CN101313042B - 用于钽的化学机械抛光的组合物及方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种适用于钽的化学-机械抛光(CMP)的组合物，其包含研磨剂、有机氧化剂及为此的液体载体。该有机氧化剂具有相对于标准氢电极不超过0.5V的标准氧化还原电位(E0)。经氧化的形式包含至少一个π共轭环，该环包含至少一个直接连接在该环上的杂原子。该杂原子可为N、O、S、或其组合。在方法实施方式中，利用包含研磨剂、及具有相对于标准氢电极不超过0.7V的E0的有机氧化剂、及为此的液体载体的CMP组合物，通过用该组合物研磨基板的含钽表面，优选以抛光垫辅助，从而抛光该基板的该表面。
Description
技术领域
本发明涉及用于抛光包含含钽表面的基板的组合物及方法。更具体而言，本申请涉及含有能够在存在铜时选择性地氧化钽的有机氧化剂的化学-机械抛光组合物。
背景技术
在本领域中熟知用于平坦化或抛光基板的表面的组合物及方法。抛光组合物(也称为抛光浆料)通常含有在水溶液中的研磨材料，且通过使表面与用浆料组合物饱和的抛光垫接触而将该抛光组合物施用于表面。典型的研磨材料包括二氧化硅、氧化铈、氧化铝、氧化锆及氧化锡。例如，美国专利5,527,423描述了一种通过使表面与包含在含水介质中的高纯度细金属氧化物颗粒的抛光浆料接触来化学-机械抛光金属层的方法。或者，研磨材料可并入抛光垫中。美国专利5,489,233公开了具有表面纹理或图案的抛光垫的用途，以及美国专利5,958,794公开了一种固定研磨剂抛光垫。
常规的抛光系统及抛光方法在平坦化半导体晶片中通常并不完全令人满意。具体而言，抛光组合物及抛光垫可具有低于所需抛光速率的抛光速率，且其在半导体表面的化学-机械抛中的使用可导致差的表面质量。由于半导体晶片的性能与其表面的平面度直接相关，因此关键在于使用导致高的抛光效率、均一性及移除速率且留下具有最小表面瑕疵的高质量抛光的抛光组合物及方法。
建立用于半导体晶片的有效抛光系统的困难之处源自半导体晶片的复杂性。半导体晶片通常包括基板，在该基板上已形成多个晶体管。通过图案化基板中的区域及基板上的层而将集成电路以化学方式及物理方式连接到基板中。为了产生可操作的半导体晶片并使晶片的产率、性能及可靠性最大化，合意的是在不对下面的结构或表面形貌造成不利影响的情况下，抛光晶片的选定表面。实际上，若工艺步骤不在经充分平坦化的晶片表面上进行，则在半导体制造中可发生各种问题。
各种金属、金属氧化物、金属氮化物、金属合金等已用以形成互连层与设备之间的电连接，包括钛、氮化钛、铝-铜、铝-硅、铜、钨、铂、铂-钨、铂-锡、钌、钽、氮化钽、及其组合。贵金属极具挑战性之处在于其为机械硬性且化学稳定，使得其难以经由化学-机械抛光来有效移除。
以下专利公开了用于贵金属的抛光组合物。美国专利5,691,219公开了一种包含贵金属导电层的半导体存储设备及用于抛光该贵金属的包含卤代化合物的抛光组合物。美国专利6,274,063公开了一种包含化学蚀刻剂(例如硝酸铝)、研磨颗粒及氧化剂的用于镍基板的抛光组合物。美国专利6,290,736公开了一种包含在碱性水溶液中的研磨剂和卤素的用于贵金属的化学活性抛光组合物。JP 63096599A2公开了一种溶解金属钌的方法。JP 11121411A2公开了一种包含铂族金属氧化物的细颗粒的用于铂族金属(例如Ru、Pt)的抛光组合物。JP 1270512A2公开了一种包含过氧化氢、碱性氰化物及磷酸根离子和/或硼酸根离子的用于贵金属的溶解溶液。WO 00/77107A1公开了一种包含研磨剂、液体载体、氧化剂及抛光添加剂(包括EDTA、含氮大环化合物(例如四氮杂环十四烷)、冠醚、卤化物、氰化物、柠檬酸、膦及膦酸盐)的用于贵金属(例如Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)的抛光组合物。WO 01/44396A1公开了一种包含含硫化合物、研磨剂颗粒及水溶性有机添加剂(据称其改良研磨剂颗粒的分散性且提高金属移除速率及选择性)的用于贵金属的抛光组合物。
此外，含钽表面的化学-机械抛光(例如在阻挡膜应用中的钽移除)通常利用氧化剂。到目前为止，过氧化氢是用于钽的CMP中的最常用的氧化剂。过氧化氢为强氧化剂，其可与限制抛光浆料组合物的使用期(pot life)稳定性的其它浆料组分反应。可在低的pH值下添加电子转移催化剂(例如Fe、Os或Ru)以与过氧化氢共同作用来加速待抛光的表面上存在的金属的氧化及移除。在提高的pH值下，这些金属电子转移催化剂沉淀为氧化物及氢氧化物化合物，且失去其作为电子转移催化剂的效力。在存在铜时选择性地氧化钽通常也合乎需要。许多常见氧化剂在钽与铜之间无选择性。
在微芯片设备中引入多孔低k材料已使“低的下压力(lowdown-pressure)”(低P)平坦化成为极重要的因素。虽然低P操作难以并入到目前可利用的CMP构架中，但有可能将经电化学控制的材料移除与低P机械抛光组合，其中后一步骤的主要作用在于提供整个样品表面的均一平坦化 (即，以便于优先从表面的突起而非凹陷区域进行选择性的材料移除)。由针对工业应用的Applied Materials所引入的此方法称为电化学机械平坦化(ECMP)，且可潜在地导致比目前所实施的化学机械平坦化(CMP)更有效的平坦化技术。
在ECMP的大部分应用中，机械研磨步骤包括氧化物和/或表面络合物(不是下面的主体金属的)的薄的钝化膜的移除，且因此其可在低的下压力(＜1psi)下进行。虽然电化学技术通常仅用作CMP机械装置的“探测器(probe)”以分析各种CMP系统的腐蚀/侵蚀行为，但这些技术不常应用于实际的CMP工艺。在ECMP中，电化学技术可用以激活并了解材料移除的机制。除其低P加工能力外，ECMP的另一主要特征在于其可使用不具有研磨剂颗粒或具有非常低浓度的研磨剂颗粒的电解质来进行。这有助于消除与使用含有高浓度研磨剂颗粒的浆料相关的CMP的几个缺点，例如晶片内均一性的缺乏、颗粒凝结、浆料处理及废物处理。终点检测的任务在ECMP中相对简单，其中简单地控制所施加的电压或电流可精确控制平坦化的程度。在ECMP中，通常也可能可以消除对某些昂贵的、不稳定的和/或发生副反应的化学药品(氧化剂、表面活性剂等)的需要。
然而，仍需要这样的抛光系统和抛光方法，其将在抛光及平坦化基板的过程中表现出合意的平坦化效率、均一性及移除速率，同时使缺陷(例如表面缺陷及在抛光及平坦化过程中对下面的结构及表面形貌的损害)最小化。需要经改良的抛光组合物及方法以用于含钽的基板的抛光，尤其需要在化学-机械抛光(CMP)过程中在存在铜时可选择性地氧化钽的组合物及方法。
本发明提供这样的经改良的化学-机械抛光组合物及方法。本发明的这些及其它优点将从本文所提供的对本发明的描述中变得明晰。
发明内容
本发明提供一种适用于钽的CMP的组合物，该组合物包含研磨剂、有机氧化剂、及用于该研磨剂及该有机氧化剂的液体载体。该有机氧化剂具有相对于标准氢电极不超过0.5V的标准氧化还原电位(E0)。该氧化剂包含至少一个π共轭环，该环包含至少一个直接连接在该环上的杂原子。该杂原子可为N、O、S、或其组合。优选地，该有机氧化剂能够在存在铜时选择性地氧化钽。
一种抛光含钽基板的方法，该方法包括用如上所述的本发明的CMP组合物研磨基板的表面，所述CMP组合物包含研磨剂、具有相对于标准氢电极不超过0.7V的标准氧化还原电位(E0)的有机氧化剂、及用于该研磨剂及该有机氧化剂的液体载体。在优选实施方式中，该有机氧化剂具有相对于标准氢电极不超过0.5V的E0。通常，利用抛光垫通过使该CMP组合物与待抛光的基板表面接触来研磨该基板。
附图说明
图1图示了多种可用于本发明的钽CMP组合物中的有机氧化剂的化学结构。
图2图示了一些优选的蒽醌有机氧化剂的化学结构。
图3图示了优选的靛类(indigo)化合物有机氧化剂的化学结构。
图4图示了优选的萘醌有机氧化剂的化学结构。
图5图示了优选的苯醌有机氧化剂的化学结构。
图6图示了优选的靛酚有机氧化剂的化学结构。
具体实施方式
