CN100394555C - 采用抛光垫和抛光流体的抛光方法和抛光流体 - Google Patents

Abstract

在铜CMP中用于第二步骤屏蔽物脱除抛光的抛光流体，该抛光流体不包含氧化剂、包含有机酸、磨粒，和非必要地铜缓蚀剂，其显示出屏蔽物对金属和屏蔽物对绝缘层的高选择性。

Description

采用抛光垫和抛光流体的抛光方法和抛光流体

技术领域

本发明一般涉及化学-机械-平面化(CMP)，和更特别地，涉及由CMP除去半导体晶片上阻挡膜的第二抛光步骤用抛光流体。

背景

可以在其中布置有多个沟槽的介电层中形成用于半导体器件的电路连接件。通过在下面的介电层上施加阻挡膜，随后在阻挡膜上施加金属层形成连接件。使金属层形成到足够的厚度以采用金属填充沟槽。连接件制造工艺包括使用两步骤CMP工艺。

CMP是指采用抛光垫和抛光流体抛光半导体晶片的工艺。在第一抛光步骤中，从下面的阻挡膜和从下面的介电层除去金属层。由如下两种方式除去金属层：由抛光垫施加的磨耗，和由与抛光流体的化学反应，伴随着化学反应产物的溶解。第一抛光步骤除去金属层，在晶片上留下平滑平面抛光表面，和进一步在沟槽中留下金属以提供与抛光表面基本成平面的电路连接件。

典型的第一步骤抛光工艺包括在抛光流体中含有氧化剂，如KNO₃或H₂O₂的水溶液，该抛光流体的pH在酸性范围。由氧化剂的金属层氧化和由抛光垫的磨耗除去铜金属层。此外，抛光垫磨蚀金属层以使溶解氧化物从溶液到要抛光的材料表面上的再沉积最小化。从例如，钽(Ta)或氮化钽(TaN)的下面阻挡膜除去铜。阻挡膜比铜更耐磨耗，使得该阻挡膜用作停止铜第一步骤抛光的抛光停止物。此外，由抛光流体的阻挡膜表面的氧化会抑制它在第一步骤抛光期间的脱除。

在第二抛光步骤中，从下面的介电层除去阻挡膜。第二步骤抛光可在介电层上提供平滑、平面抛光的表面。理想地，第二抛光步骤不除去沟槽中的金属。第二步骤中的过量金属脱除可向来自第一步骤的凹坑(dishing)增加另外的凹坑。

凹坑是描述如下空腔形成的术语：由除去沟槽中的过量金属引起的电路连接件中不希望空腔的形成。凹坑可在第一抛光步骤中和在第二抛光步骤两者中发生。要求电路连接件具有精确的尺寸，该尺寸确定信号传输线的电阻抗，如由电路连接件提供的那样。超过可接受水平的凹坑在电路连接件中引起尺寸缺陷，其可导致由电路连接件传输的电信号的衰减。由于阻挡金属膜的相对较低的抛光速率，通常的抛光浆料要求太多的抛光时间用于完全除去绝缘膜上的阻挡金属膜。如果沟槽中铜膜的抛光速率等于或高于阻挡金属膜的抛光速率，沟槽中的铜膜金属被过度抛光，导致凹坑。

第二抛光步骤应当引起最小的侵蚀。侵蚀是描述如下介电层表面的不希望降低的术语：通过在密集连接件区域中除去在屏蔽层下面的一些介电层引起的介电层表面的不希望降低。此介电层脱除大于在稀薄区域如隔离的连接件区域中的介电层脱除，使得与其它表面相比密集连接件区域的表面变凹坑。邻近沟槽中金属发生的侵蚀在电路连接件中引起尺寸缺陷，它可导致由电路连接件传输的电信号的衰减。为最小化侵蚀，需要用于第二步骤抛光的抛光流体采用比用于介电层脱除速率高的脱除速率除去阻挡膜。

相对于下面的层，第二抛光步骤应当具有对屏蔽层的高脱除选择性。脱除选择性定义为相对于比较层，例如介电层或金属膜的脱除速率，阻挡膜脱除速率的比例。因此，脱除选择性是相对于介电层或金属膜的阻挡膜脱除的量度。需要高脱除选择性。采用抛光流体的抛光使阻挡膜而不是介电层的脱除最大化，该抛光流体显示相对于介电层的高脱除选择性。

US专利6547843公开了用于金属接线层制备的抛光组合物，该组合物包括水、磨料颗料、有机酸、和氧化剂，和由碱性物质调节的pH为5.5-10.0。由于组合物包括氧化剂，钽的脱除速率是400-870埃/min而铜的脱除速率是360-600埃/min，和Ta/Cu的选择性接近1。

