CN101208399A - 用于铝的化学机械抛光的浆液 - Google Patents
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Abstract
本文描述了用于对基材进行化学机械抛光的浆液的实施方式，所述基材包含宽度小于1微米的铝或铝合金特征。所述浆液包含粒径小于或等于100纳米的沉淀二氧化硅磨料，以及螯合缓冲剂体系，该体系包含柠檬酸和草酸，用来使得所述浆液的pH值约为1.5－4.0。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及微电子器件制造领域。具体来说，本发明的一个实施方式涉及用于铝和铝合金的化学机械抛光浆液。
背景技术
化学机械抛光(CMP)技术被用于半导体工业，从半导体基材表面除去薄膜。这些技术的一种常规应用是通过以下步骤形成金属互连线路、通路或触点：(a)在介电层中形成图案(pattern)和蚀刻形成沟槽或孔，(b)沉积金属覆盖层，以及(c)通过化学机械抛光除去置于介电层之上的金属。图1a-1c说明了使用该方法形成铝互连线路。
图1a显示了已经在介电层102中形成图案和蚀刻出的两个沟槽110的截面图。所述介电层102位于硅基材100上方。图1b显示了覆盖沉积阻挡层104和铝层106之后的沟槽110。图1c显示了在CMP步骤完成之后，已经形成的两条互连线路112的截面图。
图2显示了常规CMP工艺的设备。基材晶片200面朝下置于抛光垫212上，该抛光垫212安装于旋转平台214上。通过这种方式，待抛光的薄膜以与抛光垫212直接接触的方式放置。使用支架216对基材晶片200的背面施加向下的压力F。在抛光工艺过程中，支架以及平台214和抛光垫212进行旋转，同时将化学活性物质和研磨溶液(统称为“浆液”222)泵送到抛光垫212的表面上。
所述浆液222通过与所述薄膜发生化学反应以及在平台214旋转的同时提供磨料除去所述薄膜，从而促进所述抛光过程。浆液组成对于该加工过程的可应用性来说是一个很重要的因素。
用于铝抛光的现有技术的浆液组合物包含强氧化剂(例如过氧化氢(H2O2)或过硫酸根离子(S2O8 2-))以及强的蚀刻剂(例如无机酸)或强的氧化性蚀刻剂(例如氟化钾(potassium fluorite)(KF))。需要用这些化学物质除去由强氧化剂产生的厚的氧化铝层。但是，这种化学物质的组合导致化学侵蚀，使得铝103金属线路或通路凹陷至介电层表面以下，如图1c所示。对于KF化学物质，还导致在介电层102上造成化学侵蚀。这些凹陷产生了非平面结构，这些非平面结构扩散到之后的层，影响了在这些层上印刷狭窄的高密度线路的能力。这些凹陷还会影响在CMP步骤中形成的金属线路或通路的整体性，带来可靠性方面的问题。对于用于前端用途的薄金属厚度，这种高度的凹陷可能导致Al层被完全除去。另外，通过氧化剂形成的氧化铝(Al2O3)厚层增大了氧化铝的浓度。这些氧化铝作为具有侵蚀性的磨料，为铝103造成过多的表面粗糙结构和划痕。当所述铝103互连线路的宽度越来越小的时候，凹陷、表面粗糙结构和划痕的影响带来的问题越来越严重。
附图说明
图1A-1C说明了基材的横截面图，该基材包括用现有技术的化学机械抛光浆液抛光的铝。
图2是显示使用现有技术的浆液对包括铝的基材进行抛光的现有技术的化学机械抛光设备的三维图。
图3A-3D说明了使用新颖的化学机械抛光浆液形成包括铝的基材的截面图。
具体实施方式
描述了对用于制造集成电路的包括铝的基材进行化学机械抛光(CMP)的化学机械抛光浆液和方法。在以下描述中，列举了大量具体的细节，例如具体的机械、材料和厚度，以便完全理解本发明。但是，本领域技术人员可以显而易见地看出，本发明的实施方式不限于这些具体细节。在其它的情况下，对其它众所周知的方法和机械结构没有具体描述，以避免对本发明造成不必要的混淆。
