TWI812595B - 用於阻擋層平坦化之化學機械研磨液 - Google Patents
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Abstract
本發明有關於一種用於阻擋層平坦化的化學機械研磨液，其包含有研磨顆粒、唑類化合物、錯合劑、非離子表面活性劑和氧化劑。該非離子表面活性劑為嵌段聚醚類化合物。在較溫和的條件下，該化學機械研磨液對阻擋層材料與介電層材料具有高移除率，對低介電材料與銅則具有可變的移除率。該化學機械研磨液在研磨過程中對碟型凹陷、介電層與金屬侵蝕的產生具有很好的控制，且在研磨時可減少晶圓表面污染。研磨後的晶圓具備優異的形貌特徵，是以本發明的化學機械研磨液具有優異的市場應用前景。
Description
本發明有關於半導體製造領域，尤指一種可應用於阻擋層平坦化的化學機械研磨液。
目前，在積體電路製造中，隨著內連線技術的標準的不斷提高、內連線層數不斷增加、製程特徵尺寸不斷縮小，對矽晶圓表面平整度的要求也越來越高。如果不能實現平坦化，在半導體晶圓上創建複雜和密集的結構就會是非常有限的。 目前，化學機械研磨方法(chemical mechanical polishing，CMP)是可實現整個矽晶圓平坦化的最有效的方法。CMP製程就是使用一種含研磨料的混合物和研磨墊研磨積體電路表面。在典型的化學機械研磨方法中，將基底直接與旋轉研磨墊接觸，用一載重物在基底背面施加壓力。在研磨期間，墊片和操作臺旋轉，同時在基底背面保持向下的力，將研磨料和化學活性溶液(通常稱為研磨液或研磨漿料)塗於墊片上，該研磨液與正在研磨的薄膜發生化學反應開始進行研磨過程。 隨著積體電路技術向超深亞微米(32、28奈米(nanometer，nm))方向發展，因特徵尺寸減小而導致的寄生電容愈加嚴重的影響著電路的性能，為減小這一影響，就必須採用低介電材料來降低相鄰金屬線之間的寄生電容，目前較多採用低介電材料為BD(Black Diamond)，在CMP過程中除了要嚴格控制表面污染物指標以及杜絕金屬腐蝕外，還要具有較低的碟型凹陷和研磨均一性才能保證更加可靠的電性表現，特別是阻擋層的平坦化過程中需要在更短的時間和更低的壓力下快速移除阻擋層金屬和封蓋氧化物，並能很好的停止在低介電材料表面，形成內連線，而且對小尺寸圖形不敏感。這就對CMP提出了更高的挑戰，因為通常低介電材料為摻雜碳的二氧化矽，要控制停止層的殘留厚度，就要有很強的選擇比的調控能力，還要有很高的穩定性和易清洗等特徵。 目前市場上已存在許多應用於阻擋層平坦化的化學機械研磨液，如，CN1400266公開一種鹼性阻擋層研磨液，該研磨液包含二氧化矽磨料、胺類化合物和非離子表面活性劑，其在研磨後，會對銅金屬層產生腐蝕；CN101372089A公開一種鹼性阻擋層研磨液，其含有二氧化矽磨料、腐蝕抑制劑、氧化劑、非離子氟表面活性劑、芳族磺酸氧化劑化合物，其對阻擋層研磨速率較低，研磨效率低；CN101012356A公開一種酸性阻擋層研磨液，其包含氧化劑、部分被鋁覆蓋的二氧化矽顆粒、抑制劑和錯合劑，其對銅金屬層存在嚴重的腐蝕，CN101747843A公開了一種銅化學機械研磨液，其含有研磨顆粒、錯合劑、氧化劑、嵌段聚醚類表面活性劑和水，其中嵌段聚醚的作用是抑制銅的去除速率，未涉及低介電材料的研磨效果。 因此，針對現有技術中存在的問題，尋求一種能夠適合於低介電材料-銅內連線製程中的阻擋層研磨，並可在較溫和的條件下實現高的阻擋層去除速率和低介電材料介面的製程停止特性，同時能很好的控制碟型凹陷、金屬腐蝕和表面污染物的化學機械研磨液是本行業亟待解決的問題。
為解決上述問題，本發明提供一種阻擋層化學機械研磨液，其在較溫和的條件下，對阻擋層材料與介電層材料具有高移除率，對低介電材料與銅則具有可變的移除率；在研磨過程中對碟型凹陷、介電層與金屬侵蝕的產生具有很好的控制，且在研磨時可減少晶圓表面污染。 具體地，本發明提供了一種用於阻擋層平坦化的化學機械研磨液，其包含研磨顆粒、唑類化合物、錯合劑、非離子表面活性劑和氧化劑，其中，該非離子表面活性劑為嵌段聚醚類化合物。 其中，該研磨顆粒為二氧化矽顆粒；研磨顆粒的重量百分比濃度較佳為2~20%，更佳為5~15%；該的研磨顆粒的粒徑較佳為10~250nm，更佳為50~200nm。 其中，該唑類化合物，較佳選自下列中的一種或多種：苯並三氮唑、甲基苯並三氮唑、5-苯基四氮唑、5-氨基-四氮唑、巰基苯基四氮唑、苯並咪唑，萘並***和2-巰基-苯並噻唑。