采用包含氧化剂的抛光流体存在的问题在于氧化剂促进金属层的腐蚀，并因此促进金属层的凹坑。有利的是发现了不包含氧化剂的合适第二步骤抛光流体。也有利的是第二步骤抛光流体也具有低的磨料粒子浓度。磨料粒子的高浓度确实在高速率下除去阻挡物Ta或TaN，但可引起其它问题，如引起介电层的侵蚀和在抛光的晶片表面中引起缺陷。

发明概述

一种通过采用抛光垫和抛光流体的抛光而脱除半导体晶片上阻挡膜的方法，该抛光流体在水溶液中于碱性pH下，包括范围为0.1-5wt％的磨料粒子和范围为0.5-10wt％的有机酸或其混合物，而不加入氧化剂。本发明的抛光流体不包含氧化剂。令人惊奇地，没有通常用于CMP抛光流体和在低抛光磨料浓度下的有机酸，提供了增强的阻挡物脱除使得阻挡物对金属和阻挡物对介电层两者的选择性高。非必要地，可以加入通常用于CMP浆料的其它组分，如铜缓蚀剂以进一步保护沟槽中的金属铜表面。也可以非必要地向本发明的抛光流体中加入浆料稳定剂。

详细描述

用于本发明抛光流体的磨料粒子可以是CMP浆料中发现的任何通常磨料，如氧化铝、二氧化硅、二氧化铈、氧化锆等。优选是由二氧化硅，例如热解法二氧化硅和胶体二氧化硅组成的磨料。

二氧化硅抛光颗粒的平均直径优选是5-500nm，更优选约50nm。按照因素如抛光效率、抛光精度、和TaN/Cu和TaN/TEOS的选择性，抛光浆料中二氧化硅抛光颗粒的含量可以适当地选择在抛光流体组合物总数量中的0.1-5wt％的范围内。优选是至少1wt％磨料。

用于本发明抛光浆料的有机酸可以是选自如下物质的至少一种：有机酸、羧酸、和包含羧基和羧基的羟基羧酸、和包含氨基的氨基酸。例如，可以使用如下物质：有机酸，如柠檬酸、马来酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、丙烯酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、丙二酸、酒石酸、邻苯二甲酸、富马酸、乳酸(α-羟基丙酸或β-羟基丙酸)、庚二酸、己二酸、戊二酸、草酸、水杨酸、乙醇酸、丙三羧酸、苯甲酸、和这些酸的盐。可以使用的氨基酸包括α-氨基酸或β-氨基酸。氨基酸可以作为游离形式、作为盐或作为水合物加入。可以加入的那些的例子包括谷氨酸、谷氨酸盐酸盐、谷氨酰胺钠(sodium glutaminate)一水合物、谷氨酰胺、谷胱甘肽、甘氨酰甘氨酸、丙氨酸、β-丙氨酸、γ-氨基丁酸、ε-氨基己酸、赖氨酸、赖氨酸盐酸盐、赖氨酸二盐酸盐、赖氨酸苦味酸盐、组氨酸、组氨酸盐酸盐、组氨酸二盐酸盐、门冬氨酸、门冬氨酸一水合物、门冬氨酸钾、门冬氨酸钾三水合物、色氨酸、苏氨酸、甘氨酸、胱氨酸、半胱氨酸、半胱氨酸盐酸盐一水合物、羟脯氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、鸟氨酸盐酸盐、苯丙氨酸、苯基甘氨酸、脯氨酸、丝氨酸、酪氨酸、缬氨酸、和这些氨基酸的混合物。这些有机酸的盐具有增加溶解度的效果和因此被使用。这些化学品可以单独使用或以两种或多种的结合物使用。用于本发明的以上有机酸的含量必须是至少0.1wt％和至多10％，优选1-5％，最优选2-4％，以改进包含钽的阻挡膜的抛光速率。当结合两种或多种有机酸时，以上含量表示它们的总量。

本发明抛光流体的pH优选为7-12，更优选pH8-10和最优选约pH9。用于调节本发明浆料pH的碱可以是包含铵离子的碱，如氢氧化铵、包含烷基取代铵离子的碱、包含碱金属离子的碱、包含碱土金属离子的碱、包含IIIB族金属离子的碱、包含IVB族金属离子的碱、包含VB族金属离子的碱和包含过渡金属离子的碱。在碱性范围的指定pH不仅仅用于阻挡物表面的脱除，而且对于本发明浆料的稳定性是良好的。对于抛光浆料，可以由已知技术调节pH。例如，可以向其中分散二氧化硅磨料和溶解有机酸的浆料中直接加入碱。或者，可以将一部分或所有要加入的碱作为有机碱盐加入。可以使用的碱的例子包括碱金属氢氧化物如氢氧化钾、碱金属碳酸盐如碳酸钾、氨、和在此段中提及的胺。

