一种化学机械抛光液及其使用方法与流程

1.本发明涉及化学机械抛光领域，尤其涉及一种化学机械抛光液及其使用方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的发展，电子部件的微小化，铜作为一种具有良好导电性的材料，而被广泛应用于电子元件电路中。由于铜的电阻小，从而可以加快电路中晶体管间信号的传递速度，还可提供更小的寄生电容能力，较小的电迁移的敏感性。这些电学优点都使得铜在半导体技术发展中拥有良好的发展前景。
3.但在铜的集成电路制造过程中发现，铜会迁移或扩散进入到集成电路的晶体管区域，从而对于半导体的晶体管的性能产生不利影响，因而铜的互连线只能以镶嵌工艺制造，即：在第一层里形成沟槽，在沟槽内填充铜阻挡层和铜，形成金属导线并覆盖在介电层上。然后通过化学机械抛光将介电层上多余的铜/铜阻挡层除去，在沟槽里留下单个互连线。铜的化学机械抛光过程一般分为3个步骤：第1步，先用较高的下压力，以快且高效的去除速率除去衬底表面上大量的铜并留下一定厚度的铜，第2步，用较低的去除速率去除剩余的金属铜并停在阻挡层，第3步，再用阻挡层抛光液去除阻挡层及部分介电层和金属铜，实现平坦化。
4.铜抛光的过程中，一方面要尽快去除阻挡层上多余的铜，另一方面要尽量减小抛光后铜线的碟形凹陷。在铜抛光前，金属层在铜线上方有部分凹陷。抛光时，介质材料上的铜在较高的主体压力下易于被去除，而凹陷处的铜所受的抛光压力比主体压力低，铜去除速率小。随着抛光的进行，铜的高度差会逐渐减小，达到平坦化。但是在抛光过程中，如果铜抛光液的化学作用太强，静态腐蚀速率太高，则铜的钝化膜即使在较低压力下(如铜线凹陷处)也易于被去除，导致平坦化效率降低，抛光后的碟形凹陷增大。
5.随着集成电路的发展，一方面，在传统的ic行业中，为了提高集成度，降低能耗，缩短延迟时间，线宽越来越窄，介电层使用机械强度较低的低介电(low-k)材料，布线的层数也越来越多，为了保证集成电路的性能和稳定性，对铜化学机械抛光的要求也越来越高。要求在保证铜的去除速率的情况下降低抛光压力，提高铜线表面的平坦化，控制表面缺陷。另一方面，由于物理局限性，线宽不能无限缩小，半导体行业不再单纯地依赖在单一芯片上集成更多的器件来提高性能，而转向于多芯片封装。
6.硅通孔(tsv)技术作为一种通过在芯片和芯片之间、晶圆与晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术而得到工业界的广泛认可。tsv能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，大大改善芯片速度和低功耗的性能。目前的tsv工艺是结合传统的ic工艺形成贯穿硅基底的铜穿孔，即在tsv开口中填充铜实现导通，填充后多余的铜也需要利用化学机械抛光去除达到平坦化。与传统ic工业不同，由于硅通孔很深，填充后表面多余的铜通常有几到几十微米厚。为了快速去除这些多余的铜。通常需要具有很高的铜去除速率，同时抛光后的表面平整度好。而现有的抛光液，在抛光后会产生碟形凹陷、介质层侵蚀，以及铜残留和腐蚀等缺陷。


