專利名稱：一種基于金屬Co的拋光工藝的拋光液及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子工藝中技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于微電子拋光工藝的拋光液及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著超大規(guī)模集成電路(ULSI)技術(shù)向更小器件尺寸發(fā)展，后端銅互連的尺寸也隨之縮小。為減小互連延時(shí)，銅互連結(jié)構(gòu)中的阻擋層和粘附層越來(lái)越薄，傳統(tǒng)的銅粘附層/阻擋層-Ta/TaN已經(jīng)不能滿足要求，因?yàn)門a相對(duì)的高電阻率，以及Ta不能作為銅直接電鍍的籽晶層。金屬鈷(Co)價(jià)格相對(duì)便宜，和銅有很好的粘附性，Cu在Co上容易成核，同時(shí)Co的電阻率較低，同時(shí)也能作為銅的直接電鍍籽晶層。鈷或者鈷的合金作為銅互連結(jié)構(gòu)中銅的粘附層已經(jīng)有一些實(shí)驗(yàn)報(bào)道。
在目前的化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，為減少低K介質(zhì)在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中的損傷， 目前使用的大多數(shù)銅和阻擋層的拋光液是酸性的。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在含有氧化劑(H2O2)的酸性溶液中，銅和鈷都極易溶解，這使得在拋光過(guò)程中，銅鈷的拋光速率過(guò)快，容易導(dǎo)致銅的蝶形坑(dishing)出現(xiàn)。而鈷的溶解很容易造成溝槽中鈷的溶解進(jìn)而導(dǎo)致銅的脫附。所以在酸性拋光液中加入抑制劑十分必要。加入合適的抑制劑后，可以避免酸性拋光液中鈷拋光速度過(guò)快。同時(shí)能有效抑制銅互連結(jié)構(gòu)中溝槽側(cè)壁處鈷的溶解，有效提高鈷作為銅粘附層的可靠性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于微電子拋光工藝的拋光液，該拋光液可以有效抑制酸性拋光液中鈷化學(xué)自腐蝕速率，防止因拋光速度過(guò)快可能引起的可靠性問(wèn)題。
為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了一種基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其中，該拋光液組分包含以下按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的原料抑制劑0. 01-2 %， 氧化劑0-5 %， 研磨顆粒0. 1-10 %， 螯合劑 0. 001-10 %， 余量為水；上述原料通過(guò)PH值調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)至該拋光液的pH值為3-5 ；所述抑制劑選自含S、N或同時(shí)含S和N的五元雜環(huán)衍生物中的任意一種以上；抑制劑的作用是降低銅和鈷在拋光液中的靜態(tài)腐蝕速率，有助于增大拋光平坦化速率以及減低蝶形坑缺陷和防止溝槽側(cè)壁粘附層的溶解。
所述氧化劑選自過(guò)氧化氫，過(guò)硫酸銨，高碘酸鉀，高氯酸鉀中的任意一種以上；氧化劑的作用是將金屬銅、鈷以及阻擋層金屬氧化為相應(yīng)的金屬氧化物、氫氧化物或者金屬離子。其中，優(yōu)選過(guò)氧化氫作為氧化劑。氧化劑在拋光液中所占重量百分?jǐn)?shù)為0-5%;其中，優(yōu)選氧化劑所占重量百分?jǐn)?shù)為0. 5%-5%。
所述的研磨顆粒選自二氧化硅，二氧化鈰，三氧化二鋁中的任意一種以上；研磨顆粒的作用是通過(guò)機(jī)械摩擦去除與研磨顆粒接觸的金屬或者金屬的反應(yīng)物，達(dá)到機(jī)械去除的目的。其中，優(yōu)選二氧化硅溶膠作為研磨顆粒。所述研磨顆粒的粒徑大小會(huì)影響拋光速率和粗糙度，本發(fā)明選擇粒子直徑為IO-IOOnm的研磨顆粒。
所述的螯合劑選擇氨基酸或檸檬酸或二者的混合物；螯合劑的作用是與拋光表面以及拋光液中的金屬離子形成螯合物，有助于減小拋光液中的金屬顆粒和拋光金屬表面的金屬離子污染。
上述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其中，所述的拋光液組分包含以下按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的原料抑制劑0. 01-1 %， 氧化劑0. 5-2 %， 研磨顆粒1-5 %， 螯合劑0. 4%， 余量為水。
上述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其中，所述的作為抑制劑的五元雜環(huán)衍生物中環(huán)內(nèi)含有2個(gè)雜原子。
進(jìn)一步地，所述的抑制劑選擇苯并三氮唑，2-巰基噻唑啉、2-巰基苯駢噻唑，咪唑，2-氨基苯并咪唑，2-巰基苯并咪唑，2-甲基苯并咪唑中的任意一種以上。其中，優(yōu)選苯并三氮唑、2-巰基噻唑啉的混合物作為抑制劑。苯并三氮唑和2-巰基噻唑啉能同時(shí)有效抑制銅和鈷的靜態(tài)腐蝕。
