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CN101451048A - 一种化学机械抛光液 - Google Patents

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宋伟红
包建鑫
姚颖
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Abstract

本发明公开了一种化学机械抛光液，其含有掺铝二氧化硅、混合缓蚀剂、水和下述速率促进剂中的一种或多种：有机酸、氟化物、氨水以及季铵盐及其衍生物。本发明的抛光液具有较高的介电质(如TEOS)的抛光速率，且可以保证较高的通过氧化剂浓度调节Cu的抛光速率的可调性，具有较好的缺陷矫正作用，适用于控制和调节半导体器件中不同线宽处磨蚀程度。

Description

一种化学机械抛光液
技术领域
本发明涉及一种化学机械抛光液。
背景技术
在集成电路的制造中，半导体硅晶片上有许多包含多重沟槽的电介质层，这些填充有金属导线的沟槽在电介质层内排列形成电路互连图案，图案的排列通常具有金属镶嵌结构和双重金属镶嵌结构。这些镶嵌结构先采用阻挡层覆盖电介质层，再用金属覆盖阻挡层。这些金属至少需要充满沟槽从而形成电路互连。随着集成电路的器件尺寸缩小、布线层数增加，由于铜具有比铝更好的抗电迁移能力和高的导电率，现已替代铝成为深亚微米集成电路的导线材料。而阻挡层主要采用钽或氮化钽，用以阻止铜扩散至邻近的电介质层。
在芯片的制造过程中，化学机械抛光(CMP)用来平坦化芯片表面。这些平坦化的芯片表面有助于多层集成电路的生产，且防止将电介层涂覆在不平表面上引起的畸变。铜CMP工艺通常分为两步：第一步工艺是用特殊设计的抛光液迅速去除互连金属铜；第二步工艺是用特殊设计的抛光液去除阻挡层和少量电介质层，提供平坦的抛光表面。
铜CMP的第一步工艺中采用的抛光液通常具有很高的Cu抛光速率和低的阻挡层抛光速率，以便迅速去除多余的铜和铜在阻挡层表面的残留物。但是铜CMP的第一步工艺后铜线区域往往会形成较深的凹陷和磨蚀，因此为实现抛光表面平坦化的效果，铜CMP的第二步抛光工艺中，抛光液通常需要具有特定的选择性，在去除阻挡层和部分电介质层的同时，不会造成作为互连导线的铜的过度凹陷，也就决定了铜CMP第二步工艺的抛光液需要有较高的阻挡层和介电质TEOS的抛光速率和较低的Cu抛光速率，以提供较好的凹陷矫正作用。
半导体硅晶片上存在多种不同宽度和镶嵌密度的结构所构成，形成复杂的电路互连图案。这些不同宽度和镶嵌密度的结构对CMP工艺十分敏感，CMP工艺对由大块区域构成的结构抛光平坦化慢于由高密度小尺寸镶嵌结构的平坦化，从而对各种不同宽度和密度的结构上缺陷矫正作用也各不相同。一种理想的抛光液，期望在CMP工艺中对各种宽度和密度的结构上缺陷矫正作用相近，因此需要对Cu的抛光速率具有可调性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了满足Cu的化学机械抛光工艺的要求而提供一种具有较高的介电质(如TEOS)的去除速率、保持较高的Cu的去除速率随氧化剂浓度改变而改变的可调性，具有较好的凹陷矫正作用的化学机械抛光液。
本发明的化学机械抛光液含有：掺铝二氧化硅、混合缓蚀剂、水和下述速率促进剂中的一种或多种：有机酸、氟化物、氨水以及季铵盐及其衍生物。
其中，所述的混合缓蚀剂较佳的为唑类化合物，如苯并三唑、5-氨基四氮唑、5-甲基四氮唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑和1，2，4-三氮唑中的两种或两种以上的组合，更佳的为苯并三唑与下列中的一种或多种的组合：5-氨基四氮唑、5-甲基四氮唑、巯基苯并噻唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑和1，2，4-三氮唑，所述的苯并三唑较佳的占混合缓蚀剂总质量的25％～90％。所述的混合缓蚀剂的用量较佳的为质量百分比0.04～0.6％。
其中，所述的掺铝的二氧化硅的粒径较佳的为20～80nm。所述的掺铝的二氧化硅的用量较佳的为质量百分比1～20％，，更佳的为质量百分比3～15％，最佳为质量百分比3～10％。
其中，所述的有机酸优选草酸、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、2-羟基膦酰基乙酸、氨基三亚甲基膦酸和酒石酸中的一种或多种；所述的氟化物优选氟化氢、氟化铵、氟硅酸铵和氟硼酸铵中的一种或多种；所述的季铵盐优选四丁基氢氧化铵、四丁基氟化铵、四甲基氢氧化铵和四丁基氟硼酸铵中的一种或多种。所述的速率促进剂最佳的为四丁基氢氧化铵和/或四丁基氟化铵。所述的速率促进剂的用量较佳的为质量百分比0.05～1％，更佳的为质量百分比0.1～0.6％。
本发明的抛光液的pH值较佳的为2～9，更佳的为2～5。
本发明的抛光液还可含有本领域常规添加剂，如氧化剂、络合剂、表面活性剂和pH调节剂。
本发明的抛光液由上述成分简单均匀混合，之后采用pH调节剂调节至合适pH值即可制得。pH调节剂可选用本领域常规pH调节剂，如氢氧化钾、氨水和硝酸等。本发明中，所用试剂及原料均市售可得。本发明所用试剂及原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：本发明的抛光液具有较高的介电质(如TEOS)的抛光速率，且可以使Cu的抛光速率随氧化剂浓度的增加而增加的可调程度较高，具有较好的缺陷矫正作用，适用于控制和调节半导体器件中不同线宽处磨蚀程度。
附图说明
图1为效果实施例1中对比抛光液1和2以及本发明的抛光液1～4对Teos的去除速率对比图。
图2为效果实施例1中对比抛光液1和2以及本发明的抛光液1～4添加不同含量的H2O2对Cu的去除速率的对比图。
图3为效果实施例2中本发明的抛光液5～7对Teos和Cu的去除速率对比图。
图4为效果实施例2中本发明的抛光液5～7对不同线宽的铜线的磨蚀深度对比图。
图5为效果实施例3中本发明的抛光液8～12对Cu的去除速率对比图。
图6为效果实施例3中本发明的抛光液8～12对Teos的去除速率对比图。
图7为效果实施例3中本发明的抛光液10～12对不同线宽的铜线的磨蚀深度对比图。
图8为效果实施例4中本发明的抛光液13～16添加不同含量的H2O2在不同的pH值下对Cu的去除速率对比图。
图9为效果实施例4中本发明的抛光液13～16在不同的pH值下对Teos的去除速率对比图。
图10为效果实施例4中本发明的抛光液13～16在不同的pH值下对不同线宽的铜线的磨蚀深度对比图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下述百分比均为质量百分比。
以下实施例将各成分简单均匀混合，水为余量，之后采用氢氧化钾和硝酸调节至合适pH值即可制得。
实施例1
掺铝二氧化硅(70nm)1％，四甲基氢氧化铵0.6％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，草酸0.3％，pH＝3.0
实施例2
掺铝二氧化硅(80nm)20％，2-羟基膦酰基乙酸0.05％，苯并三唑0.09％，5-氨基四氮唑0.01％，氨基三亚甲基膦酸0.05％，pH＝4.0
实施例3
掺铝二氧化硅(30nm)8％，酒石酸1％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，pH＝2.0
实施例4
掺铝二氧化硅(60nm)6％，氟化铵0.05％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，pH＝5.0
