CN113166588A - 用于钴化学机械抛光的组合物及方法 - Google Patents

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Abstract

用于对具有钴层的基板进行抛光的化学机械抛光组合物，其包括：基于水的液体载剂；阳离子型硅石研磨剂颗粒，其分散于该液体载剂中；及三唑化合物，其中该抛光组合物具有大于约6的pH，且该阳离子型硅石研磨剂颗粒具有至少10mV的ζ电位。该三唑化合物不为苯并三唑或苯并三唑化合物。用于对包括钴层的基板进行化学机械抛光的方法，其包括：使该基板与上述抛光组合物接触，相对于该基板移动该抛光组合物，以及研磨该基板以自该基板移除该钴层的一部分并由此对该基板进行抛光。

Description

用于钴化学机械抛光的组合物及方法
背景技术
钨插塞及钨互连及铜互连以及双镶嵌制程为后段(back end of the line；BEOL)制程，该后段制程已长期用于形成连接常规半导体器件中的晶体管的金属线网络。在这些制程中，将钨或铜金属沉积于形成于介电材料(例如，TEOS)中的开口中。化学机械抛光(CMP)用于自介电质移除过量的钨或铜，且由此形成钨或铜插塞和/或其中的互连件。层间介电(interlayer dielectric；ILD)材料(诸如TEOS)沉积于金属互连层级之间以在层级之间提供电绝缘。
随着晶体管尺寸持续缩减，常规互连技术的使用已变得越来越具挑战性。最近，钴已成为用以替代铜互连件中的钽/钽氮化物阻挡物层叠体的主要候选者。钴还经积极研究作为多种BEOL应用中对钨金属的替代物。随着潜在(可能，potential)引入钴作为阻挡层和/或钨插塞和/或互连件替代物，存在对能够将含钴的基板平面化的CMP浆料的新兴需求。
一般而言，经制作以用于移除钨、铜或其它金属层的可商购的CMP浆料对于抛光钴而言是不适合的(ill-equipped)，在先进节点器件中尤其如此。举例而言，Co趋向于是化学活性的，且可在CMP制程期间易受各种腐蚀问题的影响。需要可移除钴膜和/或将含钴的基板有效地平面化，同时不造成相应的钴腐蚀的CMP浆料。
发明内容
公开了一种用于对具有钴层的基板进行抛光的化学机械抛光组合物。该抛光组合物包含以下、基本上由以下组成、或由以下组成：基于水的液体载剂；阳离子型硅石研磨剂颗粒，其分散于该液体载剂中，其中该阳离子型硅石研磨剂颗粒在该抛光组合物中具有至少10mV的ζ电位；三唑化合物，其中该三唑化合物不为苯并三唑或苯并三唑化合物，且其中该抛光组合物具有大于约6的pH。在一个实施方式中，该硅石研磨剂颗粒包含胶体硅石颗粒，且该三唑化合物包含三唑吡啶化合物，诸如1H-1,2,3-三唑并[4,5-b]吡啶。进一步公开一种用于对包括钴层的基板进行化学机械抛光的方法。该方法可包括：使该基板与上述抛光组合物接触；相对于该基板移动该抛光组合物；以及研磨该基板以自该基板移除该钴的一部分并由此对该基板进行抛光。该方法可进一步包括自该基板移除介电层的一部分。
具体实施方式
公开了一种用于对具有钴层的基板进行抛光的化学机械抛光组合物。该抛光组合物包含以下、基本上由以下组成、或由以下组成：基于水的液体载剂；阳离子型硅石研磨剂颗粒，其分散于液体载剂中；及三唑化合物。该抛光组合物具有大于约6的pH，且阳离子型硅石研磨剂颗粒在该抛光组合物中具有至少10mV的ζ电位。三唑化合物不为苯并三唑或苯并三唑化合物。在一个实施方式中，硅石研磨剂颗粒包括经氨基硅烷化合物处理的胶体硅石颗粒，且三唑化合物包含三唑吡啶化合物，诸如1H-1,2,3-三唑并[4,5-b]吡啶。
应理解，所公开的CMP组合物可有利地用于块体(批量，bulk)钴移除和/或钴磨光(buff)CMP操作。块体移除操作可需要较高的钴移除速率，而磨光操作可需要较低的缺陷水平和/或更严格的腐蚀控制。所公开的CMP组合物还可有利地用于单步骤的钴CMP操作。虽然所公开的实施方式可尤其地良好适用于钴磨光操作，但所述实施方式并不意欲受限于任何特定的钴CMP操作。
抛光组合物含有研磨剂，该研磨剂包括悬浮于液体载剂中的金属氧化物颗粒。研磨剂可基本上包括适合的金属氧化物颗粒，例如，包括胶体硅石颗粒和/或热解硅石颗粒。如本文中所使用的，术语胶体硅石颗粒是指经由湿式制程而非通常产生结构上不同颗粒的火成或火焰水解制程所制备的硅石颗粒。这样的胶体硅石颗粒可为聚集或非聚集的。非聚集颗粒为形状可为球形或接近球形，但同样可具有其它形状(诸如，通常地，椭圆、方形或矩形横截面)的单独离散颗粒。聚集颗粒为其中多个离散颗粒簇集或结合在一起以形成具有通常不规则形状的聚集体的颗粒。
胶体硅石可为经沉淀或缩聚的硅石，其可使用本领域普通技术人员已知的任何方法来制备，诸如通过溶胶凝胶法或通过硅酸盐离子交换。经常通过缩合Si(OH)4以形成基本上球形的颗粒来制备经缩聚的硅石颗粒。前体Si(OH)4可例如通过水解高纯度烷氧基硅烷或通过酸化硅酸盐水溶液而获得。这样的研磨剂颗粒可例如根据美国专利第5,230,833号来制备，或可自例如包括以下的若干商业供应商中的任一者获得：EKA Chemicals、FusoChemical Company、Nalco、DuPont、Bayer、Applied Research、Nissan Chemical及Clariant。
