CN101389724B - 用于金属移除速率控制的卤化物阴离子 - Google Patents
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Abstract
本发明的化学机械抛光系统包含抛光组件、液体载体、氧化剂及卤素阴离子。本发明的方法包括以该抛光系统对基板进行化学机械抛光。
Description
技术领域
本发明涉及一种抛光组合物及一种利用该抛光组合物抛光基板的方法。
背景技术
用于平坦化或抛光基板的表面(尤其是用于化学机械抛光(CMP))的组合物、系统及方法在本领域中是公知的。抛光组合物(也称为抛光浆料)通常含有在含水溶液中的研磨材料，且通过使表面与用抛光组合物浸透过的抛光垫接触而施用至该表面。当用于抛光包含金属的基板时，抛光组合物常常包含氧化剂。氧化剂的目的在于将金属的表面转变成比该金属本身更柔软、更易研磨的材料。因此，包含氧化剂和研磨剂的抛光组合物一般需要基板的较小侵蚀性机械研磨，这减小了由研磨过程导致的对基板所造成的机械损害。另外，氧化剂的存在常常增加金属的移除速率，且增加生产设备的产量。
下一代半导体设备的发展强调使用具有比上一代金属(诸如，铝)的电阻率值更低的金属(诸如，铜)，以减小设备上的导电层之间的电容并增加电路能工作的频率。用以在二氧化硅基板上制造平坦铜电路迹线的一种方法被称为镶嵌工艺。根据该工艺，二氧化硅介电表面通过常规的干式蚀刻工艺得以图案化，以形成用于垂直及水平互连的孔及沟槽。图案化表面涂覆有诸如钽或钛的粘着促进层，和/或诸如氮化钽或氮化钛的扩散阻挡层。然后，在粘着促进层和/或扩散阻挡层上过涂覆铜层。使用化学机械抛光来减小铜外涂层的厚度及任何粘着促进层和/或扩散阻挡层的厚度，直至获得暴露二氧化硅表面的升高部分的平坦表面。通孔及沟槽保持填充有形成电路互连的导电铜。
包含钽层及铜层两者的基板的抛光通常需要将传统的铜抑制剂(诸如，苯并三唑(BTA)或甲基-苯并三唑(m-BTA)添加至抛光浆料中，以限制铜层的移除速率。钽层的抛光通常需要氧化剂，诸如，过氧化物(例如，过氧化氢)或碘酸钾来获得有用的移除速率。钽层通常在高pH值下抛光。然而，甚至对于具有低pH值且含有氧化剂(诸如，过氧化氢或碘酸钾)的浆料而言，铜移除速率仍然高。此外，过氧化物为强氧化剂，其可与抛光组合物的其他组分反应，这限制抛光组合物的稳定性且因此限制其有效贮存期。举例而言，过氧化氢除了通过化学蚀刻腐蚀基板表面上的铜线，还使BTA降解。
因此，仍然需要用于包含钽及铜的基板的替代抛光系统及抛光方法。
发明内容
本发明提供一种用于抛光基板的化学机械抛光系统。该系统包含：(a)抛光组件，其选自抛光垫、研磨剂及其组合；(b)液体载体；(c)氧化剂，其氧化至少部分的基板，其中该氧化剂的存在量以液体载体及溶解或悬浮于其中的任何组分的重量计为0.5重量％或更少；及(d)卤素阴离子，其选自氯化物、溴化物及其组合，其中具有溶解或悬浮于其中的任何组分的液体载体的pH值为3或更小。
本发明还提供一种化学机械抛光基板的方法。该方法包含：(i)使基板与化学机械抛光系统接触，该化学机械抛光系统包含：(a)抛光组件，其选自抛光垫、研磨剂及其组合，(b)液体载体，(c)氧化剂，其氧化至少部分基板，其中该氧化剂的存在量以液体载体及溶解或悬浮于其中的任何组分的重量计为0.5重量％或更少，及(d)卤素阴离子，其选自氯化物、溴化物及其组合，其中具有溶解或悬浮于其中的任何组分的液体载体的pH值为3或更小；(ii)使抛光组件相对于基板移动；及(iii)磨除基板的至少一部分以抛光基板，其中具有溶解或悬浮于其中的任何组分的液体载体的pH值为3或更小。
附图说明
图1为铜移除速率
与低pH值下的多种组合物的关系图。
图2为铜移除速率
与低pH值下含有氧化铝及BTA、KCl或KBr的多种组合物的盐浓度(mM)的关系图。
图3为铜移除速率
与低pH值下含有二氧化硅及BTA、KCl、KBr或KNO3的多种组合物的盐浓度(mM)的关系图。
图4为铜移除速率
与低pH值下含有二氧化硅与过氧化氢及BTA、KCl或KBr的多种组合物的盐浓度(mM)的关系图。
具体实施方式