本发明实施方式中新颖的浆液和CMP工艺可用于在生产线前端(front-end-of-the-line)或生产线后端(back-end-of-the-line)工艺中对包括铝或铝合金的基材进行抛光。在生产线前端工艺中，可以对与晶体管门电路连接的铝进行抛光。在生产线后端工艺中，可以对通过双金属镶嵌法形成的铝互连线路和通路进行抛光。但是，本发明实施方式中讲述的情况可用于集成电路制造中的其它工艺，包括但不限于各种层的平面化。实际上，本发明讲述的情况可应用于CMP工艺，用于除了集成电路制造以外的领域。
图3A-3D显示了使用本发明的浆液，通过CMP法，在生产线前端工艺中形成铝触点。所述铝触点形成于基材300上方。所述基材优选是硅晶片，但是可以是其它的半导体，例如砷化镓或锗，或者可以是一些其它的非半导体的材料，例如陶瓷。介电层302设置于基材上方。可以使各种层置于所述基材300和介电层302之间(图中未显示)。这些层可包括门电极、隔离区、电容器或其它特征。介电层302通常是未掺杂的二氧化硅、磷硅酸盐玻璃，或者通过化学气相沉积(CVD)形成的硼磷硅酸盐玻璃。还可使用其它的介电层，例如氮化硅，或多层复合电介质，其包括例如旋涂玻璃之类的物质。在一个具体的实施方式中，所述介电层可以是低-k介电材料，例如碳掺杂的氧化物。所述介电层302的功能是将随后形成的互连线路与任意的下面的导电层电隔离开。所述介电层302可通过本领域众所周知的技术形成。
首先，在介电层302中形成开口310。在介电层302上形成了光刻胶层，然后用本领域众所周知的技术对其进行掩蔽、曝光、显影，限定开口310的位置。然后用本领域众所周知的技术(例如活性离子蚀刻)蚀刻所述介电层302，形成所述开口310。所述开口310的宽度可以约等于或小于1微米，以形成具有相同宽度的铝触点。
接下来，将粘着层304覆盖沉积在所述介电层302上。所述粘着层304的功能是确保对沉积入开口310的铝层306均匀覆盖。所述粘着层304通过众所周知的方法(例如溅射法或CVD)形成，厚度约为40。可以用钛、氮化钛或其组合之类的材料形成所述粘着层304。
接下来，使用众所周知的方法(例如溅射或CVD)在粘着层304上覆盖沉积铝层306。该沉积过程形成了厚度为1000-10000、但是优选约为2000的铝层306，以用铝完全填充开口310。所述介电层302上方的铝层306的厚度可约为1500-2000。为了适当地填充开口310，将铝加热至至少350℃，但是优选低于550℃。注意所述工艺步骤的组合与可用于形成末端互连的Al镶嵌法相符。然而，对于生产前端工艺，例如文献中已经讨论过的替换金属门电路法(replacement metal gate process)，可以用粘着层沉积、铝沟槽沉积和随后的退火完成金属填充。对于生产线前端和生产线后端工艺，随后的Al抛光工艺是相同的。
接下来，对铝层306和粘着层304进行化学机械抛光，形成宽度约小于或等于1微米的铝触点。在一个实施方式中，图3C所示的设备可用来对包含铝的基材进行化学机械抛光。还可使用类似的设备，例如图2所示的设备。
将基材300面朝下置于抛光组件327的抛光垫326上，抛光垫326与平台324的上表面固定连接。通过这种方式，包含铝的待抛光的基材与抛光垫326的上表面以直接接触的方式放置。在抛光垫326围绕固定点328沿轨道旋转(orbit)、基材300围绕其中心338逆时针旋转的同时，在所述基材/抛光垫界面上均匀分配浆液，促进所述抛光过程。所述浆液的流速可约为100-300毫升/分钟，更优选流速约为120毫升/分钟。浆液具有低流速的情况是有价值的，这是因为这样可以节约成本。通过这种方式持续进行抛光，直至除去了所需量的铝。
