CN113004800B

CN113004800B - 一种化学机械抛光液

Info

Publication number: CN113004800B
Application number: CN201911327371.XA
Authority: CN
Inventors: 郁夏盈; 王晨; 何华锋; 李星; 史经深
Original assignee: Anji Microelectronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: Anji Microelectronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2024-04-12
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: TWI861305B; CN113004800A; TW202124621A; WO2021121045A1

Abstract

本发明提供一种化学机械抛光液，包括：研磨颗粒、催化剂、稳定剂、交联大分子表面缺陷抑制剂、氧化剂、水和pH调节剂。本申请的化学机械抛光液实现了同时抛光钨、氧化硅和氮化硅，保证高的钨的抛光速度的同时兼具中等的氧化硅速度和低的氮化硅速度，大大降低了抛光后氮化硅表面的表面缺陷，实现快速平坦化。

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

现代半导体技术向着微小化的方向迅速发展，半导体集成电路包含了硅基材和其上的数以百万计的元件，通过多层互连件形成互连结构。层和结构包括多种材料，如单晶硅、二氧化硅、钨、氮化硅和各种其它导电、半导电和电介质材料。这些材料的薄层结构可以通过多种沉积技术，如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等技术制造，之后多余的材料需要予以去除。随着多层材料的沉积和去除，晶片的最上表面变得不平坦。这些不平坦可能导致产品的各种缺陷，因此导电层和绝缘介质层的平坦化技术变得尤为重要。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、机械作用以及两种作用结合而成。通常，晶片被固定于研磨头上，并将其正面与CMP设备中的抛光垫接触。在一定压力下，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，在晶片和抛光垫之间以一定流量注入抛光组合物(“浆料”)，浆料因离心作用平铺在抛光垫上。于是，在化学和机械的双重作用下，晶片表面被抛光并实现全局平坦化。CMP可用于去除不需要的表面形貌和表面缺陷，如粗糙表面、吸附的杂质、晶格损伤、划痕等。

在半导体集成电路设计制造中，钨被用于形成互连件和接触插塞。化学机械抛光是抛光钨的优选方法。由于钨具有一定硬度，其抛光工艺与其他金属有一定差别。同时，在某些化学机械抛光实际应用中，会出现需要同时抛光钨、氧化硅、氮化硅的情况。由于需要控制几种不同介质的速率、凹陷、表面缺陷，这对抛光组合物的设计提出了挑战。美国专利US 9567491公开了一种可以同时抛光钨、氧化硅和氮化硅的抛光组合物，描述了在图形化晶片上减小钨凹陷的方法，但是没有提出解决氮化硅表面缺陷的措施，并且其钨移除速率相对于氧化硅移除速率偏慢。美国专利US 9771496公开了一种含有环多糖化合物的抛光组合物，可以同时抛光钨，氧化硅和氮化硅。这种组合可以大幅减小氧化硅的缺陷，但是对减小氮化硅表面缺陷没有帮助。中国专利CN 104284960公开了一种高选择性抛光氧化硅/氮化硅的抛光组合物，可以控制氮化硅的缺陷，但是该组合不能用于钨抛光。中国专利CN105229110公开了一种可以控制氮化硅表面缺陷的抛光组合物，但是该组合也不能用于钨的抛光。然而，如果抛光后氮化硅的表面缺陷得不到良好控制，会导致其上方堆积的介电层不平整，进而影响晶片良率。

可见，寻求一种能同时抛光钨、氧化硅、氮化硅，并能减小氮化硅表面缺陷的抛光组合物在本领域具有重要的意义。

发明内容

为解决现有的钨化学机械抛光液无法同时抛光钨、氧化硅、氮化硅，并分别控制钨、氧化硅、氮化硅的速率和表面缺陷，在保持高的钨抛光速率的同时兼具中等的氧化硅速度和低的氮化硅速度，并能减小氮化硅表面缺陷的技术问题，本发明提供一种化学机械抛光液，包括：研磨颗粒、催化剂、稳定剂、交联大分子表面缺陷抑制剂、氧化剂、水和pH调节剂。