火成硅石经由火焰水解制程产生，其中，在氢与氧的火焰中燃烧适合的原料蒸气(诸如四氯化硅)。在燃烧制程中形成大致球形形状的熔融颗粒，其直径可经由制程参数而变化。这些熔融球体(通常称为初级颗粒)通过在其接触点处进行碰撞而彼此融合以形成支化、三维链状聚集体。热解硅石研磨剂可商购自许多供应商，包括例如Cabot Corporation、Evonic及Wacker Chemie。
研磨剂颗粒可基本上具有任何适合的粒径。在工业中，可使用各种手段来定义悬浮于液体载剂中的颗粒的粒径。举例而言，可将粒径定义为包围颗粒的最小球体的直径且可使用若干可商购的仪器来量测粒径，所述可商购的仪器例如包括CPS盘式离心机、ModelDC24000HR(可获自CPS Instruments,Prairieville,Louisiana)或可获自Malvern
Figure BDA0003099346570000031
的
Figure BDA0003099346570000032
研磨剂颗粒可具有约5nm或更大(例如，约10nm或更大、约20nm或更大、或约30nm或更大)的平均粒径。研磨剂颗粒可具有约200nm或更小(例如，约160nm或更小、约140nm或更小、约120nm或更小、或约100nm或更小)的平均粒径。因此，应理解，研磨剂颗粒可具有在由前述端点中的任两者界定的范围内的平均粒径。举例而言，研磨剂颗粒可具有在约5nm至约200nm(例如，约10nm至约160nm、约20nm至约140nm、约20nm至约120nm、或约20nm至约100nm)范围内的平均粒径。
抛光组合物可基本上包括任何适合量的研磨剂颗粒。若抛光组合物包含过少的研磨剂，则组合物可能不展现充足的移除速率。相比之下，若抛光组合物包含过多的研磨剂，则抛光组合物可能展现不合乎期望的抛光效能、和/或可能不具成本效益、和/或可能缺乏稳定性。抛光组合物可包括约0.01重量％或更多的研磨剂颗粒(例如，约0.05重量％或更多)。抛光组合物可包括约0.1重量％或更多(例如，约0.2重量％或更多、约0.3重量％或更多、或0.5重量％或更多)的研磨剂颗粒。抛光组合物中的研磨剂颗粒的浓度一般小于约20重量％，且更典型地为约10重量％或更小(例如，约5重量％或更小、约3重量％或更小、约2重量％或更小、或约1.5重量％或更小、或约1重量％或更小)。应理解，研磨剂颗粒可以由前述端点中的任两者界定的浓度存在于抛光组合物中。举例而言，抛光组合物中的研磨剂颗粒的浓度可在约0.01重量％至约20重量％，且更优选约0.05重量％至约10重量％(例如，约0.1重量％至约5重量％、约0.1重量％至约3重量％、约0.1重量％至约2重量％、约0.2重量％至约2重量％、约0.2重量％至约1.5重量％、或约0.2重量％至约1重量％)的范围内。
在其中研磨剂颗粒包含硅石(诸如胶体或火成硅石)的实施方式中，硅石颗粒可在抛光组合物中具有正电荷。分散颗粒(诸如硅石颗粒)上的电荷在本领域中通常称为ζ电位(或动电位)。颗粒的ζ电位是指包围颗粒的离子的电荷与抛光组合物的本体溶液(例如，液体载剂及溶解于其中的任何其它组分)的电荷之间的电位差。因此，具有正电荷的硅石研磨剂颗粒(即，阳离子型硅石研磨剂颗粒)将在其操作pH下具有正ζ电位。ζ电位典型地取决于水性介质的pH。对于给定的组合物，将颗粒的等电点定义为这样的pH，在该pH下，ζ电位为零。随着pH自等电点升高或降低，表面电荷(及因此的ζ电位)相应地减少或增加(至负ζ电位值或正ζ电位值)。经分散的研磨剂颗粒(诸如所公开的抛光组合物中的经分散的研磨剂颗粒)的ζ电位可使用可商购仪器获得，该可商购仪器诸如可购自Malvern Instruments的Zetasizer、可购自Brookhaven Instruments的ZetaPlusζ电位分析仪和/或可购自Dispersion Technologies,Inc的电声光谱仪。
在某些实施方式中，阳离子型硅石研磨剂颗粒具有大于pH 7的等电点。举例而言，研磨剂颗粒可具有大于pH 8(例如，大于pH 8.5或大于pH 9)的等电点。如下文更详细地描述的，研磨剂颗粒可任选地包含经诸如氨基硅烷化合物的含氮化合物处理的胶体硅石颗粒。
在某些实施方式中，阳离子型硅石研磨剂颗粒在抛光组合物(例如，pH大于约6或pH范围介于约6至约8)中具有约10mV或更大(例如，约15mV或更大、约20mV或更大、约25mV或更大、或约30mV或更大)的ζ电位。阳离子型硅石研磨剂颗粒可在抛光组合物(例如，pH大于约6或pH范围介于约6至约8)中具有约50mV或更小(例如，约45mV或更小、或约40mV或更小)的ζ电位。应理解，阳离子型硅石研磨剂颗粒可具有在由前述端点中的任两者界定的范围内的ζ电位。举例而言，阳离子型硅石研磨剂颗粒可在抛光组合物(例如，pH大于约6、或pH范围介于约6至约8)中具有在约10mV至约50mV(例如，约10mV至约45mV、或约20mV至约40mV)的范围内的ζ电位。
