CN1326199C - 包括钨侵蚀抑制剂的抛光组合物 - Google Patents

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Abstract

包括能侵蚀钨的组合物和至少一种钨侵蚀抑制剂的化学机械抛光组合物和浆料，和使用其组合物和浆料抛光含钨基材的方法。

Description

包括钨侵蚀抑制剂的抛光组合物
本发明领域
本发明涉及包括一种能够侵蚀钨的化合物和至少一种钨侵蚀抑制剂的一种化学机械抛光(CMP)组合物。该化学机械抛组合物可单独使用或与用于金属层和与制造半导体相关的薄薄膜抛光的其它化学试剂和磨料并用。
现有技术的描述
集成电路由在硅基材上或硅基材内形成的数百万个活化元件构成。这些开始时相互分离的活化元件互连形成功能电路和部件。这些元件通过使用公知的多层互连件互连。互连结构通常具有第一层金属化的互连层、第二层金属化层、和某些时候第三层和随后的金属化层。层间界电质如掺杂和不掺杂二氧化硅用于电隔离硅基材或阱(well)。不同互连层之间的电连接通过使用金属化的通路进行。US 4,789,648(这里作为参考引入)苗述了制备金属化层和在绝缘薄膜中的金属通路的方法。在类似方法中。金属接触用于形成在阱中形成的互连层和元件之间的电连接。金属通路和触点通常填充钨，并通常使用粘结层如氮化钛(TiN)和/或(Ti)，由此将金属层如钨金属层与SiO2连接。
在一个半导体制造方法中，金属通路或触点通过均厚金属沉积接着进行化学机械(CMP)步骤进行。在一典型方法中，经层间电介质(ILD)至互连线路或半导体基材侵蚀出通路孔。接着通常在ILD上形成薄粘结层如氮化钛和/或钛，该粘结层直接连接于侵蚀通路孔。然后将钨薄膜均厚沉积于粘结层上和侵蚀通路孔内。继续进行沉积直至通路孔填充钨为止。最后，通过化学机械抛光(CMP)除去过量的金属形成金属通路。制造和/或ILD的CMP方法公开于US4,671,851、4,910,155和4,944,836中。
在典型的化学机械抛光方法中，将基材直接与旋转抛光垫接触。用一载重物在基材背面施加压力。在抛光期间，垫片和操作台旋转，同时在基材背面上保持向下的力。在抛光期间将磨料和化学活性溶液(通常称为“浆料”)涂于垫片上。该浆料通过与正在抛光的薄膜化学反应开始抛光过程。在硅片/垫片界面涂布浆料下通过垫片相对于基材旋转运动促进抛光过程。在硅片/垫片界面涂布浆料下通过垫片相对于基材旋转运动促进抛光过程。按此方式连续抛光直至除去绝缘体上所需的薄膜。
浆料组合物在CMP步骤中一种重要的因素。可根据选取的氧化剂、磨料和其它合适的添加剂调节浆料，以按所需的抛光速率提供有效抛光，同时将表面缺陷、庇点、侵蚀、和具有钨通路的区域内的氧化物侵蚀降至最低。此外，抛光浆料可用于提供对目前集成技术中所用的其它薄薄膜材料如钛、氮化钛等的控制抛光选择性。
CMP抛光浆料通常含磨料，如悬浮于含水氧化介质中的二氧化硅或氧化铝。例如，Yu等人的US5,244,523报道含氧化铝、过氧化氢和氢氧化钾或氢氧化铵的浆料，该浆料可用于以预期速率在很少除去底层绝缘层下除去钨。Yu等人的US5,209,816公开了包括在水介质中的高氯酸、过氧化氢和固体磨料的浆料。Cadien和Feller的US5,340,370公开了钨抛光浆料，包括约0.1M铁氰化钾、约5重量％的二氧化硅和乙酸钾。加入乙酸使pH缓冲至约3.5。
目前市购的绝大多数CMP浆料含高浓度溶解离子金属组分。结果，抛光基材因带电荷物质吸附于夹层内而被污染。这些物质可在接点和接触处迁移并改变元件的电性能，同时改变SiO2层的介电性能。这些变化会随时间推移降低集成电路的可靠性。因此，要求将硅片仅暴露于非常低浓度可运动金属离子的高纯化学物料中。
CMP浆料组合物不断用能够侵蚀钨的化学组分配制，已试图改进抛光钨通路的速度。然而，在很多情况下所得CMP浆料组合物按这样的方式侵蚀钨：将钨溶解，而不是将表面转化为具有改进的钨光性的软化氧化表面。由于这些化学组合物，因不合适的钨侵蚀出现深陷的钨堵塞物。深陷的钨通路(其中钨表面低于周围的绝缘表面)是一个问题，因为它们可造成与元件的其它部分的电接触问题。此外，可造成因钨深陷出现的问题的事实在于：所得的非平面会使金属层进一步沉积在元件的下一层上。