为了促进抛光，可以用与支架330相连的杆336对基材300的背面施加向下的作用力F1。在一个实施方式中，所述向下的压力是约为0.1-2.0psi、更优选约为1.0-1.5psi的低压力。使用低的向下压力来减少除去的氧化铝的量，从而减少划痕。所述低的压力还可与本发明浆液的实施方式相结合，用来减少粗糙、侵蚀和碟陷(dishing)。所述基材300的背面可以通过真空或者简单地通过湿表面张力保持与支架330接触。优选用插入的垫331在基材300和支架330之间作为缓冲衬垫。可以使用常规的扣环334防止在处理的过程中，基材300从支架330下面横向滑脱。
为了促进抛光的均匀性，平台324和垫426的中心340围绕固定的点328顺时针沿轨道旋转，旋转半径小于基材300的半径。所述基材300的中心338与垫326的中心324和旋转轴328相偏离。可采用足够的转速，以产生在上述范围内的低的向下压力。例如，对于12英寸的抛光垫，转速可约为20-50rpm，更优选约为30rpm。
为了使得浆液以足够的量均匀地输送到基材/抛光垫表面上，通过形成在抛光垫326中的多个等间距的孔342加入所述浆液。所述抛光垫326可以是硬的或软的。在一个实施方式中，使用RodelTM IC 1000聚氨酯基硬抛光垫。在另一个实施方式中，可使用软的毡基微孔性人造革(porometric)抛光垫，例如PolitexTM抛光垫。
在本发明的实施方式中，要获得良好的、可行的CMP结果，关键是用于抛光铝和铝合金的新颖的浆液。用来抛光铝层306的浆液包含以下组分：粒径小于或等于100纳米的沉淀二氧化硅磨料，以及包含柠檬酸和草酸的螯合缓冲体系，使得浆液的pH值约为1.5-4.0。
在浆液中包含具有小粒径的沉淀二氧化硅磨料，这是因为其是较软的磨料，而且具有更均匀的粒度和形状。二氧化硅颗粒的密度小于氧化铝，比氧化铝软。另外，由于含水，而且是低温处理，所以沉淀的二氧化硅比较不容易包含能够产生划痕的硬聚集体，这些聚集体在热解法二氧化硅或氧化铝颗粒中是常见的。由于沉淀的二氧化硅颗粒具有均匀的形状，它们在溶液中更趋于稳定，比较不易聚集形成会造成划痕的大的、硬的颗粒。这些性质有利于防止被抛光的表面产生划痕和粗糙结构。小粒径的磨料是很有价值的，这是因为其能够减少铝表面的划痕，还可减少所得的粗糙结构，从而提供平滑的抛光表面。沉淀的二氧化硅的粒径可小于100纳米，或者为3-100纳米，或者更优选约为10-50纳米。在一个实施方式中，所述沉淀的二氧化硅的粒径可约为35纳米。沉淀的二氧化硅的价值还在于其表面是活性的，能够从包含铝的基材表面吸取氧化铝，使得铝离开表面，使其不会在该表面上造成裂纹和碟陷。所述浆液中沉淀的二氧化硅的含量可约为1.0-10.0重量％，但是优选约为2-5重量％。
所述螯合缓冲剂体系是柠檬酸与草酸的组合。该组合物将pH值保持在大约1.5-4.0的狭窄范围内，更优选约为1.8-2.1。低的pH值是有价值的，这是因为其有助于将铝层306表面上氧化的铝层保持在较薄(小于100)的水平，这是因为形成了较少的氧化铝。形成的氧化铝越少，则由于除去的氧化铝在表面上产生的划痕越少，所以表面越平整。另外，当氧化的铝层较薄的时候，铝层306的抛光更快。该组合在对宽度小于1微米的铝结构(feature)(例如触点或互连线路)进行抛光的时候特别有益。加入浆液中的柠檬酸的量约为0.1-1.0重量％，更优选约为0.2-0.5重量％。加入浆液中的草酸的量可约为0.1-1.0重量％，但是更优选约为0.2-0.5重量％。
之所以形成氧化铝薄层，是由于在浆液中使用了草酸。草酸是温和的氧化剂，因此不会形成厚的氧化铝层。草酸还宜用于本发明所述浆液的实施方式，这是因为其为螯合剂，能够从铝层306的表面除去氧化铝，以利于防止在铝的表面产生划痕。可使用与草酸类似的酸代替草酸，例如可使用其它弱有机酸，如抗坏血酸。
