CN1216410C - 化学机械抛光用研磨剂 - Google Patents

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Abstract

一种用于抛光具有第一硬度的第一材料的浆料，其中该第一材料覆盖着一种具有第二硬度的第二材料并且第二硬度大于第一硬度，包括一种其硬度大于第一材料但小于第二材料的研磨剂。在本发明的一个具体实施方案中，以一种有硬度大于铜但小于铜扩散保护层的研磨剂的浆料对覆盖着铜保护层的铜进行抛光。氧化铁、钛酸锶、磷灰石、铁、黄铜、氟石、水合氧化铁和石青便是这些材料的例子，均它们比铜硬，但却比集成电路中一般用作铜保护层的材料要软。

Description

化学机械抛光用研磨剂
技术领域
本发明涉及化学机械抛光(CMP)领域，更具体地讲，涉及金属化学机械抛光所用的浆料与方法。
技术背景
半导体制造技术的进展已导致多级互连集成电路的开发。在这样的集成电路中，用比如二氧化硅材料膜，使一互连级上的模式导体材料同另一互连级上的模式导体材料电绝缘。这些导体材料一般是金属或金属合金。通过在绝缘层内开口并装上一导电结构，可使不同互连级的导体材料之间形成连接，这样便使不同互连级的模式导体材料彼此电连通。这些导电结构常常称之为接点或通道。
半导体制造技术的进展还导致了百万计晶体管的集成，第一晶体管可以高速开关。将如此之多的快速晶体管结合到一块集成电路上；结果运作过程中电力消耗例增加。增加速度而同时降低电力消耗的一种方法是，以像铜那样电阻较低的金属，来代替集成电路上所见的传统的铝和铝合金互连线。那些在电工领域的技术人员了解，凭借减小电阻，电信号可通过集成电路的互连通道更加迅速地传播。此外，由于铜的电阻双铝的电阻小得多，与铝互连线比较，铜互连线的截面可以做成更小而不因其互连线电阻引起信号传播延迟的增加。此外，因为两个电节点间的电容乃为该两节点间重叠面积的函数，所以，使用较小的铜互连线导致寄生电容的减小。用这种方法，以铜互连线代替铝互连线，就确保电阻的减小，电容的减小，或这两者的减小，具体视所选用的尺寸而定。
诚如以上所指明的，铜有电学上的优点，诸如单位截面的电阻较低、能确保寄生电容减小并有较强的抗电迁移性。由于所有这些理由，集成电路的制造厂商发现，把铜包括到其产品中是合乎需要的。
尽管有电学上的优点，但将铜结合到制做集成电路的过程中去却并非易事。正如在本领域中所知道的，如果允许铜迁移或扩散至集成电路的晶体管区，那么铜就能损害金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FET)的性能。因此，必须利用铜扩散保护层把铜金属与晶体管区隔开。另外，不像由除去刻蚀法制得的铝基金属互连系统，铜互连一般由镶嵌金属法制得。这样的方法有时也称之为金属插入法。按铜镶嵌法，在一介电层内形成沟道，在该介电层包括沟道上形成一扩散保护层，并在该扩散保护层上形成一铜层。然后多余的铜被抛光除去，留下沟道中专用的铜互连线。除去多余的铜一般用化学机械抛光(CMP)来完成。保护层残留于介电层表面的部分一般也可用CMP来除去。尽管铜和部分铜扩散保护层可用CMP来除去，但这些材料一般都有不同的物理性质，它们倾向于形成适合抛光其中的一种材料而对抛光另一种材料并非最为合适的条件。
欧洲专利申请EP 0 826 756 A1描述了一种用于半导体基质上的金属层的研磨组合物，其包括一种氧化剂和研磨颗粒，所述研磨颗粒的平均粒径为3μm或以下，并包括氧化铈或含氧化铈作为主组分的金属氧化物。然而，该文件并未描述使用能够有效抛光铜和铜扩散保护层部分两者的研磨组合物。
因此，欲抛光比如铜和铜扩散保护层的复合层，就需有CMP方法、材料及装置。
                        附图简述
图1为铜镶嵌结构的截面示意图。这结构表示制作件镀覆后、抛光前的状态。
图2为以本发明的浆料抛光后图1的铜镶嵌结构的截面示意图。