該唑類化合物的重量百分比濃度較佳為0.001~1%，更佳為0.01~0.5%。 其中，該錯合劑係選自有機羧酸、有機膦酸、氨基酸和有機胺中的一種或多種，較佳的選自下列中的一種或多種：乙酸、丙酸、草酸、丙二酸、丁二酸、檸檬酸、乙二胺四乙酸、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羥基乙叉二膦酸、乙二胺四甲叉膦酸、甘氨酸和乙二胺，該錯合劑的重量百分比濃度較佳為0.001~2%，更佳為0.01~1%。 其中，該嵌段聚醚類化合物為聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚醚。該嵌段聚醚類化合物具有以下化學式：(CH2
CH2
O)x-(CH(CH3
)CH2
O)y-(CH2
CH2
O)z-OH，也可表示為(EO)x-(PO)y-(EO)z其中，10≤x,y,z≤150。該嵌段聚醚類表面活性劑的重量百分比濃度較佳為0.001~1.0%，更佳為0.01~0.5%。 其中，氧化劑係選自下列中的一種或多種：過氧化氫、過氧乙酸、過硫酸鉀和過硫酸銨，較佳為過氧化氫。該氧化劑的重量百分比濃度較佳為0.01~5%，更佳為0.1~2%。 其中，該化學機械研磨液的pH值為8.0~12.0，更佳為9.0~11.0。 另外，本發明的化學機械研磨液還可以包含pH調節劑和殺菌劑等其他本領域添加劑。 且，本發明的化學機械研磨液可以濃縮製備，使用時用去離子水稀釋並添加氧化劑至本發明的濃度範圍使用。 與現有技術相比較，本發明的技術優勢在於：其在較溫和的條件下，對阻擋層材料與介電層材料具有高移除率，對低介電材料與銅則具有可變的移除率；在研磨過程中對碟型凹陷、介電層與金屬侵蝕的產生具有很好的控制，且在研磨時可減少晶圓表面污染。且可濃縮製備，方便儲存以及運輸和使用。
以下係藉由實施例的方式進一步說明本發明，但並不以此將本發明限制在該的實施例範圍之中。 表1係提供對照組研磨液1~2和本發明的研磨液1~13，按表中所給的配方，係將除了氧化劑以外的其他組分混合均勻，用氫氧化鉀(KOH)或硝酸(HNO3
)調節到所需要的pH值。使用前加氧化劑，混合均勻即可。水為餘量。 表1 對照組研磨液1~2和本發明研磨液1~13
效果實施例1 採用對照組研磨液1~2和本發明研磨液1~9按照下述條件對銅(Cu)、阻擋層材料鉭(Ta)、介電材料二氧化矽(TEOS)和低介電材料(BD)進行研磨。研磨條件：研磨機台為12” Reflexion LK 機台，研磨墊為Fujibo pad，下壓力為1.5psi，轉速為研磨盤/研磨頭=113/107rpm，研磨液流速為300ml/min，研磨時間為1分鐘(min)。 表2 對照組研磨液1~2和本發明研磨液1~9對銅(Cu)、鉭(Ta)、 二氧化矽(TEOS)和低介電材料(BD)的移除率
由表2可見，與對照組研磨液1與2相比，本發明的研磨液可以獲得較高的阻擋層材料Ta和介電材料二氧化矽(TEOS)的移除率，可以縮短研磨時間，提高產能，同時通過添加不同量的嵌段聚醚類化合物表面活性劑，將低介電材料BD的移除率控制在比TEOS低，有利於控制圖案化晶圓的研磨過程和研磨後的BD剩餘厚度，並保證晶圓的表面均一性。 效果實施例2 採用對照組研磨液2和本發明的研磨液1~3按照下述條件對包含有圖案的銅晶圓進行研磨。該圖案化晶圓為市售的12英寸Sematech754圖案化晶圓，膜層材料從上至下為銅/鉭/氮化鉭/TEOS/BD，研磨過程分三步，第一步用市售的銅研磨液去除大部分的銅，第二步用市售的銅研磨液去除殘留的銅，第三步用本發明的阻擋層研磨液將阻擋層(鉭/氮化鉭)、二氧化矽TEOS、和部分低介電材料BD去除並停在BD層上。阻擋層研磨液研磨條件：研磨機台為12”Reflexion LK機台，研磨墊為Fujibo pad，下壓力為1.5psi，轉速為研磨盤/研磨頭=113/107rpm，研磨液流速為300ml/min，研磨時間為70秒(s)。 表3 對照組研磨液2和本發明研磨液1~3對帶有圖案的銅晶圓研磨後的矯正能力對比