本发明涉及用于抛光包含贵金属和/或钽的基板的组合物及方法。使该基板与包含(a)研磨剂及抛光垫、(b)液体载体、及至少一种抛光添加剂(即，一种或多种抛光添加剂)的化学-机械抛光(“CMP”)系统接触。抛光添加剂可为任何合意地增加该系统抛光该基板的至少一种贵金属层的速率的合适化合物。研磨该基板的至少一部分以抛光该基板的表面。该研磨剂、液体载体及任选的一种或多种抛光添加剂以及悬浮于该液体载体中的任何其它组分形成该CMP系统的抛光组合物。
为了抛光具有含钽表面的基板，抛光添加剂优选为具有相对于标准氢电极不超过0.5V的标准氧化还原电位(E0)的有机氧化剂。有机氧化剂包含至少一个π共轭环，该环包含至少一个直接连接在该环上的杂原子。所述至少一个杂原子选自N、O、S、及其组合。优选地，该有机氧化剂能够在存在铜时选择性地氧化钽。
研磨剂可固定于抛光垫上和/或可为微粒形式且悬浮于液体载体中。优选研磨剂悬浮于液体载体中。抛光垫可为任何合适的抛光垫。
研磨剂可为任何合适的研磨剂，其中的许多在本领域中是已知的。例如，研磨剂可为天然的或合成的，且可包括金刚石(例如，多晶金刚石)、石榴石、玻璃、金刚砂、金属氧化物、氮化物、碳化物、聚合物、复合物(例如，聚合物复合物、或聚合物/金属氧化物复合物)等。对研磨剂的选择可取决于待抛光的基板的具体性质。研磨剂优选包括金属氧化物、金刚石、碳化硅、氮化硅、氮化硼、或其组合。金属氧化物合意地选自氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、二氧化铈、氧化锆、氧化锗、氧化镁、其共形成产物(co-formed product)、及其组合。更优选地，研磨剂包括二氧化硅、氧化铝(例如，α-氧化铝、热解氧化铝(fumed alumina))、氮化硅和/或碳化硅。在一些实施方式中，研磨剂优选包括平均粒度为150nm或更大(例如，200nm或更大，或250nm或更大)的α-氧化铝。通常，α-氧化铝与更软的研磨剂(例如，热解氧化铝)组合使用。研磨剂可具有任何合适的粒度。在一些实施方式中，优选使用平均粒度为150nm或更大(例如，200nm或更大，或250nm或更大)的α-氧化铝。平均粒度报道为通过光散射，例如使用Horiba LA-910仪器所测定的平均粒度。
如本文所述的任何研磨材料可用于本发明的钽CMP组合物中。优选的研磨剂的非限制性实例包括二氧化硅研磨剂、氧化铝研磨剂、氧化锆研磨剂、二氧化铈研磨剂、及其任何组合。为了抛光含钽的表面，优选的研磨剂为胶态二氧化硅。若需要，则可用金属，例如铝或硼掺杂胶态二氧化硅。优选地，胶态二氧化硅的平均粒度为120nm或更小，更优选为70nm或更小。
任何合适的量的研磨剂可存在于抛光组合物中。通常，0.01重量％或更多(例如，0.03重量％或更多、或0.05重量％或更多)的研磨剂可存在于抛光组合物中。更通常地，0.1重量％或更多的研磨剂将存在于抛光组合物中。抛光组合物中的研磨剂的量通常将不超过50重量％，更通常将不超过20重量％。优选地，抛光组合物中的研磨剂的量为0.5重量％至10重量％。在一些实施方式中，抛光组合物中的研磨剂的量合意地为0.1重量％至5重量％。在钽CMP组合物的情况下，研磨剂优选以0.01重量％至5重量％、更优选为0.05重量％至2重量％、最优选为0.1重量％至1重量％的总固体含量悬浮于液体载体中。
使用液体载体以便于将研磨剂(当存在时)、一种或多种抛光添加剂及任何任选的添加剂施用于待抛光或平坦化的适合基板的表面。液体载体通常为含水载体且可仅为水，可包含水及可与水混溶的适合溶剂，或者可为乳液。 可与水混溶的适合溶剂包括醇，例如甲醇、乙醇等。优选地，含水载体由水组成，更优选由去离子水组成。
在本发明的第一个实施方式中，抛光添加剂存在于化学机械抛光系统中。抛光添加剂与贵金属表面相互作用并促进其在化学-机械抛光过程中的溶解。合适的抛光添加剂包括二酮、二酮酸盐(diketonate)、脲化合物、含氮杂环化合物、含氧杂环化合物、含磷杂环化合物、可为两性离子化合物的含氮化合物、磺酸化合物、其盐、及其组合。
合适的二酮及二酮酸盐包括，例如，环戊二酮、环己二酮、环丁二酮、环庚二酮、直链二酮及烷基铵-2，4戊二酮酸盐(alkylammonium-2，4-pentanedionate salt)。合适的含氮杂环化合物包括，例如，吡啶、联吡啶、喹啉、菲咯啉、嘧啶、氢化嘧啶、吡嗪、吡唑、咪唑、咪唑啉、四氢咪唑、哌嗪、三嗪、嘌呤、噁唑、噁嗪、吡咯、吡咯啉、吡咯烷、吲哚、吲哚啉、异吲哚、咔唑、及其组合。合适的含氧杂环化合物包括，例如，二氧戊环、三氧戊环(trioxolane)、呋喃、吡喃酮、吗啉、香豆素、苯并吡喃酮、二噁烷、三噁烷及臭氧化物。合适的含磷杂环化合物包括，例如，磷杂环戊烯、磷杂环戊烷、环磷烯(phospholene)及phospholidine。含氮、氧及磷的杂环化合物可进一步包含一个或多个醇、酰胺、酮、羧酸或磺酸基团。例如，含氮杂环抛光添加剂可为吡啶甲酸、2-吡啶甲醛、3-吡啶甲醛、4-吡啶甲醛、2-吡啶甲醇、2，3-吡啶二羧酸、2，6-吡啶二羧酸、2-吡啶乙酸盐酸盐(2-pyridylacetic acid HCl)、3-吡啶乙酸盐酸盐、2-吡啶乙磺酸、4-吡啶乙磺酸、氢氧化1-(3-磺丙基)吡啶鎓(1-(3-sulfonyl)pyridinium hydroxide)、腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶。
可为两性离子化合物的含氮化合物为在特定pH值下可为两性离子化合物的含氮化合物。两性离子化合物为在不相邻的原子上具有形式上的相反电荷的中性化合物。两性离子化合物通常同时含有酸部分及碱部分，其中酸部分的pKa不同于碱部分的pKa，从而当pH值介于酸部分的pKa与碱部分的pKa之间时，该化合物为两性离子。两性离子化合物也称为内盐。例如，虽然可为两性离子化合物的含氮化合物无需为氨基酸，但氨基酸是可为两性离子化合物的含氮化合物。在那方面，鉴于以上所鉴别的抛光添加剂，吡啶乙磺酸、吡啶磺酸、吡啶乙酸、3-(3-吡啶基)丙酸、吡嗪甲酸、氢氧化1-(3-磺丙基)吡啶鎓及吡啶甲酸为可为两性离子化合物的含氮化合物。其它可为两 性离子化合物的含氮化合物(其可用于本发明的研磨组合物中)包括对氨基苯磺酸、氢氧化十二烷基二甲基(3-磺丙基)铵(十二烷基磺基甜菜碱)、氢氧化(羧甲基)三甲基铵(甜菜碱)、2-(N-吗啉代)乙磺酸、N-2-乙酰氨基(acetamido)亚氨基二乙酸、1，3-双[三(羟甲基)甲基氨基]丙烷、N-2-乙酰氨基-2-氨基乙磺酸、3-(N-吗啉)丙磺酸、N-三(羟甲基)甲基-2-氨基乙磺酸、N-2-羟乙基哌嗪-N′-2-乙磺酸、N-2-羟乙基哌嗪-N′-3-丙磺酸、N-三(羟甲基)甲基甘氨酸、环己基氨基乙磺酸、3-(环己基氨基)丙磺酸、2-丙烯酰胺基(acrylamido)-2-甲基丙磺酸、其盐、及其组合。
磺酸化合物为单磺酸化合物、二磺酸化合物、三磺酸化合物、或多磺酸化合物、或其盐。优选地，磺酸化合物为单磺酸化合物、二磺酸化合物、或三磺酸化合物、或其盐。通常，磺酸化合物选自芳基磺酸、烷基磺酸、杂环磺酸或其盐。合适的磺酸化合物包括上述任何磺酸化合物，例如，吡啶乙磺酸、吡啶磺酸、氢氧化1-(3-磺丙基)吡啶鎓、对氨基苯磺酸、氢氧化十二烷基二甲基(3-磺丙基)铵、2-(N-吗啉代)乙磺酸、N-2-乙酰氨基-2-氨基乙磺酸、3-(N-吗啉)丙磺酸、N-三(羟甲基)甲基-2-氨基乙磺酸、N-2-羟乙基哌嗪-N′-2-乙磺酸、N-2-羟乙基哌嗪-N′-3-丙磺酸、环己基氨基乙磺酸、3-(环己基氨基)丙磺酸及2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸。此外，磺酸化合物可选自苯磺酸、氢醌磺酸、羟乙基磺酸、4，7-二苯基-1，10-菲咯啉二磺酸、1，2-萘醌-4-磺酸、氨基蒽醌磺酸、2-甲酰基苯磺酸、3-氨基-4-羟基苯磺酸、4-羟基苯磺酸、6-氨基甲苯-3-磺酸、联苯胺-3-磺酸、二苯胺-4-磺酸、羟胺-O-磺酸、哌啶磺酸、对氨基苯甲醚-3-磺酸、对二甲苯-2-磺酸、甲磺酸、3-环己基氨基-1-丙磺酸、5-甲酰基-2-呋喃磺酸、其盐、及其组合。