钨侵蚀还会造成钨通路不合适的“锁眼”。锁眼是这样现象：孔侵蚀入钨通路的中心，随后该孔向通路的侧面迁移。该锁眼造成与深陷相同的接触和填充问题。
因此需要一种既可高速抛光又不造成不合适的钨堵塞物深陷问题。
本发明概述
本发明涉及一种能够在最低侵蚀和/或腐蚀下高速抛光钨的化学机械抛光组合物。
此外，本发明的化学机械抛光组合物能够在良好反表面均匀性下以控制速率抛光具有钨层的物质。
本发明为本领域的这样一种化学机械抛光组合物，即该组合物能够非常高速率地抛光包括钨通路和波纹的基材，得到能够接受后继的未填充或无由不可接受的凹穴或栓孔引起的接触问题的金属化层的抛光基材。
本发明进一步涉及用本发明浆料形式的化学机械抛光组合物抛光包括钨层的集成电路中的多个金属层的方法。
在一个实施方案中，本发明为包括一种能够侵蚀钨的化合物和至少一种钨侵蚀抑制剂的化学机械抛光组合物。
在另一实施方案中，本发明为包括一种能够侵蚀钨的化合物和至少一种钨侵蚀抑制剂的化学机械抛光组合物，其中钨侵蚀抑制剂为氨烷基化合物，在pH低于约9.0下形成烷基铵离子的化合物和其混合物。
在另一实施方案中，本发明为包括约1.0至约15.0wt％的二氧化硅、约0.001至约0.2wt％硝酸铁催化剂，约1.0至约10.0wt％的过氧化氢，约0.001至约2.0wt％至少一种钨侵蚀抑制剂的化学机械抛光组合物。
在另一实施方案中，本发明为包括约0.5至约15.0wt％的二氧化硅、约0.001至约0.2wt％的硝酸铁、约1.0至约10.0wt％的过氧化氢、至少一种稳定剂和约0.001至约1.0wt％甘油的具有pH低于约4.0的化学机械抛光浆料。
本发明还涉及抛光包括至少一钨层的基材的方法。该抛光方法从掺混至少一种能够侵蚀钨的化合物、至少一种钨侵蚀抑制剂和去离子水得到具有pH低于5.0的化学机械抛光组合物开始。然后将该化学机械抛光浆料涂于基材上，并通过垫片与基材接触足够长的时间，以从基材上除去至少一部分钨层。
本发明实施方案的详细描述
本发明涉及一种化学机械抛光组合物，包括能够侵蚀钨的化合物和至少一种钨侵蚀抑制剂的化学机械抛光组合物。该化学机械抛光组合物可用于于抛光与基材连接的至少一钨金属层，所述基材选自硅基材、TFT-LCD玻璃基材、GaAs基材和其它与集成电路相关的基材、薄薄膜、多层半导体层和硅片。特别地，本发明的化学机械抛光浆料当用于在单一步骤中抛光基材(包括一层或多层钨、钛和氮化钛)时，呈现极好的抛光性能。
在详细描述本发明的各种优选实施方案之前，对这里使用的一些术语进行定义。“化学机械抛光组合物”是指包括能够侵蚀钨的化合物和至少一种钨侵蚀抑制剂的混合物，该混合物可与磨蚀垫片一起使用以从多金属化层中除去一层或多层金属。
术语化学机械抛光浆料或“CMP浆料”是指本发明的另一有用产品，它包括本发明的化学机械抛光组合物和至少一种磨料。该CMP浆料用于抛光多层金属化层，包括但不限于：半导体薄薄膜、集成电路薄薄膜，及用于抛光其中可使用CMP方法的任何其它薄膜、表面和基材。
本发明一方面涉及一种包括能够侵蚀钨的化合物和至少一种钨侵蚀抑制剂的化学机械抛光组合物。本发明的化学机械抛光组合物当加入化学机械抛光浆料中时可用于包括钨的金属层。这里公开的混合物当加入CMP浆料中或当仅与磨蚀垫片结合使用以抛光金属和基于金属的组分(包括钨、钛、氮化钛、铜、铝和及其各种混合物和组合物)时，是有用的。
本发明的化学机械组合物包括至少一种能够侵蚀钨的化合物。这里使用的术语“能够侵蚀钨的化合物”是指通过将固态钨金属或其氧化物转化为可溶性钨侵蚀产品的方式侵蚀钨的化合物。能够侵蚀钨的化合物可包括一种或多种与钨金属或其氧化物反应形成可溶性钨侵蚀产品的一种或多种组分，和/或它是指以控制条件如高pH、高温、高压或其组合涂于钨上的组合物，该组合物可促进钨金属或其氧化物转化可溶性钨侵蚀产品。
能够侵蚀钨的化合物的非限制性例子包括氧化剂、含氟化合物、和有机酸如草酸和丙二酸。很多氧化剂在低pH下低速侵蚀钨。某些时候，该组合物的pH可增强氧化剂的侵蚀速率。
本发明能够侵蚀钨的化合物可为含氟化物的添加剂。可用作钨侵蚀剂的含氟添加剂可为在水溶液中的任何已知含氟添加剂。可使用的含氟添加剂的例子包括氟化物盐、含氟的酸、氟化物聚合物，和任何与钛反应的其它含有机或无机氟的添加剂。能够在这些温度和/或pH下施于钨上的促进钨侵蚀的含水化合物，也落入能够侵蚀钨的化合物的定义内。当控制这些组合物的施用条件以使钨侵蚀时，溶液的pH优选为控制组合物施用的参数。
