專利名稱：半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑及其配制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)組合物及其配制方法，尤其涉及一種在半導(dǎo)體芯片加工制造過程中用于去除芯片上附著的金屬鎢的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑及其配制方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體芯片的加工制造過程中，隨著采用嵌入式(damascene)工序(一種費(fèi)用相當(dāng)便宜且能在硅芯片上建立更密集的元器件結(jié)構(gòu)的工序)的逐步普及，對(duì)芯片中的金屬導(dǎo)線進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP，chemical mechanical planarization)拋光亦變得必不可少。鎢以其極好的對(duì)通孔和溝槽的填充性能、低的電子遷移和電阻以及優(yōu)異的耐腐蝕性，被廣泛地用于半導(dǎo)體芯片加工制造的工藝過程中。如作為金屬觸點(diǎn)、通孔導(dǎo)線和層間互連線等。傳統(tǒng)上，鎢可以采用等離子體的方法刻蝕，稱作鎢回蝕(WEB，tungsten etch back)。不過，鎢回蝕是一種成本高且會(huì)造成較大環(huán)境污染的工藝。與此相反，鎢的CMP工藝，在成本和環(huán)保兩方面要好得多。尤其重要的是，采用CMP的鎢拋光方法，有助于提高嵌入式工序?qū)π酒呐渚€密度，進(jìn)而獲得更高的芯片性能。因此，在半導(dǎo)體制造業(yè)中，鎢CMP已迅速成為一種被廣泛使用的技術(shù)。
自上世紀(jì)九十年代以來，鎢CMP使用過相當(dāng)多的不同種類的化學(xué)機(jī)械研磨劑。如基于硝酸鐵氧化劑和氧化鋁研磨粒子的第一代化學(xué)機(jī)械研磨劑，基于碘酸鉀氧化劑和氧化鋁研磨粒子的第二代化學(xué)機(jī)械研磨劑以及基于過氧化氫氧化劑和二氧化硅研磨粒子的第三代化學(xué)機(jī)械研磨劑等。從完善鎢的CMP加工工藝方面考慮，理想的化學(xué)機(jī)械研磨劑應(yīng)具有鎢去除速率高、介質(zhì)去除速率很低、鎢表面的碟型凹陷和對(duì)介質(zhì)層的腐蝕都極微、研磨后硅片表面光潔度極好以及性能價(jià)格比高等特性。相對(duì)于第一代，盡管在性能方面已經(jīng)作了很大的改善，目前商業(yè)銷售的鎢化學(xué)機(jī)械研磨劑依然存在如下的問題鎢去除速率相對(duì)較低，介質(zhì)去除速率太高，碟型凹坑和腐蝕性大，以及價(jià)格比較昂貴等。隨著芯片制造工藝轉(zhuǎn)向更小的尺寸(小于0.25微米)，鎢化學(xué)機(jī)械研磨劑的這些缺點(diǎn)將顯得更加突出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種鎢的磨除速率高、介質(zhì)選擇性好、研磨后硅片表面光潔度極好的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑及其配制方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑，由下列物質(zhì)按所附重量百分比配制而成研磨粒子0.01-20％；第一氧化劑0.01-50％；第二氧化劑0.001-50％；穩(wěn)定劑0.1-5％添加劑0.01-10％；水余量。
所述的水為去離子水；所述的研磨粒子為二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、二氧化鈰、氧化錳中的一種或幾種的混合物；所述的第一氧化劑為焦磷酸鹽；所述的第二氧化劑為碘酸鹽、過氧化氫、羥胺或硝酸鹽中的一種或幾種的混合物；所述的穩(wěn)定劑為磷酸鹽、磷酸、丙烯酸、聚丙烯酸或表面活性劑中的一種或幾種的混合物；所述的添加劑為氫氧化四甲基胺及其鹽類、氫氧化四己基胺及其鹽類、羧酸及其鹽類中的一種或幾種的混合物。
所述的研磨粒子次級(jí)粒子的粒徑范圍為20-400nm，優(yōu)選范圍為50-200nm，最優(yōu)選范圍為100-150nm；原生粒子的B.E.T比表面積為20m2/g-400m2/g，優(yōu)選范圍為50m2/g-200m2/g，最優(yōu)選范圍為100m2/g-150m2/g。
所述的研磨粒子的優(yōu)選濃度范圍為0.1-10％；第一氧化劑的優(yōu)選濃度范圍為0.1-10％；第二氧化劑的優(yōu)選濃度范圍為0.01-10％；添加劑的優(yōu)選濃度范圍為0.05-10％。