可以进一步加入用于导电金属，如铜的缓蚀剂。抑制剂的加入可使得进一步调节导电金属膜的抛光速率和可导致在导电金属膜上形成涂料膜，以防止在抛光期间和之后的凹坑和腐蚀。抑制剂的例子包括苯并三唑、1，2，4-三唑、苯并N-氧化噁二唑、2，1，3-苯并噻唑、邻苯二胺、间苯二胺、儿茶酚、邻氨基苯酚、2-巯基苯并咪唑、2-巯基苯并噁唑、蜜胺、和它们的衍生物。其中，优选是苯并三唑和它的衍生物。此外，可以使用萘三唑和萘双三唑以及如上所述的取代萘三唑和取代萘双三唑。抑制剂的含量优选是抛光浆料总数量的至少0.001wt％用于达到它加入的适当效果。本发明的抛光浆料可包含通常加入到抛光浆料中的各种添加剂如分散剂、杀虫剂、缓冲剂和粘度改进剂，只要这样的加入不劣化浆料的性能。抛光浆料的余量是水，优选去离子水。

进行试验以测试由CMP从半导体晶片上的下面二氧化硅介电层除去TaN阻挡膜，用于第二步骤抛光的抛光流体的组成变化。此外，进行相同的试验以从半导体晶片除去铜金属，其中铜金属模拟半导体晶片的沟槽中的金属。参考表1，使用抛光垫和碱性pH(pH＝9)的抛光流体通过抛光TaN的阻挡膜和二氧化硅的介电层进行试验。pH＝9是公称值，因为抛光流体中组分的所有浓度是公称值。因此，组分的所有所述测量值，以及pH测量值分别可围绕它们的所述公称值变化。同样参考表1，测试A和B使用包含0％磨料和0％柠檬酸的抛光流体作为参考试验，其中分别加入0.002wt％或0.1wt％的BTA；测试C使用包含1％超微二氧化硅磨料和0％柠檬酸的抛光流体，作为测试柠檬酸性能的对比试验；测试1-4的浆料包含1％二氧化硅磨料和浓度从0.5％增加到4％的柠檬酸。表1中列出的抛光流体也可包括少量杀虫剂。使用这些抛光流体，在抛光垫，购自Rodel Inc的IC1010上进行CMP，抛光片状空白晶片。对于每种抛光流体，使用两个TaN晶片，两个铜晶片和两个TEOS晶片。表中报导的脱除速率是两个晶片的平均值。

测试B和测试C的比较显示采用1％磨料，TaN和铜脱除速率两者可从几乎零增加到178埃/min，其中两个测试不包含有机酸。测试1-4显示随着流体中柠檬酸浓度的连续增加，氮化钽(TaN)的脱除速率增加至1350埃/min，而铜脱除速率几乎恒定。从测试1到测试4的铜脱除速率接近测试C的铜脱除速率。这指示铜脱除起因于1％磨料。测试显示在不存在氧化剂的情况下由柠檬酸例示的有机酸特别地相互作用和除去阻挡物(TaN)表面，而非金属铜表面。此外，测试显示二氧化硅TEOS的脱除速率也非常低。

测试D和5-9具有与测试1-4相似的测试设定。测试D显示在1％二氧化硅磨料存在下，但流体中没有谷氨酸，TaN脱除速率是20埃/min，阻挡物脱除抛光的不可接受数值。测试中的铜脱除速率是178埃/min，它与测试C中相同。当加入1或2或4wt％谷氨酸时，TaN脱除速率增加至1580埃/min，这指示这些浆料中TaN的脱除是由于氨基酸，谷氨酸的加入。采用加入谷氨酸的铜脱除速率再次几乎恒定，如在加入柠檬酸的测试中那样。此外，TEOS脱除速率是约50埃/min，其足够低以在图案晶片抛光中具有低至零的侵蚀。测试5显示没有磨料，酸单独不会提供高的TaN脱除速率。因此，磨料必须与此氨基酸一起。这也指示由于测试中TaN的脱除需要化学(来自谷氨酸)和机械(磨料)抛光的结合，采用谷氨酸的脱除不是刻蚀工艺而是真实的CMP工艺。在氨基酸存在下，二氧化硅磨料的增加增大了TaN的脱除速率，如在测试7和9中所示。