钨侵蚀抑制剂在组合物的pH高达约9.0时有效。本发明组合物优选具有pH低于约7.0，最优选低于约5.0。
能够侵蚀钨分化合物可为一种或多种氧化剂。使用的氧化剂优选为一种或多种无机和有机过化合物。由Hawley’s Condensed Chemical Dictionary定义的过化合物是含至少一个过氧基团(-O-O-)的化合物或含一种处于其最高氧化态的元素的化合物。含至少一个过氧基团的化合物的例子包括但不限于过氧化氢和其加合物如过氧化氢脲和过碳酸酯，有机过氧化物如过氧化苯甲酰、过乙酸和过氧化二叔丁基、单过硫酸盐(SO5 ＝)和二过硫酸盐(S2O8-)和过氧化钠。
含一种处于其最高氧化态的元素的化合物的例子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、过硼酸盐和高锰酸盐。满足该电化学势要求的非过化合物的例子包括但不限于溴酸盐、氯酸盐、铬酸盐、碘酸盐、碘酸和铈(IV)化合物如硝酸铵铈。
优选的氧化剂为过氧化氢和其加合物如过氧化氢脲和过碳酸盐，有机过氧化物如过氧化苯甲酰、过乙酸和二叔丁基过氧化物、单过硫酸盐(SO5 ＝)和二过硫酸盐(S2O8-)、过氧化钠和其混合物。能够侵蚀钨的最优选化合物为过氧化氢。
能够侵蚀钨的氧化剂在总化学抛光浆料中的存在量可为0.5至约50.0重量％，优选0.5至约10.0重量％。
本发明的组合物包括至少一种钨侵蚀抑制剂。该化合物抑制固态钨转化为可溶性钨化合物，同时该组合物使钨转化为可最终通过磨蚀除去的软化氧化薄膜。可用作钨侵蚀抑制剂的组合物类型包括具有含氮官能团如含氮的杂环、烷基铵离子、氨烷基、氨基酸的化合物。合适的侵蚀抑制剂的例子包括2，3，5-三甲基吡嗪、2-乙基-3，5-二甲基吡嗪、喹啉、乙基吡咯、哒嗪、组氨酸、吡嗪、苯并咪唑和其混合物。
包括一个含氮官能团和至少一个选自硫或硫化物官能团的官能团的侵蚀抑制剂包括谷胱甘肽(还原的)、半胱氨酸、2-巯基苯并咪唑、胱氨酸、噻酚、巯基吡啶N-氧化物、盐酸硫胺、二硫化四乙基秋兰姆、2，5-二巯基-1，3-噻二唑及其混合物。
这里使用的术语“烷基铵离子”是指具有可在水溶液中产生烷基铵离子的官能团的含氮化合物。在水溶液中产生烷基铵离子(包括具有含氮官能团的化合物)的量取决于溶液的pH和选取的化合物。在水溶液pH低于9.0下产生抑制量的烷基铵离子官能团的含氮官能团侵蚀抑制剂的例子包括monoquat isies(异硬脂酰基乙基亚氨基)、氢氧化十六烷基三甲基铵、alkaterge E(2-十七烷基-4-乙基-2唑啉4-甲醇)、aliquat 336(氯化三辛基甲基铵)、nuospet 101(4，4-二甲基唑烷)、氢氧化四丁基铵、十二烷基胺、氢氧化四甲基铵和其混合物。
有用的氨基烷基侵蚀抑制剂包括例如：氨基丙基甲硅烷醇、氨基丙基硅氧烷、十二烷基胺、其混合物、及合成的和天然存在的氨基酸，例如包括赖氨酸、酪氨酸、谷酰胺、谷氨酸、甘氨酸、胱氨酸、丝氨酸和甘氨酸。
优选的含钨侵蚀抑制剂的烷基铵离子官能基是由OSI Specialties，Inc.制备的SILQUEST A-1106硅氧烷。SILQUEST A-1106是约60％重量的水、约30％重量的氨基丙硅氧烷、和约10％重量的氨基丙基甲硅烷醇的混合物。氨基丙硅氧烷和氨基丙基甲硅烷醇在pH小于约7时各自形成抑制量的相应烷基铵离子。最优选的氨基烷基侵蚀抑制剂是甘氨酸(氨基乙酸)。
钨侵蚀抑制剂在本发明组合物中的量应为约0.001-约2.0重量％，并优选约0.005-约1.0％重量，最优选约0.01-约0.10重量。
本发明的化学机械组合物任选包括至少一种催化剂。催化剂的作用是将电子从要被氧化的金属转移至氧化剂上(或类似使化学电流从氧化剂输送至金属)。选取的催化剂可为金属、非金属或其组合，催化剂必须能够使电子在氧化剂与金属基材表面之间有效且快速地重排。优选的催化剂是铁催化剂，例如但不限于铁的无机盐，如铁(II或III)硝酸盐、铁(II或III)硫酸盐、铁(II或III)卤化物(包括氟化物、氯化物、溴化物和碘化物，以及高氯酸盐、过溴酸盐和高碘酸盐)，和有机铁(II或III)混合物，包括但不限于乙酸盐、乙酰丙酮化物、柠檬酸盐、葡糖酸盐、草酸盐、邻苯二甲酸盐和丁二酸盐及其混合物。
催化剂在化学机械抛光组合物中的存在量可为约0.001至约2.0重量％，优选约0.005至约0.5重量％，最优选约0.01至约0.5重量％。