在某些实施方式中，阳离子型硅石研磨剂颗粒可包含胶体硅石颗粒，该胶体硅石颗粒经氨基硅烷化合物处理以使得经处理的研磨剂颗粒在抛光组合物(例如，pH大于约6、大于约7、大于约7.5或大于约8)中具有约10mV或更大(例如，约15mV或更大、约20mV或更大、约25mV或更大、或约30mV或更大)的ζ电位。在这些实施方式的某些中，研磨剂颗粒包含经季氨基硅烷化合物处理的胶体硅石颗粒。这样的阳离子型胶体硅石颗粒可例如经由用如共同转让的美国专利7,994,057及9,028,572中或美国专利9,382,450中所公开的至少一种氨基硅烷化合物处理该颗粒而获得，所述美国专利各自以全文引用的方式并入本文中。在抛光组合物中具有约10mV或更大的ζ电位的胶体硅石颗粒还可通过如共同转让的美国专利9,422,456中所公开地将诸如氨基硅烷化合物的化学物种(species)并入胶体硅石颗粒中而获得，该美国专利以引用的方式完全并入本文中。
应理解，示例的阳离子型胶体硅石颗粒可使用任何适合的处理方法来处理以获得阳离子型胶体硅石颗粒。举例而言，可将季氨基硅烷化合物及胶体硅石同时添加至抛光组合物中的其它组分中的一些或全部中。替代地，在与抛光组合物的其它组分混合之前，胶体硅石可经季氨基硅烷化合物处理(例如，经由加热胶体硅石与氨基硅烷的混合物)。
在某些实施方式中，阳离子型硅石研磨剂颗粒可具有永久性正电荷。永久性正电荷意味着硅石颗粒上的正电荷不容易例如经由冲洗、稀释、过滤及其类似者而逆转。永久性正电荷可为例如阳离子型化合物与胶体硅石共价结合的结果。永久性正电荷与可逆正电荷相反，可逆正电荷可为例如阳离子型化合物与胶体硅石之间的静电相互作用的结果。
尽管如此，如本文中所使用的，至少10mV的永久性正电荷意味着在以下三步超滤测试之后，胶体硅石颗粒的ζ电位保持高于10mV。使一定体积的抛光组合物(例如，200ml)通过Millipore Ultracell再生纤维素超滤盘(例如，具有100,000道尔顿的MW截断值(cutoff)，且孔径为6.3nm)。收集剩余的分散体(被超滤盘保留的分散体)且用经pH调节的去离子水补充至原始体积。使用适合的无机酸(诸如硝酸)，将去离子水的pH调节至抛光组合物的原始pH。该程序重复总共三个超滤周期(其每一者均包括超滤步骤及补充步骤)。然后，量测经三次超滤及补充的抛光组合物的ζ电位，且将该ζ电位与原始抛光组合物的ζ电位进行比较。该三步超滤测试进一步详细地描述于共同转让的美国专利9,422,456的实施例10中，该美国专利以全文引用的方式并入本文中。
液体载剂用于促进将研磨剂及任何任选的化学添加剂施加至待抛光(例如，平面化)的基板的表面。液体载剂可为任何适合的载剂(例如，溶剂)，包括低级醇(例如，甲醇、乙醇等)、醚(例如，二
Figure BDA0003099346570000061
烷、四氢呋喃等)、水、及其混合物。优选地，液体载剂包含水(更优选去离子水)，基本上由水(更优选去离子水)组成，或由水(更优选去离子水)组成。
抛光组合物通常为中性的，其具有在约5至约9的范围内的pH。举例而言，当在1个大气压及25℃下量测时，抛光组合物可具有约6或更大(例如，约6.5或更大、约7或更大或约7.5或更大)的pH。抛光组合物可进一步具有约9或更小(例如，约8或更小，或约7.5或更小)的pH。抛光组合物可因而具有在由以上端点中的任两者界定的范围内的pH。举例而言，pH可在约6至约9(例如，约6至约8、约6.5至约8、约7至约8.5或约7至约8)的范围内。抛光组合物的pH可通过任何适合的手段达成和/或维持。抛光组合物可基本上包括任何适合的pH调节剂或缓冲体系。举例而言，适合的pH调节剂可包括硝酸、硫酸、磷酸及其类似者，以及有机酸，诸如乙酸及乳酸。适合的缓冲剂可包括磷酸盐、铵盐及类似者。
抛光组合物进一步包括钴蚀刻和/或腐蚀的抑制剂。已知的是，钴金属在酸性及中性环境中容易受到腐蚀攻击。钴抑制剂旨在降低钴金属在CMP组合物中的溶解(dissolution)(溶化(dissolving))的速率。在某些实施方式中，钴抑制剂包括三唑化合物。优选的三唑化合物包括三唑吡啶(TAP)化合物，诸如1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、1-乙酰基-1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、3H-[1,2,3]三唑并[4,5-c]吡啶及2-(1,2,4-三唑-3-基)吡啶。最优选的铜抑制剂为1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶。1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶的结构展示如下。
Figure BDA0003099346570000062