优选地，抛光添加剂选自吡啶甲酸、2-吡啶甲醛、2-吡啶甲醇、2，3-吡啶二羧酸、2，6-吡啶二羧酸、2-吡啶乙酸盐酸盐、2-吡啶乙磺酸、4-吡啶乙磺酸、1，10-菲咯啉、1，2-戊二酮、对氨基苯磺酸、吡啶磺酸、氢氧化1-(3-磺丙基)吡啶鎓、氢醌磺酸、N-三(羟甲基)甲基-2-氨基乙磺酸、苯磺酸、羟乙基磺酸、其盐、及其组合。
当抛光添加剂为磺酸化合物时，合意的是研磨剂包含氧化铝，尤其是α-氧化铝。优选地，研磨剂包含α-氧化铝与热解氧化铝的混合物(例如，60％的α-氧化铝和40％的热解氧化铝)。更优选地，研磨剂包含平均粒度为150nm或更大(例如，200nm或更大，或250nm或更大)的α-氧化铝。
CMP系统可包含任何合适的量的第一个实施方式的一种或多种抛光添加剂，且通常包含0.01重量％或更多的这样的一种或多种抛光添加剂。优选地，CMP系统包含0.01重量％至10重量％(例如，0.1重量％至10重量％)的这样的一种或多种抛光添加剂。更优选地，CMP系统包含0.1重量％至5重量％(例如，0.1重量％至2重量％)的这样的一种或多种抛光添加剂。
在本发明的第二个实施方式中，抛光添加剂及过氧型(peroxy-type)氧化剂存在于化学机械抛光系统中。抛光添加剂为具有两种或更多种氧化态的金属化合物。抛光添加剂可为金属盐或金属配体络合物。例如，抛光添加剂可为式MX、MX2、MX3或M2X3的铁、铜或锰化合物，其中M为Fe、Cu或Mn，且X选自硝酸根、氟离子、氯离子、溴离子、碘离子、氧离子、氢氧根、硫酸根、乙酸根、草酸根、乙酰丙酮酸根(acetylacetonate)、柠檬酸根、酒石酸根、丙二酸根、葡萄糖酸根、邻苯二甲酸根、琥珀酸根、高氯酸根、过溴酸根、高碘酸根、及其组合。抛光添加剂也可为式CeX2的铈化合物，其中X选自氧离子、氢氧根、及其组合。优选地，抛光添加剂为硫酸铁、硝酸铁、硝酸铜或高氯酸锰。CMP系统可含有一种或多种抛光添加剂，且可含有上述抛光添加剂的混合物。
CMP系统可包含任何合适的量的第二个实施方式的一种或多种抛光添加剂，且通常包含0.0001重量％或更多的这样的一种或多种抛光添加剂。优选地，CMP系统包含0.001重量％至5重量％的这样的一种或多种抛光添加剂。更优选地，CMP系统包含0.001重量％至2重量％的这样的一种或多种抛光添加剂。
在第三个实施方式中，研磨剂存在于化学-机械抛光系统中，且悬浮于液体载体中。研磨剂混合物包含α-氧化铝及热解氧化铝。通常，α-氧化铝与热解氧化铝的重量之比为0.6∶1至9∶1。优选地，α-氧化铝与热解氧化铝的重量之比为1∶1至4∶1(例如，1.5∶1至3∶1)。
第三个实施方式的CMP系统任选地进一步包含抛光添加剂。抛光添加剂可为任何合适的抛光添加剂。例如，抛光添加剂可为以上所讨论的关于第一个及第二个实施方式的任何抛光添加剂。合适的抛光添加剂进一步包括羧酸盐及其酸、羟基化物及其酸、羰基化物及其酸、焦磷酸盐、缩聚磷酸盐(condensed phosphate)、膦酸及其盐、胺、氨基醇、酰胺、亚胺、亚氨基酸及其盐、腈、含硝基的化合物、硫醇、硫酯、硫醚、硫羟酸及其盐、硫羰酸及 其盐、硫代羧酸及其盐、磺酸及其盐、硫代水杨酸及其盐、及其混合物。
CMP系统任选地进一步包含过型(per-type)氧化剂。第二个实施方式的CMP系统包含过氧型氧化剂。过型氧化剂可为任何合适的过型氧化剂。合适的过型氧化剂包括无机及有机过化合物(per-compound)。过化合物(如Hawley的Condensed Chemical Dictionary所定义的)为含有至少一个过氧基(-O-O-)的化合物或含有处于其最高氧化态的元素的化合物。含有至少一个过氧基的化合物的实例包括(但不限于)过氧化氢及其加合物(例如，脲过氧化氢及过碳酸盐(酯))、有机过氧化物(例如，过氧化苯甲酰、过氧乙酸及二叔丁基过氧化物)、单过硫酸盐(monopersulfate)(SO5 2-)、二过硫酸盐(dipersulfate)(S2O8 2-)及过氧化钠。含有处于其最高氧化态的元素的化合物的实例包括(但不限于)高碘酸、高碘酸盐、过溴酸、过溴酸盐、高氯酸、高氯酸盐、过硼酸、过硼酸盐及高锰酸盐。过型氧化剂优选选自过氧化氢、过硫酸盐(persulfate salt)(例如过硫酸铵)、高碘酸盐及高锰酸盐。更优选地，过型氧化剂为过硫酸铵或过氧化氢。
过氧型氧化剂为含有至少一个过氧基的化合物，且选自有机过氧化物、无机过氧化物及其混合物。含有至少一个过氧基的化合物的实例包括(但不限于)过氧化氢及其加合物(例如脲过氧化氢及过碳酸盐(酯))、有机过氧化物(例如过氧化苯甲酰、过氧乙酸及二叔丁基过氧化物)、单过硫酸盐(SO5 2-)、二过硫酸盐(S2O8 2-)及过氧化钠。优选地，过氧型氧化剂为过氧化氢。
CMP系统可含有任何合适的量的过型或过氧型氧化剂。CMP系统优选包含0.5重量％至20重量％的过型氧化剂及第一个实施方式的一种或多种抛光添加剂。CMP系统优选包含0.1重量％至20重量％(例如1重量％至10重量％)的过氧型氧化剂及第二个实施方式的一种或多种抛光添加剂。CMP系统优选包含0.5重量％至20重量％的过型氧化剂及第三个实施方式的研磨剂。
本发明的第四个实施方式包含适用于抛光基板的含钽表面、尤其是含钽及铜的表面的CMP组合物。该CMP组合物包含：(a)研磨剂、(b)具有相对于标准氢电极(SHE)不超过0.5V的标准氧化还原电位(E0)的有机氧化剂、及(c)为此的液体载体。有机氧化剂包含至少一个π共轭环，该环具有至少一个直接连接在该环上的杂原子。杂原子可为N、O、S、或其组合。在一些优选实施方式中，有机氧化剂能够在存在铜时选择性地氧化钽。
优选地，有机氧化剂包含不饱和烃环、不饱和杂环、或其组合。在一些优选实施方式中，有机氧化剂包括包含两个或更多个杂原子(例如，N、O、S、或其组合)的杂环。在其它优选实施方式中，有机氧化剂的π共轭环包括至少三个杂原子(例如，N、O、S、或其组合)。
适合用在本发明的组合物和/或方法中的有机氧化剂的非限制性实例包括具有至少一个醌部分的化合物(例如，蒽醌、萘醌、苯醌等)、对苯二胺化合物、吩嗪化合物、硫堇化合物、吩噁嗪化合物、吩噻噁(phenoxathiin)化合物、靛类化合物、靛酚化合物、或其任意组合。前述合适的有机氧化剂的未经取代的形式的结构示于图1中，其中化合物1为1，4-苯醌，化合物2a为1，4-萘醌，化合物2b为1，2-萘醌，化合物3为9，10-蒽醌，化合物4为对苯二胺，化合物5为吩嗪，化合物6为硫堇，化合物7为吩噁嗪，化合物8为吩噻噁，化合物9为靛蓝，及化合物10为靛酚。前述化学种类的合适的有机氧化剂具有相对于SHE的0.5V或更小的E0。
有机氧化剂的一个优选种类包括连接到该氧化剂分子的至少一个酸性取代基或其盐。合适的酸性取代基包括羧酸取代基、磺酸取代基、膦酸取代基、其盐或其任何组合。
有机氧化剂的另一优选种类包括带正电的基团(即，阳离子氧化剂)，例如带正电的杂环基团、季铵取代基或胺取代基。当带正电的基团为胺取代基时，选择组合物的pH值使得pH值比胺取代基的pKa小至少1个单位，以确保胺取代基被质子化，因此赋予取代基正电荷。带正电的有机氧化剂的非限制性实例包括硫堇化合物、吩嗪化合物、其盐等。合适的阳离子氧化剂的盐包括(但不限于)卤化物盐(例如，氯化物、溴化物及碘化物)、硫酸盐、磷酸盐、磺酸盐、膦酸盐、硝酸盐、乙酸盐、苯甲酸盐等。
在一些优选实施方式中，有机氧化剂能够进行以循环伏安图表征的可逆的氧化还原反应，其中在多个重复的还原及氧化循环过程中均可观测到阳极反应及阴极反应。
优选地，有机氧化剂可溶于液体载体中，或者在液体载体中至少是可分散或可乳化(例如，借助于合适的表面活性剂、分散剂或乳化剂)。有机氧化剂优选以0.1至10毫摩尔范围内的有机氧化剂浓度存在于(即，溶于、分散于或乳化于)液体载体中。