本发明化学机械抛光浆料中的催化剂量可根据所用的氧化剂而变化。当将优选氧化剂过氧化氢与优选催化剂如硝酸铁并用时，催化剂在组合物中的存在量优选为约0.005至约0.20重量％(在溶液中约存在7至280ppm铁)。
催化剂在本发明化学机械抛光浆料中的浓度通常以整个化合物的重量百分比形式报道。使用仅包括很小重量百分比的催化剂的含高分子量金属化合物刚好在本发明催化剂范围内。这里使用的术语催化剂还包括这样一些化合物，即其中起催化作用的金属占在组合物中金属的10重量％以下，而其中在CMP浆料中的金属催化剂浓度为整个浆料重量的约2至约3000ppm。
本发明的优选化学机械组合物包括过氧化氢和铁催化剂。优选的钨侵蚀抑制剂为甘氨酸、氨基丙基甲硅烷醇、氨基丙硅氧烷和其混合物。优选的抑制剂对铁催化剂没有不利影响，对过氧化物的分解相对稳定，并且不会显著降低钨的抛光速率。
本发明的化学机械抛光组合物可与至少一种磨料混合以生产CMP浆料。磨料通常为金属氧化物磨料。金属氧化物磨料选自氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化锗、氧化硅、氧化铈及其混合物。本发明的CMP浆料优选包括约0.5至约15重量％或更多的磨料。然而，本发明的CMP浆料更优选包括约1.0至约10.0重量％的磨料，最优选约1.5-约6.0重量％的磨料。
金属氧化物磨料可通过本领域熟练技术人员已知的任何工艺生产。金属氧化物磨料可用如溶胶-凝胶、水热或等离子体方法，或通过制造煅制或沉淀金属氧化物的方法生产。金属氧化物优选为煅烧或沉淀磨料，更优选为煅制磨料如煅制二氧化硅或煅制氧化铝。例如，生产煅制金属氧化物是公知方法，该方法涉及将合适的原料蒸汽(如用于生产氧化铝磨料的氯化铝)在氢气和氧气火焰中水解。在燃烧过程中形成近似球形的熔融颗粒，其直径可通过方法参数变化。这些氧化铝或类似氧化物的熔融球(通常称为初始颗粒)相互通过进行碰撞在其接触点相互稠合形成支化的三维链状聚集体。使聚集体破裂所需的力相当大，且通常认为是不可逆的。在冷却和收集期间，聚集体承受进一步碰撞，可导致一些机械缠结，由此形成附聚物。这些附聚物通过Van der Waals力松散连接并可逆(即可通过在合适介质中的合适分散而去除附聚)。
沉淀磨料可通过常规技术，如通过所需颗粒在高盐浓度、酸或其它凝固剂作用下自水介质中凝固而生产。将这些颗粒通过本领域熟练技术人员已知的常规方法过滤、洗涤、干燥并从其反应产品的残余物中分离。
优选的金属氧化物可具有表面积为约5m2/g至约430m2/g，优选约30m2/g至约170m2/g，所述表面积由S.Brunauer，P.H.Emmet和I.Teller的方法，通常称为BET(美国化学会志，Vol.60，p309(1938))计算。由于在IC工业中严格的纯度要求，优选的金属氧化物应为高纯的。高纯是指来自诸如原料不纯物和痕量加工污染物源的总不纯物含量通常低于1％，优选低于0.01％(即100ppm)。
在该优选实施方案中，金属氧化物磨料由具有颗粒尺寸分布低于约1.0μm、平均聚集体直径低于约0.4μm，及足以排斥和克服磨料聚集体之间的van der Waals力的金属氧化物聚集体组成。已发现这些金属氧化物磨料在抛光期间对尽可能降低或避免划痕、微细斑点、divot和其它表面缺陷有效。本发明聚集体尺寸分布可通过已知技术如透射电子显微镜(TEM)测定。聚集体平均直径是指用TEM图像分析时的平均等球直径，即基于聚集体横截面的直径。力是指金属氧化物颗粒的表面势或水合力必须足以排斥和克服颗粒之间的van der Waals力。
在另一优选实施方案中，金属氧化物磨料可由具有初始颗粒直径低于0.4μm(400nm)和表面积约10m2/g至约250m2/g的分离的单个金属氧化物颗粒组成。
金属氧化剂磨料优选为具有表面积约120m2/g至约200m2/g的二氧化硅。
优选将金属氧化物磨料以金属氧化物的浓水分散体形式加入抛光浆料的水介质中，所述金属氧化物磨料的水分散体通常含有约3％至约45％的固体物，优选10％至20％的固体物。金属氧化物水分散体可用常规工艺生产，例如将金属氧化物磨料慢慢加入合适的介质(如去离子水)中形成胶态分散体。可通过本领域技术人员公知的技术洗涤、干燥和从其它反应产物分离。该分散体通常通过对其进行本领域熟练技术人员已知的高剪切混合制得。浆料的pH可调节至远离等电点以获得最大的胶体稳定性。