上述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其中，所述的螯合劑可選自于氨基酸中的一種或者幾種，如甘氨酸，谷氨酸，亮氨酸，精氨酸；以及其他有機(jī)酸，如檸檬酸。其中優(yōu)選地，甘氨酸作為螯合劑。
上述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其中，所述的pH值調(diào)節(jié)劑選擇稀釋的硝酸、硫酸、稀醋酸、鹽酸、氫化化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉中的任意一種以上；優(yōu)選稀釋的硝酸和氫氧化鉀。
本發(fā)明還提供了一種上述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液在拋光工藝中的應(yīng)用。在集成電路中，Co主要作為銅互連的阻擋層和粘附層，但是Co也可以作為納米晶在存儲(chǔ)器中使用，作為金屬柵在MOSFET中使用。凡是利用Co或者Co的合金、Co的化合物在電路中使用，并需要進(jìn)行拋光工藝的，都屬于本發(fā)明的拋光液的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明提供的用于CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)的拋光液pH值范圍為3-5。若拋光液pH 值過(guò)低，在pH<2的情況下時(shí)，拋光液容易造成銅布線的腐蝕，而且容易腐蝕設(shè)備；若pH值處于中性區(qū)間時(shí)，即6<pH<8時(shí)，拋光液中硅溶膠不穩(wěn)定；而若pH值過(guò)高，pH>9時(shí)，容易造成低_k介質(zhì)(即low-k介質(zhì))的損傷；所以pH值選為3-5比較合適。
本發(fā)明提供的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，能有效抑制鈷的靜態(tài)腐蝕，降低鈷的拋光速率，因而有效降低拋光過(guò)后缺陷的產(chǎn)生。


圖Ia為拋光前的雙鑲嵌互連結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖Ib為拋光后的雙鑲嵌互連結(jié)構(gòu)截面示意圖。
圖加為鈷分別在實(shí)施例1和對(duì)比例1中所述拋光液(pH值為3)中的動(dòng)電位極化曲線對(duì)比圖；圖2b為鈷分別在實(shí)施例1和對(duì)比例1中所述拋光液(pH值為5)中的動(dòng)電位極化曲線對(duì)比圖。
圖3為鈷在實(shí)施例2中所述拋光液中的拋光速率隨苯并三氮唑濃度變化的曲線圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
使用本發(fā)明的拋光液的具體實(shí)施方式
與傳統(tǒng)的拋光液使用方式類似。在化學(xué)機(jī)械拋光工藝期間，晶片由拋光頭支撐正面朝下，壓在附有拋光墊的拋光臺(tái)上，拋光液由泵的抽取和拋光臺(tái)的旋轉(zhuǎn)均勻的分散在晶片表面，由拋光頭對(duì)晶片施加壓力，拋光頭和拋光臺(tái)同時(shí)旋轉(zhuǎn)達(dá)到去除晶片上多余銅以及介質(zhì)表面的粘附層和阻擋層的目的。值得注意的是，以上所述使用方式是基于本領(lǐng)域傳統(tǒng)拋光機(jī)而言，對(duì)特別的拋光機(jī)系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整執(zhí)行方式同樣能達(dá)到化學(xué)機(jī)械平坦化目的。圖Ia是拋光前雙鑲嵌互連結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖Ib為經(jīng)本發(fā)明的拋光液拋光后形成的雙鑲嵌互連結(jié)構(gòu)截面示意圖。其中，介質(zhì) 10可以是傳統(tǒng)的二氧化硅，也可以是low-k介質(zhì)；銅粘附層和阻擋層20的材料可以是Co/ TaN, Co/TiN, Co/TaCN, Co/TiCN等鈷與金屬氮化物或者金屬氮碳化合物的雙層結(jié)構(gòu)，也可以是CoMo，CoTa等鈷合金的單層結(jié)構(gòu)。粘附層與阻擋層的生長(zhǎng)方式可以是物理氣相淀積 (PVD)、原子層淀積(ALD)或者化學(xué)氣相淀積(CVD)；刻蝕阻擋層30的材料可以是SiN，SiC， SiCN以及其他難刻蝕的介質(zhì)材料。通過(guò)使用本發(fā)明的拋光液去除圖Ia中上表面多余的銅以及介質(zhì)10上面的銅粘附層和阻擋層20，從而形成附圖Ib所示結(jié)構(gòu)。通過(guò)以下實(shí)施案例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)施方式。
實(shí)施例1拋光液配置lwt%的硅溶膠；0. 75wt%的甘氨酸；0. 12wt%的二巰基噻唑啉(MTZ)；以及余量的水，采用稀釋的硝酸和氫氧化鉀調(diào)節(jié)PH值至3. 0。
拋光設(shè)備以及機(jī)械參數(shù)設(shè)置本實(shí)施例所用拋光機(jī)為CETR公司生產(chǎn)的CP-4桌上型拋光機(jī)；機(jī)械參數(shù)設(shè)置為壓力為2psi，拋光液流速為lOOml/min，拋光頭轉(zhuǎn)速為150rpm， 拋光臺(tái)轉(zhuǎn)速為150rpm。