图3为按照本发明抛光第一硬度的第一膜的处理操作流程图，此第一膜乃配置于硬度较大的第二膜之上。
                        发明内容
本发明涉及一种形成互连的方法，包括：
在一衬底上形成一介电层，该介电层中有沟道；
在介电层的沟道内和外表面上形成一例如Ta或TaN的保护层；
于该保护层上淀积铜；
以一种包括比该金属硬但比该保护层软的研磨剂的浆料对该金属进行抛光，其中所述研磨剂包括一种或多种选自钛酸锶、磷灰石、透视石、黄铜、氟石、和石青的材料。
简单地说，本发明涉及一种用于抛光具有第一硬度的第一材料的浆料，其中第一材料覆盖着具有第二硬度的第二材料，并且第二硬度大于第一硬度，该浆料包括一种硬度大于第一材料但小于第二材料的研磨剂。
这样的一种浆料也可用于较软材料覆盖着的一硬材料膜、而该硬材料膜本身又覆盖着一硬衬底的情况。如果本发明的研磨剂硬度策略对该硬衬底比对该硬材料膜提供更好的选择性，那么以本发明的浆料可以成功地将两种材料都从衬底除去。
联系本发明的一个示范实施方案，对化学机械抛光铜的方法和浆料加以描述。在以下的描述中，列举了很多具体细节，以利于对本发明的理解。然而，本发明可以不同于这里所指定的装置与方法付诸实施，对于本领域中并从此公开内容中得益的那些技术人员来说，这将是显而易见的。
专用名词
专用名词如芯片、集成电路、单片器件、半导体器件或元件、微电子器件或元件以及类似的术语和表达，常常可在本领域中交换地使用。本发明可应用于本领域中通常理解的所有上述的元器件。
专用名词金属线、金属痕迹、金属丝、导体、信号通道、信号发送介质全都是关联的。上列的这些关联专用名词通常可互换，并按由具体至一般的顺序出现。在本领域中，金属线有时称为痕迹、丝、互连线或简单地称为金属。
专用名词接点与通道均指不同互连级导体的电连接结构。本领域中有时这些专用名词既用来描述绝缘层内的一个开孔，其中该结构尚待完成，又用来描述该完成的结构本身。为了这一公开内容，接点与通道系指已完成的结构。
低介电常数材料这一表达系指具有比二氧化硅要低的介电常数的一种材料。
这里所用的衬底系指有待借助CMP法来抛光的物体。衬底也可设想是圆片。圆片可由半导体、非半导体材料制得，或由半导体与非半导体材料的组合物制得。硅圆片可有不同材料在其上面形成的薄膜。这些薄膜可用CMP法加以抛光。其它的衬底材料诸如GaAs、蓝宝石上外延硅或绝缘体衬底硅(SOI)也可用CMP法进行抛光。
图1给出一种铜镶嵌结构的截面图。如该图所示在一圆片表面上使介电夹层(IDL)按构图形成IDL 102。IDL 102的厚度由图1的TIDL0表示。在该圆片暴露的表面以及IDL 102上形成铜扩散保护层104。可用不同材料作铜扩散保护层。铜扩散保护层的实例包括但不限于钽和氮化钽。一般说来，接着要在铜扩散保护层104上形成一铜籽晶层。然后，一般是借助镀覆，在扩散保护层104上形成一完整的铜层106。
为集成电路制成而抛光铜的传统方法包括使用基于刚玉或硅石的浆料，一般pH为等于或小于7.5。像刚玉和硅石这样的研磨剂具有比铜大的硬度，其硬度也比钽和氮化钽这样的铜扩散保护层的硬度大。
为铜的CMP而开发的浆料包含有两种主要组分：提供机械作用(与抛光台和过程参数如压力相结合)的研磨剂，以及维持该过程pH、确立其还原氧化势、抑制腐蚀、改进选择性等的化学试剂。该研磨剂也可能通过表面电荷和表面功能团与化学试剂发生反应。
众所周知，抛光可由流体磨损或电磁刻痕而发生。在后一种抛光机理中，研磨剂颗粒被拉经抛光表面，起基本上类似刀具的作用。在CMP过程中，磨损和刻痕兼而有之。究竟那一种机理为主导端视膜的属性、过程条件、化学组成以及抛光台而定。然而，对于硬的和相对惰性的膜，显然是以刻痕为主。