浆液中包含的柠檬酸作为缓冲剂体系的一部分，但是之所以包含柠檬酸，也是因为其为氧化铝的有效的螯合剂。柠檬酸在水溶液中是氧化铝的极佳的络合剂，因此可以从铝层306表面上除去氧化铝。柠檬酸的价值还在于其能够在氧化铝颗粒从铝层306表面离开之后，立刻稳定氧化铝颗粒上的负电荷。在pH＜8的条件下，氧化铝颗粒的电荷从正电荷变为负电荷。在pH＞2的时候，二氧化硅颗粒上的电荷是负的，在pH＜2的时候，电荷是中性至极弱的正电荷。在pH＞2的范围内，柠檬酸可以防止沉淀的二氧化硅磨料与氧化铝颗粒的聚集体的形成。这是因为氧化铝具有很强的负电荷，使其与具有负电荷的二氧化硅颗粒相斥。据推测，由于形成聚集体，会产生大量的划痕。因此，通过向本文所述的抛光氧化铝的浆液中加入柠檬酸，可以得到改进的表面，取得这种效果在很大程度上可能是由于防止了二氧化硅和氧化铝的聚集体的形成。
所述浆液还可包含干扰剂(interference agent)，例如原硅酸四乙酯(TEOS)。TEOS是一种活性特别高的硅烷醇试剂，但是应当理解，还可将其它的活性硅烷醇试剂用于所述浆液中。所述干扰剂是一种添加剂，其在任意氧化铝颗粒聚集体的形成过程中与这些聚集体结合，以防止氧化铝颗粒聚集生长成较大的尺寸。较小的氧化铝颗粒聚集体比较不容易在包含铝的表面上产生划痕。所述干扰剂还可影响氧化铝膜在被抛光的铝表面上的生长。因此，所述氧化铝膜可以保持较薄(远小于100)，这会产生较少的可以形成聚集体的氧化铝。总之，TEOS或其它硅烷醇试剂可以通过减少划痕的数量，改进抛光后的铝表面的质量。所述浆液中TEOS的量约为0.1-1.0重量％，更优选约为0.0.2-0.0.5重量％。将浆液的组分与水混合，形成浆料溶液。
通过将粒径小于100纳米的沉淀二氧化硅磨料与柠檬酸/草酸螯合缓冲剂体系以及TEOS干扰剂组合起来，制得了一种用于抛光铝的浆液，该浆液能够在不产生显著的划痕或凹陷的情况下得到高质量的抛光的铝表面。所述浆液与软抛光垫的向下作用力的进一步结合，进一步改进了经过抛光的表面的质量。所述的铝浆液为前述没有解决的问题提供了解决方案，这些问题是宽度小于1微米的铝结构的过分划痕、粗糙结构和凹陷。
在一个具体实施方式中，所述浆液可包含粒径约为10-50纳米的沉淀的二氧化硅磨料，所述浆液中沉淀的二氧化硅磨料的含量约为2.0-5.0重量％。所述螯合缓冲剂体系由柠檬酸和草酸形成，使得浆液的pH值约为1.8-2.1。加入浆液中的柠檬酸的量约为0.2-0.5重量％。加入浆液中的草酸的量约为0.2-0.5重量％。所述浆液还包含浓度约为0.01-0.1重量％的TEOS。
所述新颖的铝浆液的优选组合物表现出许多的品质，使得CMP具有极佳的可应用性。在不造成过多划痕、凹陷或碟陷的前提下，获得了大约1000-1500/秒的铝去除速率。所述去除速率是足够的，因此无需过度抛光(overpolish)。注意，结果的再现性除了取决于浆液组成以外，还可能取决于其它的因素，例如抛光垫种类、抛光压力和抛光垫绕轨道旋转的转速。
上文描述的所述化学机械抛光方法可以使用单个平台进行，这是因为待除去的铝层很薄。但是，在另一个实施方式中，可以使用两个平台。在此实施方式中，可以使用第一平台除去铝层306的本体层(bulk layer)，可以用第二平台清洁所述铝层306。在另一个实施方式中，可以用另外的平台对包含铝的基材的表面进行磨光。
应当理解，本发明新颖的浆液和方法可用来形成除了互连线路以外的特征。例如，可以用本发明来形成通路、互连线路或其它电气连接。
