝中的任意一种以上；该螯合剂选择氨基酸或柠檬酸或二者的混合物。本发明的抛光液能有效抑制钴的静态腐蚀，降低钴的抛光速率，防止钴在抛光过程中的过腐蚀。
文档编号C23F3/06GK102516875SQ20111037275
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年7月5日
发明者屈新萍, 王敬轩, 鲁海生 申请人:复旦大学