本发明提供一种用于抛光基板的化学机械抛光系统。该系统包含下列各项、由下列各项组成或基本上由下列各项组成：(a)抛光组件，其选自抛光垫、研磨剂及其组合；(b)液体载体；(c)氧化剂，其氧化至少部分基板，其中该氧化剂的存在量以液体载体及溶解或悬浮于其中的任何组分的重量计为0.5重量％或更少；及(d)卤素阴离子，其选自氯化物、溴化物及其组合，其中具有溶解或悬浮于其中的任何组分的液体载体的pH值为3或更小。液体载体、氧化剂、卤素阴离子及溶解或悬浮于液体载体中的任何其他组分(例如，研磨剂)组成抛光组合物。本文所述的各组分的量以抛光组合物的总重量计，除非另有规定。
待抛光的基板可为任何合适的基板。合适的基板包括(但不限于)集成电路、存储器或硬磁盘、金属、层间介电(ILD)设备、半导体、微机电组件、铁电体及磁头。基板可包含金属层。金属层可包含任何合适的金属。举例而言，金属层可包含铜、钽(例如，氮化钽)、钛、铝、镍、铂、钌、铱或铑。基板可进一步包含至少一个其他层，例如，绝缘层。绝缘层可为金属氧化物、多孔金属氧化物、玻璃、有机聚合物、氟化有机聚合物、或任何其他合适的高κ或低κ绝缘层。金属层可布置于该其他层上。更优选，基板具有至少一钽层及至少一铜层。
抛光组件可包含抛光垫、由抛光垫组成或基本上由抛光垫组成，其中该抛光垫例如为抛光表面。抛光垫可为任何合适的抛光垫，其中许多抛光垫在本领域中是已知的。合适的抛光垫例如包括编织及非编织抛光垫。此外，合适的抛光垫可包含具有变化密度、硬度、厚度、压缩性、压缩回弹能力及压缩模量的任何合适的聚合物。合适的聚合物包括(例如)聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龙、碳氟化合物、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨基甲酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、其共形成(coformed)产物及其混合物。
抛光垫可包含处于抛光垫的抛光表面上或抛光表面内的固定研磨剂颗粒，或抛光垫可基本上不含固定研磨剂颗粒。固定研磨剂抛光垫包括具有下列物质的衬垫：研磨剂颗粒，其通过粘着剂、粘合剂、陶瓷聚合体(ceramer)、树脂或类似物而附着至抛光垫的抛光表面；或研磨剂，其已浸渍到抛光垫内而形成抛光垫的组成部分，这种衬垫诸如，浸渍有含研磨剂的聚氨基甲酸酯分散体的纤维棉絮。固定研磨剂垫可消除对在抛光组合物中提供研磨剂组分的需要。
抛光垫可具有任何合适构型。举例而言，抛光垫可为圆形，且使用时通常具有绕垂直于衬垫表面所界定的平面的轴线的旋转运动。抛光垫可为圆柱形，其表面充当抛光表面，而且，使用时通常具有绕该圆柱体的中心轴线的旋转运动。抛光垫可采用环形带的形式，其使用时通常具有相对于被抛光的切割边缘的线性运动。抛光垫可具有任何合适的形状，且使用时具有沿平面或半圆的往复或轨道运动。本领域技术人员会容易地想到许多其他变化。
抛光组件可包含研磨剂，研磨剂可固定至上述抛光垫或可悬浮于液体载体(例如，水)中。研磨剂可采用任何合适形式(例如，研磨剂颗粒)。研磨剂通常采用颗粒形式，且悬浮于液体载体(例如，水)中。研磨剂可为任何合适的研磨剂。举例而言，研磨剂可为天然或合成的，且可包含下列各物、基本上由下列各物组成或由下列各物组成：金属氧化物、碳化物、氮化物、金刚砂或类似物。研磨剂也可为聚合物颗粒或经涂覆的颗粒。研磨剂通常包含金属氧化物颗粒。优选地，研磨剂为选自下列物质的金属氧化物：氧化铝、二氧化铈、二氧化硅、氧化锆、其共形成产物及其组合。研磨剂颗粒通常具有20nm至500nm的平均粒度(例如，平均颗粒直径)。优选地，研磨剂颗粒具有20nm至300nm(例如，70nm至300nm、或100nm至200nm)的平均粒度。任何合适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，0.05重量％或更多)的研磨剂将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不超过20重量％，更通常不超过15重量％(例如，不超过10重量％)。优选，抛光组合物中的研磨剂的量为0.1重量％至10重量％，且更优选为0.5重量％或更少。使用如此低浓度的研磨剂显著地降低抛光组合物的制造成本，且减小刮痕或以其他方式产生有缺陷基板的可能性。