实施例5
掺铝二氧化硅(60nm)5％，氟硅酸铵0.1％，四丁基氟硼酸0.1％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，pH＝5.0
实施例6
掺铝二氧化硅(70nm)4％，氟硼酸铵0.5％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，pH＝5.0
效果实施例1
对比抛光液1：掺铝二氧化硅(70nm)10％，苯并三唑0.2％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
对比抛光液2：掺铝二氧化硅(70nm)10％，四丁基氢氧化铵(TBAH)0.3％，苯并三唑0.2％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光液1：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAH 0.3％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光液2：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAH 0.3％，苯并三唑0.1％，5-甲基四氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光液3：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAH 0.3％，苯并三唑0.1％，3-氨基-1，2，4-三氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光液4：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAH 0.3％，苯并三唑0.1％，1，2，4-三氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光条件：下压力2.0psi，抛光垫Politex，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
由图1和2可见，与对比抛光液1相比，对比抛光液2加入了TBAH，则TEOS抛光速率增加，Cu抛光速率降低，但是Cu的抛光速率随氧化剂浓度的增加而增高的幅度较小。而本发明的抛光液1～4采用了速率促进剂和混合缓蚀剂体系，其TEOS的抛光速率仍然较高，Cu抛光速率降低，同时Cu的抛光速率随氧化剂浓度的增加而增高的幅度也较高，保证了Cu抛光速率的可调性。效果实施例2含有不同比率混合缓蚀剂的抛光液的去除速率
抛光液5：掺铝二氧化硅(70nm)3％，HF 0.027％，TBAH 0.15％，苯并三唑0.15％，5-氨基四氮唑0.05％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.15％，pH＝3.0，H2O2 0.3％
抛光液6：掺铝二氧化硅(70nm)3％，HF 0.027％，TBAH 0.15％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.15％，pH＝3.0，H2O2 0.3％
抛光液7：掺铝二氧化硅(70nm)3％，HF 0.027％，TBAH 0.15％，苯并三唑0.05％，5-氨基四氮唑0.15％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.15％，pH＝3.0，H2O2 0.3％
抛光条件：下压力2.0psi，抛光垫Politex，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
由图3和4可见，改变混合缓蚀剂内的比率，TEOS的抛光速率基本不变。但是在相同H2O2浓度下，随着苯并三唑比率的增加，Cu抛光速率减小，缺陷深度减小，不同线宽处的磨蚀深度相差较小，因此混合缓蚀剂内苯并三唑比率较高时对抛光液的抛光性能有利。
效果实施例3.含有不同用量混合缓蚀剂的抛光液抛光性能
抛光液8：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAH 0.3％，苯并三唑0.02％，5-氨基四氮唑0.02％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光液9：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAH 0.15％，苯并三唑0.05％，5-氨基四氮唑0.05％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光液10：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAH 0.15％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光液11：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAH 0.15％，苯并三唑0.15％，5-氨基四氮唑0.15％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光液12：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAH 0.15％，苯并三唑0.3％，5-氨基四氮唑0.3％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光条件：下压力2.0psi，抛光垫Politex，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
由图5和6中可见，混合缓蚀剂浓度在0.04％～0.6％之间为好，TEOS抛光速率相差不大。加入H2O2可调节Cu的抛光速率。由图7可知，在上述范围内，混合缓蚀剂用量较多时较为有利，因为缺陷较小，不同线宽处的磨蚀程度相差较小。
效果实施施4 不同pH的抛光液的抛光性能
抛光液13：掺铝二氧化硅(70nm)10％，四丁基氟化铵(TBAF)0.3％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝2.0
抛光液14：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAF0.3％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝3.0
抛光液15：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAF0.3％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝5.0
抛光液16：掺铝二氧化硅(70nm)10％，TBAF0.3％，苯并三唑0.1％，5-氨基四氮唑0.1％，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸0.3％，pH＝9.0
抛光条件：下压力2.0psi，抛光垫Politex，抛光盘转速70rpm，抛光液流速100ml/min，抛光机台Logitec PM5。
由图8和图9可见，含有混合缓蚀剂体系的抛光液pH值较佳的为2～9，更佳的为2～5。由图10可见，抛光液的pH较低时，对不同线宽的磨蚀较小。