所述的研磨粒子的最優(yōu)選濃度范圍為4-7％；第一氧化劑的最優(yōu)選濃度范圍為1-5％；第二氧化劑的最優(yōu)選濃度范圍為0.05-5％；添加劑的最優(yōu)選濃度范圍為0.1-5％。
一種半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑的配制方法為，取下列物質(zhì)按所附重量百分比配料研磨粒子0.01-20％，第一氧化劑0.01-50％，第二氧化劑0.001-50％，穩(wěn)定劑0.1-5％，添加劑0.01-10％，補(bǔ)水至100％，按以下三種形式配制使用1)將配料量的研磨粒子、穩(wěn)定劑、第一氧化劑、第二氧化劑、添加劑和去離子水混合放在一個(gè)容器內(nèi)的單組分形式；2)將配料量的研磨粒子、穩(wěn)定劑、第一氧化劑、添加劑和去離子水混合放在一個(gè)容器內(nèi)作為第一組分，將配料量的第二氧化劑放在一個(gè)容器內(nèi)作為第二組分的雙組分形式，使用時(shí)將上述兩組分按化學(xué)計(jì)量精確混合；3)將配料量的研磨粒子、穩(wěn)定劑、添加劑和去離子水混合放在一個(gè)容器內(nèi)作為第一組分，將配料量的第一氧化劑放在一個(gè)容器內(nèi)作為第二組分，將配料量的第二氧化劑放在一個(gè)容器內(nèi)作為第三組分的三組分形式，使用時(shí)將上述三組分按化學(xué)計(jì)量精確混合。
所述的研磨粒子為二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、二氧化鈰、氧化錳中的一種或幾種的混合物；所述的第一氧化劑為焦磷酸鹽，第二氧化劑為碘酸鹽、過氧化氫、羥胺或硝酸鹽中的一種或幾種的混合物；所述的穩(wěn)定劑為磷酸鹽、磷酸、丙烯酸、聚丙烯酸或表面活性劑中的一種或幾種的混合物；所述的添加劑為氫氧化四甲基胺及其鹽類、氫氧化四己基胺及其鹽類、羧酸及其鹽類中的一種或幾種的混合物。
所述的研磨粒子次級(jí)粒子的粒徑范圍為20-400nm，優(yōu)選范圍為50-200nm，最優(yōu)選范圍為100-150nm；原生粒子的B.E.T比表面積為20m2/g-400m2/g，優(yōu)選范圍為50m2/g-200m2/g，最優(yōu)選范圍為100m2/g-150m2/g。
所述的研磨粒子的優(yōu)選濃度范圍為0.1-10％；第一氧化劑的優(yōu)選濃度范圍為0.1-10％；第二氧化劑的優(yōu)選濃度范圍為0.01-10％；添加劑的優(yōu)選濃度范圍為0.05-10％。
所述的研磨粒子的最優(yōu)選濃度范圍為4-7％；第一氧化劑的最優(yōu)選濃度范圍為1-5％；第二氧化劑的最優(yōu)選濃度范圍為0.05-5％；添加劑的最優(yōu)選濃度范圍為0.1-5％。
本發(fā)明半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑具有以下的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1、由于使用了由焦磷酸鉀和諸如碘酸鉀、過氧化氫、羥胺等共氧化劑組成的多重氧化劑，能使鎢層轉(zhuǎn)變成鎢氧化物層的厚度非常恰當(dāng)，剛好能被研磨粒子的機(jī)械磨削作用完全去除，但又不至于因太厚而妨礙鎢的進(jìn)一步氧化。即使明顯降低了以研磨時(shí)的下壓力及相對(duì)線速度大小作為強(qiáng)度表征的機(jī)械磨削力，仍可保持極高的鎢去除速率。由于相對(duì)降低了機(jī)械力的作用強(qiáng)度，凹坑、腐蝕和介質(zhì)層的損耗等問題也減小了。
2、由于使用了諸如不飽和羧酸這樣的添加劑，可避免焦磷酸鹽在強(qiáng)氧化環(huán)境中可能會(huì)產(chǎn)生的不穩(wěn)定性。羧酸在研磨粒子的表面，特別是氣相二氧化硅粒子的表面，有強(qiáng)烈的吸附傾向。當(dāng)阻擋層被磨除后，羧酸對(duì)露出的介質(zhì)層表面也有很強(qiáng)的吸附傾向。羧酸既在研磨粒子的表面吸附，也在介質(zhì)層的表面吸附，使兩者之間產(chǎn)生靜電斥力，由此減少了對(duì)介質(zhì)層表面的機(jī)械磨損。因此，羧酸的加入，使本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑具備了較小的介質(zhì)層磨損率和較低的腐蝕度。