虽然钴抑制剂可包括诸如三唑吡啶化合物的三唑化合物，但应理解，钴抑制剂不包括苯并三唑或苯并三唑化合物(诸如苯并三唑、5-甲基-1H-苯并三唑或1H-苯并三唑-1-甲醇)。苯并三唑(BTA)为常用于商业的铜CMP浆料中的公知且高效的铜腐蚀抑制剂。如以下实施例1中所示的，BTA及某些BTA化合物可在CMP抛光组合物中充当钴抑制剂。然而，已发现，由于至少以下原因，在CMP抛光组合物中使用BTA或BTA化合物可能是不利的。据信，这些化合物将形成牢固地粘附至钴基板的有机膜(据推测，该膜抑制钴的腐蚀)。已发现，该牢固粘附的膜的存在导致，在CMP后清洗操作之后，位于晶片上的大量的有机表面残留物缺陷(因为该膜的移除已被证明是困难的)。已观测到，甚至在多个使用碱性清洁剂的CMP后清洗步骤之后，该表面缺陷仍存在。
如上文所描述的，钴抑制剂优选地包括三唑吡啶化合物。本领域普通技术人员将容易地理解，三唑吡啶化合物包括结合(键合，bond)至吡啶环的三唑基团。在某些实施方式中，吡啶环及三唑基团共用伯及仲碳原子(且因此在伯及仲碳原子处结合在一起)。相比之下，苯并三唑化合物包括结合至苯环的三唑基团。三唑吡啶化合物不包括苯环。
钴抑制剂不包括苯并三唑或苯并三唑化合物的以上公开内容并非旨在意味着抛光组合物必须不含苯并三唑或苯并三唑化合物。相反地，在包括多种三唑化合物的实施方式中，应理解，三唑化合物中的至少一者不为苯并三唑或苯并三唑化合物。举例而言，应理解，在某些实施方式中，除以上所述的三唑化合物钴抑制剂以外，抛光组合物可另外地包括低含量的苯并三唑或苯并三唑化合物(例如，小于50ppm、或小于20ppm、或小于10ppm、或甚至小于5ppm)。
抛光组合物中的钴抑制剂化合物的量可取决于所用的特定化合物、是否使用氧化剂、抛光组合物的pH及其它因素而变化。当优选的钴抑制剂为三唑吡啶化合物且组合物的pH为中性(例如，约5至约9)时，按组合物的总重量计，钴抑制剂可以范围介于约10ppm至约2000ppm的量存在于抛光组合物中。在某些实施方式中，抛光组合物可包括约10ppm或更多的三唑吡啶化合物(例如，约20ppm或更多、约50ppm或更多、或约100ppm或更多)。抛光组合物还可包括约2000ppm或更少的三唑吡啶化合物(例如，约1000ppm或更少、约700ppm或更少、或约500ppm或更少)。因此，应理解，三唑吡啶钴蚀刻抑制剂可以由前述端点中的任两者界定的浓度存在于抛光组合物中。举例而言，抛光组合物可包括约20ppm至约1000ppm的三唑吡啶化合物(例如，约50ppm至约1000ppm、约50至约500、或约100ppm至约500ppm)。
抛光组合物优选地不含包括过化合物(per-compound)的氧化剂。换言之，优选的是，过化合物不存在于抛光组合物中，且不将其有意地添加至抛光组合物。在这样的实施方式中，抛光组合物中的过化合物氧化剂的浓度基本上为零(例如，按重量计小于1ppm、按重量计小于0.3ppm、或按重量计小于0.1ppm)。如本文中所定义的过化合物为含有至少一个过氧基团(-O--O-)的化合物或含有处于其最高氧化态的卤素元素的化合物。含有至少一个过氧基团的化合物的实例包括(但不限于)：过氧化氢及其加合物，诸如脲过氧化氢、过碳酸盐、过硼酸盐、过硼酸；有机过氧化物，诸如过氧化苯甲酰、过乙酸及二-叔丁基过氧化物；单过硫酸盐(SO5 ＝)；二过硫酸盐(S2O8 ＝)；及过氧化钠。含有处于其最高氧化态的卤素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、高氯酸及高氯酸盐。
已知的是，过化合物(包括过氧化氢及其加合物)与包括前述钴抑制剂化合物的三唑化合物发生化学反应。因此，这样的过化合物的消除可改善钴抑制剂的化学稳定性且有利地改善抛光组合物的贮存期。
抛光组合物可任选地(但不是必须地)包含不包括过化合物的氧化剂(非过化合物氧化剂)。这样的非过化合物氧化剂可选自含氮的有机氧化剂，诸如硝基化合物、亚硝基化合物、N-氧化物化合物、肟化合物、及其组合。举例而言，任选的氧化剂可包括芳基硝基化合物、芳基亚硝基化合物、芳基N-氧化物化合物、芳基肟化合物、杂芳基硝基化合物、杂芳基亚硝基化合物、杂芳基N-氧化物化合物、杂芳基肟化合物、及其组合。
在包括非过氧化剂(non per oxidizing agent)的任选的实施方式中，氧化剂可基本上以任何适合的浓度存在。氧化剂可以约1mM或更大，例如约5mM或更大、约10mM或更大、约20mM或更大、约30mM或更大、约40mM或更大、或约50mM或更大的浓度存在于抛光组合物中。氧化剂还可以约100mM或更小，例如约90mM或更小、约80mM或更小、约70mM或更小、或约60mM或更小的浓度存在于抛光组合物中。应理解，氧化剂可以由前述端点中的任两者界定的浓度存在于抛光组合物中。举例而言，氧化剂可以在约1mM至约100mM(例如，约5mM至约90mM、约10mM至约80mM、约20mM至约70mM、或约20mM至约60mM)的范围内的浓度存在于抛光组合物中。
