CN102816529A - 一种利于抛光后清洗的钨化学机械抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利于抛光后清洗的钨化学机械抛光液，其含有研磨剂、银离子、硫酸根离子、氧化剂和季铵盐阳离子表面活性剂。该抛光液具有非常高的钨抛光速度，同时提高了化学机械抛光后硅片表面的清洗效果，降低了抛光液对钨的静态腐蚀，可以显著降低芯片表面缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学机械抛光液，尤其涉及一种具有利于抛光后清洗的、并具有提高抛光钨速率的化学机械抛光液。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，以及大规模集成电路互连层的不断增加，导电层和绝缘介质层的平坦化技术变得尤为关键。二十世纪80年代，由IBM公司首创的化学机械抛光(CMP)技术被认为是目前全局平坦化的最有效的方法。
化学机械抛光(CMP)由化学作用、机械作用以及这两种作用结合而成。它通常由一个带有抛光垫的研磨台，及一个用于承载芯片的研磨头组成。其中研磨头固定住芯片，然后将芯片的正面压在抛光垫上。当进行化学机械抛光时，研磨头在抛光垫上线性移动或是沿着与研磨台一样的运动方向旋转。与此同时，含有研磨剂的浆液被滴到抛光垫上，并因离心作用平铺在抛光垫上。芯片表面在机械和化学的双重作用下实现全局平坦化。
对金属层化学机械抛光(CMP)的主要机制被认为是：氧化剂先将金属表面氧化成膜，以二氧化硅和氧化铝为代表的研磨剂将该层氧化膜机械去除，产生新的金属表面继续被氧化，这两种作用协同进行。
集成电路内部结构的金属互联是通过多层互联来实现的。每层金属层之间会有绝缘层，通常是二氧化硅。不同层之间的金属的连结通过via(通路)来实现，这些via(通路)通常是钨(tungsten via)。在钨于绝缘层之间，通常会有粘接层(adhesion layer)，常用的材料是TiN或者Ti。在实际加工过程中，用etch(蚀刻)的办法，在层间绝缘层(ILD)中形成via(通路)，抵达需要连结的导线或器件，然后在绝缘层(ILD)和via(通路)的表面形成很薄的粘接层(adhesion layer)，接着，via(通路)中填充钨(tungsten)，最后，上层多余的钨用化学机械抛光的方法除去。通过这种方法形成钨栓塞(tungstenplugs)。
对于钨的化学机械抛光(CMP)，有多种方法：
1991年，F.B.Kaufman等报道了铁氰化钾用于钨化学机械抛光的方法(″Chemical Mechanical Polishing for Fabricating Patterned W MetalFeatures as Chip Interconnects″，Journal of the Electro chemical Society，Vol.138，No.11，1991年11月)。
美国专利5340370公开了一种用于钨化学机械抛光(CMP)的配方，其中含有0.1M铁氰化钾，由于铁氰化钾在紫外光或日光照射下，以及在酸性介质中，会分解出剧毒的氢氰酸，因而限制了其广泛使用。
美国专利5527423，美国专利6008119，美国专利6284151等公开了将Fe(NO3)3，氧化铝体系用于钨机械抛光(CMP)的方法。该抛光体系在产品缺陷(defect)方面存在显著不足。同时高浓度的硝酸铁使得抛光液的pH值呈强酸性，严重腐蚀设备。除此之外，高浓度的铁离子作为可移动的金属离子，严重降低了半导体元器件的可靠性。
美国专利5958288公开了将硝酸铁用做催化剂，过氧化氢用做氧化剂，进行钨化学机械抛光的方法。由于铁离子的存在，和双氧水之间发生Fenton反应，双氧水会迅速、并且剧烈地分解失效，因此该抛光液存在稳定性差的问题。
美国专利5980775和美国专利6068787在美国专利5958288基础上，加入有机酸做稳定剂，改善了过氧化氢的分解速率，但是过氧化氢分解速率仍然较高，通常两周内双氧水浓度会降低10％以上，造成抛光速度下降，抛光液逐渐分解失效。
使用上述抛光液进行化学机械抛光后，硅片表面会有研磨剂颗粒(particle)的残留、有机物的残留、金属氧化物的残留(例如氧化钨)等等，这些残留需要通过进一步的清洗除去，这一清洗步骤叫作Post-CMPcleaning(化学机械抛光后清洗)。如果这一步骤清洗效果不好，硅片表面的颗粒残留会造成产品缺陷(defect)，造成废品，影响良率。