使用液体载体以便于将研磨剂(当存在且悬浮于液体载体中时)、氧化剂、卤素阴离子及任何任选的添加剂施用至待抛光(例如，待平坦化)的合适基板的表面上。液体载体可为任何合适的溶剂，包括低级醇(例如，甲醇、乙醇等)、醚(例如，二
烷、四氢呋喃等)、水及其混合物。优选，液体载体包含水、基本上由水组成或由水组成，其中水更优选为去离子水。
氧化剂可为任何合适的氧化剂。优选，氧化剂选自：溴酸盐、亚溴酸盐、氯酸盐、亚氯酸盐、过氧化氢、次氯酸盐、碘酸盐、单过氧硫酸盐、单过氧亚硫酸盐、单过氧磷酸盐、单过氧连二磷酸盐、单过氧焦磷酸盐、有机卤代氧基化合物、高碘酸盐、高锰酸盐、过氧乙酸及其混合物。更优选，氧化剂为过氧化氢、碘酸钾或其组合。
氧化剂以0.5重量％或更少的量存在于抛光组合物中。通常，抛光组合物包含0.1重量％或更多(例如，0.2重量％或更多)的氧化剂。抛光组合物优选包含0.45重量％或更少(例如，0.4重量％或更少，或0.3重量％或更少)的氧化剂。甚至更优选，氧化剂以0.2重量％或更少的量存在于抛光组合物中。出乎意料地，利用相对低浓度的氧化剂，成功地减小了抛光系统所显现的铜移除速率，而未显著降低钽移除速率。
卤素阴离子可由任何来源产生。优选，该来源选自：酸性氯化物或溴化物、碱金属氯化物或溴化物、IIIA族氯化物或溴化物、铵或铵衍生物的氯化物盐或溴化物盐、过渡金属氯化物或溴化物、及其组合。更优选，该来源选自：氯化氢、氯化镁、氯化钙、氯化锶、氯化钡、氯化钾、氯化铯、氯化锂、氯化钠、氯化铷、氯化四丁铵、氯化四甲铵、氯化四乙铵、氯化四丙铵、氯化烷基苄基二甲基铵(其中所述烷基为C1-C20烷基)、氯化铝、氯化镓、氯化铟、氯化铊、氯化锌、氯化铜、氯化铁、氯化亚铁、溴化四丁铵、溴化四甲铵、溴化四乙铵、溴化四丙铵、溴化烷基苄基二甲基铵(其中所述烷基为C1-C20烷基)、溴化氢、溴化铯、溴化锂、溴化钾、溴化铷、溴化钠、溴化镁、溴化钙、溴化锶、溴化钡、溴化铝、溴化镓、溴化铟、溴化铊、溴化锌、溴化铜、溴化铁、溴化亚铁及其组合。
卤素阴离子在抛光组合物中可具有任何合适的浓度。通常，在抛光组合物中卤素阴离子的浓度为0.5mM至50mM。抛光组合物中卤素阴离子的浓度优选为7mM或更小，更优选为2mM或更小(例如，1.5mM或更小，或1mM或更小)。抛光组合物中卤素阴离子的浓度优选为0.1mM或更大，且更优选为0.2mM或更大(例如，0.3mM或更大，或0.4mM或更大)。
具有溶解或悬浮于其中的任何组分的液体载体可具有任何合适的pH值。抛光组合物的实际pH值将部分地视待抛光的基板的类型而定。抛光组合物具有3或更小(例如，2.2或更小、或2或更小)的pH值。通常，抛光组合物具有1或更大(例如，1至3、1至2.2、或1至2)的pH值。
抛光组合物的pH值可通过任何合适的方式而获得和/或保持。更具体地说，抛光组合物可进一步包含pH调节剂、pH缓冲剂或其组合。该pH调节剂可为任何合适的pH调节化合物。例如，pH调节剂可为任何合适的酸，诸如，无机酸、有机酸或其组合。例如，该酸可为硝酸。pH缓冲剂可为任何合适的缓冲剂，例如，磷酸盐、醋酸盐、硼酸盐、磺酸盐、羧酸盐、铵盐、及类似物。抛光组合物可包含任何合适量的pH调节剂和/或pH缓冲剂，只要该量足以获得和/或保持抛光组合物的所需pH值，例如，在本文所述的范围内的pH值。更优选，可利用上述卤素阴离子源来调节和/或保持抛光组合物的pH值。
抛光组合物可包含腐蚀抑制剂(即，成膜剂)。腐蚀抑制剂可为任何合适的腐蚀抑制剂。通常，腐蚀抑制剂为含有含杂原子官能基团的有机化合物。例如，腐蚀抑制剂可为具有至少一个5或6元杂环作为活性官能基团的杂环有机化合物，其中该杂环含有至少一个氮原子，例如，唑(azole)化合物。优选，腐蚀抑制剂含有至少一个唑(azole)基团。更优选，腐蚀抑制剂选自1，2，3-三唑、1，2，4-三唑、苯并三唑、苯并咪唑、苯并噻唑及其混合物。抛光组合物中的腐蚀抑制剂的量通常为0.0001重量％至3重量％(优选为0.001重量％至2重量％)。
