CN100401459C - 一种化学-机械抛光浆料和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在金属镶嵌结构的制作过程中移除阻挡层所用的化学-机械抛光浆料。本发明的浆料包括可抑制在下面的含硅电介质层移除速率的试剂。目前，在本发明的最优选实施例中，可抑制在下面的含硅电介质层移除速率的试剂是左旋赖氨酸和/或左旋精氨酸。本发明也提供一种在金属镶嵌结构的阻挡层的化学-机械抛光过程中可抑制下面的含硅电介质层的移除速率的方法。本发明的方法包括用包含有可抑制所述的在下面的含硅电介质层的移除速率的试剂的浆料抛光阻挡层。
Description
技术领域
本发明提供一种在金属镶嵌结构的制作过程中移除阻挡层所用的化学-机械抛光浆料以及在金属镶嵌结构的阻挡层的化学-机械抛光过程中使用这种浆料抑制下面的含硅电介质层的移除速率的方法。
背景技术
集成电路由数百万个形成在基底如硅或砷化镓中或者其上的有源器件组成，该有源器件一般使用含硅电介质材料相互分开，如多晶硅、单晶硅、二氧化硅、含硅的低k(low-k)无机和有机材料、磷硅酸盐玻璃、硼磷硅酸盐玻璃等。该有源器件通常由相互连接形成功能电路和元件的多层形成，该有源器件的相互连接一般通过使用已知的多层相互连接方法如Chow等人在美国专利4,789,648中所公开的方法来实现。
铜、铝和钨优选地被用来制造集成电路。然而，这些金属易于扩散进入常规的含硅电介质材料中。一旦含硅电介质材料被金属原子污染，那么介电常数将受到不利的影响和集成电路将不能良好地运行。因此，为阻止金属扩散必须在含硅电介质层上使用阻挡层或衬垫薄膜。
目前制作含有金属布线和相互连接也被称为金属镶嵌结构的集成电路的优选方法之一通常包括在含硅电介质薄膜的不连续层中提供相互连接的金属布线或者敷金属的图案。利用蚀刻或其他方法可在该含硅电介质层中加工出多个沟和孔，然后再将通常不超过约300
(30nm)厚的薄阻挡层沉积在该含硅电介质层上。当用作形成布线图案的金属是铜时，优选的阻挡层包括钽和/或氮化钽的薄膜，当用作形成布线图案的金属是铝或钨时，优选的阻挡层包括钛和/或氮化钛的薄膜。通常可用物理气相沉积也被称为溅射沉积的方法来沉积此类阻挡层，或者用化学气相沉积法来沉积。阻挡层涂在该沟和孔的表面及该含硅电介质层的上表面以阻止金属的扩散同时也在敷金属层和含硅电介质层之间提供良好的粘连连接。然后在阻挡层上沉积大约3,000～15,000
(300～1,500nm)厚的金属层用以完全填塞该沟和孔。由此填塞后的沟形成金属线路网而填塞后的孔形成通道或相互连接。制作集成电路过程的最后步骤也被称为金属镶嵌结构过程是将金属层和阻挡层移除到含硅电介质层的上表面只留下金属填塞的沟和孔。此步骤一般可由化学-机械抛光来实现。
在一般的化学-机械抛光过程中，金属镶嵌结构的表面在受控制的向下压力下与可转动的抛光衬垫直接接触。在抛光过程中在该衬垫和金属镶嵌结构的表面间存在有通常被称为“浆料”的有磨蚀性的和化学反应活性的溶液，该浆料通过和被抛光的金属和/或阻挡层的表面发生化学反应引发抛光过程。该抛光过程可由该衬垫相对基底的旋转运动和薄膜/衬垫界面上浆料的存在而实现。照这样抛光持续到移除预定的金属和阻挡层为止。
浆料成分在化学-机械抛光中是一个重要的因素。如果浆料中的化学试剂和磨料选择合适，那么该浆料可被制成以预定抛光速率对金属和阻挡层提供有效抛光的特制浆料而同时使表面不完美、缺陷、腐蚀和侵蚀达最小化。此外，优选地，抛光浆料对其他用于组成金属镶嵌结构的材料而言能提供受控制的抛光选择性。
移除金属镶嵌结构中的阻挡层所用的已知的化学-机械抛光浆料的问题之一是该浆料以相对较高的速率移除在下面的含硅电介质层。这样很难在没有侵蚀或损坏下面的含硅电介质层的情况下移除所有的电介质层。因为这个问题，在许多情况下阻挡层的抛光被过早地停止，由此导致阻挡层的一部分保留在金属镶嵌结构上。相反地，如果阻挡层的抛光被过晚地停止，其结果是在下面的含硅电介质层显著的一部分被移除。在任一种情况下，集成电路的完整性和功能度将受到不利的影响。