其它公知的抛光浆料添加剂可单独或结合加入本发明的化学抛光浆料中。非限制性地列举无机酸、有机酸、表面活性剂、烷基铵盐或氢氧化物和分散剂。
可用于本发明的任选添加剂为在金属配合物存在下稳定无机或有机过氧化物的一种物质。例如，若不使用稳定剂，过氧化氢在多种金属离子存在下不稳定是公知的。为此，本发明的CMP组合物和浆料可包括稳定剂。若无稳定剂，则任选的催化剂和无机或有机过氧化物会按这样的方式反应，即其经一段时间后快速降解。在本发明组合物中加入稳定剂会降低催化剂的效果。因此，选取加入组合物的稳定剂的类型和量是重要的且对CMP性能具有明显的影响。
可用于本发明的添加剂为在金属配合物存在下稳定氧化剂的一种物质。若不使用稳定剂，过氧化物在多种金属离子存在下不稳定是公知的。为此，本发明的CMP组合物和浆料可包括稳定剂。若无稳定剂，则催化剂和氧化剂会按这样的方式反应，即氧化剂经一段时间后快速降解。在本发明组合物中加入稳定剂会降低催化剂的效果。因此，选取加入组合物的稳定剂的类型和量是重要的且对CMP性能具有明显的影响。
目前认为在本发明组合物和浆料中加入稳定剂可形成抑制催化剂与氧化剂反应的稳定剂/催化剂配合物。鉴于本发明公开目的，“至少一种具有多个氧化态的催化剂与至少一种稳定剂的混合物产品”是指组合物和浆料中使用的两种组分的掺混物，无论这些组分的掺混物是否在最终产品中形成配合物。
可用的稳定剂包括磷酸、有机酸(例如己二酸、柠檬酸、丙二酸、邻苯二甲酸和EDTA)、膦酸盐化合物、腈和其它与金属键合并降低其对过氧化氢分解的活性的配体，及其混合物。酸稳定剂可为其共轭形式，例如可用羧酸盐代替羧酸。在本申请中，用于描述合适稳定剂的术语“酸”也指该酸稳定剂的共轭碱。例如术语“已二酸”指的是已二酸和其共轭碱。稳定剂可单体或组合使用且明显降低氧化剂如过氧化氢分解的速率。
优选的稳定剂包括磷酸、邻苯二甲酸、柠檬酸、己二酸、草酸、丙二酸、苄腈和其混合物。加入本发明组合物和浆料中的优选的稳定剂量为1当量/单位催化剂至约3.0重量％或更多。更优选的量为1当量/单位催化剂至约15重量％。这里使用的术语“当量/单位催化剂”是指在组合物中每一催化剂离子有一个稳定剂分子。例如2当量/单位催化剂是指每个催化剂离子有两个稳定剂分子。
更优选的稳定剂为约1当量至约15当量丙二酸/单位催化剂，最优选约1当量/单位催化剂至约5当量丙二酸/单位催化剂。
已发现，本发明的化学机械抛光组合物具有高钨(W)抛光速率和良好的钛(Ti)抛光速率。此外，本发明的化学机械抛光组合物呈现所需的对介电绝缘层的低抛光速率。
本发明的组合物可用本领域熟练技术人员已知的任何技术生产。例如，把能侵蚀钨的化合物和起作抑制钨侵蚀的化合物可在把该组合物涂布到含钨硅片之前混合，或在钨硅片抛光之前或之中单独把它们涂布到抛光垫上。本发明组合物通常可以任何秩序混合各组分而制得。
在一种方法中，可将侵蚀钨的化合物和钨侵蚀抑制剂按预定浓度在低剪切条件下混入水介质，如去离子水或蒸馏水中直至这些组分完全溶于介质中。将金属氧化物磨料，如煅制二氧化硅的浓分散体加入介质中并稀释至磨料在最终CMP浆料中的所需加入量。此外，可通过能够将本发明的金属催化剂化合物掺入水溶液中的任何方法将催化剂和添加剂，如一种或多种稳定剂加入浆料中。生成的浆料通常在其使用前过滤来除去浆料中的大的污染物、杂质等。
在另一方法中，首先将稳定剂和催化剂掺混形成配合物，然后将该配合物与氧化剂如过氧化氢混合。这可通过将稳定剂与金属氧化物磨料分散体掺混得到磨料/稳定剂分散体，接着将催化剂与磨料/稳定剂分散体掺混在金属氧化物分散体中来得到催化剂/稳定剂配合物。然后将氧化剂加入掺混物中。当金属氧化物磨料为氧化铝时，应首先将稳定剂与催化剂掺混形成配合物，然后将该配合物与氧化铝磨料掺混形成配合物，否则会使催化剂失效。
一些钨侵蚀抑制剂可在过氧化氢或其它能侵蚀钨的组合物存在下分解。如果在钨侵蚀抑制剂和其它配合组分之间存在相容问题，则该抑制剂应与其它组分在即将使用前混合。