抛光组合物可包含螯合剂或络合剂。络合剂为任何合适的化学添加剂，其增强被移除的基板层的移除速率。合适的螯合剂或络合剂可包括(例如)羰基化合物(例如，乙酰丙酮化物及类似物)、简单羧酸盐(例如，醋酸盐、芳基羧酸盐及其类似物)、含有一个或多个羟基的羧酸盐(例如，甘醇酸盐、乳酸盐、葡萄糖酸盐、五倍子酸及其盐、及类似物)、二羧酸盐、三羧酸盐及多羧酸盐(例如，草酸盐、邻苯二甲酸盐、柠檬酸盐、琥珀酸盐、酒石酸盐、苹果酸盐、乙二胺四乙酸盐(例如，EDTA二钾)、其混合物及类似物)、含有一个或多个磺酸基和/或膦酸基的羧酸盐、及类似物。合适的螯合剂或络合剂也可包括(例如)二元醇、三元醇或多元醇(例如，乙二醇、邻苯二酚、连苯三酚、鞣酸及类似物)及含胺化合物(例如，氨、氨基酸、氨基醇、二元胺、三元胺及多元胺、及类似物)。螯合剂或络合剂的选择将视被移除的基板层的类型而定。
应当理解，许多上述化合物可以盐(例如，金属盐、铵盐或其类似物)、酸的形式存在、或作为部分盐存在。例如，柠檬酸盐包括柠檬酸以及其单盐、二盐及三盐；邻苯二甲酸盐包括邻苯二甲酸以及其单盐(例如，邻苯二甲酸氢钾)及其二盐；高氯酸盐包括相应的酸(即，高氯酸)及其盐。此外，某些化合物或试剂可具有多个功能。例如，某些化合物(例如，某些硝酸铁及类似物)可起到螯合剂和氧化剂两者的作用。
抛光组合物任选地进一步包含一种或多种其他添加剂。这些添加剂包括含有一个或多个丙烯酸类亚单元的丙烯酸酯(例如，丙烯酸乙烯酯及丙烯酸苯乙烯酯)和其聚合物、共聚物、低聚物及其盐类。
抛光组合物可包含表面活性剂和/或流变控制剂，包括粘度增强剂及凝结剂(例如，聚合流变控制剂，诸如，氨基甲酸酯聚合物)。合适的表面活性剂可包括(例如)阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性表面活性剂、其混合物及类似物。优选，抛光组合物包含非离子表面活性剂。合适的非离子表面活性剂的一个实例为乙二胺聚氧乙烯表面活性剂。抛光组合物中的表面活性剂的量通常为0.0001重量％至1重量％(优选为0.001重量％至0.1重量％，且更优选为0.005重量％至0.05重量％)。
抛光组合物可包含消泡剂。消泡剂可为任何合适的消泡剂。合适的消泡剂包括(但不限于)基于硅及基于炔二醇的消泡剂。抛光组合物中的消泡剂的量通常为10ppm至140ppm。
抛光组合物可包含杀生物剂。杀生物剂可为任何合适的杀生物剂，例如，异噻唑啉酮杀生物剂。抛光组合物中杀生物剂的量一般为1至50ppm，优选为10至20ppm。
抛光组合物优选为胶体稳定的。术语胶体是指液体载体中的颗粒的悬浮液。胶体稳定性是指该悬浮液随时间的保持性。若出现如下情形便认为抛光组合物是胶体稳定的：当将抛光组合物置于100ml量筒中且使其无干扰地静置两小时之时，量筒的底部50ml中的颗粒浓度([B]，以g/ml为单位)与量筒的顶部50ml中的颗粒浓度([T]，以g/ml为单位)之间的差值除以抛光组合物中颗粒的初始浓度([C]，以g/ml为单位)小于或等于0.5(即，{[B]-[T]}/[C]≤0.5)。优选，[B]-[T]/[C]的值小于或等于0.3，更优选小于或等于0.1，甚至更优选小于或等于0.05，并且最优选小于或等于0.01。
抛光组合物可通过任何合适的技术制备，其中许多技术是本领域技术人员熟知的。抛光组合物可用分批次或连续工艺制备。一般而言，抛光组合物可通过按任意顺序组合其各组分而制备。本文所用的术语“组分”包括单独成分(例如，氧化剂、研磨剂等)以及各成分(例如，液体载体、卤素阴离子、表面活性剂等)的任何组合。
可以包含氧化剂、卤素阴离子、液体载体及任选的研磨剂的单成套体系来提供抛光组合物。或者，氧化剂可以干燥形式或作为液体载体中的溶液或分散体而供应于第一容器中，且卤素阴离子、液体载体以及任选的研磨剂及其他添加剂可供应于第二容器中。稳定的氧化剂(诸如，碘酸钾)的使用允许将氧化剂供应到具有抛光组合物的其他组分的容器中，因为其较不可能与其他组分发生反应。该方法可显著降低制备及利用抛光组合物的成本。
诸如研磨剂的任选组分可以干燥形式或作为在液体载体中的溶液置于第一和/或第二容器中或第三容器中。此外，第一或第二容器中的各组分适于具有不同的pH值或者适于可选择地具有基本上相似或甚至相等的pH值。若任选组分为固体，则其可以干燥形式或作为液体载体中的混合物而供应。各任选组分可与抛光系统的其他组分分开供应，且可(例如)由最终使用者在使用前不久(例如，使用前1周或更短时间内、使用前1天或更短时间内、使用前1小时或更短时间内、使用前10分钟或更短时间内、或使用前1分钟或更短时间内)与抛光组合物的其他组分进行组合。抛光组合物的各组分的其他双容器或三个或更多个容器组合在本领域技术人员的知识范围内。