优选的钽CMP组合物包括包含至少一种醌化合物(例如蒽醌、萘醌、苯醌或其任何组合)的有机氧化剂。优选的蒽醌化合物包括(但不限于)9，10-蒽醌-2，6-二磺酸、9，10-蒽醌-2，7-二磺酸、9，10-蒽醌-2-磺酸、9，10-蒽醌-1，8-二磺酸、9，10-蒽醌-1，5-二磺酸、茜素(Alizarin)、茜素红S、酸性蓝45、其盐、及其任何组合，其结构示于图2中。优选的苯醌化合物包括2，5-二羟基-1，4-苯醌或其盐。
另一优选的钽CMP组合物包括为靛类化合物的有机氧化剂。优选的靛类化合物包括(但不限于)靛蓝-5，5′-二磺酸或其盐，其结构示于图3中。
在一个优选实施方式中，有机氧化剂为存在于钽CMP组合物中的唯一氧化剂。在其它优选实施方式中，本发明的钽CMP组合物进一步包含辅助氧化剂，辅助氧化剂与有机氧化剂的摩尔比优选为1∶10至10∶1。合适的辅助氧化剂的实例包括本文所述的过型氧化剂或过氧型氧化剂、或其组合。合适的辅助氧化剂的非限制性实例包括碘酸盐化合物(例如，碘酸钾、碘酸钠等)、过硫酸盐化合物(例如过硫酸钾、过硫酸钠等)及过氧化氢。此外，与仅含碘酸钾的浆料相比，如碘酸钾浓度(5毫摩尔)的十分之一浓度一样少的有机氧化剂(9，10-蒽醌-2，6-二磺酸，0.5毫摩尔)的存在导致使用期显著增加。
任何适用于CMP工艺中的液体载体均可用在本发明的钽CMP组合物中。液体载体通常为含水载体且可仅为水，可包含水及合适的可与水混溶的溶剂，或者可为乳液。合适的可与水混溶的溶剂包括醇，例如甲醇、乙醇等。优选地，含水载体由水、更优选由去离子水组成。
在一些优选实施方式中，本发明的钽CMP组合物进一步包含赋形剂例如碱金属盐、表面活性剂、螯合剂等，以有助于在抛光过程中经氧化的钽类(例如，氧化钽)从晶片表面的移除。
在其它优选实施方式中，本发明的CMP组合物包含铜氧化抑制剂。铜氧化抑制剂的非限制性实例包括三唑及其衍生物，例如1，2，4-三唑、1H-1，2，3三唑、s-三嗪、1H-1，2，4-三唑-3-硫醇、1，2，4-三唑并[1，5-a]嘧啶、1H-1，2，3-三唑并[4，5-b]吡啶、1，2，3-三唑-4，5-二羧酸；苯并三唑及其衍生物，例如1H-苯并三唑、1H-苯并三唑-1-甲醛、苯并三唑-5-羧酸、5-甲基-1H-苯并三唑、5-氯苯并三唑、1-(异氰基甲基)-1H-苯并三唑等。
一种用于抛光基板的含钽表面的方法包括用包含有机氧化剂及为此的液体载体的钽CMP组合物研磨基板的表面。任选地，CMP组合物中可包含研磨材料(例如，胶态二氧化硅、热解二氧化硅、热解氧化铝、α-氧化铝等)。 优选地，待抛光的表面至少部分地包含钽、氮化钽、或其组合。此外，优选地，待抛光的表面的至少一部分包含铜。在优选的钽CMP方法实施方式中，有机氧化剂具有相对于SHE不超过0.7V的E0。有机氧化剂包含至少一个π共轭环，该环具有至少一个直接连接在该环上的杂原子。杂原子可为N、O、S、或其组合。在另一优选实施方式中，有机氧化剂具有相对于SHE不超过0.5V的E0。
优选地，待抛光的基板(例如，半导体晶片)安装于CMP装置的工作台(platen)上，且CMP组合物被供应到待抛光的基板的表面。接着在CMP组合物的辅助下，利用抛光垫来研磨晶片的表面。该垫可为本文所述的以及在CMP领域中为人所熟知的任何常规的抛光垫，其包括(但不限于)发泡或实心聚合物垫(例如，聚氨酯垫)、包括嵌入的研磨剂颗粒的垫(即，固定研磨剂垫)等。此外，本发明的方法包括电化学CMP方法，其中对待抛光的表面施加电位，以在垫及CMP组合物的辅助下从基板的表面以电化学方式溶解金属。
在本发明的一些优选的方法实施方式中，有机氧化剂包括醌化合物，例如蒽醌、萘醌、苯醌、或其组合。合适的蒽醌化合物的非限制性实例包括示于图2中的化合物。合适的萘醌化合物的实例包括(但不限于)1，2-萘醌-4-磺酸及其盐，其结构示于图4中。优选的苯醌化合物包括(但不限于)2，5-二羟基-1，4-苯醌(DHBQ)(其结构示于图5中)或其盐。
再一优选的钽CMP方法使用包含至少一种靛酚化合物的有机氧化剂。优选的靛酚化合物包括(但不限于)2，6-二氯靛酚及其盐(例如钠盐)，其结构示于图6中。
以上实施方式中的任何一个的CMP系统及组合物合意地具有2至12的pH值。实际pH值范围将至少取决于待抛光的基板的类型。当使用CMP系统来抛光含铂的基板时，pH值合意地为2至7。当CMP系统抛光含钌的基板时，pH值合意地为5或更大，优选为7至11。当CMP系统用于抛光含铱的基板时，pH值合意地为5至12，优选为7至9。虽然使用较高的pH值倾向于增加贵金属的移除速率，但二氧化硅层的移除速率类似地增加，导致抛光选择性的总体降低。当CMP组合物用于抛光含钽的表面时，pH值优选在1.5至5的范围内。
以上实施方式中的任何一个的CMP系统任选地进一步包含含胺的单体化合物、低聚化合物或聚合化合物，其有助于降低二氧化硅层的移除速率。 合适的含胺化合物包括聚乙烯亚胺、二甲氨基丙胺、1，4-双(3-氨基丙基)哌嗪等。
以上实施方式中的任何一个的CMP系统合意地用于抛光包含含有至少一种贵金属和/或钽的层并任选地包含绝缘层的基板的方法中，通过使基板与化学-机械抛光系统接触，且磨除基板金属层或绝缘层(若存在)的至少一部分，使得金属层或绝缘层变为经抛光的。基板可为任何合适的基板(例如，集成电路、存储器或硬盘、金属、ILD层、半导体、微电子机械系统、铁电体、磁头、聚合薄膜及低或高介电常数膜)，且可含有任何合适的贵金属或贵金属合金层(例如，金属导电层)。绝缘层可包含任何合适的绝缘材料，例如，金属氧化物、多孔金属氧化物、玻璃、有机聚合物、氟化有机聚合物或任何其它合适的高或低κ绝缘材料。绝缘层优选包含基于硅的金属氧化物。贵金属、贵金属合金或贵金属氧化物层优选包括铂(Pt)、铱(Ir)、铼(Re)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)或金(Au)。优选地，贵金属或贵金属合金层包括铂、钌(例如RuO2)或铱(例如IrO2)。
以下实施例进一步说明本发明，但当然不应解释为以任何方式限制其范围。
实施例1
该实施例证明抛光添加剂对铂的溶解速率的影响。
使用铂旋转圆盘电极(rotating disk electrode，RDE)以电化学方式评估在不同抛光组合物(抛光组合物1A-1L及1A′-1L′)的存在下的铂的溶解及腐蚀速率。铂电极以500rpm旋转，且在90kPa(13psi)的下压力(down force)下与研磨垫保持接触。在电极表面被研磨时(溶解速率)及研磨后(腐蚀速率)评估金属的溶解速率。将铂的活性作为电流密度进行测量，然后利用法拉第定律(Faraday’s law)将其重新计算成溶解速率或腐蚀速率(以 
为单位)。当将过氧化氢用作氧化剂时，所计算的溶解及腐蚀速率包括在电极处由过氧化氢的电化学活性所导致的额外电流密度。因此，所报道的在过氧化氢的存在下的铂的溶解及腐蚀速率可大于真正的铂溶解及腐蚀速率。
各抛光组合物含有6重量％的α-氧化铝及1重量％的过硫酸铵(抛光组合物1A-1L)，或者含有6重量％的α-氧化铝、1重量％的过氧化氢及0.1N K2SO4 支持电解质(抛光组合物1A′-1L′)。抛光组合物1A及1A′(对照组)不含抛光添 加剂。抛光组合物1B-1I(比较组)分别含有1重量％的甘氨酸、甲硫氨酸、组氨酸、脯氨酸、巯基琥珀酸、2-亚氨基-4-硫代缩二脲、2-氨基-2-甲基丙醇及KBr，抛光组合物1B′-1I′(比较组)分别含有1重量％的甘氨酸、甲硫氨酸、组氨酸、脯氨酸、巯基琥珀酸、2-亚氨基-4-硫代缩二脲、2-氨基-2-甲基丙醇及KBr。抛光组合物1J-1L(本发明)分别含有1重量％的吡啶甲酸、2，5-环戊二酮及吡唑，抛光组合物1J′-1L′(本发明)分别含有1重量％的吡啶甲酸、2，5-环戊二酮及吡唑。测量各化学机械抛光系统的铂的溶解及腐蚀速率。在过硫酸铵及过氧化氢存在下的铂的溶解及腐蚀速率分别总结于表1及2中。
表1：在过硫酸铵存在下的铂的溶解及腐蚀速率
| 抛光组合物 | 抛光添加剂 | 氧化剂 | pH 值 | Pt溶解 速率 | Pt腐蚀 速率 |
| 1A(对照组) | 无 | (NH4)2S2O8 | 4.6 7.2 9.0 | 16.8 34.6 42 | ＜0.1 1.2 0.2 |
