CN109972145A - 一种化学机械抛光液 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种化学机械抛光液，该抛光液包括二氧化硅研磨颗粒，腐蚀抑制剂，络合剂，氧化剂和烃基磺酸盐类阴离子表面活性剂。该抛光液可应用于金属铜互连的抛光，能够显著提高铜去除速率，并同时降低钽的去除速率。此外，还可以改善抛光后铜线的碟形凹陷，同时抛光后无铜残留和腐蚀等缺陷。

Description

一种化学机械抛光液
技术领域
本发明涉及化学机械抛光液领域，尤其涉及一种金属化学机械抛光液。
背景技术
随着半导体技术的发展，电子部件的微小化，一个集成电路中包含了数以百万计的晶体管。基于传统的铝或是铝合金互连线整合了大量能迅速开关的晶体管，降低了信号传递速度，并且在电流传递过程中消耗了大量能源，因此，在一定程度上阻碍了半导体技术的发展。
为此，人们开始寻找具有更高电学性质的材料来取代铝。众所周知，铜的电阻小，拥有良好的导电性，能够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，从而减小电路对于电迁移的敏感性。因此，上述电学优点使得铜在半导体技术发展中具有良好的发展前景。
但，在铜的集成电路制造过程中，人们发现铜会迁移或扩散进入到集成电路的晶体管区域，从而对于半导体中的晶体管性能产生不利影响，因而铜的互连线只能通过镶嵌工艺制造，即：在第一层里形成沟槽，在沟槽内填充铜阻挡层和铜，以形成金属导线并覆盖在介电层上。其后，通过化学机械抛光将介电层上多余的铜/铜阻挡层除去，最终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步采用较高的下压力，以快且高效的去除速率去除衬底表面上大量的铜并留下一定厚度的铜，第2步用较低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，从而实现平坦化。
然而，在铜抛光前，金属层在铜线上方有部分凹陷。抛光时，介质材料上的铜在主体压力下(较高)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，从而达到平坦化。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。因此，对于铜的化学机械抛光而言，一方面需要尽快去除阻挡层上多余的铜，另一方面需要尽量减小抛光后铜线的碟形凹陷。
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。
随着半导体制造工艺的发展，为了使铜在半导体技术中更好的应用，亟需一种金属化学机械抛光液，能够提供铜的去除速率，以及铜与钽阻挡层的抛光选择比，改善抛光后铜线的碟形，且抛光后无铜残留和腐蚀等缺陷。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种可应用于铜互连的化学机械抛光液，通过在抛光液中添加二氧化硅研磨颗粒，腐蚀抑制剂，络合剂，氧化剂，聚丙烯酸类阴离子表面活性剂和/或烃基磺酸盐的组合，提高了铜与钽阻挡层的抛光选择比，改善抛光后铜线的碟形凹陷和介质层侵蚀，且抛光后无铜残留和腐蚀等缺陷。
本发明提供了一种化学机械抛光液，所述化学机械抛光液包含二氧化硅研磨颗粒，腐蚀抑制剂，络合剂，氧化剂，聚丙烯酸类阴离子表面活性剂和/或烃基磺酸盐。
优选地，所述研磨颗粒的平均粒径为60‐140nm，更优选地为80‐120nm。
优选地，所述研磨颗粒的粒径分布指数(PdI)为0.1‐0.6。
优选地，所述研磨颗粒的浓度为0.05‐2wt％，更优选地为0.1‐1wt％。
优选地，所述络合剂为氨羧化合物及其盐。
优选地，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、环己烷四乙酸、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。
优选地，所述络合剂含量为质量百分比0.1‐5wt％，更优选地，所述络合剂含量为质量百分比0.5‐3wt％。
优选地，所述烃基磺酸盐为C<10的烃基磺酸盐；其中，所述烃基磺酸盐为钾盐或者钠盐。
优选地，所述烃基磺酸盐包括甲基磺酸盐、乙烯基磺酸盐、烯丙基磺酸盐、对‐甲基苯磺酸盐、对‐乙基苯磺酸盐、对丙基苯磺酸盐中的一种或多种。
优选地，所述烃基磺酸盐类表面活性剂的浓度为0.001‐0.5wt％，更优选的，所述烃基磺酸盐类表面活性剂的浓度为0.005‐0.1wt％
优选地，所述腐蚀抑制剂为氮唑类化合物。
优选地，所述腐蚀抑制剂选自苯并三氮唑、1，2，4‐三氮唑、3‐氨基‐1，2，4‐三氮唑、4‐氨基‐1，2，4‐三氮唑、3，5‐二氨基‐1，2，4‐三氮唑、5‐羧基‐3‐氨基‐1，2，4‐三氮唑、3‐氨基‐5‐巯基‐1，2，4‐三氮唑、5‐乙酸‐1H‐四氮唑、5‐甲基四氮唑、甲基苯骈三氮唑和5‐氨基‐1H‐四氮唑中的一种或多种。