本发明的发明人采用了不同于以上各专利公开的、新的钨化学机械抛光体系：银离子、硫酸根在双氧水的作用下，能够对金属钨产生非常高的抛光速度，并且该抛光体系具有双氧水非常稳定的优势，双氧水的浓度几乎不会随时间的延长而发生变化(分解)，但是使用该抛光液，会和其他各种类型的抛光液一样，抛光副产物以及particle(研磨颗粒)的残留容易吸附在硅片表面，加重post-CMP cleaning(化学机械抛光后清洗)的负担。一种结果是造成芯片表面缺陷(defect)升高，另一种结果是使Post-CMP cleaning的设备部件提前失效，需要频繁更换，提高了生产的成本。
但是使用该抛光液，会和其他各种类型的抛光液一样，抛光副产物以及particle(研磨颗粒)的残留容易吸附在硅片表面，加重post-CMP cleaning(化学机械抛光后清洗)的负担。一种结果是造成芯片表面缺陷(defect)升高，另一种结果是使Post-CMP cleaning的设备部件提前失效，需要频繁更换，提高了生产的成本。因此，如何在高速抛光钨的同时，能够提高硅片表面的清洗能力，显著降低芯片表面缺陷仍是一项需要研究的课题。
发明内容
本发明在研磨剂、银离子、硫酸根离子和过氧化物的钨抛光体系中，进一步添加了季铵盐阳离子表面活性剂，能使该抛光液在保持非常高的钨抛光速度的同时，进一步提高了硅片表面的清洗能力，显著降低芯片表面缺陷。
具体地，本发明高速抛光钨的化学机械抛光液包括：研磨剂、在抛光液中解离出银离子的物质、在抛光液中解离出硫酸根离子的物质、氧化剂和季铵盐阳离子表面活性剂。
在本发明中，所述季铵盐阳离子表面活性剂优选为N原子上至少含有一个C8～C16烷基季铵盐，可以是季铵盐为季铵碱的硝酸盐或硫酸盐，如十二烷基三甲基硫酸铵、十二烷基三甲基硝酸铵、辛烷基三甲基硫酸铵和/或十六烷基三甲基硫酸铵；其在抛光液中含量优选为20～600ppm，更优选为200～400ppm。
在本发明中，所述研磨剂可以是硅溶胶、气相二氧化硅、氧化铝和氧化铈中的一种或任意多种的组合物，其在抛光液中质量百分比为0.1～10％。
在本发明中，所述在抛光液中解离出银离子的物质选自硫酸银、硝酸银、氟化银和/或高氯酸银的可溶性银盐，其在抛光液中含量优选为质量百分比为0.05～0.3％。
在本发明中，所述在抛光液中解离出硫酸根离子的物质可以是硫酸盐，如硫酸钾、硫酸钠；并优选为非金属硫酸盐，更优选为硫酸铵。
在本发明中，所述氧化剂可以是过硫酸盐、过氧化物等，优选为过氧化氢；其在抛光液中质量百分比优选为0.1～5％；进一步优选为1～2％。
根据需要，本发明抛光液还可以加入pH值调节剂，所述抛光液pH值优选为0.5～5。
本发明化学机械抛光液用于金属钨的抛光，具有较高的抛光速率，并且硅表面污染少，易于硅表面的清洗，降低了芯片表面缺陷。
附图说明
图1显示的是用对比例1抛光液进行钨的抛光后用去离子水冲洗硅片表面后的照片；
图2显示的是用实施例1抛光液进行钨的抛光后用去离子水冲洗硅片表面后的照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明抛光液进行详细的介绍和说明，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
表1给出了本发明实施例1～12以及对比抛光液主要组分及其质量百分含量，按表中所列组分及其含量，在去离子水中混合均匀，用pH调节剂(硝酸或氢氧化钾)调到所需pH值，即可制得化学机械抛光液。
表1，本发明实施例1～12抛光液与对比例抛光液组分及质量含量
其中，在实施例6中，硫酸银自身既含有银离子，也含有硫酸根离子，但是抛光液中银离子和硫酸根离子的摩尔比限制为1∶1。
将上述实施例和对比例抛光液对钨进行化学机械抛光，抛光条件：抛光机台为Logitech(英国)1PM52型，polytex抛光垫，4cm×4cm正方形晶圆(Wafer)，研磨压力4psi，抛光液滴加速度100ml/分钟。具体抛光结果见表2。
本发明实施例和对比例抛光液进行钨抛光，然后去离子水冲洗硅片表面，并进行对比，图1显示了对比例1抛光液进行钨的抛光，然后用去离子水冲洗硅片表面后的照片(光学显微镜，放大100倍，暗场)，硅片表面的白色亮点是难以冲洗掉的残留颗粒；图2显示了本发明实施例1抛光液进行钨的抛光，然后用去离子水冲洗硅片表面后的照片(光学显微镜，放大100倍，暗场)，硅片表面没有颗粒吸附；对比两张照片，可以明显发现，加入阳离子表面活性剂之后，对帮助硅片表面的清洗具有显著的技术效果。