| 1B(比较组) | 甘氨酸 | (NH4)2S2O8 | 5.1 7.1 8.5 | 17.4 37.7 34.8 | -- |
| 1C(比较组) | 甲硫氨酸 | (NH4)2S2O8 | 2.1 6.1 8.0 | 14.5 14.5 1.74 | 0.1 0.1 0.1 |
| 1D(比较组) | 组氨酸 | (NH4)2S2O8 | 4.1 7.0 9 | 29 29 34.9 | 0.1 0.1 0.1 |
| 1E(比较组) | 脯氨酸 | (NH4)2S2O8 | 4.9 7.4 8.9 | 34.8 34.8 58 | 0.1 0.3 0.1 |
| 1F(比较组) | 巯基琥珀酸 | (NH4)2S2O8 | 2.2 6.2 8.3 | 29 29 29 | -- |
| 1G(比较组) | 2-亚氨基-4-硫 代缩二脲 | (NH4)2S2O8 | 3.9 6.1 | 31.9 29 | 0.1 0.1 |
| 8.5 | 23.2 | 0.1 | |||
| 1H(比较组) | 2-氨基-2-甲基 丙醇 | (NH4)2S2O8 | 3.9 6.8 9.6 | 31.9 34.8 46.4 | 0.6 2.9 2.9 |
| 1I(比较组) | KBr | (NH4)2S2O8 | 4 7 9 | 34.8 37.7 58 | 0.1 0.3 0.9 |
| 1J(本发明) | 吡啶甲酸 | (NH4)2S2O8 | 4.0 6.9 9.8 | 20.2 52.2 55.1 | 0.2 0.9 0.2 |
| 1K(本发明) | 2，5-环戊二酮 | (NH4)2S2O8 | 3.9 6.2 8.2 | 22.6 20.3 24.8 | 1.5 2 1.5 |
| 1L(本发明) | 吡唑 | (NH4)2S2O8 | 5.1 7.0 8.9 | 21 26.1 29 | 0.1 0.5 0.9 |
表2：在过氧化氢存在下的铂的溶解及腐蚀速率
| 抛光组合物 | 抛光添加剂 | 氧化剂 | pH 值 | Pt溶解 速率 | Pt腐蚀 速率 |
| 1A′(对照组) | 无 | H2O2 | 3.6 6.0 8.9 | 34.8 5.8 20.3 | 34.8 0.93 9.3 |
| 1B′(比较组) | 甘氨酸 | H2O2 | 4 6 8.5 | 63.8 20.3 130.5 | -- |
| 1C′(比较组) | 甲硫氨酸 | H2O2 | 3.8 5.9 8.2 | 69.6 66.7 101.5 | -- |
| 1D′(比较组) | 组氨酸 | H2O2 | 3.6 7.9 | 174 116 | -- |
| 9.1 | 261 | ||||
| 1E′(比较组) | 脯氨酸 | H2O2 | 4.1 6.1 9.1 | 43.5 14.5 29 | -- |
| 1F′(比较组) | 巯基琥珀酸 | H2O2 | 2.2 6.2 8.3 | 174 377 290 | -- |
| 1G′(比较组) | 2-亚氨基-4- 硫代缩二脲 | H2O2 | 3.8 6.1 8.2 | 26.1 29 34.8 | 5.2 5.8 10.2 |
| 1H′(比较组) | 2-氨基-2-甲 基丙醇 | H2O2 | 4.0 7.5 11.2 | 29 31 232 | 34.8 31.9 290 |
| 1I′(比较组) | KBr | H2O2 | 4.0 6.1 9.5 | 26.1 6.1 37.7 | 0.2 0.3 0.2 |
| 1J′(本发明) | 吡啶甲酸 | H2O2 | 3.8 7.2 9.8 | 319 63.8 34.8 | 290 58 |
| 1K′(本发明) | 2，5-环戊二酮 | H2O2 | 5.4 6.8 8.7 | 20.3 18.3 29 | 1.7 2.9 17.4 |
| 1L′(本发明) | 吡唑 | H2O2 | 4.1 6.2 8.9 | 34.8 26.1 26.1 | -- |
这些结果证明使用本发明的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属溶解速率。
实施例2
该实施例证明抛光添加剂对钌的溶解速率的影响。
使用钌旋转圆盘电极(0.32cm2)以电化学方式评估在不同抛光组合物(抛 光组合物2A-2G及2A′-2G′)的存在下的钌的溶解及腐蚀速率。钌电极以500rpm旋转，且在90kPa(13psi)的下压力下与研磨垫保持接触。在研磨电极表面时(溶解速率)及在研磨后(腐蚀速率)评估金属溶解速率。将钌的活性作为电流密度进行测量，然后利用法拉第定律将其重新计算成溶解速率或腐蚀速率(以 
为单位)。当将过氧化氢用作氧化剂时，所计算的溶解及腐蚀速率包括在电极处由过氧化氢的电化学活性所导致的额外电流密度。因此，所报道的在过氧化氢存在下的钌的溶解及腐蚀速率可大于真正的钌溶解及腐蚀速率。
各抛光组合物含有6重量％的α-氧化铝及1重量％的过硫酸铵(抛光组合物2A-2G)、或者含有6重量％的α-氧化铝、1重量％的过氧化氢及0.1N K2SO4 支持电解质(抛光组合物2A′-2G′)。抛光组合物2A及2A′(对照组)不含抛光添加剂。抛光组合物2B-2E(比较组)分别含有1重量％的甘氨酸、巯基琥珀酸、草酸钾及1-羟基亚乙基-1，1-二膦酸(即Dequest 
2010产品)，抛光组合物2B′-2E′(比较组)分别含有1重量％的甘氨酸、巯基琥珀酸、草酸钾及1-羟基亚乙基-1，1-二膦酸(即Dequest 
2010产品)。抛光组合物2F-2G(本发明)分别含有1重量％的吡啶甲酸及2，5-环戊二酮，抛光组合物2F′-2G′(本发明)分别含有1重量％的吡啶甲酸及2，5-环戊二酮。测量各化学-机械抛光系统的钌的溶解及腐蚀速率。在过硫酸铵氧化剂及过氧化氢存在下的钌的溶解及腐蚀速率分别总结于表3及4中。
表3：在过硫酸铵存在下的钌的溶解及腐蚀速率
| 抛光组合物 | 抛光添加剂 | 氧化剂 | pH 值 | Ru溶解 速率 | Ru腐蚀 速率 |
| 2A(对照组) | 无 | (NH4)2S2O8 | 5.0 8.2 | 100 63 | 2.75 2.5 |
| 2B(比较组) | 甘氨酸 | (NH4)2S2O8 | 5.1 8.2 | 145 250 | 1.1 4.5 |
| 2C(比较组) | 巯基琥珀酸 | (NH4)2S2O8 | 5 8.4 | 40 80 | 2.38 0.45 |
| 2D(比较组) | 草酸钾 | (NH4)2S2O8 | 5.4 8.2 | 95 145 | 5 1.75 |
| 2E(比较组) | 1-羟基亚乙基 | (NH4)2S2O8 | 5.0 | 85-125 | 0.3 |
表4：在过氧化氢存在下的钌的溶解及腐蚀速率
这些结果证明使用本发明的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属溶解速率。
实施例3
该实施例证明不同抛光添加剂对铂及钌的溶解速率的影响。
使用铂或钌旋转圆盘电极以电化学方式评估在不同抛光组合物(抛光组合物3A-3AA)的存在下的铂及钌的溶解及腐蚀速率。铂及钌金属电极以500rpm旋转，且在90kPa(13psi)的下压力下与研磨垫保持接触。在研磨电极表面时(溶解速率)及研磨后(腐蚀速率)评估铂及钌的溶解速率。将铂及钌的活性作为电流密度进行测量，然后利用法拉第定律将其重新计算成溶解或腐蚀速率(以 
为单位)。当将过氧化氢用作氧化剂时，所计算的溶解及腐蚀速率包括在电极处由过氧化氢的电化学活性所导致的额外电流密度。因此，所报道的在过氧化氢存在下的铂或钌的溶解及腐蚀速率可大于真正的铂或钌溶解及腐蚀速率。
分两组针对所述抛光组合物评估溶解及腐蚀速率。第一数据组由抛光组合物3A-3Q组成。第二数据组由抛光组合物3R-3AA组成。