研磨剂颗粒要刻痕膜的表面，它就必须比该膜硬。莫氏硬度是矿物业主要使用的相对硬度标度。按这一标度，如果第一种材料刻痕第二种材料，那么第一种材料就比第二种材料硬。例如，因为金刚石会刻痕玻璃，所以金刚石比玻璃硬。莫氏标度是用于刻痕模型的理想标度。按照本发明，将用于一种选择性浆料的研磨剂的硬度要比待抛光层的硬，但却比其终止层的软。从下面的表1可见，为抛光铜并终止于TaN、Ta或SiOF，应该使用一种莫氏硬度大于3.0和小于6.5的研磨剂。莫氏硬度乃为用于干材料的一种相对标度。CMP浆料为湿浆，因此浆料中的颗粒的硬度与其干值相比也许稍有不同。所以硬度为3.0-6.5只是一种近似。
许多CMP应用要求抛光第一层材料而终止于由不同材料制成的底下的第二层。这个第二层有时称之为抛光终止层。为着这样的应用起见，已开发出主要集中于调整化学组成以满足这些要求的浆料。然而，本发明的实施方案实现这些目标的方法是，选择硬度介于待抛光层与抛光终止层之间的一种研磨剂浆料，并调节该浆料的机械而不是化学属性。
铜抛光浆料所希望有的属性为：高抛光率、低(或零)铜侵蚀率以及铜层与铜扩散保护层间的高选择性。另一方面，如果浆料对一般是位于铜之下面的扩散保护层有适当的抛光率，那么该浆料对一般是位于扩散保护层之下面的介电夹层(ILD)就有高的选择性，以允许继续通过扩散保护层进行抛光并终止于该ILD层。铜与铜扩散保护层间的选择性高，意味着用于以该浆料抛光除去铜的浆料，会除去铜而不大抛光底下的铜扩散保护层。按照本发明的一种铜抛光浆料，满足铜抛光浆料希望有的这些要求。特别是本发明的浆料包括选择一种其硬度介于铜与铜扩散保护层之间的研磨剂。
图2是以按照本发明的一种浆料抛光后，图1的铜镶嵌结构的截面示意图。
下面的表1给出各种材料在莫氏硬度标度中的相对硬度，凡有可能还给出其在显微硬度标度中的显微硬度。
                     表1
材料               莫氏硬度             显微硬度(kgmm2)
金刚石             10                   10000
刚玉               9                    2000
硅石(石英)         7                    1200
水合硅石                                400-500
钽                 6.5                  230
氧化铁(红粉)       6
钛酸锶             5-6
磷灰石             5
透视石             5
铁                 4-5
黄铜               4
氟石               4
水合氧化铁(黄粉)
石青               3.5-4
铜                 3                    80
铝                 3
金                 2-3
银                 2-2.5
铅                 1.5
石墨               1
浆料实施例
根据本发明，供化学机械抛光配置于一诸如钽或氮化钽保护层上的铜的示范浆料，包括2-4重量％的过氧化氢、一种缓蚀剂如0.015-0.045摩尔/升苯并三唑、一维持pH在3.5-7.0的缓冲体系以及0.5-10重量％的一种研磨剂。为达到高的铜与铜扩散层间的选择性，该研磨剂的硬度必须大于铜的硬度和小于钽或氮化钽的硬度。满足本发明硬度要求的研磨剂包括但不限于氧化铁(有时称为红粉)、钛酸锶、磷灰石、透视石、铁、黄铜、氟石、水合氧化铁(有时称为黄粉)和石青。按照本发明的一种浆料可包括一种或多种上列的研磨剂，并可包括一种或多种满足这里所述的硬度要求的研磨剂。本领域中的技术人员将认识到，水也是大多数浆料的一个成分，并且也是本示范浆料的一个成分。
可用来作为苯并三唑的一种替代的缓蚀剂包括其它形式的苯并三唑，如5-甲基苯并三唑或1-甲基苯并三唑，然而这一单子并非意在限制，因此其它适合的缓蚀剂还可以使用。