抛光组合物可进一步任选地(但确实必须地)包括钴抛光促进剂。钴促进剂可为选自以下的任何适合的钴促进剂：N-二(羧基烷基)胺、N-二(羟基烷基)胺、N,N-二(羟基烷基)-N-羧基烷基胺、二羧基杂环、杂环基烷基-α-氨基酸、N-氨基烷基氨基酸、未经取代的杂环、经烷基取代的杂环、羧酸、二羧酸、三羧酸、烷基胺、N-氨基烷基-α-氨基酸、及其组合。举例而言，抛光组合物可任选地包括选自以下的钴促进剂：亚氨基二乙酸(“IDA”)、N-(2-乙酰氨基)亚氨基二乙酸(“ADA”)、N-甲基咪唑、吡啶甲酸、吡啶二甲酸、4-(2-羟基乙基)-1-哌嗪乙磺酸、甘氨酸、二羟乙基甘氨酸(bicine)、三乙胺“(TEA”)、依替膦酸(etidronic acid)、N-甲基吗啉、丙二酸、2-吡啶磺酸盐、柠檬酸、及其组合。
在包括钴促进剂的任选的实施方式中，钴促进剂可以任何适合的浓度存在于抛光组合物中。在某些任选的实施方式中，钴促进剂可以约5mM或更大(例如，约10mM或更大、约20mM或更大、或约40mM或更大)的浓度存在于抛光组合物中。钴促进剂可以约100mM或更小(例如，约80mM或更小、约60mM或更小、或约50mM或更小)的浓度存在于抛光组合物中。钴促进剂可以由前述端点中的任两者界定的浓度存在于抛光组合物中，例如，在约5mM至约100mM、约10mM至约80mM、或约20mM至约60mM的范围内。
抛光组合物可任选地进一步包括杀生物剂。该杀生物剂可包括任何适合的杀生物剂，例如异噻唑啉酮杀生物剂，诸如可购自Dow Chemical Company的
Figure BDA0003099346570000091
杀生物剂。抛光组合物可基本上包括任何适合量的杀生物剂。举例而言，某些实施方式可包括约1ppm至约1000ppm，例如约10ppm至约500ppm的杀生物剂。所公开的实施方式明确地不限于任何特定杀生物剂化合物或浓度的使用。
抛光组合物可使用任何适合的技术来制备，其中的许多是本领域技术人员已知的。抛光组合物可以分批或连续制程来制备。一般而言，抛光组合物可通过以任何次序组合其组分来制备。如本文中所使用的，术语“组分”包括单独的成分(例如，研磨剂颗粒、钴抑制剂等)。
举例而言，胶体硅石及季氨基硅烷化合物可在水性液体载剂中混合。该混合物可任选地经加热(例如，达到约50℃至80℃的温度)以促进氨基硅烷化合物与胶体硅石的结合。然后，可通过能够将组分结合到抛光组合物中的任何方法来添加并混合其它组分(诸如钴抑制剂及杀生物剂)。此外，还可通过在CMP操作期间在基板的表面处(例如，在抛光垫上)混合组分来制备抛光组合物。
本发明的抛光组合物也可作为意欲在使用前用适量水稀释的浓缩物提供。在这样的实施方式中，抛光组合物浓缩物可包括研磨剂颗粒、钴抑制剂、任选的杀生物剂、以及水，所述组分的量使得在用适量水稀释浓缩物时，抛光组合物的各组分将以在上文针对各组分所述的适当范围内的量存在于抛光组合物中。举例而言，研磨剂颗粒及钴抑制剂可以上文针对各组分所述的浓度的约2倍(例如，约3倍、约4倍、约5倍、或约10倍)的量存在于抛光组合物中，使得当用等体积的水(例如，分别为1等体积的水、2等体积的水、3等体积的水、4等体积的水、或甚至9等体积的水)稀释浓缩物时，各组分将以在上文针对各组分所述的范围内的量存在于抛光组合物中。此外，如本领域普通技术人员将理解的，浓缩物可含有适当比率的存在于最终抛光组合物中的水，以确保其它组分至少部分或完全溶解于浓缩物中。
虽然本发明的抛光组合物可用于抛光任何基板，但是，该抛光组合物尤其适用于对包含至少一个含钴层的基板进行抛光。基板可进一步包括介电层，该介电层包括金属氧化物，诸如衍生自原硅酸四乙酯(TEOS)的硅氧化物层、多孔的金属氧化物、多孔或非多孔的经碳掺杂的硅氧化物、经氟掺杂的硅氧化物、玻璃、有机聚合物、经氟化的有机聚合物、或任何其它适合的高k或低k的绝缘层。
本发明的抛光方法尤其适合于与化学机械抛光(CMP)装置结合使用。典型地，该装置包括：压板，其在使用时处于运动中且具有由轨道、线性或圆周运动产生的速度；抛光垫，其与压板接触且在运动时随压板移动；及载体，其固持待通过接触抛光垫表面且相对于其移动而被抛光的基板。基板的抛光通过以下操作进行：使基板与抛光垫及本发明的抛光组合物接触放置，然后，相对于基板移动抛光垫，以便研磨基板(诸如钴及如本文中所描述的介电材料)的至少一部分以对基板进行抛光。
在某些实施方式中，当钴与介电材料的抛光速率相似时，可达成最佳的平面化。举例而言，在某些实施方式中，钴对介电材料的选择性可在约1:10至约10:1的范围内。在某些实施方式中，介电材料的抛光速率可大于钴的抛光速率，使得钴对介电材料的选择性可小于1:1(例如，在1:10至约1:1的范围内)。
可采用化学机械抛光组合物使用任何适合的抛光垫(例如抛光表面)来平面化或抛光基板。适合的抛光垫包括，例如，编织及非编织的抛光垫。而且，适合的抛光垫可包含具有各种密度、硬度、厚度、可压缩性、压缩回弹能力及压缩模量的任何适合的聚合物。适合的聚合物包括例如聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龙、氟碳化合物、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯、其共形成的产物、以及它们的混合物。
本发明进一步通过以下实施方式来得以说明。