各抛光组合物3A-3Q均含有6重量％的α-氧化铝、1重量％的过氧化氢及0.1N K2SO4支持电解质。抛光组合物3A(对照组)不包含抛光添加剂。抛光组合物3B-3G(比较组)分别含有1重量％的环丁烷二羧酸、乳酸、1-羟基亚乙基-1，1-二膦酸(即Dequest 2010产品)、甘氨酸、蔗糖及乙醇。抛光组合物3H-3Q(本发明)分别含有1重量％的3-(3-吡啶基)丙酸、2-吡啶甲醇、2-吡啶甲醛、2-吡啶甲酰胺、2，3-吡啶二羧酸、2-吡啶乙酸盐酸盐、4-吡啶乙磺酸、2，5-环戊二酮、FeSO4及Fe(NO3)3。
各抛光组合物3R-3AA均含有6重量％的α-氧化铝、1重量％的过氧化氢及0.1N K2SO4支持电解质，除抛光组合物3S及3W不含有任何过氧化氢以外。抛光组合物3R-3AA(本发明)分别含有1重量％的对氨基苯磺酸、2-吡啶乙磺酸(无HPO)、2-吡啶乙磺酸、2-吡啶磺酸、3-吡啶乙酸盐酸盐、4-吡啶乙酸盐酸盐(无HPO)、4-吡啶乙酸盐酸盐、2-吡嗪甲酸、氢氧化1-(3-磺丙基)吡啶鎓及4-吡啶乙磺酸。
测量各化学机械-抛光系统的铂及钌的溶解及腐蚀速率。各化学-机械抛光系统的铂及钌的溶解及腐蚀速率总结于表5及6中。
表5：铂及钌的溶解及腐蚀速率
| 抛光组合物 | 抛光添加剂 | pH 值 | Pt溶解 速率 | Pt腐蚀 速率 | Ru溶解 速率 | Ru腐蚀 速率 |
| 3A(对照组) | 无 | 5 | 29 | 2.9 | 55 | 10 |
| 3P(本发明) | FeSO4 | 5 9.5 | 232 87 | 63 35 | 88 130 | 50 33 |
| 3Q(本发明) | Fe(NO3)3 | 5 9.5 | 52 116 | 20 58 | 150 145 | 15 100 |
表6：铂及钌的溶解及腐蚀速率
| 抛光组合物 | 抛光添加剂 | pH 值 | Pt溶解 速率 | Pt腐蚀 速率 | Ru溶解 速率 | Ru腐蚀 速率 |
| 3R(本发明) | 对氨基苯磺酸 | 5 9.5 | 37 348 | 22 116 | 450 450 | 95 50 |
| 3S(本发明) | 2-吡啶乙磺酸 (无HPO) | 5 9.5 | 12 29 | 4 5 | 25 7.5 | 1 2 |
| 3T(本发明) | 2-吡啶乙磺酸 | 5 9.5 | 1740 551 | 1247 203 | 300 250 | 150 145 |
| 3U(本发明) | 2-吡啶磺酸 | 5 9.5 | 58 667 | 35 174 | 250 550 | 33 40 |
| 3V(本发明) | 3-吡啶乙酸盐酸 盐 | 5 9.5 | 899 319 | 580 290 | 950 1025 | 88 100 |
| 3W(本发明) | 4-吡啶乙酸盐酸 盐(无HPO) | 5 9.5 | 13 19 | 4 6 | 30 23 | 4.5 0.8 |
| 3X(本发明) | 4-吡啶乙酸盐酸 盐 | 5 9.5 | 928 1450 | 158 116 | 750 525 | 158 175 |
| 3Y(本发明) | 2-吡嗪甲酸 | 5 9.5 | 29 348 | 8 87 | 150 500 | 8 90 |
| 3Z(本发明) | 氢氧化1-(3-磺丙 基)吡啶鎓 | 5 9.5 | 29 377 | 13 87 | 300 375 | 2.5 75 |
| 3AA(本发 明) | 4-吡啶乙磺酸 | 5 9.5 | 957 928 | 377 116 | 925 400 | 170 78 |
这些结果证明使用本发明的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属溶解速率。
实施例4
该实施例证明抛光添加剂对铂的溶解速率的影响。
使用铂旋转圆盘电极以电化学方式评估在两种不同的抛光组合物(抛光组合物4A及4B)的存在下的铂的溶解及腐蚀速率。铂电极以500rpm旋转，且在90kPa(13psi)的下压力下与研磨垫保持接触。在研磨电极表面时(溶解速率)及在研磨后(腐蚀速率)评估铂的溶解速率。将铂的活性作为电流密度进行测量，然后利用法拉第定律将其重新计算成溶解速率或腐蚀速率(以 
为单位)。
各抛光组合物均含有6重量％的α-氧化铝、1重量％的过硫酸铵及1重量％的抛光添加剂。抛光组合物4A(比较组)含有1重量％的三乙胺作为抛光添加剂。抛光组合物4B(本发明)含有1重量％的1，10-菲咯啉作为抛光添加剂。测量各化学-机械抛光系统在5至10范围内的pH值下的铂的溶解及腐蚀速率。各化学-机械抛光系统的铂的溶解及腐蚀速率总结于表7中。
表7：铂的溶解及腐蚀速率
| 抛光组合物 | 氧化剂 | 抛光添加剂 | pH 值 | Pt溶解 速率 | Pt腐蚀 速率 |
| 4A(比较组) | (NH4)2S2O8 | NEt3 | 8.5 | 146 | 4.5 |
| 4B (本发明) | (NH4)2S2O8 | 1，10-菲咯啉 | 5.8 7.2 8.0 8.7 9.5 | 33.6 53.2 168 128 203 | 0.01 0.5 1.4 1.54 1.78 |
这些结果证明使用本发明的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属溶解速率。
实施例5
该实施例比较包含含氮杂环化合物的抛光组合物对铂或钌的移除速率的影响。
用不同的抛光组合物(抛光组合物5A-5G)在桌上型(tabletop)抛光机上抛光包含铂或钌层的类似基板。各抛光组合物5A(比较组)及5B-5G(本发明)均含有8重量％的氧化铝(60％的α-氧化铝/40％的热解氧化铝)、1重量％的过氧化氢，并且分别含有1重量％的环丁烷二羧酸、2-吡啶甲醛、2-吡啶甲醇、2，3-吡啶二羧酸、2，6-吡啶二羧酸、2-吡啶乙酸盐酸盐及2-吡啶乙磺酸。测量各化学-机械抛光系统在两种不同的pH值(在4.9-5.5及9-9.8范围内)下的铂或钌的移除速率。各化学-机械抛光系统的铂及钌的移除速率总结于表8中。
表8：各种抛光添加剂的铂及钌的移除速率
这些结果证明使用包含含氮杂环化合物作为抛光添加剂的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属移除速率。
实施例6
该实施例比较包含含氮杂环化合物的抛光组合物与不包含抛光添加剂的抛光组合物对铂或钌的移除速率的影响。
用不同的抛光组合物(抛光组合物6A-6J)在桌上型抛光机上抛光包含铂或钌、二氧化硅及钛层的类似基板。所述各抛光组合物含有4重量％或6重量％的氧化铝(60％的α-氧化铝，40％的热解氧化铝)，并含有1重量％的过氧化氢或者不含过氧化氢。抛光组合物6A及6F(对照组)不含抛光添加剂及氧化剂。抛光组合物6B及6G(对照组)不合抛光添加剂但含有1重量％的过氧化氢。抛光组合物6C、6D及6E(本发明)分别含有1重量％的2-吡啶乙酸盐酸盐(无氧化剂及有氧化剂)、及吡啶甲酸。抛光组合物6H、6I及6J(本发明)均含有6重量％的氧化铝(60％的α-氧化铝、40％的热解氧化铝)，并且分别含有1重量％的4-吡啶乙磺酸(无氧化剂及有氧化剂)、及2-吡啶乙酸盐酸盐。测量各化学-机械抛光系统在9.5的pH值下的钌的移除速率。测量各化学-机械抛光系统在2的pH值下的铂的移除速率。各化学-机械抛光系统的钌及铂的移除速率总结于表9及10中。
表9：各种抛光添加剂的钌移除速率
表10：各种抛光添加剂的铂移除速率
| 抛光 | 抛光 | 研磨剂 | 氧化剂 | pH | Pt RR | SiO2 RR | Ti RR |
这些结果证明使用包含含氮杂环化合物作为抛光添加剂的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属移除速率。
实施例7
该实施例比较包含金属化合物及盐的抛光组合物与不包含抛光添加剂的抛光组合物对铂及钌的移除速率的影响。