本发明组合物可以一个包括至少一种能侵蚀钨的组合物和钨侵蚀的抑制剂的包装体系的形式提供。非必要组分如磨料和任何非必要的添加剂可放入第一个容器、第二个容器或第三个容器中。此外第一个容器中的组分或第二个容器中的组分可为干燥形式，而对应容器中的组分为水分散体形式。例如，第一个容器可包括液态形式的有机过氧化物如过氧化氢，而第二个容器包括干燥形式的钨侵蚀抑制剂。另外，第一个容器可包括干燥过氧化物或含氟化合物，而第二个容器可包括钨侵蚀抑制剂的水溶液。本发明化学机械抛光组合物和CMP浆料的其它双容器、三个或多个容器组合在本领域熟练技术人员的知识范围内。
实施例
我们已发现，包括侵蚀钨的化合物和钨侵蚀的抑制剂的组合物能够以高速率抛光包括钨和钛的多金属层，同时呈现对介电层可接受的低抛光速率。
下列实施例说明本发明的优选实施方案以及使用本发明组合物的优选方法。
实施例1
制备化学机械抛光浆料以评估所得CMP浆料侵蚀钨的性能。制备包括5.3重量％二氧化硅、53ppm呈硝酸铁形式的铁、3.75％重量的H2O2和0.05％重量的丙二酸的标准CMP浆料。在配混二氧化硅之前如实施例3所述用其它浆料分散二氧化硅。
把小的均匀钨硅片浸在CMP浆料中30分钟、回收、干燥并根椐其电阻测其厚度。然后计算单位为埃()/分的侵蚀钨的速率。标准浆料表现出的侵蚀钨的速率为41埃()/分。
评估CMP浆料侵蚀钨的性能后向该标准浆料中加入0.04％重量作为侵蚀钨的潜在抑制剂的化合物。侵蚀试验的结果记于下表1中。
侵蚀钨的评估
   浆料     添加剂   速率埃/分
    1     无     41
    2     2，3，5-三甲基吡嗪     35
    3     2-乙基-3，5-二甲基吡嗪     33
    4     喹喔啉     31
    5     2-乙酰基吡咯     36
    6     哒嗪     31
    7     组氨酸     6
    8     吡唑     48
    9     5-硝基引唑     37
    10     3，5-二甲基吡唑     38
    11     吡嗪     31
    12     苯并咪唑     36
    13     苯并三唑     40
    14     吡啶     45
    15     单季盐isies(异硬脂酰基乙基酰亚铵)     1
    16     氢氧化鲸蜡基三甲基铵     3
    17     Alkaterge e(2-十七烷基-4-乙基-2-唑啉-4-甲醇)     9
    18     aliquat 336(三辛基甲基氯化铵)     22
    19     nuosept 101(4，4-二甲基 唑啉)     37
    20     四丁基氢氧化铵     40
    21     四甲基氢氧化铵     40
    22     谷胱甘肽(还原的)     3
    23     半胱氨酸     6
    24     2-巯基-苯并咪唑     35
    25     胱氨酸胺     5
    26     噻吩     40
    27     巯基n-氧吡啶     39
    28     盐酸硫胺     11
    29     四乙基二硫化四烷基秋兰姆     39
    30     2，5-二巯基-1，3-噻二唑(thiadiazole)     47
实施例2
制备包括各种侵蚀钨抑制剂的化学机械抛光浆料以评估所得的各种CMP浆料侵蚀钨的性能。制备包括5.0重量％二氧化硅的标准CMP浆料。在配混二氧化硅之前如实施例3所述用其它浆料分散二氧化硅。分散的二氧化硅与50ppm呈硝酸铁形式的铁、4％重量的H2O2和3当量的丙二酸合并。用硝酸调节得到的浆料的pH至2.3。把小的均匀钨硅片浸在CMP浆料中30分钟、回收、干燥并根椐其电阻测其厚度。然后计算单位为埃/分的侵蚀钨的速率。标准浆料表现出的侵蚀钨的速率为45埃/分。用同于评估标准浆料侵蚀钨的性能的方法来评估CMP浆料侵蚀钨的性能后，向该标准浆料中加入各种量的侵蚀钨抑制剂的化合物。侵蚀试验的结果记于下表2中。
表2
    样品     配方     侵蚀速率(埃/分)
    31     无     45
    32   0.05％苯基丙氨酸     29
    33   0.05％赖氨酸     8
    34   0.05％酪氨酸     26
    35   0.05％谷酰胺     11
    36   0.05％谷胺酸     16