实施方式(1)呈现一种用于对含钴的基板进行抛光的化学机械抛光组合物，该抛光组合物包含：(i)基于水的液体载剂；(ii)阳离子型硅石研磨剂颗粒，其分散于该液体载剂中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒具有至少10mV的ζ电位；(iii)三唑化合物，其中该三唑化合物不为苯并三唑或苯并三唑化合物；其中该抛光组合物具有大于约6的pH。
实施方式(2)呈现根据实施方式(1)的组合物，其中，该三唑化合物为三唑吡啶化合物。
实施方式(3)呈现根据实施方式(2)的组合物，其中，该三唑吡啶化合物为1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、1-乙酰基-1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、3H-[1,2,3]三唑并[4,5-c]吡啶、2-(1,2,4-三唑-3-基)吡啶、或其混合物。
实施方式(4)呈现根据实施方式(2)的组合物，其中，该三唑吡啶化合物为1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶。
实施方式(5)呈现根据实施方式(2)至(4)中任一项的组合物，其包含约50ppm至约500ppm的该三唑吡啶化合物。
实施方式(6)呈现根据实施方式(1)至(5)中任一项的组合物，其中，该抛光组合物基本上不含过化合物氧化剂。
实施方式(7)呈现根据实施方式(1)至(6)中任一项的组合物，其具有约6至约8的pH。
实施方式(8)呈现根据实施方式(1)至(7)中任一项的组合物，其中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒具有大于约9的等电点。
实施方式(9)呈现根据实施方式(1)至(8)中任一项的组合物，其中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒包含胶体硅石颗粒，该胶体硅石颗粒在大于约6的pH下具有具有至少20mV的永久性正电荷。
实施方式(10)呈现根据实施方式(1)至(9)中任一项的组合物，其包含小于约2重量％的该阳离子型硅石研磨剂颗粒。
实施方式(11)呈现一种对包括钴层的基板进行化学机械抛光的方法，该方法包括：(a)使该基板与抛光组合物接触，该抛光组合物包含：(i)基于水的液体载剂；(ii)阳离子型硅石研磨剂颗粒，其分散于该液体载剂中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒具有至少10mV的ζ电位；(iii)三唑化合物，其中该三唑化合物不为苯并三唑或苯并三唑化合物；且其中该抛光组合物具有大于约6的pH；(b)相对于该基板移动该抛光组合物；以及(c)研磨该基板以自该基板移除该钴层的一部分并由此对该基板进行抛光。
实施方式(12)呈现根据实施方式(11)的方法，其中，该三唑化合物为三唑吡啶化合物。
实施方式(13)呈现根据实施方式(12)的方法，其中，该三唑吡啶化合物为1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、1-乙酰基-1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、3H-[1,2,3]三唑并[4,5-c]吡啶、2-(1,2,4-三唑-3-基)吡啶、或其混合物。
实施方式(14)呈现根据实施方式(12)的方法，其中，该三唑吡啶化合物为1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶。
实施方式(15)呈现根据实施方式(12)至(14)中任一项的方法，其中，该抛光组合物包含约50ppm至约500ppm的该三唑吡啶化合物。
实施方式(16)呈现根据实施方式(11)至(15)中任一项的方法，其中，该抛光组合物基本上不含过化合物氧化剂。
实施方式(17)呈现根据实施方式(11)至(16)中任一项的方法，其中，该抛光组合物具有约6至约8的pH。
实施方式(18)呈现根据实施方式(11)至(17)中任一项的方法，其中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒具有大于约9的等电点。
实施方式(19)呈现根据实施方式(11)至(18)中任一项的方法，其中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒包含胶体硅石颗粒，该胶体硅石颗粒在大于约6的pH下具有至少20mV的永久性正电荷。
实施方式(20)呈现根据实施方式(11)至(19)中任一项的方法，其包含小于约2重量％的该阳离子型硅石研磨剂颗粒。
实施方式(21)呈现根据实施方式(11)至(20)中任一项的方法，其中，该基板进一步包含介电层，且其中，(c)中的该研磨还自该基板移除该介电层的一部分。
实施方式(22)呈现根据实施方式(21)的方法，其中，(c)中的该介电层的移除速率大于(c)中的钴的移除速率。
实施方式(23)呈现根据实施方式(22)的方法，其中，该介电层为原硅酸四乙酯(TEOS)。