用不同的抛光组合物(抛光组合物7A-7F)在桌上型抛光机上抛光包含铂或钌层的类似基板。各抛光组合物均含有5重量％的氧化铝(60％的α-氧化铝、40％的热解氧化铝)及1重量％的过氧化氢。抛光组合物7A(对照组)不包含铁盐或抛光添加剂。抛光组合物7B、7C、7D、7E及7F(本发明)分别含有0.01重量％的硝酸铁(III)、0.01重量％的硫酸亚铁(II)、100ppm高氯酸锰(II)、100ppm硝酸铜(II)及100ppm氧化铈(IV)。测量各化学-机械抛光系统在2、5和 /或9.5的pH值下的铂或钌的移除速率。各化学-机械抛光系统的铂及钌的移除速率总结于表11中。
表11：各种铁化合物的铂及钌的移除速率
这些结果证明使用包含金属化合物或盐连同过氧化型氧化剂的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属移除速率。
实施例8
该实施例比较包含可为两性离子化合物的含氮化合物的抛光组合物对铂或钌的移除速率的影响。
用不同的抛光组合物(抛光组合物8A-8C)在桌上型抛光机上抛光包含铂、钌或氧化物层的类似基板。各抛光组合物8A-8C(本发明)均含有8重量％的氧化铝(60％的α-氧化铝、40％的热解氧化铝)、1重量％的过氧化氢，并且分别含有1重量％的3-吡啶磺酸、氢氧化1-(3-磺丙基)吡啶鎓或对氨基苯磺酸。测定各化学-机械抛光系统的铂、钌及氧化物的移除速率，且结果总结于表12中。
表12：各种抛光添加剂的铂及钌的移除速率
| 抛光组合物 | 抛光添加剂 | pH | Pt RR | Ru RR | 氧化物 |
这些结果证明使用包含可为两性离子化合物的含氮化合物作为抛光添加剂的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属移除速率。
实施例9
该实施例比较包含不同比率的α-氧化铝与热解氧化铝的抛光组合物对铂或钌的移除速率的影响。
用不同的抛光组合物(抛光组合物9A-9F)在桌上型抛光机上抛光包含铂、钛或氧化物层的类似基板。各抛光组合物9A及9F(比较组)及9B-9E(本发明)均含有8重量％的氧化铝，其中α-氧化铝分别为20％、40％、50％、60％、80％及100％，且热解氧化铝分别为80％、60％、50％、40％、20％及0％。测定各化学-机械抛光系统的铂、钛及二氧化硅的移除速率，且结果总结于表13中。
表13：各种研磨剂混合物的铂、钛及氧化物的移除速率
这些结果证明使用包含40％至90％的α-氧化铝及60％至10％的热解氧化铝(反映α-氧化铝与热解氧化铝的重量之比为0.6∶1至4∶1)的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属移除速率。
实施例10
该实施例比较包含磺酸化合物的抛光组合物对铂的移除速率的影响。
用不同的抛光组合物(抛光组合物10A-10L)在IPEC 472抛光机上抛光包含铂的类似基板。各抛光组合物均含有3重量％的氧化铝(60％的α-氧化铝、40％的热解氧化铝)，且pH值为3。抛光组合物10A(对照组)不含抛光添加剂。抛光组合物10B-10I(本发明)分别含有4.4mM氢醌磺酸、氢氧化1-(3-磺丙基)吡啶鎓、苯磺酸、4-吡啶乙磺酸、对氨基苯磺酸、N-三(羟甲基)甲基-2-氨基乙磺酸、羟乙基磺酸及三氟甲磺酸钾。抛光组合物10J-10L(比较组)分别含有硫酸钾、2，5-二羟基苯甲酸及氢醌。
测定各化学-机械抛光系统的铂的移除速率(RR)及晶片内非均一性(WIWNU)，且结果总结于表14中。
表14：磺酸化合物的铂移除速率
这些结果证明使用包含磺酸化合物的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属溶解速率。
实施例11
该实施例比较包含磺酸化合物及不同的研磨剂的抛光组合物对铂的移除速率的影响。
用不同的抛光组合物(抛光组合物11A-11G)在IPEC 472抛光机上抛光包含铂的类似基板。抛光组合物11A及11B各含有1重量％的氢醌磺酸(HQSA)，且pH值为3。抛光组合物11A含有8重量％的热解氧化铝。抛光组合物11B含有8重量％的热解二氧化硅。抛光组合物11C-11G各含有3重量％的氧化铝(60％的α-氧化铝、40％的热解氧化铝)，且pH值为3。抛光组合物11C及11D含有平均粒度为100nm的α-氧化铝，且分别含有0重量％及1重量％的氢醌磺酸(HQSA)。抛光组合物11E-11G含有平均粒度为250nm的α-氧化铝，且分别含有0重量％、0.5重量％及1重量％的氢醌磺酸(HQSA)。
测定各化学-机械抛光系统的铂的移除速率(RR)及晶片内非均一性(WIWNU)，且结果总结于表15中。
表15：铂移除速率
| (本发明) | 1.2重量％热解氧化 铝 | HQSA |
这些结果证明使用包含α-氧化铝及磺酸化合物的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属移除速率。
实施例12
该实施例比较包含磺酸化合物的抛光组合物与包含膦酸化合物的抛光组合物对铂的移除速率的影响。
用不同的抛光组合物(抛光组合物12A-12E)在IPEC 472抛光机上抛光包含铂的类似基板。抛光组合物12A-12E各含有3重量％的氧化铝(60％的α-氧化铝、40％的热解氧化铝)，且pH值为3。抛光组合物12A(对照组)不含任何抛光添加剂。抛光组合物12B及12C(本发明)分别含有1重量％的5-甲酰基-2-呋喃磺酸及氢氧化1-(3-磺丙基)吡啶鎓。抛光组合物12D及12E分别含有苯基膦酸及2-羧乙基膦酸。
测定各化学-机械抛光系统的铂的移除速率(RR)及晶片内非均一性(WIWNU)，且结果总结于表16中。
表16：铂移除速率
这些结果证明使用包含磺酸化合物的化学-机械抛光组合物可获得高的贵金属移除速率。
实施例13
该实施例说明包含各种有机氧化剂的本发明的钽CMP抛光组合物及方法在抛光钽毯覆式晶片(blanket wafer)时的有效性。钽CMP组合物包含在作为液体载体的去离子水中的0.5重量％的热解二氧化硅研磨剂、0.5重量％的碳酸铯及5毫摩尔浓度的有机氧化剂，pH值为10。在Logitech Model CDP 抛光机上使用以110rpm旋转的聚氨酯IC抛光垫抛光钽毯覆式晶片(直径为4英寸，钽的沉积厚度为250nm)，其中所述晶片安装在以102rpm旋转的工作台上，施加1.5磅每平方英寸的下压力。以150毫升每分钟的喂料速率将各钽CMP组合物供给到晶片的表面。所研究的有机氧化剂包括9，10-蒽醌-2，6-二磺酸二钠盐(AQDSA)、9，10-蒽醌-1，8-二磺酸二钠盐(1，8-AQDSA)、9，10-蒽醌-2-磺酸钠盐(AQSA-Na)、1，2-萘醌-4-磺酸钾盐(NQSA-K)、茜素、茜素红S、酸性蓝45、靛蓝-5，5′-二磺酸二钠盐(靛蓝-DSA)及2，5-二羟基-1，4-苯醌(2，5-DHBQ)。使用各种CMP组合物的抛光运作的钽的移除速率提供于表17中。
表17：本发明的CMP组合物及方法的钽移除速率
表17的结果显示，与具有5毫摩尔碘酸钾以代替有机氧化剂的对照CMP组合物相比，本发明的钽CMP组合物具有优异的钽移除速率。
实施例14
该实施例说明包含各种有机氧化剂及作为辅助氧化剂的碘酸钾(5毫摩尔)的本发明的钽CMP抛光组合物及方法在抛光钽毯覆式晶片时的有效性。
如在实施例13中一样，利用含有有机氧化剂的钽CMP组合物来抛光钽毯覆式晶片。碱性浆料组合物及抛光条件也基本上如在实施例13中所报道的。在该实施例的浆料中，0.5毫摩尔浓度的有机氧化剂及5毫摩尔的碘酸钾存在于浆料中。所评估的有机氧化剂包括9，10-蒽醌-2，6-二磺酸二钠盐 (AQDSA)、9，10-蒽醌-1，8-二磺酸二钾盐(1，8-AQDSA-K)、9，10-蒽醌-2-磺酸钠盐(AQSA-Na)、茜素、酸性蓝45、烟酰胺、靛蓝-5，5′-二磺酸二钠盐(靛蓝-DSA)、2，5-二羟基-1，4-苯醌(2，5-DHBQ)及2，6-二氯靛酚钠盐(2，6-DCI-Na)。与使用具有碘酸钾作为唯一的氧化剂的浆料相比，使用本发明的各种CMP组合物的抛光运作的钽移除速率的变化百分比提供于表18中。