抛光组合物也可以浓缩物的形式提供，该浓缩物意欲在使用之前用适量的液体载体进行稀释。在这种实施方式中，抛光组合物浓缩物可包含氧化剂、卤素阴离子及液体载体，它们的量使得在用适量液体载体稀释浓缩物时，抛光组合物中的每一组分的存在量处于上述每一组分的量的适当范围内。例如，浓缩物中的氧化剂的存在量可为上述抛光组合物中的每一组分的浓度的2倍(例如，3倍、4倍或5倍)，以使得，当用适当体积的液体载体(例如，分别用2等体积的液体载体、3等体积的液体载体或4等体积的液体载体)稀释浓缩物时，抛光组合物中的每一组分的存在量处于上述每一组分的量的范围内。此外，如本领域技术人员所应理解的，浓缩物可含有适当比例的存在于最终抛光组合物中的液体载体，以确保氧化剂、卤素阴离子及诸如研磨剂的其他合适添加剂至少部分或全部溶解或悬浮于浓缩物中。
本发明还提供一种化学机械抛光基板的方法。该方法包括：(i)使基板与本文所述的化学机械抛光系统接触，(ii)使抛光组件相对于基板移动，及(iii)磨除基板的至少一部分以抛光基板。
本发明的抛光基板的方法特别适合与化学机械抛光(CMP)装置结合使用。通常，该装置包含：压板(其在使用时处于运动中且具有由轨道、线性或圆形运动所产生的速度)；抛光垫(其与压板相接触且在运动时随着压板移动)；及载体(其固持待通过与抛光垫表面接触并相对于抛光垫表面移动而进行抛光的基板)。基板的抛光通过如下发生：与抛光垫及本发明的抛光组合物相接触而置放基板，且相对于该基板移动该抛光垫，以便磨除该基板的至少一部分来抛光该基板。
期望CPM装置进一步包含原位抛光终点检测系统，其中许多是本领域已知的。通过分析自工件表面反射的光或其他辐射来检查及监测抛光过程的技术在本领域中是已知的。例如，在美国专利5,196,353、美国专利5,433,651、美国专利5,609,511、美国专利5,643,046、美国专利5,658,183、美国专利5,730,642、美国专利5,838,447、美国专利5,872,633、美国专利5,893,796、美国专利5,949,927及美国专利5,964,643中描述了这种方法。
抛光是指移除表面的至少一部分以抛光表面。可通过移除凿槽、凹坑、凹痕及类似物来进行抛光以提供具有降低的表面粗糙度的表面，但也可进行抛光以引入或恢复以平面部分的相交为特征的表面几何形状。例如，在两个表面相交而界定边缘的情况下，通过磨除所述表面中的至少一个的至少一部分，以对该表面进行抛光，从而使得边缘的几何形状发生变化。在其中由一个或多个表面界定用于切割操作中(例如，在切割工具的抛光中)的边缘的实施方案中，表面的抛光可导致边缘的重新界定或重新磨锐。
如前文所述，基板优选具有至少一个钽层及至少一个铜层。期望铜层以
分钟或更小(例如，
分钟或更小、
分钟或更小、或
分钟或更小)的速率自基板移除。出乎意料的是，卤素阴离子(诸如，氯化物或溴化物)的存在有效地减小铜移除速率，而且基本上未减小钽移除速率，这允许基板的抛光发生于单步骤而非多步骤过程中。这相对于使用诸如BTA和m-BTA的常规铜抑制剂而言是显著的改良，所述常规铜抑制剂在减小铜移除速率方面相对无效且可易于由抛光系统的其他组分(诸如，过氧化氢)而导致退化。不希望受限于任何特定理论，CuCl或CuBr的低溶解性可导致氯化物或溴化物阴离子优先吸附在Cu+位点上，从而防止氧化剂所引起的连续性铜氧化。
下文的实施例进一步说明本发明，但这些实施例不应解释为以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
该实施例说明在含有二氧化硅及氧化剂的抛光组合物中氯化物阴离子及其他基质的存在对铜移除速率的影响。
评估8种不同的抛光组合物的铜移除速率。每一组合物包含水、0.5重量％的缩聚二氧化硅(直径25nm)及0.2重量％的KIO3，且用硝酸调节至2.2的pH值(基础组合物)。将额外组分添加至基础组合物中以形成其他组合物。具体地说，其他组合物分别进一步包含：300ppm HCl和pH值调节剂；10mMBTA；20mM BTA；10mM m-BTA；5mM m-BTA；800ppm H3PO4和pH值调节剂；和0.5重量％的KCl。