实施方式(24)呈现一种用于对含钴的基板进行抛光的化学机械抛光组合物。该抛光组合物包含：基于水的液体载剂；阳离子型硅石研磨剂颗粒，其分散于该液体载剂中；阳离子型硅石研磨剂颗粒，其在该抛光组合物中具有至少10mV的ζ电位；三唑吡啶化合物，且其中该抛光组合物具有大于约6的pH。
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
制备各种抛光组合物(对照物A及实施例组合物1-12)。实施例抛光组合物1-12包括各种唑化合物。通过向相应的混合物中添加适量的具有50nm的平均粒径的阳离子型胶体硅石颗粒以使得阳离子型胶体硅石具有0.5重量％的最终浓度来制备十三种抛光组合物中的每一者。如美国专利9,382,450的实施例7中所描述地来制备阳离子型胶体硅石颗粒。最终组合物中的每一者进一步包括1.68mM的相应的唑化合物、2mM的三(羟基甲基)氨基甲烷、125ppm的Kordek杀生物剂，pH为7.1。对照物A不包括唑化合物。用于实施例1至12中的每一者中的具体的唑化合物提供于表1中。所述组合物(对照物A及实施例1-12)中的每一者在pH7.1下具有约25mV的ζ电位。
评估上述抛光组合物中的每一者的钴蚀刻速率。该实施例表明，某些唑化合物(尤其三唑化合物)作为钴蚀刻抑制剂的效果。为了获得各抛光组合物的钴蚀刻速率，首先将抛光组合物加热至45℃，其后将具有钴层的两平方厘米的晶片浸没于抛光组合物(钴侧向上)中持续5分钟。经由在抛光组合物中浸没之前及之后进行的电阻率量测来测定钴移除速率。
钴蚀刻速率展示于表1中。如上文所述的，对照物A未包括唑化合物。用于实施例组合物1至12中的每一者中的具体的唑化合物示于该表中。
表1
Figure BDA0003099346570000141
如自表1中阐述的结果明晰的，实施例组合物1-8展现
Figure BDA0003099346570000142
/分钟或更小的钴蚀刻速率，其小于对照物A(无抑制剂)的钴蚀刻速率的二分之一。组合物9-12展现
Figure BDA0003099346570000143
/分钟或更大的钴蚀刻速率，其与对照物A的钴蚀刻速率类似。
实施例2
在该实施例中，针对来自实施例1的抛光组合物1-7评估钴及TEOS抛光速率以及清洁能力(缺陷率)。该实施例表明，使用三唑吡啶钴抑制剂导致在CMP后清洁步骤之后的最低的缺陷数量。通过对毯覆式钴及TEOS晶片进行抛光获得钴及TEOS抛光速率。在1.5psi的下压力、93rpm的压板速度及87rpm的头速度下，使用
Figure BDA0003099346570000144
CMP抛光工具及Fujibo H7000抛光垫对晶片进行抛光。浆液流速为200ml/分钟。在抛光之后，在2个刷盒中的每一者中，在ONTRAK清洁器中使用K8160-1(可购自Cabot Microelectronics)清洁钴晶片60秒。使用Surfscan SP1在0.16μm的阈值下收集缺陷计数。使用扫描电子显微镜收集缺陷影像，且通过目视检查(visual examination)所获得的影像来完成缺陷分类。所观测到的缺陷主要为有机表面残留物。钴及TEOS抛光速率以及缺陷数据示于表2中。
表2
Figure BDA0003099346570000151
如自表2中阐述的结果明晰的，使用三唑吡啶抑制剂导致最少的缺陷数量，表明：在CMP后清洁步骤中，这些化合物更易于自钴基板移除。使用苯并三唑及苯并三唑化合物作为钴抑制剂导致位于钴表面上的非常大量的有机物缺陷(organic defect)。即使采用多个CMP后清洗步骤，该缺陷数量仍然不能得到减少。
将本文中引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)在此引入作为参考，其参考程度如同各参考文献被单独和具体说明以引入作为参考并且各参考文献在本文中全部阐述一般。
在描述本发明的范围(特别是所附权利要求的范围)中使用术语“一个”和“一种”和“该”以及类似的指示物应理解为包括单数和复数，除非本文中另有说明或上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”、和“含有”应理解为开放式术语(即，意味着“包括，但不限于”)，除非另有说明。本文中数值范围的列举仅仅用作单独提及落在该范围内的每个独立值的简写方法，除非本文中另有说明，并且在说明书中引入每个独立值，就如同其在这里被单独列举一样。本文描述的所有方法可以任何适合的顺序进行，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。本文中提供的任何和所有实例、或示例性语言(如，“例如(诸如)”)的使用仅用来更好地说明本发明，而不是对本发明的范围加以限定，除非另有说明。说明书中没有语言应被理解为是在将任何非要求保护的要素表明为是本发明的实践所必需的。