表18：本发明的CMP组合物及方法的钽移除速率
表18中的结果表明，在大多数情况下，与仅具有5毫摩尔的碘酸钾相比，像0.5毫摩尔一样少的有机氧化剂及5毫摩尔碘酸钾的存在显著改善了钽移除速率。2，5-DHBQ虽然在这些测试中在0.5毫摩尔含量时没有效果，但其以更高的浓度与碘酸盐组合是有效的，且当其以5毫摩尔的浓度用作唯一的氧化剂时是非常有效的，如实施例13中所示。
实施例15
该实施例说明与无机氧化剂相比，本发明的钽CMP抛光组合物及方法在存在铜时选择性地氧化钽的有效性。
使用与实施例13及14中类型相同的抛光垫并在与实施例13及14中基本上相同的抛光垫及工作台旋转速率及下压力下，利用本发明的钽CMP组合物抛光钽毯覆式晶片及铜晶片。在作为液体载体的去离子水中，用0.5重量％的热解二氧化硅作为研磨剂以2.2的pH值制备该实施例的CMP组合物。所有氧化剂(有机的及无机的)均以2毫摩尔的浓度使用。所评估的有机氧化剂包括9，10-蒽醌-1，5-二磺酸二钠盐(1，5-AQDSA)及9，10-蒽醌-1，8-二磺酸二 钾盐(1，8-AQDSA-K)。使用过氧化氢(H2O2)、硝酸铁(Fe(NO3)3)、碘酸钾(KIO3)、过硫酸钾(K2S2O8)、并且也在无任何氧化剂的情况下进行对照试验。钽移除速率、铜移除速率、及钽移除速率与铜移除速率之比(Ta/Cu选择性)提供于表19中。
表19：使用本发明的CMP组合物及方法的钽/铜移除选择性
表19中的结果表明，与常规的无机氧化剂(其相对于钽优先移除铜)形成对比，包含有机氧化剂的本发明的CMP组合物相对于铜优先移除钽。
实施例16
该实施例进一步说明利用包含有机氧化剂的CMP组合物的本发明的钽CMP抛光组合物及方法抛光含钽表面的有效性。
在Logitech Model CDP抛光机上使用以110rpm旋转的聚氨酯IC抛光垫抛光直径为4英寸且具有250nm的钽沉积厚度的钽毯覆式晶片，其中所述晶片安装在以102rpm旋转的工作台上，施加1.5磅每平方英寸的下压力。以150毫升每分钟的喂料速率将各钽CMP组合物供给到晶片的表面。在作为液体载体的去离子水中，用1重量％的胶态二氧化硅及2毫摩尔浓度的有机氧化剂在2.2的pH值下制备各浆料。评估具有相对于SHE为0.1至0.67的E0值的有机氧化剂。有机氧化剂、E0值及钽移除速率列于表20中。
表20：本发明的CMP组合物及方法的钽移除速率
| 2，5-二羟基-1，4-苯醌 | +0.50 | 501 |
| 1，2-萘醌-4-磺酸盐 | +0.56 | 477 |
| 2，6-二氯靛酚 | +0.67 | 514 |
表20中的数据显示，含有相对于SHE其E0值为0.1V-0.67V的有机氧化剂及胶态二氧化硅研磨剂的CMP组合物提供在 
范围内的非常有效的钽移除速率。
Claims (33)
1.一种适用于钽的化学机械抛光(CMP)工艺的CMP组合物，该CMP组合物包含：
(a)研磨剂；
(b)具有相对于标准氢电极不超过0.5V的标准氧化还原电位(E0)的有机氧化剂，该有机氧化剂包含至少一个π共轭环，该环包含至少一个直接连接在该环上的杂原子，该至少一个杂原子选自N、O、S、及其组合，该有机氧化剂化合物选自具有至少一个醌部分的化合物、对苯二胺化合物、吩嗪化合物、硫堇化合物、吩
嗪化合物、吩噻
化合物、靛类化合物、靛酚化合物、及其组合；及
(c)为此的液体载体。
2.权利要求1的组合物，其中该有机氧化剂包含不饱和烃环、不饱和杂环、或其组合。
3.权利要求2的组合物，其中该杂环包含两个或更多个选自N、O、S、及其组合的杂原子。
4.权利要求1的组合物，其中该至少一个杂原子包括至少三个选自N、O、S、及其组合的杂原子。
5.权利要求1的组合物，其中该有机氧化剂能够进行可逆的氧化还原反应，所述反应通过循环伏安图表征，其中阳极及阴极反应均能观察到。
6.权利要求1的组合物，其中该有机氧化剂包括至少一个酸性取代基或其盐。
7.权利要求6的组合物，其中该至少一个酸性取代基选自羧酸取代基、磺酸取代基、膦酸取代基、其盐、及其组合。
8.权利要求1的组合物，其中该有机氧化剂以0.1至10毫摩尔的媒介化合物浓度存在于该液体载体中。
9.权利要求1的组合物，其中该有机氧化剂包含至少一个醌部分。
10.权利要求9的组合物，其中该有机氧化剂化合物包括蒽醌化合物。
11.权利要求10的组合物，其中该蒽醌化合物选自9，10-蒽醌-2，6-二磺酸、9，10-蒽醌-2，7-二磺酸、9，10-蒽醌-2-磺酸、9，10-蒽醌-1，8-二磺酸、9，10-蒽醌-1，5-二磺酸、茜素、茜素红S、酸性蓝45、其盐、及其组合。
12.权利要求9的组合物，其中该有机氧化剂包括苯醌化合物。
13.权利要求12的组合物，其中该苯醌化合物为2，5-二羟基-1，4-苯醌或其盐。
14.权利要求9的组合物，其中该有机氧化剂为萘醌化合物。
15.权利要求1的组合物，其中该有机氧化剂的经氧化的形式为阳离子化合物。
16.权利要求1的组合物，其进一步包含辅助氧化剂。
17.权利要求16的组合物，其中该辅助氧化剂包括选自高碘酸盐化合物、过硫酸盐化合物及过氧化氢的至少一种氧化剂。
18.权利要求1的组合物，其中该研磨剂以0.01重量％至5重量％的总固体含量悬浮于该液体载体中。
19.权利要求1的组合物，其中该研磨剂选自二氧化硅研磨剂、氧化铝研磨剂、氧化锆研磨剂、二氧化铈研磨剂、及其组合。
20.权利要求1的组合物，其中该研磨剂包括胶态二氧化硅。
21.权利要求1的组合物，其中该有机氧化剂为存在于该组合物中的唯一氧化剂。
22.权利要求1的组合物，其中该有机氧化剂能够在存在铜时选择性地氧化钽。
23.一种用于化学机械抛光(CMP)的方法，该方法包括用CMP组合物研磨基板的含钽表面，该CMP组合物包含：
(a)具有相对于标准氢电极不超过0.5V的标准氧化还原电位(E0)的有机氧化剂，该有机氧化剂包含至少一个π共轭环，该环包含至少一个直接连接在该环上的杂原子，该至少一个杂原子选自N、O、S、及其组合，该有机氧化剂化合物选自具有至少一个醌部分的化合物、对苯二胺化合物、吩嗪化合物、硫堇化合物、吩
嗪化合物、吩噻
化合物、靛类化合物、靛酚化合物、及其组合；及
(b)为此的液体载体。
24.一种用于化学机械抛光(CMP)的方法，该方法包括用CMP组合物研磨基板的含钽表面，该CMP组合物包含：
(a)具有相对于标准氢电极不超过0.7V的标准氧化还原电位(E0)的有机氧化剂，该有机氧化剂包含至少一个π共轭环，该环包含至少一个直接连接在其上的杂原子，该至少一个杂原子选自N、O、S、及其组合，该有机氧化剂化合物选自具有至少一个醌部分的化合物、对苯二胺化合物、吩嗪化合物、硫堇化合物、吩
嗪化合物、吩噻化合物、靛类化合物、靛酚化合物、及其组合；及
(b)为此的液体载体。
25.权利要求23或24的方法，其中该基板的该表面至少部分地包含钽、氮化钽、或其组合。
26.权利要求23或24的方法，其中该表面进一步包含铜。
27.权利要求23或24的组合物，其中该有机氧化剂包含至少一个醌部分。
28.权利要求23或24的方法，其中该有机氧化剂为选自蒽醌化合物、萘醌化合物、苯醌化合物、及其组合的化合物。
29.权利要求28的组合物，其中该蒽醌化合物选自9，10-蒽醌-2，6-二磺酸、9，10-蒽醌-2，7-二磺酸、9，10-蒽醌-2-磺酸、9，10-蒽醌-1，8-二磺酸、9，10-蒽醌-1，5-二磺酸、茜素、茜素红S、酸性蓝45、其盐、及其组合。
30.权利要求28的方法，其中该萘醌化合物为1，2-萘醌-4-磺酸及其盐。
31.权利要求28的方法，其中该苯醌化合物为2，5-二羟基-1，4-苯醌或其盐。
32.权利要求23或24的方法，其中该有机氧化剂为存在于该CMP组合物中的唯一氧化剂。
33.权利要求23或24的方法，其中该CMP组合物进一步包含研磨材料。
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Legal Events
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