使用具有柔软Politex垫的Logitech抛光机，用这些组合物中的每一种来抛光包含铜层的基板。Logitech抛光机设定有10.3kPa(1.5psi)的向下力、110rpm的压板速度、102rpm的载体速度及150ml/分钟的组合物流动速率。
测定每一组合物的铜移除速率
且结果示于图1的柱状图中。
从图1的数据可以显见，基础组合物具有高的铜移除速率。本发明的含有氯化物离子的组合物显现出为该基础组合物的铜移除速率的约1/10倍的铜移除速率。与此相反，含有BTA、m-BTA或H3PO4的对比组合物显现出比本发明的含有氯化物离子的组合物更高的铜移除速率。
实施例2
该实施例说明在含有二氧化硅及氧化剂的抛光组合物中，卤素阴离子的存在对铜及钽移除速率的影响。
评估各种抛光组合物的铜及钽移除速率。每一组合物包含水、0.5重量％的缩聚二氧化硅(直径25nm)及0.2重量％的KIO3，且用硝酸调节至2.2的pH值(基础组合物)。这些组合物之间的区别在于存在不同浓度的氟化钾、氯化钾、溴化钾或碘化钾。
使用具有柔软Politex垫的Logitech抛光机，用这些组合物中的每一种来抛光包含铜层及钽层的基板。Logitech抛光机设定有10.3kPa(1.5psi)的向下力、110rpm的压板速度、102rpm的载体速度及150ml/分钟的组合物流动速率。通过在Logitech抛光机中构建的在线混合系统，将KF、KCl、KBr及KI的盐溶液以所示浓度混合至基础组合物中。
测定每一组合物的铜及钽移除速率
表1及表2中列出了盐类型、盐浓度及抛光结果。
表1：铜移除速率
(1)在110ppm下；(2)在218ppm下；(3)在535ppm下
表2：钽移除速率
从表1的数据可以显见，在132ppm的浓度下，KCl及KBr的存在将铜移除速率自
分钟减小至
分钟以下。此外，仅需要存在66ppm的KBr以将铜移除速率减小至
分钟以下。表1的数据还表明KF及KI的存在在减小铜移除速率方面是无效的。从表2的数据可以显见，氯化物及溴化物的存在未减小钽移除速率。相反地，在132ppm的浓度下，与基础组合物相比而言，KCl及KBr的存在分别使钽移除速率增加46％及9％。
实施例3
该实施例比较了在含有二氧化硅及氧化剂的抛光组合物中，各种化合物的存在对铜移除速率的影响。
评估各种抛光组合物的铜移除速率。每一组合物包含水、0.5重量％的缩聚二氧化硅(直径25nm)及0.2重量％的KIO3，且用硝酸调节至2.2的pH值(基础组合物)。这些组合物之间的区别在于存在不同浓度的BTA、KBr、NaBr、KCl、CsCl、HCl、氯化四丁铵(TBACl)、KI、KNO3、KAc、K2SO4、K2CO3或K3PO4。
使用具有柔软Politex垫的Logitech抛光机，用这些组合物中的每一种来抛光包含铜层的基板。Logitech抛光机设定有9.3kPa(1.35psi)的向下力、110rpm的压板速度、102rpm的载体速度及150ml/分钟的组合物流动速率。通过在Logitech抛光机中构建的在线混合系统，将稀释的盐溶液混合至基础组合物中。
测定每一组合物的铜移除速率
表3中列出了添加剂类型、添加剂浓度及抛光结果。
表3：铜移除速率
(1)在0.58mM下；(2)在1.13mM下；(3)在1.64mM下
从表3的数据可以显见，基础组合物具有分钟的铜移除速率。BTA的存在并未减小铜移除速率。硝酸根、醋酸根、碳酸根、硫酸根及磷酸根阴离子的存在并未将铜移除速率降低至
分钟以下。然而，溴化物阴离子及氯化物阴离子的存在将铜移除速率减小至
分钟以下。对于铜移除速率而言，阳离子的类型并非重要因素。
实施例4
该实施例说明在包含铈稳定的二氧化硅及碘酸盐的抛光组合物中，各种添加剂的存在对铜及钽移除速率的影响。
评估9种不同抛光组合物的铜及钽移除速率。每一组合物在2.1±0.1的pH值下包含水、0.5重量％的铈(IV)稳定的缩聚二氧化硅(28nm直径，500ppmCe(IV))及0.20重量％的KIO3氧化剂(基础组合物)。基础组合物分成两个批次，这两个批次形成组合物A及F。将1，2，4-三唑(TAZ)、CsCl、BTA、Cs2CO3、KCl及其组合如表4所示添加至基础组合物的这两个批次中，以形成组合物B-E及G-I。