本文中描述了本发明的优选实施方案，包括本发明人已知的进行本发明的最佳模式。通过阅读上述说明书，那些优选实施方案的变化对于本领域的普通技术人员来说将变得明晰。本发明人希望技术人员适当地采用这种变化，且本发明人希望本发明用不同于本文具体描述的方式进行实践。因此，本发明包括适用法律所允许的、所附权利要求书中所列举的主题的所有修改和等价物。此外，本发明涵盖上述要素在其所有可能变化中的任意组合，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。

Claims (24)

1.用于对含钴的基板进行抛光的化学机械抛光组合物，该抛光组合物包含：
基于水的液体载剂；
阳离子型硅石研磨剂颗粒，其分散于该液体载剂中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒在该抛光组合物中具有至少10mV的ζ电位；
三唑化合物，其中该三唑化合物不为苯并三唑或苯并三唑化合物；且
其中该抛光组合物具有大于约6的pH。
2.权利要求1的组合物，其中，该三唑化合物为三唑吡啶化合物。
3.权利要求2的组合物，其中，该三唑吡啶化合物为1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、1-乙酰基-1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、3H-[1,2,3]三唑并[4,5-c]吡啶、2-(1,2,4-三唑-3-基)吡啶、或其混合物。
4.权利要求2的组合物，其中，该三唑吡啶化合物为1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶。
5.权利要求2的组合物，其包含约50ppm至约500ppm的该三唑吡啶化合物。
6.权利要求1的组合物，其中，该抛光组合物基本上不含过化合物氧化剂。
7.权利要求1的组合物，其具有约6至约8的pH。
8.权利要求1的组合物，其中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒具有大于约9的等电点。
9.权利要求1的组合物，其中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒包含胶体硅石颗粒，该胶体硅石颗粒在大于约6的pH下具有具有至少20mV的永久性正电荷。
10.权利要求1的组合物，其包含小于约2重量％的该阳离子型硅石研磨剂颗粒。
11.对包括钴层的基板进行化学机械抛光的方法，该方法包括：
(a)使该基板与抛光组合物接触，该抛光组合物包含：
(i)基于水的液体载剂；
(ii)阳离子型硅石研磨剂颗粒，其分散于该液体载剂中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒具有至少10mV的ζ电位；
(iii)三唑化合物，其中该三唑化合物不为苯并三唑或苯并三唑化合物；且
其中该抛光组合物具有大于约6的pH；
(b)相对于该基板移动该抛光组合物；以及
(c)研磨该基板以自该基板移除该钴层的一部分并由此对该基板进行抛光。
12.权利要求11的方法，其中，该三唑化合物为三唑吡啶化合物。
13.权利要求12的方法，其中，该三唑吡啶化合物为1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、1-乙酰基-1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶、3H-[1,2,3]三唑并[4,5-c]吡啶、2-(1,2,4-三唑-3-基)吡啶、或其混合物。
14.权利要求12的方法，其中，该三唑吡啶化合物为1H-1,2,3-三唑并[4,5,b]吡啶。
15.权利要求12的方法，其中，该抛光组合物包含约50ppm至约500ppm的该三唑吡啶化合物。
16.权利要求11的方法，其中，该抛光组合物基本上不含过化合物氧化剂。
17.权利要求11的方法，其中，该抛光组合物具有约6至约8的pH。
18.权利要求11的方法，其中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒具有大于约9的等电点。
19.权利要求11的方法，其中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒包含胶体硅石颗粒，该胶体硅石颗粒在大于约6的pH下具有具有至少20mV的永久性正电荷。
20.权利要求11的方法，其包含小于约2重量％的该阳离子型硅石研磨剂颗粒。
21.权利要求11的方法，其中，该基板进一步包含介电层，且其中，(c)中的该研磨还自该基板移除该介电层的一部分。
22.权利要求11的方法，其中，(c)中的该介电层的移除速率大于(c)中的钴的移除速率。
23.权利要求22的方法，其中，该介电层为原硅酸四乙酯(TEOS)。
24.用于对含钴的基板进行抛光的化学机械抛光组合物，该抛光组合物包含：
基于水的液体载剂；
阳离子型硅石研磨剂颗粒，其分散于该液体载剂中，该阳离子型硅石研磨剂颗粒在该抛光组合物中具有至少10mV的ζ电位；
三唑吡啶化合物；且
其中该抛光组合物具有大于约6的pH。
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