表1抛光结果和选择性

在此引用的实施例说明采用有机酸或氨基酸和磨料的结合，而无氧化剂，我们能够从晶片基底在高脱除速率下除去包括钽(如钽和氮化钽)的阻挡膜，具有低铜脱除速率和低介电TEOS脱除速率。

在本发明的抛光浆料中，可以优选调节组成以提供优选至少400埃/min，更优选至少1000埃/min的包括钽的阻挡膜抛光速率，和提供优选小于500埃/min，更优选小于200埃/min的铜抛光速率。可以调节本发明抛光浆料的组成以提供优选5/1，更优选10/1或更大的含钽阻挡膜对铜膜的抛光速率比。可以所需地调节本发明抛光浆料的组成以提供在本发明的抛光浆料中，优选至少10/1，更优选至少20/1的更高的含钽阻挡膜对层间介电膜的抛光速率比(TaN/介电膜抛光比)。其中柠檬酸以4wt％存在于浆料中的测试4的结果，阻挡物TaN对铜的选择性是9.0而阻挡物TaN对绝缘层的选择性是24.5。其中谷氨酸以4wt％存在于浆料中的测试8的结果，阻挡物TaN对铜的选择性是11而阻挡物TaN对绝缘层的选择性是41。

Claims (10)

1.一种通过采用抛光垫和抛光流体的抛光而脱除半导体晶片上阻挡膜的方法，该抛光流体在pH为7-12的水溶液中，包括0.1-5重量％的磨料粒子，以及0.5-10重量％的有机酸或0.5-10重量％的有机酸的混合物，或者0.5-10重量％的有机酸盐或0.5-10重量％的有机酸盐的混合物，而不加入氧化剂。

2.权利要求1的方法，其中有机酸选自羧酸、包含羟基的羟基羧酸、和氨基酸；盐选自羧酸盐、包含羟基的羟基羧酸盐、和氨基酸盐。

3.权利要求2的方法，其中有机酸选自柠檬酸、马来酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、丙烯酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、丙二酸、酒石酸、邻苯二甲酸、富马酸、β-羟基丙酸、庚二酸、己二酸、戊二酸.、草酸、水杨酸、乙醇酸、丙三羧酸、和苯甲酸；盐选自柠檬酸盐、马来酸盐、甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、戊酸盐、丙烯酸盐、乳酸盐、琥珀酸盐、苹果酸盐、丙二酸盐、酒石酸盐、邻苯二甲酸盐、富马酸盐、β-羟基丙酸盐、庚二酸盐、己二酸盐、戊二酸盐、草酸盐、水杨酸盐、乙醇酸盐、丙三羧酸盐、和苯甲酸盐。

4.权利要求1的方法，其中所述有机酸是氨基酸，选自谷氨酸、谷氨酸盐酸盐、谷氨酰胺钠-水合物、谷氨酰胺、谷胱甘肽、甘氨酰甘氨酸、丙氨酸、β-丙氨酸、γ-氨基丁酸、ε-氨基己酸、赖氨酸、赖氨酸盐酸盐、赖氨酸二盐酸盐、赖氨酸苦味酸盐、组氨酸、组氨酸盐酸盐、组氨酸二盐酸盐、门冬氨酸、门冬氨酸-水合物、门冬氨酸钾、门冬氨酸钾三水合物、色氨酸、苏氨酸、甘氨酸、胱氨酸、半胱氨酸、半胱氨酸盐酸盐-水合物、羟脯氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、鸟氨酸盐酸盐、苯丙氨酸、苯基甘氨酸、脯氨酸、丝氨酸、酪氨酸、缬氨酸、和这些氨基酸的混合物；盐是上述氨基酸的盐、或者这些氨基酸的盐的混合物。

5.权利要求1的方法，其中该磨料粒子是二氧化硅。

6.权利要求3的方法，其中有机酸是柠檬酸，盐是柠檬酸盐。

7.权利要求4的方法，其中氨基酸是谷氨酸，盐是谷氨酸盐。

8.权利要求1的方法，其中将金属缓蚀剂加入到该抛光流体中。

9.权利要求1的方法，其中所述抛光流体的pH为7-11。

10.一种通过采用抛光垫和抛光流体的抛光而脱除半导体晶片上阻挡膜的抛光流体，其中该抛光流体在pH为7-12的水溶液中，包括0.1-5重量％的磨料粒子，以及0.5-10重量％的有机酸或0.5-10重量％的有机酸的混合物，或者0.5-10重量％的有机酸盐或0.5-10重量％的有机酸盐的混合物，而不加入氧化剂。