pH缓冲体系的实例包括但不限于柠檬酸和柠檬酸钾、乙酸和柠檬酸钾以及磷酸和磷酸钾。
在本发明的一个实施方案中，一种浆料包括2重量％的研磨剂、3重量％的H2O2、0.03摩尔/升的苯并三唑、3.0克/升的柠檬酸、3.0克/升的柠檬酸钾，并具有为3.85的pH值。更具体地说该研磨剂是水合Fe2O3，颗粒大小为1-5微米，可从大西洋设备工程师公司(13福斯特街，博根费尔德，新泽西07621)以成品FE-605黄的形式直接购买。
提供这一实例只不过是对本发明加以说明。本领域中的技术人员会理解，按本发明所配制的一种浆料也可能包括一些其不同组分的反应产物。
方法
参照图3，对按照本发明的一种通用的方法作了描述，其中覆盖第二层更硬材料的第一层材料用抛光除去。更具体地是，给一抛光装置的抛光台提供一种浆料(方块302)。这样的抛光装置一般为众所周知的CMP装置。该浆料含有一种比第一种材料硬且比第二种材料软的研磨剂。使其上有第一层和第二底层的一种衬底与抛光台(方块304)接触。第一层材料比该浆料中的研磨剂要软，而第二层材料则比研磨剂要硬。然后，按照典型的CMP操作，在向抛光台输送浆料并维持一个向下的力的同时转动抛光台和衬底，对第一层进行抛光(方块306)；之所以要维持一个向下的力是为了使衬底和抛光台保持接触并达到希望有的抛光速率。由于第二层系由比研磨剂要硬的材料制成，并且浆料的配制主要是依赖其研磨剂的机械性质而并非是该浆料的化学性质，所以当第一层除去后，抛光基本上便在第二层(方块308)终止。
按照本发明，形成铜互连的一种方法包括：在一衬底上形成一介电层，该介电层内有沟道；于沟道内和介电层的外表面上形成铜扩散保护层；在铜扩散保护层上淀积铜以及以一种包括一种比铜硬且比铜扩散保护层软的研磨剂的浆料对铜进行抛光。在本发明的一个实施方案中，研磨剂或研磨剂的混合物也比下面的介电层软。更具体地说，在本发明的这一解说性的实施方案中，介电层主要为硅的氧化物，而沟道则用传统的光刻技术仿造。然而，任何适合于形成沟道的方法都可以使用。铜扩散保护层可以是基本上或完全地防止铜扩散至介电层的任何合适的材料。既有导电的又有绝缘的各种材料已被用来作为铜扩散保护层。典型的实施方案包括导体材料，但并不限于导体材料，如作为铜扩散保护层的钽和氮化钽。在扩散保护层形成后，一般要在该保护层上形成铜籽晶层，然后再镀上铜。镀层后，可使在其铜保护层上镀有铜金属的衬底在一化学机械抛光(CMP)装置里经受抛光。这样的CMP装置是本领域中大家都知晓的。其上有铜金属的衬底在抛光前可以或者不必进行退化处理。按照本发明，为了的希望的抛光作业，要给CMP装置提供一种具有特定范围内的机械或研磨性质(诸如上面所述)的浆料。该浆料尤其要含有硬度大于铜的硬度但小于铜扩散保护层的硬度的一种研磨剂。示范的抛光条件可包括约为3.75磅每平方英(psi)的抛光压力、约为0.3psi的压力增量、抛光台每分钟转数(rpm)约为400、主轴每分钟转数约为9、浆料流速约为100立方厘米每分钟(cmm)和一种麻省Lowell的Freudenberg制的FX-9,80mil抛光台。
这样的一种浆料的方法可用来抛光除去铜和TaN保护层，并终止于下面的介电夹层。例如水合氧化铁(黄粉)研磨剂比铜硬，但比TaN和SiOF都软(尽管TaN比SiOF软)，而由于TaN的除去速率较之于铜虽然低，却比SiOF的除去速率大，所以能够除去铜和TaN。
按照本发明的方法和浆料可同各种夹层介电材料一道使用。例如，虽然SiO2向来都是集成电路互连级间所用的介电材料，但各种低k值的介电材料都可使用，并非有什么限制。SiOF也可以用于本发明的实施方案。据信SiOF比SiO2要软。同样，据信TaN比Ta要软。一般用作铜扩散保护层的TaN实际上可以认为是一种钽和氮的混合物，氮的含量在30原子％数量级。这类钽的氮化物常常通过反冲溅射作用而形成。
结论
本发明的实施方案提供多层膜的化学机械抛光的浆料，其中第一层膜覆盖着其硬度大于第一层膜的第二层膜。