使用具有A110硬垫的CETR抛光机来抛光包含铜层及钽层的基板。CETR抛光机设定有10.3kPa(1.5psi)的向下力、133rpm的压板速度、120rpm的载体速度及60ml/分钟的组合物流动速率。
测定每一组合物的铜及钽移除速率
且结果列于表4中。
表4：铜及钽移除速率
从表4的结果可以显见，含有氯化物阴离子的所有组合物(组合物C、E、G、及I)具有比相应的不含氯化物的组合物(分别为组合物B、D、F及F)低4至9倍的铜移除速率。氯化物阴离子的存在一般不影响钽移除速率。诸如CO3 2-(组合物H)的其他类型阴离子的存在并不影响铜移除速率。表4的数据还表明诸如BTA及1，2，4-三唑的传统铜抑制剂并未有效地减小铜移除速率(将组合物B及D与组合物A相比较)。
实施例5
该实施例说明在包含热解氧化铝及碘酸盐的抛光组合物中，氯化物阴离子或溴化物阴离子的存在对铜移除速率的影响。
评估各种组合物的铜移除速率。每一组合物包含水、0.5重量％的热解氧化铝及0.2重量％的KIO3，且用硝酸调节至2.2的pH值(基础组合物)。将不同量的BTA、氯化钾及溴化钾添加至基础组合物中，以形成三个系列的组合物。
使用具有柔软Politex垫的Logitech抛光机，用这些组合物中的每一种来抛光包含铜层的基板。Logitech抛光机设定有10.3kPa(1.5psi)的向下力、110rpm的压板速度、102rpm的载体速度及150ml/分钟的组合物流动速率。
测定每一组合物的铜移除速率
且结果示于图2的曲线图中。
从图2的数据可以显见，基础组合物(即，其中不添加BTA、KCl或KBr)显现出高的铜移除速率。含BTA的系列组合物显现出高的铜移除速率，然而包含氯化物阴离子或溴化物阴离子的系列组合物显现出降低的铜移除速率。
实施例6
该实施例说明在包含热解二氧化硅及碘酸盐的抛光组合物中，氯化物阴离子或溴化物阴离子的存在对铜移除速率的影响。
评估各种组合物的铜移除速率。每一组合物包含水、0.5重量％的热解二氧化硅及0.2重量％的KIO3，且用硝酸调节至2.2的pH值(基础组合物)。将不同量的BTA、硝酸钾、氯化钾及溴化钾添加至基础组合物，以形成四个系列的抛光组合物。
使用具有柔软Politex垫的Logitech抛光机来抛光包含铜层的基板。Logitech抛光机设定有10.3kPa(1.5psi)的向下力、110rpm的压板速度、102rpm的载体速度及150ml/分钟的组合物流动速率。
测定每一组合物的铜移除速率且结果示于图3的曲线图中。
从图3的数据可以显见，基础组合物(即，其中不添加BTA、KNO3、KCl或KBr)显现出高的铜移除速率。含BTA及含KNO3的系列组合物均显现出高的铜移除速率，然而包含氯化物阴离子或溴化物阴离子的组合物显现出降低的铜移除速率。
实施例7
该实施例说明在包含热解二氧化硅及过氧化氢的抛光组合物中，氯化物阴离子或溴化物阴离子的存在对铜移除速率的影响。
评估各种组合物的铜移除速率。每一组合物包含水、0.5重量％的热解二氧化硅及0.5重量％的H2O2，且用硝酸调节至2.2的pH值(基础组合物)。将不同量的BTA、氯化钾及溴化钾添加至基础组合物，以形成三个系列的组合物。
使用具有柔软Politex垫的Logitech抛光机来抛光包含铜层的基板。Logitech抛光机设定有10.3kPa(1.5psi)的向下力、110rpm的压板速度、102rpm的载体速度及150ml/分钟的组合物流动速率。
测定每一组合物的铜移除速率
且结果示于图4的曲线图中。
从图4的数据可以显见，基础组合物(即，其中不添加BTA、KCl或KBr)显现出高的铜移除速率。虽然含BTA的组合物显现出降低的铜移除速率，但包含氯化物阴离子或溴化物阴离子的组合物显现出更低的铜移除速率。
实施例8
该实施例说明抛光组合物的pH值对铜移除速率的影响。
评估各种抛光组合物的铜移除速率。每一组合物包含水、0.5重量％的缩聚二氧化硅(直径25nm)及0.2重量％的碘酸钾，且用硝酸调节至1.8、2.2或2.6的pH值(基础组合物)。将不同量的BTA、溴化钾、氯化钾或硝酸钾添加至基础组合物中，以形成四个系列的组合物。
