[发明专利]化学机械抛光液和抛光方法

说明书

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，涉及应用于半导体材料(如单晶硅片)、氧化物(如玻璃)和金属(如铜、钨、钽)等材料的化学机械抛光加工以及半导体部件制造工序(如浅沟道隔离、Cu/低k介质平坦化等)的化学机械抛光加工技术，尤其涉及一种化学机械抛光液，采用该抛光液的抛光方法以及该抛光液的制备方法。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)，又称化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)，是机械研磨和化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用以及抛光液(浆料)的化学腐蚀作用，在化学成膜和机械去膜的交替过程中，从被研磨的介质表面上去除极薄的一层材料，实现超精密平坦表面加工。化学机械抛光广泛应用于半导体(如单晶硅片)、氧化物(如玻璃)和金属(如铜、钨、钽)等材料的加工以及半导体部件的制造工序(如浅沟道隔离(Shallow Trench Isolation，STI)、Cu/低k介质平坦化等)。

典型的CMP用抛光液包含固液两相，液相主要由去离子水和氧化剂、表面活性剂、缓冲剂、腐蚀抑制剂等化学组分组成；固相主要由磨粒组成，包括氧化铝、氧化硅、氧化铈等无机氧化物，磨粒尺寸一般为20～50nm。在化学机械抛光过程中，晶片表面与抛光垫表面是相互接触的，纳米级磨粒部分嵌入于抛光垫中，部分压入抛光片表面，发生二体磨损。如果磨粒在加工过程中发生团聚，容易在工件表面留下划痕。在工件与抛光垫的极小间隙中，抛光产物也容易划伤抛光片表面；抛光产物也可能嵌入抛光垫中，不断划伤抛光片表面。

针对上述问题，日本Toshiba集团半导体公司以及JSR集团精密电子研究实验室的研究人员，参考文献【1】，在2001年提出利用无机磨粒(Al₂O₃)/有机粒子(树脂)组成的复合磨粒抛光液对铝、铌及低k材料进行化学机械抛光，即基于传统软质抛光垫下利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光技术。如图1所示，所谓无机磨粒/有机树脂粒子组成的复合磨粒是指在抛光液中除了常规磨粒外还加入树脂粒子，这两种粒子在抛光液中所带的表面电位不同，通过静电力的作用，它们相互吸引在一起，形成内核为大颗粒树脂，外壳包裹小粒径磨粒的复合磨粒。

利用无机/有机复合磨粒抛光液进行CMP加工的原理为：单一磨粒抛光液CMP时，由于磨粒的粒径小，且软质抛光垫表面比较粗糙，导致只有少量磨粒与晶片接触；树脂粒子较软，试验表明无法实现对晶片材料的去除；当二者形成复合磨粒时，复合磨粒的粒径较氧化铝磨料大得多，包裹在树脂粒子表面的磨粒浓度高，与工件接触的机会增大，材料去除作用增强。同时，树脂粒子具有较好的弹性，在抛光垫与工件之间起到微型抛光垫的作用，可以避免凝聚成团的磨粒、抛光生成物或异物对晶片的划伤，提高了表面质量。与单一磨料抛光液相比，这种方法获得的抛光速率更高，晶片表面的缺陷更少。

在专利文献【a】中公开了在水系介质中含有二氧化硅粒子、聚合物粒子和阳离子型化合物的研磨液组合物，用于精密部件用晶片的平整化。专利文献【b】中也公开了抛光液中含有“有机无机复合磨粒”的化学机械抛光用水分散液，用于铜膜和绝缘膜的抛光加工。

上述研究或专利记载的抛光液中增加了聚合物粒子，以提高抛光的材料去除率和表面质量。但这些聚合物粒子，都不具有磁性，无法通过辅助磁场对其施加磁力把持。

传统CMP工艺中，由聚氨酯材料做成的软质抛光垫是不可缺少的组成部分，它起着向抛光材料输送抛光液和磨料的作用。在抛光过程中，由于工件、磨料和抛光垫相互作用，抛光垫承受周期性的剪切应力，不断磨损，并被磨屑阻塞。抛光垫的损坏将导致抛光稳定性变差，效率降低。抛光垫磨损表面可定期用一个金刚石磨料盘修整，但修正工艺增加了生产成本，同时减少了抛光垫的使用寿命。另一方面，由于抛光垫在工件周边的弹性变形严重，造成工件周边应力集中，工件非常容易产生塌边现象。在软质抛光垫环境下要消除工件塌边缺陷十分困难。

为此，日本东京大学生产技术研究所提出了一种基于硬质抛光器下利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光技术，参考文献【2】，如图2所示，该技术去除了传统CMP中的软质聚氨酯抛光垫，在抛光过程中，由聚合物粒子和磨粒形成的复合磨粒被把持在硬质抛光器(一般为玻璃材料)表面上通过研磨而成的微观凹槽中，它们在工件与抛光器之间起着无数个微型抛光垫的作用，工件与抛光器不直接接触，从而避免了传统抛光由抛光垫引起的种种缺点。