提供用于从金属镶嵌结构中移除阻挡层的化学-机械抛光浆料是需要的，该浆料可以减小或消除此问题。此化学-机械抛光浆料会优选地以足够高的速率移除阻挡层，用来确保可接受的生产量而同时可避免移除或损坏下面的含硅电介质层。
发明内容
本发明提供一种在金属镶嵌结构的制作过程中移除阻挡层所用的化学-机械抛光浆料。本发明的浆料包括可抑制在下面的含硅电介质层移除速率的试剂。目前，在本发明的最优选实施例中，可抑制在下面的含硅电介质层移除速率的试剂是赖氨酸和/或精氨酸。
本发明也提供一种在金属镶嵌结构的阻挡层的化学-机械抛光过程中可抑制下面的含硅电介质层的移除速率的方法。本发明的方法包括在化学-机械抛光浆料中加入可抑制所述的在下面的含硅电介质层的移除速率的试剂。
本发明前述的和其他的特点将在下文中尤其是在权利要求中得到更全面的详述。下面的详细描述阐明了本发明的实施例，然而仅是说明性的，仅是使用按本发明的原理的各种方式中的几种。
具体实施方式
本发明提供一种在金属镶嵌结构的制作过程中移除阻挡层所用的化学-机械抛光浆料。本发明的浆料包括可抑制在下面的含硅电介质层移除速率的试剂。如果(1)当在化学-机械抛光浆料中存在该试剂时，与浆料中不存在该试剂相比，可将下面的含硅电介质层移除速率减小50％或更多；及(2)当在化学-机械抛光浆料中存在该试剂时，与浆料中不存在该试剂相比，没有将阻挡层移除速率减小至不可接受的程度，那么用在本说明书中和所附的权利要求书中的被认为是可抑制在下面的含硅电介质层移除速率的试剂这些术语的意思就是这些。
优选地，可抑制在下面的含硅电介质层移除速率的试剂包括含有至少两个功能氨基(NH2)和至少一个功能羧酸基(COOH)的化合物。在目前本发明最佳的实施例中，可抑制所述的在下面的含硅电介质层移除速率的试剂选自赖氨酸和精氨酸。在整个说明书和所附的权利要求书中所提到的赖氨酸和精氨酸指的是既包括右旋型又包括左旋型的化合物，以及这些化合物的盐和水合型。此外，在整个说明书和所附的权利要求书中所提到的赖氨酸和精氨酸指的是此类化合物的前体和衍生物。
可抑制在下面的含硅电介质层移除速率的试剂量的有效量应该用于达到预定的侵蚀抑制作用。一般地，该试剂按浆料重量计为约0.1％至约5.0％，在本发明的优选实施例中，该试剂按浆料重量计为约1.0％。
可选择地，本发明的浆料还可包含粒状磨料。然而，应该理解在一些应用中在浆料中不包含粒状磨料更佳，在这种情况下抛光衬垫的压力提供机械抛光作用。当存在有粒状磨料时，粒状磨料可进一步辅助执行机械研磨的功能。
用在本发明浆料中的粒状磨料可以包括在化学-机械抛光浆料中被常规使用的任何一种粒状磨料或多种粒状磨料的混合物。合适的粒状磨料的例子包括氧化铝、氧化铈、氧化铜、金刚石、氧化铁、氧化镍、氧化锰、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化锡、二氧化钛、碳化钛、氧化钨、氧化镱、和氧化锆及其组合物。目前，用在本发明中的最优选磨料是氧化铝和/或氧化硅。
优选地，粒状磨料的平均大小是从约0.02到约1.0微米，最大尺寸是小于约10微米。应该理解，虽然颗粒的大小本身不是决定性的，但是在某些情况下使用非常小的粒状磨料将导致不可接受的低抛光速率。应该理解，在另一方面，如果颗粒太大，那么在被抛光的物品表面上可能会产生不可接受的刮痕。在浆料中存在的粒状磨料的量按浆料重量计为最高达约60％，更优选按浆料重量计为从约0.25％至约30.0％，最理想的量是按浆料重量计在约0.5％至约10.0％的范围内。
在某些情况下，浆料进一步包括氧化剂是有利的。用在本发明中的合适的氧化剂包括如过氧化物、过硫酸盐、过氧化二磷酸盐、硝酸铁、高碘酸和高碘酸盐。目前，用在本发明浆料中的最优选氧化剂是过氧化氢、过硫酸铵和/或硫酸钾。优选地，该氧化剂按浆料重量计最高达约15.0％，更优选地，该氧化剂按浆料重量计为约0.1％至约10.0％。
优选地，本发明的浆料还包括溶剂。用在本发明的浆料中的优选溶剂是去离子水。用在化学-机械抛光浆料中的其他常规溶剂也可被使用。此外，浆料也可包括所属领域的技术人员已知的可选择的表面活性剂、pH缓冲剂、抗泡沫剂和分散剂。