表2，本发明实施例抛光液与对比例抛光液抛光效果对比
从表2的效果数据和图1、2的效果对比可以表明，相对于对比抛光液，本发明实施例1、2在加入季铵盐阳离子表面活性剂之后，对钨的抛光速度没有抑制作用，同时，季铵盐阳离子表面活性剂有效地降低了抛光液对钨的静态腐蚀速度，降低了钨的dishing(碟形缺陷)、recess(凹陷)、keyhole(锁孔)风险。
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。
Claims (18)
1.一种利于抛光后清洗的钨化学机械抛光液，其特征在于：所述抛光液包括研磨剂、在抛光液中解离出银离子的物质、在抛光液中解离出硫酸根离子的物质、氧化剂和季铵盐阳离子表面活性剂。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的季铵盐阳离子表面活性剂为N原子上至少含有一个C8～C16烷基季铵盐。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述季铵盐为季铵碱的硝酸盐或硫酸盐。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的季铵盐阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基硫酸铵、十二烷基三甲基硝酸铵、辛烷基三甲基硫酸铵和/或十六烷基三甲基硫酸铵。
5.如权利要求1～4任一项所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的季铵盐阳离子表面活性剂在抛光液中含量为20～600ppm。
6.根据如权利要求5所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的季铵盐阳离子表面活性剂在抛光液中含量为200～400ppm。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：研磨剂选自硅溶胶、气相二氧化硅、氧化铝和氧化铈中的一种或多种。
8.如权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述研磨剂质量百分比为0.1～10％。
9.如权利要求1或8所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述在抛光液中解离出银离子的物质为硫酸银、硝酸银、氟化银和/或高氯酸银的可溶性银盐。
10.如权利要求9所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述银盐质量百分比为0.05～0.3％。
11.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述在抛光液中解离出硫酸根离子的物质为硫酸盐。
12.如权利要求11所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述硫酸盐为非金属硫酸盐。
13.如权利要求12所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述硫酸盐为硫酸铵。
14.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述氧化剂为过氧化氢。
15.如权利要求14所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述氧化剂质量百分比为0.1～5％。
16.如权利要求15所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述氧化剂质量百分比为1～2％。
17.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：还包括pH值调节剂。
18.如权利要求17所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述抛光液pH值为0.5～5。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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