在之前的说明书中，包括了浆液化学物质、膜组成和设备参数之类的具体细节，以便能够最好地描述优选的实施方式。但是本发明不限于这些细节，可以在本发明范围之内对这些细节进行各种改变。说明书和附图必须看作用来说明本发明，而不是限制。本发明的范围由所附的权利要求书所限定。因此，已经描述了本发明的一些实施方式。但是，本领域技术人员能够理解，本发明不限于所述的实施方式，而且可以在所附权利要求书的范围和精神之内对其进行改良和替代。
Claims (16)
1.一种化学机械抛光浆液，该浆液包含：
粒径小于或等于100纳米的沉淀的二氧化硅磨料；以及
包含柠檬酸和草酸以使得浆液pH值约为1.5-4.0的螯合缓冲剂体系。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光浆液，其特征在于，所述浆液配制用来抛光铝。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光浆液，其特征在于，所述浆液中存在的沉淀的二氧化硅磨料的含量约为1.0-10.0重量％。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光浆液，其特征在于，所述浆液中柠檬酸的加入量约为0.1-1.0重量％。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光浆液，其特征在于，所述浆液中草酸的加入量约为0.1-1.0重量％。
6.一种用来抛光铝的化学机械抛光浆液，其包含：
粒径约为10-50纳米的沉淀的二氧化硅磨料；
包含柠檬酸和草酸以提供约1.8-2.1的pH值的螯合缓冲剂体系；
水；以及
它们的反应产物。
7.如权利要求6所述的用来抛光铝的化学机械抛光浆液，该浆液还包含干扰剂，所述干扰剂包括原硅酸四乙酯，即TEOS。
8.如权利要求7所述的用来抛光铝的化学机械抛光浆液，其特征在于，所述浆液中TEOS的量约为0.1-1.0重量％。
9.如权利要求6所述的用来抛光铝的化学机械抛光浆液，其特征在于，所述磨料包含粒径约为35纳米的沉淀的二氧化硅。
10.一种抛光基材的方法，该方法包括：
将浆液分散在包含铝结构的基材上，所述浆液包含：沉淀的二氧化硅磨料，其粒径小于或等于100纳米；包含柠檬酸和草酸的螯合缓冲剂体系，该体系使得浆液的pH值约为1.5-4.0；以及
通过化学机械抛光，用所述浆液对包含铝结构的基材进行抛光。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述包含铝结构的基材包括宽度小于或等于1微米的铝结构。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，通过化学机械抛光、用所述浆液对包括铝结构的基材进行的抛光操作包括：从介电层上除去铝层，其中，所述铝层的厚度约为1500-2000。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述包含铝结构的基材包含生产线末端工艺中的铝金属镶嵌触点。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述包含铝结构的基材包括生产线前端工艺中的与晶体管门电路相连的铝触点。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，通过化学机械抛光对包含铝结构的基材进行的抛光包括以约0.1-2.0psi的压力将抛光垫应用于基材。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，通过化学机械抛光、用所述浆液对包括铝结构的基材进行的抛光操作包括：用软抛光垫对基材进行抛光。
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