当将被移除的阻挡层包括钽/氮化钽时，优选将浆料的pH值调至约7.0或更高，更优选pH值约为10.0，该浆料的pH值可用碱如KOH来提高。当将被移除的阻挡层包括钛/氮化钛时，优选将浆料的pH值调至约7.0或更低，更优选pH值约为4.0，该浆料的pH值可用酸如HNO3来降低。在较高的pH值时，含硅电介质层的侵蚀最严重。
优选地，本发明的浆料通过在常规的溶剂如去离子水中分散可抑制所述的在下面的含硅电介质层的移除速率的试剂而制成的。如果在浆料中含有粒状磨料，那么浆料可由许多方法制备，例如，浆料可以通过在氧化剂和/或可抑制所述的在下面的含硅电介质层的移除速率的试剂被加入之前或之后在溶剂中分散粒状磨料来制备。浆料也可作为两组分体系而制备(即分散在去离子水中的磨料组分及分散在去离子水中的氧化剂与可抑制所述的在下面的含硅电介质层的移除速率的试剂组分)。浆料也可以由浓缩的形式来制备，只需要添加去离子水以稀释浓缩物(或在二元组分体系中的浓缩组分)至预定的水平。
另一种选择是，本发明的浆料可通过将浆料组分的一部分掺入抛光衬垫中而制成。例如，可抑制所述的在下面的含硅电介质层的移除速率的试剂可直接掺进或者含有或者不含有粒状磨料的抛光衬垫中，然后去离子水和氧化剂被加进衬垫或被抛光物品的表面以在原位形成抛光浆料。在另一个可选择的实施例中，粒状磨料被粘到抛光衬垫上，同时可抑制所述的在下面的含硅电介质层的移除速率的试剂和去离子水也被单独或者一起地加进衬垫或者被抛光物品的表面以在原位形成抛光浆料。应该理解，本发明的浆料组分也可由各种方法组合以在原位形成浆料。
也可能通过在抛光前或在抛光时组合化学前体而形成浆料组分。由此，用在说明书和所附的权利要求书中的术语“浆料”应被理解为指在化学-机械抛光过程中存在于抛光衬垫和被抛光的物品的表面之间的界面上的组分，除非另有所指，术语“浆料”包括组合前体而在原位形成浆料组分的情况。
本发明也提供一种在金属镶嵌结构的阻挡层的化学-机械抛光过程中可抑制下面的含硅电介质层的移除速率的方法。本发明的方法包括在化学-机械抛光浆料中加入可抑制所述的在下面的含硅电介质层的移除速率的试剂。可抑制所述的在下面的含硅电介质层移除速率的优选试剂是赖氨酸和/或精氨酸。
下面的实施例只用于说明本发明而不应被认为用来限制权利要求。
实施例I
浆料A、B、C、D、E、F、G、H和I通过由平均粒径为350nm的按重量计4.0％的氧化铈分散在去离子水中而成。各种量的几种不同氨基酸被加入如下面的表I所示的八种浆料中。除了在表I另有所指，每一种浆料的pH值通过加入KOH被调节至10.0。
利用Strasbaugh 6CA抛光机和Rodel IC1400K-槽衬垫将具有由原硅酸四乙酯(TEOS)前体化学气相沉积涂覆而成的1.0微米厚的二氧化硅薄膜层的涂层硅晶片(直径6英寸)用上述的九种浆料的每一种分别抛光。抛光条件是：6psi的向下压力、0psi的向后压力、40rpm的表速度、40rpm的主轴速度、22℃的温度和340cc/min的浆料流速。由化学-机械抛光从硅晶片的表面上移除的二氧化硅量的量可使用光学干涉仪测量，从而测定每分钟二氧化硅以纳米为单位的移除速率。测试结果如下面的表I所示。
表I
| 浆料 | pH值 | 试剂(按重量百分比计) | TEOS抛光速率 |
| A | 10.0 | 无 | 489±9nm/min |
| B | 10.0 | 1.0％甘氨酸 | 547±30nm/min |
| C | 10.0 | 4.0％甘氨酸 | 420±30nm/min |
| D | 10.0 | 8.0％甘氨酸 | 410±10nm/min |
| E | 9.5 | 4.0％甘氨酸 | 417±32nm/min |
| F | 10.0 | 4.0％脯氨酸 | 536±10nm/min |
| G | 10.0 | 1.0％脯氨酸 | 487±19nm/min |
| H | 10.8 | 1.0％精氨酸 | 23±3nm/min |