技术实现要素：

7.为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种化学机械抛光液，具体的，包含羧酸酯类化合物，研磨颗粒，络合剂，氮唑类腐蚀抑制剂和氧化剂。
8.优选的，所述羧酸酯类化合物选自三乙醇胺羧酸酯，二乙醇胺羧酸酯，1-甲基咪唑-2-甲酸乙酯，1h-吡咯-3-甲酸甲酯，5-氨基-3-甲基-1h-吡唑-4-甲酸乙酯，3-氨基吡嗪-2-羧酸甲酯，2-氨基-5-甲基噻吩-3-甲酸乙酯，3-氨基异烟酸甲酯，2-溴噻唑-4-甲酸甲酯，5-氨基-3-甲基-2,4-噻酚二羧酸二乙酯，羧酸三氮唑甲酯中的一种或多种。
9.优选的，所述羧酸酯类化合物的质量百分比含量为0.001％-0.1％。
10.优选的，所述羧酸酯类化合物的质量百分比含量为0.005％-0.05％。
11.优选的，所述研磨颗粒为二氧化硅研磨颗粒，所述研磨颗粒的平均粒径为20-120nm。所述磨颗粒的平均粒径为40-100nm。
12.优选的，所述研磨颗粒的质量百分比含量为0.05％-1.0％；优选的，所述研磨颗粒的浓度为0.1-0.5wt％。
13.优选的，所述络合剂选自甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、氨三乙酸、乙二胺四乙酸、环己二胺四乙酸、乙二胺二琥珀酸、二乙烯三胺五乙酸和三乙烯四胺六乙酸中的一种或多种。所述络合剂的质量百分比含量为0.1％-3％。优选的，所述络合剂的质量百分比含量为0.5％-1.5％。
14.优选的，所述氮唑类腐蚀抑制剂选自1,2,4-三氮唑、5-甲基四氮唑、3-氨基-1,2,4-三氮唑、苯并三氮唑、4-氨基-1,2,4-三氮唑、5-羧基-3-氨基-1,2,4-三氮唑、5-乙酸-1h-四氮唑、氨基咪唑、甲基苯并三氮唑中的一种或多种。所述氮唑类腐蚀抑制剂的质量百分比含量为0.001％-0.5％。优选的，所述氮唑类腐蚀抑制剂的质量百分比含量为0.005％-0.2％。
15.其中，所述氧化剂为过氧化氢；所述氧化剂质量百分比含量为0.05％-3％；优选的，所述氧化剂的质量百分比含量为0.1％-1.5％。
16.优选的，所述化学机械抛光液的ph值为5-8。
17.除此之外，根据实际使用情况，本发明的化学机械抛光液还可以包含助溶剂和杀菌剂等其他本领域常用添加剂。
18.本发明的抛光液还可以浓缩制备，使用前用水稀释至本发明的浓度范围即可。
19.本发明的另一方面，提供一种如上所述的化学机械抛光液在金属铜的抛光中的应用。
20.采用了上述技术方案后，与现有技术相比，本发明中的化学机械抛光液可以提高铜的去除速率，改善抛光后铜线的碟形凹陷和介质层侵蚀。
具体实施方式
21.以下结合具体实施例进一步阐述本发明的优点。
22.应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的
任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
23.表1给出了本发明的化学机械抛光液的实施例1-25及对比例1-4，按表中所给配方，将除氧化剂以外的其他组分混合均匀，用水补足质量百分比至100％。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。本发明的抛光液也可以先配制成浓缩样，在使用时用去离子水进行稀释，并添加氧化剂使用。
24.表1本发明实施例1-25及对比例1-4的抛光液成分
25.26.[0027][0028]
采用对比例1-4和本发明实施例1-25的抛光液，按照下述条件对空片铜(cu)、钽(ta)进行抛光。具体抛光条件：cu抛光压力为1.0psi和2.0psi，ta抛光压力为1.0psi；抛光盘及抛光头转速73/67rpm，抛光垫ic1010，抛光液流速300ml/min，抛光机台为12”reflexion lk，抛光时间为1min。分别测量各实施例对铜/钽的去除速率，并计算二者的抛光速率选择比，结果列于表2。
[0029]
采用对比例1-4和本发明实施例1-25的抛光液按照下述条件对含图形的铜晶圆进行抛光。抛光条件：抛光盘及抛光头转速73/67rpm，抛光垫ic1010，抛光液流速300ml/min，抛光机台为12”reflexion lk。在抛光盘1上用2.0psi的下压力抛光有图案的铜晶片至残留铜约然后再在抛光盘2上用1.0psi的下压力将残留的铜去除。用xe-300p原子力显微镜测量有图案的铜晶片上5um/1um(铜线/介电材料线宽)的铜线阵列区的碟型凹陷和介质层侵蚀，所得铜线的碟型凹陷值和介质层侵蚀值结果列于表2。
[0030]
表2对比例1～4和实施例1～25的抛光效果
[0031][0032]
由表2可见，与对比例相比，本发明实施例的抛光液不仅具有较高的铜去除速率，而且，使用本发明的抛光液抛光后，铜线的碟型凹陷和介质层侵蚀明显改善。对比例1的抛光液只含有二氧化硅研磨颗粒、络合剂、氧化剂，对铜、钽的去除速率均较高，因此对铜/钽的抛光速率选择比低；对比例2的抛光液在对比例1的基础上添加了氮唑类腐蚀抑制剂，从而降低了钽的去除速率，在一定程度上提高了抛光液对铜/钽的抛光速率选择比。但是，对比例2的抛光液对铜/钽的抛光速率选择比仍然不够高，不能满足钽作为阻挡层时的抛光需要，而且使用对比例2的抛光液抛光后的铜线的碟型凹陷和介质层侵蚀仍然较大。
[0033]
与本发明实施例1相比，对比例3和4加入采用了氮唑类腐蚀抑制剂和羧酸酯类化合物的组合，但对比例3的ph值过低，铜和钽的去除速率较高，导致对铜/钽的抛光速率选择比低。而对比例4的ph值过高，导致铜的去除速率大大降低，无法有效去除铜。因此在合适的ph值范围使用氮唑类腐蚀抑制剂和羧酸酯类化合物的组合可以进一步改善抛光液抛光后的铜线的碟型凹陷和介质层侵蚀。
[0034]
本发明实施例的抛光液，通过使用粒径大小在一定范围内的二氧化硅研磨颗粒，在合适的ph值下，通过在抛光液中添加氮唑类腐蚀抑制剂和羧酸酯类化合物组合，维持了铜的高去除速率；同时，本发明用于铜晶圆的抛光可改善抛光后铜线的碟型凹陷和介质层侵蚀。
[0035]
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。