本发明的实施方案的一个优点在于利用研磨剂的特性来确保高的选择性。
本发明的实施方案的另一个优点是，可通过在抛光浆料中选择使用一种硬度介于待抛光材料之间的研磨剂来调整材料的抛光速率。
对于本领域中的技术人员说来，上述的说明性的实施方案显然还可做很多的更动或改进。例如，不同的结合、浆料的pH、浆料的输送速率、抛光台的转速、抛光台的温度，等等，都可在本发明的范围之内加以使用。
对本领域中以及从这一公开内容中得益的技术人员来说，不难就逐一描述的装置、浆料及方法做其它的改进。因此，企望所有的这些改进和更动均被认为仍在由其追加权利要求所界定的本发明的精神和范围之内。

Claims (22)

1.一种形成一种互连的方法，包括：
在一衬底上形成一介电层，该介电层中有沟道；
在介电层的沟道内和外表面上形成一包括Ta或TaN的保护层；
于该保护层上淀积一层铜层；
以一种包括比该铜层硬但比该保护层软的研磨剂的浆料对该铜层进行抛光，其中所述研磨剂包括一种或多种选自钛酸锶、磷灰石、透视石、黄铜、氟石、和石青的材料。
2.权利要求1的方法，其中该介电层包含一种硅的氧化物，而该保护层则是导电的。
3.权利要求1的方法，其中介电层包含一种硅的氟化氧化物。
4.权利要求1的方法，其中研磨剂具有3.0-6.5的莫氏硬度。
5.权利要求4的方法，其中浆料的pH为3.5-7。
6.权利要求4的方法，其中浆料含有0.5-10重量％的研磨剂。
7.权利要求1的方法，其中浆料含有一种包括H2O2的氧化剂。
8.权利要求1的方法，其中抛光包括化学机械抛光。
9.权利要求1的方法，其中浆料的pH为3.5-7。
10.抛光覆盖在包括Ta或TaN的保护层上的铜膜的方法，其中保护层比铜膜硬，包括：
以包含有一种硬度大于铜膜并小于保护层的研磨剂的一种浆料对铜膜进行抛光，其中所述研磨剂包括一种或多种选自钛酸锶、磷灰石、透视石、黄铜、氟石、和石青的材料。
11.权利要求10的方法，其中研磨剂占该浆料的0.5-10重量％。
12.一种用于抛光覆盖在包括Ta或TaN的铜扩散保护层上的铜膜的浆料，其中覆盖有铜扩散保护层的铜膜是由下列步骤形成：
在一基质上形成一介电层；
在所述介电层上形成包括Ta或TaN的铜扩散保护层，并
在所述保护层上沉积一层铜膜；
其特征在于所述抛光浆料包括：
一种氧化剂；
一种缓蚀剂；
一种缓冲体系；和
一种研磨剂，所述研磨剂包括一种或多种选自钛酸锶、磷灰石、透视石、黄铜、氟石、和石青的材料。
13.权利要求12的浆料，其中研磨剂比铜硬而比铜扩散保护层软。
14.权利要求12的浆料，其中研磨剂比铜扩散保护层硬，而比介电材料软。
15.权利要求14的浆料，其中介电材料包括一种选自SiO2和SiOF的材料。
16.权利要求12的浆料，其中的研磨剂比铜硬，但比铜扩散保护层和介电材料软。
17.权利要求12的浆料，其中的氧化剂包括过氧化氢。
18.权利要求17的浆料，其中过氧化氢占该浆料的2-4重量％，而研磨剂占该浆料的0.5-10重量％。
19.权利要求12的浆料，其中缓蚀剂包含有0.015～0.045摩尔/升的苯并三唑。
20.权利要求12的浆料，其中该浆料具有3.5-7的pH值。
21.一种形成镶嵌结构的方法，包括：
在配置于衬底上的介电层内形成沟道，该沟道具有底表面和侧表面；
在该介电层的外表面以及沟道的底、侧表面上形成一包括Ta或TaN的保护层，该保护层具有第一硬度；
于保护层上形成一包括铜层的金属层；
除去覆盖该介电层外表面的那部分保护层上的铜层；
其中，除去此铜层包括以一种有比该铜层硬但比该保护层软的研磨剂的浆料对该铜层进行抛光，其中所述研磨剂包括一种或多种选自钛酸锶、磷灰石、透视石、黄铜、氟石、和石青的材料。
22.权利要求20的方法，其中介电层包括一种硅的氟化氧化物。
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