Claims (10)

1.一种化学机械抛光液，其特征在于：其含有掺铝二氧化硅、混合缓蚀剂、水和下述速率促进剂中的一种或多种：有机酸、氟化物、氨水以及季铵盐及其衍生物。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的混合缓蚀剂为苯并三唑、5-氨基四氮唑、5-甲基四氮唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑和1，2，4-三氮唑中的两种或两种以上的组合。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的混合缓蚀剂为苯并三唑与下列中的一种或多种的组合：5-氨基四氮唑、5-甲基四氮唑、巯基苯并噻唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑和1，2，4-三氮唑。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的苯并三唑占混合缓蚀剂总质量的25％～90％。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的混合缓蚀剂的用量为质量百分比0.04～0.6％。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的掺铝的二氧化硅的用量为质量百分比1～20％。
7.如权利要求6所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的掺铝的二氧化硅的用量为质量百分比3～10％。
8.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的有机酸选自草酸、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、2-羟基膦酰基乙酸、氨基三亚甲基膦酸和酒石酸中的一种或多种；所述的氟化物选自氟化氢、氟化铵、氟硅酸铵和氟硼酸铵中的一种或多种；所述的季铵盐选自四丁基氢氧化铵、四丁基氟化铵、四甲基氢氧化铵和四丁基氟硼酸铵中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的速率促进剂的用量为质量百分比0.05～1％。
10.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的抛光液的pH值为2～9。
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