进一步地，所述交联大分子表面缺陷抑制剂是卡波姆。

进一步地，所述卡波姆的型号为934(即卡波姆934)、940(即卡波姆940)和941(即卡波姆941)中的一种或多种，卡波姆934、卡波姆940和卡波姆941之间的区别在于粘度不同。

进一步地，所述型号为940的卡波姆的浓度范围为0.005％～0.1％。

进一步地，所述型号为940的卡波姆的浓度范围为0.005％～0.05％。

进一步地，所述研磨颗粒为SiO₂。

进一步地，所述研磨颗粒的浓度范围为0.5％～3％。

进一步地，所述研磨颗粒的浓度范围为1％～3％。

进一步地，所述催化剂选自九水硝酸铁。

进一步地，所述九水硝酸铁的浓度范围为0.01％～0.1％。

进一步地，所述九水硝酸铁的浓度范围为0.01％～0.07％。

进一步地，所述稳定剂是可以和铁络合的羧酸。

进一步地，所述可以和铁络合的羧酸选自邻苯二甲酸、草酸、丙二酸、丁二酸、己二酸、柠檬酸、马来酸中的一种或多种。

进一步地，所述可以和铁络合的羧酸为丙二酸。

进一步地，所述丙二酸的浓度范围为0.05％～0.3％。

进一步地，所述丙二酸的浓度范围为0.1％～0.27％。

进一步地，所述氧化剂是H₂O₂。

进一步地，所述氧化剂的浓度范围是1～2％。

进一步地，所述pH调节剂是HNO₃。

进一步地，pH值为2～4。当pH<2时，化学机械抛光液为危险品，pH>4会导致研磨颗粒不稳定，Fe析出等缺陷。

应当理解的是，本发明所述浓度中的％均指的是质量浓度。

与现有技术相比较，本发明的优势在于：

本申请的化学机械抛光液实现了同时抛光钨、氧化硅和氮化硅，同时，保证高的钨的抛光速度的同时兼具中等的氧化硅速度和低的氮化硅速度，同时，本申请的化学机械抛光液通过添加卡波姆，大大降低了抛光后氮化硅表面的表面缺陷，抑制氮化硅表面缺陷，实现快速平坦化。

具体实施方式

下面结合具体实施例，详细阐述本发明的优势。

下面通过具体实施例对本发明抛光钨的化学机械抛光组合物进行详细描述，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。

应当理解的是，本发明所述浓度中的％均指的是质量百分含量。

实施例

制备方法：按表1配方将所有组分溶解混合均匀，用水补足质量百分比至100％，用pH调节剂调节pH至期望值。

表1.各个实施例及对比例的各组分的种类及其对应的浓度

效果例

将表1中的各个实施例及对比例的化学机械抛光液根据下述实验条件对钨、氧化硅、氮化硅晶圆进行抛光及氮化硅晶圆表面缺陷测量，得到表2的结果。

抛光方法：抛光机台为应用材料公司的12吋抛光机台(Reflexion LK)，压力3.0psi，抛光盘及抛光头转速93/87rpm，抛光垫IC1010，抛光液流速150ml/min，抛光时间为1分钟。