3、由于使用了諸如羥胺這樣的共氧化劑，通過帶電效應(yīng)，可以促進(jìn)研磨粒子的穩(wěn)定性；由于羥胺根據(jù)化學(xué)環(huán)境和pH值的不同，既可作為氧化劑，又可作為還原劑，因此可以用來平衡鎢的氧化腐蝕和機(jī)械磨削的速率。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1取二氧化硅粒子7克，焦磷酸鉀5克，碘酸鉀1克，磷酸鈉5克，氫氧化四甲基胺5克，補(bǔ)水至100克，放在一個(gè)容器內(nèi)混合配制成本發(fā)明的一種單組分研磨劑。
實(shí)施例2取氧化鋁粒子4克，焦磷酸鉀1克，過氧化氫0.05克，磷酸鉀0.1克，氫氧化四甲基胺的鈉鹽0.1克，補(bǔ)水至100克，放在一個(gè)容器內(nèi)混合配制成本發(fā)明的一種單組分研磨劑。
實(shí)施例3取氧化鋯粒子5克，焦磷酸鉀3克，羥胺2克，磷酸銨3克，水84克，混合放在一個(gè)容器內(nèi)作為第一組分，取氫氧化四己基胺3克放在一個(gè)容器內(nèi)作為第二組分，得到本發(fā)明的一種雙組分研磨劑。使用時(shí)將上述兩組分按化學(xué)計(jì)量精確混合。
實(shí)施例4取碳化硅粒子1克，焦磷酸鉀10克，硝酸銨5克，磷酸2克，氫氧化四己基胺的鉀鹽10克，補(bǔ)水至100克，放在一個(gè)容器內(nèi)混合配制成本發(fā)明的一種單組分研磨劑。
實(shí)施例5取二氧化鈰粒子10克，焦磷酸鉀50克，碘酸鈉8克，丙烯酸4克，水20克，放在一個(gè)容器內(nèi)作為第一組分，取馬來酸8克，放在一個(gè)容器內(nèi)作為第二組分，得到本發(fā)明的一種雙組分研磨劑。使用時(shí)將上述兩組分按化學(xué)計(jì)量精確混合；實(shí)施例6取氧化錳粒子20克，聚丙烯酸1克，乙酸1克，水20克混合放在一個(gè)容器內(nèi)作為第一組分，取焦磷酸鉀8克放在一個(gè)容器內(nèi)作為第二組分，取過氧化氫50克放在一個(gè)容器內(nèi)作為第三組分，得到本發(fā)明的一種三組分研磨劑。使用時(shí)將上述三組分按化學(xué)計(jì)量精確混合。
實(shí)施例7取氣相二氧化硅粒子0.05克，焦磷酸鉀0.05克，羥胺0.05克，丙烯酸和聚丙烯酸的混合物0.5克，乙酸鈉0.02克，補(bǔ)水至100克，放在一個(gè)容器內(nèi)混合配制成本發(fā)明的一種單組分研磨劑。
實(shí)施例8取二氧化硅粒子0.02克，焦磷酸鉀0.02克，硝酸鈉0.002克，表面活性劑0.2克，馬來酸1克，補(bǔ)水至100克，放在一個(gè)容器內(nèi)混合配制成本發(fā)明的一種單組分研磨劑。
本發(fā)明中所使用的研磨粒子次級(jí)粒子的粒徑范圍為20-400nm，優(yōu)選范圍為50-200nm，最優(yōu)選范圍為100-150nm；原生粒子的B.E.T比表面積為20m2/g-400m2/g，優(yōu)選范圍為50m2/g-200m2/g，最優(yōu)選范圍為100m2/g-150m2/g。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑，其特征在于由下列物質(zhì)按所附重量百分比配制而成研磨粒子0.01-20％；第一氧化劑0.01-50％；第二氧化劑0.001-50％；穩(wěn)定劑0.1-5％；添加劑0.01-10％；水余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑，其特征在于所述的水為去離子水；所述的研磨粒子為二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、二氧化鈰、氧化錳中的一種或幾種的混合物；所述的第一氧化劑為焦磷酸鹽；所述的第二氧化劑為碘酸鹽、過氧化氫、羥胺或硝酸鹽中的一種或幾種的混合物；所述的穩(wěn)定劑為磷酸鹽、磷酸、丙烯酸、聚丙烯酸或表面活性劑中的一種或幾種的混合物；所述的添加劑為氫氧化四甲基胺及其鹽類、氫氧化四己基胺及其鹽類、羧酸及其鹽類中的一種或幾種的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑，其特征在于所述的研磨粒子次級(jí)粒子的粒徑范圍為20-400nm，優(yōu)選范圍為50-200nm，最優(yōu)選范圍為100-150nm；原生粒子的B.E.T比表面積為20m2/g-400m2/g，優(yōu)選范圍為50m2/g-200m2/g，最優(yōu)選范圍為100m2/g-150m2/g。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑，其特征在于所述的研磨粒子的優(yōu)選濃度范圍為0.1-10％；第一氧化劑的優(yōu)選濃度范圍為0.1-10％；第二氧化劑的優(yōu)選濃度范圍為0.01-10％；添加劑的優(yōu)選濃度范圍為0.05-10％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑，其特征在于所述的研磨粒子的最優(yōu)選濃度范圍為4-7％；第一氧化劑的最優(yōu)選濃度范圍為1-5％；第二氧化劑的最優(yōu)選濃度范圍為0.05-5％；添加劑的最優(yōu)選濃度范圍為0.1-5％。