其中，上文中所述之碟形凹陷(Dishing)，是指阻擋層研磨前在金屬墊上的碟型凹陷，侵蝕(Erosion)是指阻擋層線上寬為0.18微米(micrometer，μm)，密度為50%的密線區域(50%銅/50%介電層)上的介質層侵蝕，∆(埃)是指研磨後的矯正能力值。 由表3可以看出，與對照組研磨液2相比，本發明的研磨液由於抑制了低介電材料BD的移除率，能很好地停止在BD上，有效的控制了圖案化晶圓的研磨過程和保證了研磨後的BD剩餘厚度，能較好的修正前程(銅研磨後)在晶圓上產生的碟型凹陷和侵蝕，獲得了較好的晶圓形貌。 效果實施例3 採用對照組研磨液1和研磨液1按照下述條件對帶有圖案的銅晶圓進行研磨。該圖案化晶圓為市售的12英寸Sematech754圖案化晶圓，膜層材料從上至下為銅/鉭/氮化鉭/TEOS/BD，研磨過程分三步，第一步用市售的銅研磨液去除大部分的銅，第二步用市售的銅研磨液去除殘留的銅，第三步用本發明的阻擋層研磨液將阻擋層(鉭/氮化鉭)、二氧化矽TEOS、和部分低介電材料BD去除並停在BD層上。 圖1和圖2分別為採用對照組研磨液1和本發明研磨液1研磨後，Sematech 754圖案化測試晶圓的表面形貌的掃描式電子顯微鏡照片。對照組可以看出，本發明的研磨液有效的抑制了金屬腐蝕，特別是對銅線區域有很好的保護，圖案化測試晶圓經過本發明的研磨液研磨後，表面仍然清晰銳利，未發現金屬腐蝕現象，且無污染顆粒殘留。 應當注意的是，本發明的實施例有較佳的實施性，且並非對本發明作任何形式的限制，任何熟悉該領域的技術人員可能利用上述揭示的技術內容變更或修飾為等同的有效實施例，但凡未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何修改或等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。 上述內容概述了若干實施例之特徵以使得熟習此項技術者可更好理解本揭示之各態樣。熟習此項技術者應瞭解，其可易於將本揭示用作設計或修改用於進行與本文中介紹之實施例相同的目的及/或實現與其相同的優勢之其他程序及結構之基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效結構並不脫離本揭示之精神及範疇，並且在不脫離本揭示之精神及範疇的情況下可在此處進行各種改變、替代及更改。
圖1和圖2分別為採用對照組研磨液1和本發明研磨液1研磨後，Sematech 754圖案化測試晶圓的表面形貌的掃描式電子顯微鏡照片。
Claims (13)
- 一種化學機械研磨液在阻擋層平坦化中對低介電材料與銅具有可變的移除率的應用，其中該化學機械研磨液由研磨顆粒、唑類化合物、錯合劑、非離子表面活性劑、氧化劑和水组成，其中，該非離子表面活性劑為聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段聚醚，該嵌段聚醚類化合物包含有以下化學式：(CH2CH2O)x-(CH(CH3)CH2O)y-(CH2CH2O)z-OH，其中，10x,y,z
150，該嵌段聚醚類化合物的重量百分比濃度為0.001~1.0%；該研磨顆粒的重量百分比濃度為8~20%，該研磨顆粒為二氧化矽顆粒，該研磨顆粒的粒徑為50~200nm，該化學機械研磨液的pH值為8.0~12.0。
- 如請求項1所述之化學機械研磨液，其中該唑類化合物選自苯並三氮唑、甲基苯並三氮唑、5-苯基四氮唑、5-氨基-四氮唑、巰基苯基四氮唑、苯並咪唑，萘並***和2-巰基-苯並噻唑中的一種或多種。
- 如請求項1或2所述之應用，其中該唑類化合物的重量百分比濃度為0.001~1%。
- 如請求項3所述之應用，其中該唑類化合物的重量百分比濃度為0.01~0.5%。
- 如請求項1所述之應用，其中該錯合劑選自有機羧酸、有機膦酸、氨基 酸和有機胺中的一種或多種。
- 如請求項5所述之應用，其中該錯合劑選自乙酸、丙酸、草酸、丙二酸、丁二酸、檸檬酸、乙二胺四乙酸、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羥基乙叉二膦酸、乙二胺四甲叉膦酸，甘氨酸和乙二胺中的一種或多種。
- 如請求項1或5或6所述之應用，其中該錯合劑的重量百分比的濃度為0.001~2%。
- 如請求項7所述之應用，其中該錯合劑的重量百分比的濃度為0.01~1%。
- 如請求項1所述之應用，其中該嵌段聚醚類化合物的重量百分比濃度為0.01~0.5%。
- 如請求項1所述之應用，其中該氧化劑選自過氧化氫、過氧乙酸，過硫酸鉀和過硫酸銨中的一種或多種。
- 如請求項1所述之應用，其中該氧化劑的重量百分比濃度為0.01~5%。
- 如請求項11所述之應用，其中該氧化劑的重量百分比濃度為0.1~2%。
- 如請求項1所述之應用，其中該化學機械研磨液的pH值為9.0~11.0。
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