优选地，所述腐蚀抑制剂浓度为0.001‐2wt％，更优选地，所述腐蚀抑制剂浓度为0.005‐1wt％。
优选地，所述的氧化剂为过氧化氢。
优选地，所述氧化剂的浓度为0.05‐5wt％，更优选地为0.1‐3wt％。
优选地，所述化学机械抛光液的pH值为5‐9。
本发明进一步提供了一种如上所述的化学机械抛光液在金属铜互连中的应用。
本发明的抛光液中还可以包括其他常用添加剂如pH调节剂，粘度调节剂，消泡剂等来达到抛光效果。
本发明的抛光液可以浓缩配置，在使用时用去离子水进行稀释并添加氧化剂至本发明的浓度范围使用。
与现有技术相比较，本发明的技术优势在于：
1.提高铜去除速率的同时降低钽的去除速率；
2.可以改善抛光后铜线的碟形凹陷和介质层侵蚀；
附图说明
图1为经对比例3抛光液抛光后的铜图形芯片中铜线的蝶形凹陷和介质层侵蚀示意图；
图2为经实施例37抛光液抛光后的铜图形芯片中铜线的蝶形凹陷和介质层侵蚀示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步阐述本发明的优点，但本发明的保护范围不仅仅局限于下述实施例。
表1为本发明的化学机械抛光液的实施例1‐36中各组分含量。本发明的抛光液制备方法如下：根据下表中的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。
表1为抛光液实施例1‐36的配方
表2给出了本发明的化学机械抛光液的实施例37‐50及对比实施例1‐7，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。
表2为抛光液对比实施例1‐7和实施例37‐50的配方
如表1，表2所示，本发明提供的化学机械抛光液通过选取不同粒径尺寸和粒径分布系数(PdI)的SiO2研磨颗粒作为化学机械抛光液的研磨成分，制备了不同的化学机械抛光液实施例1‐50。进一步，分别采用本发明实施例37‐50与对比抛光液1‐7对铜进行抛光，所得抛光效果数据具体如表3所示。
具体抛光条件：下压力1.5psi，2.0psi；抛光盘及抛光头转速73/67rpm，抛光垫IC1010，抛光液流速350ml/min，抛光机台为12”ReflexionLK，抛光时间为1min。
表3对比实施例1‐6和实施例37‐50的抛光效果
结合表2、表3所示，本发明提供的抛光液实施例37‐50，无论在2.0psi或1.5psi的抛光压力下，在加入烃基磺酸盐后，均具有较高的Cu的去除速率，同时具有较低的Ta的抛光速度，从而能够显著提高Cu/Ta的抛光选择比，最高可达2343。同时，能进一步控制晶圆的碟形凹陷值和介质层侵蚀值。尤其，在实施例43、44中，本发明提供的抛光液能够显著降低碟形凹陷和介质层的侵蚀的情况。
结合表2、表3所示，在实施例37‐41中加入不同粒径大小和粒度分布系数的SiO2磨料后，抛光液对Cu的去除速率有显著的差别，结合对比例3、4可以看出，当SiO2磨料的粒径较小且粒度分布较宽或者当SiO2磨料的粒径较大且粒度分布较窄时，都会造成抛光液的Cu去除速率很低。而当SiO2磨料的粒径大小和粒度分布强度(PdI)在一定分布范围内时，抛光液对Cu的去除速率显著增加，同时对Ta的去除速率具有明显的抑制作用，从而抛光液具有较高的Cu/Ta抛光选择比。此外，相比于对比例3、4，实施例42获得较高Cu/Ta抛光选择比的同时，进一步改善了铜线的碟形凹陷和侵蚀程度。
进一步参阅图1及图2，其分别为使用对比例3及实施例37抛光后的铜图形芯片中铜线宽为5微米，介电材料宽为1微米的密线阵列区表面形貌图。从图中可以看出，使用对比例3作为抛光液，抛光后的铜线存在125.7纳米的碟型凹陷和43.9纳米的介质层侵蚀；而使用本实施例37作为抛光液，抛光后的铜线碟型凹陷减低至61.1纳米，介质层侵蚀降至9.2纳米，本发明的抛光液对抛光后的表面形貌特别是介质层的侵蚀的减低效果非常显著。
同时，结合实施例39与对比例7的组分比较可发现，带有苯环的唑类腐蚀抑制剂苯并三氮唑和磺酸盐类阴离子表面活性剂的组合，虽然能降低钽的去除速率，但大大抑制了铜的去除速率，无法有效地去除铜。与本发明实施例39相比，对比例5和6加入采用了不含苯环的唑类腐蚀抑制剂和磺酸盐类阴离子表面活性剂的组合，但对比例5的pH值过低，铜和钽的去除速率也较高，导致碟型凹陷和介质层侵蚀均较大。而对比例6的pH值过高，导致铜的去除速率大大降低，无法有效去除铜。
将用对比抛光液5与实施例38，39抛光后的空白铜晶片清洗后用缺陷扫描仪SP2进行缺陷扫描，结果发现用较高PdI的研磨颗粒制备的对比抛光液5和实施例38抛光后的铜晶片的表面缺陷数比实施例39的高。因此，研磨颗粒的PdI控制在一定范围内才能满足去除速率和缺陷的要求。
综上所述，本发明通过使用PdI在一定范围内的研磨颗粒，既保证了高的铜去除速率，又降低了表面缺陷。和通过在抛光液中添加不含苯环的氮唑类腐蚀抑制剂和磺酸盐类阴离子表面活性剂的组合，维持了铜的高去除速率，降低了钽阻挡层的去除速率，实现了提高抛光液对铜与钽阻挡层的抛光选择比的功效；本发明用于晶片的抛光可改善抛光后铜线的碟型凹陷(Dishing)和介质层侵蚀(Erosion)，且抛光后无铜残留物以及无腐蚀等缺陷。