    37   0.05％甘氨酸     14
    38   0.015％胱氨酸     8
制备第二基本化学机械抛光浆料。该浆料包括5.0重量％二氧化硅。在配混二氧化硅之前如实施例3所述用其它浆料分散二氧化硅。分散的二氧化硅与50ppm呈硝酸铁形式的铁、0.05％重量的丙二酸、4％重量的H2O20.001％重量的由Rohm & Haas制造的Kathon866 MW杀菌剂和去离子水合并。用硝酸调节该若基本浆料的pH至2.3。该浆料与下表3列出的种类和数量的各种氨基酸合并。该浆料的侵蚀速率如上所述。
表3
    样品   配方 侵蚀速率(埃/分)
    39   无     46
    40   0.04％半胱氨酸     7
    41   0.05％胱氨酸     5
    42   0.05％丝氨酸     21
    43   0.05％3，3-二硫代丙酸     40
    44   0.06％2，5-二苯基-1，6，6a-三硫杂戊烷     36
这些结果表明：含有包括结合有含氮官能基的噻或二硫化物的化合物的浆料对减少钨的侵蚀很有效。
实施例3
制备抛光浆料以评估所得CMP浆料对钨硅片CMP的性能。测量的性能参数包括钨抛光速率。制备包括5.0重量％煅制二氧化硅的标准磨料浆料。在高剪切下预分散表面积为150m2/g的二氧化硅制备浓分散液。牙继用5微米的袋式过滤器、接着用1微米的袋式过滤器、然后用1微米盒式过滤器、最后用0.2微米盒式过滤器过滤该分散液，然后进一步稀释二氧化硅并加入其它其余组分。其余浆料组分包括0.036重量％呈硝酸铁形式的铁、6.0％重量的H2O2、0.05％重量的丙二酸和加入0.05％重量作为侵蚀钨抑制剂的哒嗪的去离子水。用硝酸调节最终浆料的pH至2.3。
将CMP浆料用SUBA 500/SUBA IV垫片(由Rodel，Inc.制造)涂于厚度8000埃的化学机械抛光钨覆盖硅片上。用IPEC/WESTECH 472 CMP工具在5psi向下的力、浆料流速150ml/min、操作台速度60rpm和转轴速度65rpm下抛光1分钟。
没有哒嗪侵蚀钨抑制剂时，CMP浆料表现出在0.5微米塞子(plug)上约350埃的钨塞子凹穴。加入0.05％重量侵蚀钨抑制剂的哒嗪降低钨塞子凹穴至约230埃而没有其它任何抛光性能特征如速率、均匀性和侵蚀性的损失。
实施例4
制备用于此实施例的基础浆料，该基础浆料包括5.0重量％煅制二氧化硅、50ppm呈硝酸铁形式的铁、2.0％重量的H2O2、0.05％重量的丙二酸和0.001％重量在水中的Kathon。如实施例3所述在与其它浆料组分合并之前预分散二氧化硅。加入表4所列的添加剂，若需要，用硝酸或氢氧化钾调节pH至指定的pH。用实施2所述的方法测定每一个浆料的侵蚀速率。
表4
    浆料     添加剂     pH  W速率埃/分
    45   无     2.3     29
    46   0.02％草酸     2.3     98
47 0.02％草酸+0.05％甘氨酸 2.3 45
    48   0.05％十二烷基胺     2.3     0
    49   0.03％Silquest A-1106     2.3     1
    50   无     5.0     64
    51   0.05％甘氨酸     5.0     47
    52   无     7.0     124
    53   0.05％甘氨酸     7.0     101
    54   0.03％Silquest A-1106     7.0     85
结果表明：当向浆料46中加入有机酸草酸时增加了钨的侵蚀速率。然而，当向含草酸的浆料中加入甘氨酸(一种含氮官能基的化合物)时，降低了钨的侵蚀速率。相比于不含氨基烷基官能基的浆料，加入包括一种或多种氨基烷基官能基化合物如十二烷基胺、甘氨酸和Silquest A-1106也明显降低了钨的侵蚀速率。最后，表4的结果表明：包括含氮官能基的化合物能抑制钨的侵蚀至pH至少为7.0。

Claims (55)

1.一种化学机械抛光组合物，包括：
能侵蚀钨的化合物；和
至少一种钨侵蚀抑制剂，
其中钨侵蚀抑制剂选自：2，3，5-三甲基吡嗪、喹喔啉、哒嗪、吡嗪；