對(duì)比例1除了不添加二巰基噻唑啉(0wt%)外，所用原料及方法完全與實(shí)施例相同。
下面表一是對(duì)比鈷在含0. 12wt% 二巰基噻唑啉(實(shí)施例1)與不含二巰基噻唑啉 (對(duì)比例1)的拋光液中的自腐蝕速率和拋光速率數(shù)據(jù)。
表一鈷在實(shí)施例1及對(duì)比例1的拋光液中的自腐蝕速率和拋光速率
權(quán)利要求
1.一種基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其特征在于，該拋光液組分包含以下按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的原料抑制劑0. 01-2 %， 氧化劑0-5 %， 研磨顆粒0. 1-10 %， 螯合劑 0. 001-10 %， 余量為水；上述原料通過(guò)PH值調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)至該拋光液的pH值為3-5 ； 所述抑制劑選自含S、N或同時(shí)含S和N的五元雜環(huán)衍生物中的任意一種以上； 所述氧化劑選自過(guò)氧化氫，過(guò)硫酸銨，高碘酸鉀，高氯酸鉀中的任意一種以上； 所述的研磨顆粒選自二氧化硅，二氧化鈰，三氧化二鋁中的任意一種以上； 所述的螯合劑選擇氨基酸或檸檬酸或二者的混合物。
2.如權(quán)利要求1所述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其特征在于，所述的拋光液組分包含以下按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的原料抑制劑0. 01-1 %， 氧化劑0. 5-2 %， 研磨顆粒1-5 %， 螯合劑0. 4%， 余量為水。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其特征在于，所述的作為抑制劑的五元雜環(huán)衍生物中環(huán)內(nèi)含有2個(gè)雜原子。
4.如權(quán)利要求3所述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其特征在于，所述抑制劑選自苯并三氮唑、2-巰基噻唑啉、2-巰基苯駢噻唑、咪唑、2-氨基苯并咪唑、2-巰基苯并咪唑及2-甲基苯并咪唑中的任意一種以上。
5.如權(quán)利要求4所述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其特征在于，所述抑制劑為苯并三氮唑與2-巰基噻唑啉的混合物。
6.如權(quán)利要求1或2或4或5所述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其特征在于， 所述研磨顆粒粒子直徑為lO-lOOnm。
7.如權(quán)利要求1或2或4或5所述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其特征在于， 所述的氨基酸選擇甘氨酸、谷氨酸、亮氨酸、精氨酸中的任意一種以上。
8.如權(quán)利要求7所述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其特征在于，所述的拋光液中的螯合劑選擇甘氨酸。
9.如權(quán)利要求1所述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液，其特征在于，所述的PH值調(diào)節(jié)劑選擇稀釋的硝酸、硫酸、稀醋酸、鹽酸、氫化化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉中的任意一種以上。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬Co的拋光工藝的拋光液在拋光工藝中的應(yīng)
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于金屬Co的拋光工藝的拋光液及其應(yīng)用，該拋光液組分包含以下按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)的原料抑制劑0.01-2%，氧化劑0-5%，研磨顆粒0.1-10%，螯合劑0.001-10%，余量為水；上述原料通過(guò)pH值調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)至該拋光液的pH值為3-5；該抑制劑選自含S、N或同時(shí)含S和N的五元雜環(huán)衍生物中的任意一種以上；該氧化劑選自過(guò)氧化氫，過(guò)硫酸銨，高碘酸鉀，高氯酸鉀中的任意一種以上；該研磨顆粒選自二氧化硅，二氧化鈰，三氧化二鋁中的任意一種以上；該螯合劑選擇氨基酸或檸檬酸或二者的混合物。本發(fā)明的拋光液能有效抑制鈷的靜態(tài)腐蝕，降低鈷的拋光速率，防止鈷在拋光過(guò)程中的過(guò)腐蝕。
文檔編號(hào)C23F3/06GK102516875SQ20111037275
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者屈新萍, 王敬軒, 魯海生 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)