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。

Claims (23)

1.一种化学机械抛光液，其特征在于，所述化学机械抛光液包含二氧化硅研磨颗粒，腐蚀抑制剂，络合剂，氧化剂，以及烃基磺酸盐类阴离子表面活性剂。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒的平均粒径为60‐140nm。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒的平均粒径为80‐120nm。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒的粒径分布指数(PdI)为0.1‐0.6。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒的浓度为0.05‐2wt％。
6.如权利要求5所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒的浓度为0.1‐1wt％。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述络合剂为氨羧化合物及其盐。
8.如权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，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、环己烷四乙酸、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。
9.根据权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述络合剂含量为质量百分比0.1‐5wt％。
10.根据权利要求7所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述络合剂含量为质量百分比0.5‐3wt％。
11.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述烃基磺酸盐为C<10的烃基磺酸盐；其中，所述烃基磺酸盐为钾盐或者钠盐。
12.如权利要求11所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述烃基磺酸盐类表面活性剂的浓度为0.001‐0.5wt％。
13.如权利要求12所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述烃基磺酸盐类表面活性剂的浓度为0.005‐0.1wt％。
14.如权利要求13所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述烃基磺酸盐包括甲基磺酸盐、乙烯基磺酸盐、烯丙基磺酸盐、对‐甲基苯磺酸盐、对‐乙基苯磺酸盐、对丙基苯磺酸盐中的一种或多种。
15.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述腐蚀抑制剂为氮唑类化合物。
16.如权利要求15所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述腐蚀抑制剂选自1，2，4‐三氮唑、3‐氨基‐1，2，4‐三氮唑、4‐氨基‐1，2，4‐三氮唑、3，5‐二氨基‐1，2，4‐三氮唑、5‐羧基‐3‐氨基‐1，2，4‐三氮唑、3‐氨基‐5‐巯基‐1，2，4‐三氮唑、5‐乙酸‐1H‐四氮唑、5‐甲基四氮唑和5‐氨基‐1H‐四氮唑中的一种或多种。
17.如权利要求16所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述腐蚀抑制剂浓度为0.001‐2wt％。
18.如权利要求16所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述腐蚀抑制剂浓度为0.005‐1wt％。
19.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述的氧化剂为过氧化氢。
20.如权利要求19所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述氧化剂的浓度为0.05‐5wt％。
21.如权利要求20所述的化学机械抛光液，其特征在于，所述氧化剂的浓度为0.1‐3wt％。
22.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5‐9。
23.一种如权利要求1‐22任一项所述的化学机械抛光液在金属铜互连中的应用。
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