| I | 10.0 | 1.0％赖氨酸 | 71±3nm/min |
实施例I证明了在化学-机械抛光浆料中存在的精氨酸和/或赖氨酸对合硅电介质层移除速率有抑制作用。
实施例II
浆料J和K通过由平均粒径为150nm的按重量计5.0％的氧化铝分散在去离子水中而成，浆料J和K含有按重量计1.0％的抗坏血酸和按重量计1.0％的过氧化氢。浆料J还包括按重量计1.0％的左旋精氨酸。每一种浆料的pH值通过加入足量的KOH被调节至10.0。
然后利用Strasbaugh 6EC抛光机和IC1000/SubaIV k-槽堆叠衬垫将或者由气相沉积的原硅酸四乙酯(TEOS)、铜、钽或者氮化钽涂覆而成的1.0微米厚的薄膜层的涂层硅晶片(直径6英寸)用上述的J和K浆料抛光。抛光条件是：4psi的向下压力、1psi的向后压力、40rpm的表速度、40rpm的主轴速度、20℃的温度和300cc/min的浆料流速。由化学-机械抛光从硅晶片的表面上移除的每一薄膜层的量可使用光学干涉仪测量，从而测定每分钟以为单位的移除速率。测试结果如下面的表II所示。
表II
实施例II证明了在化学-机械抛光浆料中存在的精氨酸基本上可抑制在化学-机械抛光过程中含硅电介质层移除的速率，同时在浆料中存在的精氨酸并没有将阻挡层的移除速率抑制至不可接受的低程度。
本领域的技术人员很易想到附加的优点和变化。因此，本发明广义地说不限于此处的说明和描述的具体细节和说明性的实施例。由此，可以在不脱离本发明所附的权利要求及其等价物所限定的概括发明概念的精神和范围肉作出各种变化。
Claims (17)
1.一种在金属镶嵌结构的制作过程中移除阻挡层所用的化学-机械抛光浆料，包括可抑制下面的含硅电介质层移除速率至少50％的选自赖氨酸和精氨酸的试剂。
2.如权利要求1所述的化学-机械抛光浆料，其中所述的可抑制所述的在下面的含硅电介质层移除速率的试剂按所述的浆料重量计为0.1％至5.0％。
3.如权利要求1所述的化学-机械抛光浆料，其中所述的在下面的含硅电介质层选自多晶硅、单晶硅、二氧化硅、含硅的低k无机和有机材料、磷硅酸盐玻璃、和硼磷硅酸盐玻璃。
4.如权利要求1所述的化学-机械抛光浆料，其中所述的阻挡层包括钽和/或氮化钽。
5.如权利要求4所述的化学-机械抛光浆料，其中所述浆料的pH值为7.0或更高。
6.如权利要求1所述的化学-机械抛光浆料，其中所述的阻挡层包括钛和/或氮化钛。
7.如权利要求6所述的化学-机械抛光浆料，其中所述浆料的pH值为7.0或更低。
8.如权利要求1所述的化学-机械抛光浆料，进一步包括粒状磨料。
9.如权利要求8所述的化学-机械抛光浆料，其中所述的粒状磨料选自氧化铝、氧化铈、氧化铜、金刚石、氧化铁、氧化镍、氧化锰、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化锡、二氧化钛、碳化钛、氧化钨、氧化镱、和氧化锆。
10.如权利要求1所述的化学-机械抛光浆料，进一步包括氧化剂。
11.如权利要求10所述的化学-机械抛光浆料，其中所述的氧化剂选自过氧化物、过硫酸盐、过氧化二磷酸盐、硝酸铁、高碘酸、和高碘酸盐。
12.如权利要求1所述的化学-机械抛光浆料，进一步包括溶剂。
13.如权利要求12所述的化学-机械抛光浆料，其中所述的溶剂包括去离子水。
14.一种在金属镶嵌结构的制作过程中移除钽和/或氮化钽或钛和/或氮化钛阻挡层所用的化学-机械抛光浆料，所述的浆料包括将下面的含硅电介质层移除速率减小至少50％的选自赖氨酸和精氨酸的试剂。
15.如权利要求14所述的化学-机械抛光浆料，其中所述的可抑制在下面的含硅电介质层移除速率的试剂按所述的浆料重量计为0.1％至5.0％。
16.如权利要求14所述的化学-机械抛光浆料，进一步包括：粒状磨料、氧化剂、及溶剂。
17.如权利要求16所述的化学-机械抛光浆料，其中所述的氧化剂选自过氧化物、过硫酸盐、过氧化二磷酸盐、硝酸铁、高碘酸、和高碘酸盐。
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