使用具有柔软Politex垫的Logitech抛光机来抛光包含铜层的基板。Logitech抛光机设定有10.3kPa(1.5psi)的向下力、110rpm的压板速度、102rpm的载体速度及150ml/分钟的组合物流动速率。通过在Logitech抛光机中构建的在线混合系统将BTA及盐类添加至基础组合物中。
测定每一组合物的铜移除速率，且结果列于表5中。
表5：铜移除速率
图5的数据表明，在每一pH值下，氯化物阴离子或溴化物阴离子的存在显著地减小铜移除速率，然而，含有BTA或KNO3的组合物却在每一pH值下显现出高的铜移除速率。基础组合物自身的铜移除速率强烈依赖于pH值。基础组合物所显现的铜移除速率在大于3的pH值下明显下降。具体地说，铜移除速率在3.04的pH值下为
在3.44的pH值下为
分钟，且在3.84的pH值下为
Claims (19)
1.一种用于抛光基板的化学机械抛光系统，其包含：
(a)抛光组件，其选自抛光垫、研磨剂及其组合；
(b)液体载体；
(c)氧化剂，其氧化至少部分基板，其中该氧化剂为碘酸盐且其存在量以该液体载体及溶解或悬浮于其中的任何组分的重量计为0.5重量％或更少；及
(d)卤素阴离子，其选自氯化物、溴化物及其组合，其中具有溶解或悬浮于其中的任何组分的该液体载体的pH值为3或更小，和
(e)苯并三唑。
2.权利要求1的抛光系统，其中该液体载体包含水。
3.权利要求1的抛光系统，其中该基板包含至少一个钽层及至少一个铜层。
4.权利要求1的抛光系统，其中该抛光系统包含悬浮于该液体载体中的研磨剂。
5.权利要求4的抛光系统，其中该研磨剂的存在量以该液体载体及溶解或悬浮于其中的任何组分的重量计为0.1重量％至10重量％。
6.权利要求4的抛光系统，其中该研磨剂的存在量以该液体载体及溶解或悬浮于其中的任何组分的重量计为0.5重量％或更少。
7.权利要求4的抛光系统，其中该研磨剂选自氧化铝、二氧化铈、二氧化硅、氧化锆及其组合。
8.权利要求1的抛光系统，其中该抛光系统包含抛光垫及固定至该抛光垫的研磨剂。
9.权利要求1的抛光系统，其中该氧化剂的存在量以该液体载体及溶解或悬浮于其中的任何组分的重量计为0.2重量％或更少。
10.权利要求1的抛光系统，其中该氧化剂为碘酸钾。
11.权利要求1的抛光系统，其中该卤素阴离子由选自以下的来源产生：酸性氯化物或溴化物、碱金属氯化物或溴化物、IIIA族氯化物或溴化物、铵或铵衍生物的氯化物盐或溴化物盐、过渡金属氯化物或溴化物、及其组合。
12.权利要求11的抛光系统，其中该卤素阴离子由选自以下的来源产生：氯化氢、氯化镁、氯化钙、氯化锶、氯化钡、氯化钾、氯化铯、氯化锂、氯化钠、氯化铷、氯化四丁铵、氯化四甲铵、氯化四乙铵、氯化四丙铵、其中烷基为C1-C20烷基的氯化烷基苄基二甲基铵、氯化铝、氯化镓、氯化铟、氯化铊、氯化锌、氯化铜、氯化铁、氯化亚铁、溴化四丁铵、溴化四甲铵、溴化四乙铵、溴化四丙铵、其中烷基为C1-C20烷基的溴化烷基苄基二甲基铵、溴化氢、溴化锂、溴化钾、溴化铯、溴化铷、溴化钠、溴化镁、溴化钙、溴化锶、溴化钡、溴化铝、溴化镓、溴化铟、溴化铊、溴化锌、溴化铜、溴化铁、溴化亚铁、及其组合。
13.权利要求11的抛光系统，其中该卤素阴离子的浓度为0.5mM至50mM。
14.一种化学机械抛光基板的方法，该方法包含：
(i)使基板与权利要求1-2和4-13中任一项的化学机械抛光系统接触；
(ii)使该抛光组件相对于该基板移动；及
(iii)磨除该基板的至少一部分，以抛光该基板。
15.权利要求14的方法，其中该基板包含至少一个钽层及至少一个铜层。
16.权利要求15的方法，其中该铜层以
分钟或更小的速率自该基板移除。
17.权利要求15的方法，其中该铜层以
分钟或更小的速率自该基板移除。
18.权利要求15的方法，其中该铜层以
分钟或更小的速率自该基板移除。
19.权利要求15的方法，其中该铜层以
分钟或更小的速率自该基板移除。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20120523 Termination date: 20190316 |