6.一種半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑的配制方法，其特征在于取下列物質(zhì)按所附重量百分比配料研磨粒子0.01-20％，第一氧化劑0.01-50％，第二氧化劑0.001-50％，穩(wěn)定劑0.1-5％，添加劑0.01-10％，補(bǔ)水至100％，按以下三種形式配制使用1)將配料量的研磨粒子、穩(wěn)定劑、第一氧化劑、第二氧化劑、添加劑和去離子水混合放在一個(gè)容器內(nèi)的單組分形式；2)將配料量的研磨粒子、穩(wěn)定劑、第一氧化劑、添加劑和去離子水混合放在一個(gè)容器內(nèi)作為第一組分，將配料量的第二氧化劑放在一個(gè)容器內(nèi)作為第二組分的雙組分形式，使用時(shí)將上述兩組分按化學(xué)計(jì)量精確混合；3)將配料量的研磨粒子、穩(wěn)定劑、添加劑和去離子水混合放在一個(gè)容器內(nèi)作為第一組分，將配料量的第一氧化劑放在一個(gè)容器內(nèi)作為第二組分，將配料量的第二氧化劑放在一個(gè)容器內(nèi)作為第三組分的三組分形式，使用時(shí)將上述三組分按化學(xué)計(jì)量精確混合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑的配制方法，其特征在于所述的研磨粒子為二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、二氧化鈰、氧化錳中的一種或幾種的混合物；所述的第一氧化劑為焦磷酸鹽，第二氧化劑為碘酸鹽、過氧化氫、羥胺或硝酸鹽中的一種或幾種的混合物；所述的穩(wěn)定劑為磷酸鹽、磷酸、丙烯酸、聚丙烯酸或表面活性劑中的一種或幾種的混合物；所述的添加劑為氫氧化四甲基胺及其鹽類、氫氧化四己基胺及其鹽類、羧酸及其鹽類中的一種或幾種的混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑的配制方法，其特征在于所述的研磨粒子次級(jí)粒子的粒徑范圍為20-400nm，優(yōu)選范圍為50-200nm，最優(yōu)選范圍為100-150nm；原生粒子的B.E.T比表面積為20m2/g-400m2/g，優(yōu)選范圍為50m2/g-200m2/g，最優(yōu)選范圍為100m2/g-150m2/g。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑的配制方法，其特征在于所述的研磨粒子的優(yōu)選濃度范圍為0.1-10％；第一氧化劑的優(yōu)選濃度范圍為0.1-10％；第二氧化劑的優(yōu)選濃度范圍為0.01-10％；添加劑的優(yōu)選濃度范圍為0.05-10％。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑的配制方法，其特征在于所述的研磨粒子的最優(yōu)選濃度范圍為4-7％；第一氧化劑的最優(yōu)選濃度范圍為1-5％；第二氧化劑的最優(yōu)選濃度范圍為0.05-5％；添加劑的最優(yōu)選濃度范圍為0.1-5％。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑及其配制方法，研磨劑由下述物質(zhì)按所附重量百分比配制而成研磨粒子0.01－20％，第一氧化劑0.01－50％，第二氧化劑0.001－50％，穩(wěn)定劑0.1－5％，添加劑0.01－10％，余量為水。其配制方法包括三種形式，一種是將所有物質(zhì)混合在一起的單組分形式；第二種是將第二氧化劑作為一個(gè)組分，其余物質(zhì)作為一個(gè)組分的雙組分形式，第三種是將第一氧化劑作為一個(gè)組分，將第二氧化劑作為一個(gè)組分，其余物質(zhì)作為一個(gè)組分的三組分形式。本發(fā)明半導(dǎo)體芯片化學(xué)機(jī)械研磨劑對(duì)鎢的磨除速率高、能減少凹坑的產(chǎn)生和介質(zhì)層的損耗、研磨后硅片具有極佳的表面光潔度。
文檔編號(hào)C09K3/14GK1680508SQ200410017579
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者姚立新 申請(qǐng)人:上海月旭半導(dǎo)體科技有限公司