表面缺陷测量方法：使用KLA-Tencor公司的无图案晶圆缺陷检测系统(SurfscanSP2)测量氮化硅的表面，统计直径大于120nm的缺陷。

表2.实施例及对比例对钨、氧化硅、氮化硅的抛光速率，以及对氮化硅表面缺陷的抑制效果

实施例1-7表明，本发明的化学机械抛光液可以同时进行钨、氧化硅和氮化硅的抛光，且抛光速度：钨>氧化硅>氮化硅，同时，能够保持高的钨的抛光速度的同时兼具中等的氧化硅速度和低的氮化硅速度，同时，具有抑制抛光后的氮化硅表面缺陷的能力。其中，钨的抛光速度与氧化剂的浓度、或研磨颗粒的浓度、或催化剂的浓度、或氧化剂的浓度呈正相关。具体地，在表2中实施例1-3中的氧化剂的浓度为1.00％，对应的钨抛光速率分别为2356、2318、2325；当氧化剂的浓度增加为2.0％时(如实施例4-7)，对应的钨抛光速率分别为3107、3611、3552、3409。具体地，在表2中，实施例1-3的研磨颗粒的浓度均为1.0％，对应的钨抛光速率分别为2356、2318、2325；当研磨颗粒的浓度增加为2.0％时(如实施例4)，对应的钨抛光速率为3107；当研磨颗粒的浓度增加为3.0％时(如实施例5-7)，对应的钨抛光速率分别为3611、3552、3409。具体地，在表2中实施例1-3中催化剂的浓度为0.01％，对应的钨抛光速率分别为2356、2318、2325；当催化剂的浓度增加为0.05％时(如实施例4)，对应的钨抛光速率为3107；当催化剂的浓度增加为0.07％时(如实施例5-7)，对应的钨抛光速率分别为3611、3552、3409。因此，通过调节氧化剂、研磨颗粒、催化剂的量可以调节钨的抛光速度。

通过对比例1-2和实施例1-7对比发现，在研磨颗粒、催化剂、稳定剂、氧化剂和pH相同的基础上，加入卡波姆(例如卡波姆934，卡波姆940，卡波姆941)对抛光后氮化硅的表面缺陷有明显改善。具体地，通过实施例1-3和对比例4可以发现，在研磨颗粒、催化剂、稳定剂、氧化剂和pH相同的基础上，加入卡波姆(卡波姆934，卡波姆940，卡波姆941)对抛光后氮化硅的表面缺陷有明显改善，氮化硅表面缺陷由900左右降低到300左右。同理，通过实施例4和对比例2也可以得出相同的结论。通过实施例5-7和对比例1和对比例3可以得出相同结论。此外，通过实施例5-7可以得出，在研磨颗粒、催化剂、稳定剂、氧化剂和pH相同的基础上，随着卡波姆的量不断增加，缺陷数相应减小，最多仅仅为不加卡波姆时的九分之一。同时，卡波姆的量对抛光速度没有太大的影响。具体地，当卡波姆940的浓度为0.015％(实施例5)时，对应的氮化硅表面缺陷为162；当卡波姆940的浓度为0.050％(实施例5)时，对应的氮化硅表面缺陷为147；当卡波姆940的浓度为0.100％(实施例5)时，对应的氮化硅表面缺陷为101(为对比例1中氮化硅表面缺陷976的约九分之一)。

通过对比例3和实施例5对比发现，加入卡波姆的单体丙烯酸得到的化学机械抛光液对氮化硅抛光后的缺陷没有矫正能力。具体地，在研磨颗粒、催化剂、稳定剂、氧化剂和pH完全相同的基础上，且实施例5中的卡波姆940的浓度与对比例3中丙烯酸的浓度一致的情况下，实施例5的化学机械抛光液具有抑制氮化硅表面缺陷的能力，相对于对比例1，从对比例1的976降低到162；而对比例3中的组合物却没有抑制氮化硅表面缺陷的能力，因为对比例3的表面缺陷与对比例1的表面缺陷相近。

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

1.一种化学机械抛光液，由研磨颗粒、催化剂、稳定剂、交联大分子表面缺陷抑制剂、氧化剂、水和pH调节剂组成，其中，所述交联大分子表面缺陷抑制剂为型号为940的卡波姆，所述型号为940的卡波姆的浓度范围为0.005％～0.1％；

所述研磨颗粒为SiO₂，所述研磨颗粒的浓度范围为0.5％～3％；

所述催化剂选自九水硝酸铁，所述九水硝酸铁的浓度范围为0.01％～0.1％；

所述稳定剂为丙二酸，所述丙二酸的浓度范围为0.05％～0.3％；

所述氧化剂是H₂O₂，所述氧化剂的浓度范围是1～2％；

pH值为2～4。

2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，所述型号为940的卡波姆的浓度范围为0.005％～0.05％。

3.如权利要求1所述的化学机械抛光液，所述研磨颗粒的浓度范围为1％～3％。

4.如权利要求1所述的化学机械抛光液，所述九水硝酸铁的浓度范围为0.01％～0.07％。

5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，所述丙二酸的浓度范围为0.1％～0.27％。

6.如权利要求1所述的化学机械抛光液，所述pH调节剂是HNO₃。