还原的谷胱甘肽、噻吩、巯基N-氧吡啶、盐酸硫胺、四乙基二硫化四烷基秋兰姆；
异硬脂酰基乙基亚氨基鎓、氢氧化十六烷基三甲基铵、2-十七烷基-4-乙基-2-噁唑啉-4-甲醇、氯化三辛基甲基铵、4，4-二甲基噁唑啉、氢氧化四丁基铵、十二烷基胺、氢氧化四甲基铵和其组合；
甘氨酸，
氨基丙基甲硅烷醇、氨基丙基硅氧烷，或氨基丙基甲硅烷醇和氨基丙基硅氧烷的混合物；
和其组合；且
其中该能够侵蚀钨的化合物在总化学机械抛光组合物中的存在量为0.5-50.0重量％，且该钨侵蚀抑制剂在该组合中的存在量为0.001-2.0重量％。
2.权利要求1的化学机械抛光组合物，其中钨侵蚀抑制剂选自天然存在的氨基酸、合成的氨基酸和其混合物。
3.权利要求1-2任一项的化学机械抛光组合物的水溶液。
4.权利要求1的化学机械抛光组合物，其中钨侵蚀抑制剂是至少一种在pH小于5.0的水溶液中形成烷基铵离子的化合物。
5.权利要求1的化学机械抛光组合物，其中能侵蚀钨的化合物的pH大于4.0。
6.权利要求1-2和4-5中任一项的化学机械抛光组合物，其中能侵蚀钨的化合物是至少一种氧化剂。
7.权利要求6的化学机械抛光组合物，其中氧化剂为至少一种过氧化合物。
8.权利要求7的化学机械抛光组合物，其中过氧化合物是过氧化氢。
9.权利要求8的化学机械抛光组合物，包括0.1至50重量％的过氧化氢。
10.权利要求9的化学机械抛光组合物，包括0.5至10重量％的过氧化氢。
11.权利要求1-2和4-5中任一项的化学机械抛光组合物，其中能侵蚀钨的化合物是至少一种含氟化合物。
12.权利要求11中的化学机械抛光组合物，还包括至少一种金属催化剂。
13.权利要求12的化学机械抛光组合物，其中金属催化剂为选自具有多个氧化态的无机铁化合物和有机铁化合物的铁催化剂。
14.权利要求13的化学机械抛光组合物，其中铁催化剂为硝酸铁。
15.权利要求14的化学机械抛光组合物，包括0.001至2.0重量％的硝酸铁催化剂。
16.权利要求1化学机械抛光组合物，其中能侵蚀钨的化合物是过氧化氢，以及其中该组合物还包括0.001至0.2重量％的铁催化剂。
17.权利要求1-2和4-5中任一项的化学机械抛光组合物，包括至少一种金属氧化物磨料。
18.权利要求17的化学机械抛光组合物，其中金属氧化物磨料选自氧化铝、氧化铈、氧化锗、氧化硅、氧化钛、氧化锆及其混合物。
19.权利要求18的化学机械抛光组合物，其中磨料为金属氧化物的水分散体。
20.权利要求19中的化学机械抛光组合物，其中金属氧化物磨料由具有尺寸分布低于1.0μm和平均聚集体直径低于0.4μm的金属氧化物聚集体组成。
21.权利要求19中的化学机械抛光组合物，其中金属氧化物磨料由具有初始颗粒尺寸低于0.400μm和表面积10m2/g至250m2/g的分离的单个金属氧化物球组成。
22.权利要求19的化学机械抛光组合物，其中磨料的表面积为5m2/g至430m2/g。
23.权利要求22的化学机械抛光组合物，其中磨料的表面积为30m2/g至170m2/g。
24.权利要求19的化学机械抛光组合物，其中磨料为沉淀磨料或煅制磨料。
25.权利要求19的化学机械抛光组合物，其中金属氧化物磨料为二氧化硅。
26.权利要求25的化学机械抛光组合物，其中二氧化硅为煅制二氧化硅。
27.权利要求1-2和4-5中任一项的的化学机械抛光组合物，还包括至少一种稳定剂。
28.权利要求19的化学机械抛光组合物，还包括至少一种稳定剂。
29.权利要求27的化学机械抛光组合物，包括至少一种选自磷酸、邻苯二甲酸、柠檬酸、己二酸、草酸、丙二酸、苄腈和其混合物的稳定剂。
30.权利要求29的化学机械抛光组合物，其中每个催化剂离子有稳定剂丙二酸1-15分子。
31.一种化学机械抛光浆料，包括：
1.0至15.0重量％的二氧化硅；
0.001至0.2重量％的硝酸铁；
1.0至10.0重量％的过氧化氢；
至少一种稳定剂，和
0.001至1.0重量％的至少一种钨侵蚀抑制剂；
其中钨侵蚀抑制剂选自：2，3，5-三甲基吡嗪、喹喔啉、哒嗪、吡嗪；
还原的谷胱甘肽、噻吩、巯基N-氧吡啶、盐酸硫胺、四乙基二硫化四烷基秋兰姆；
异硬脂酰基乙基亚氨基鎓、氢氧化十六烷基三甲基铵、2-十七烷基-4-乙基-2-噁唑啉-4-甲醇、氯化三辛基甲基铵、4，4-二甲基噁唑啉、氢氧化四丁基铵、十二烷基胺、氢氧化四甲基铵和其组合；甘氨酸，
氨基丙基甲硅烷醇、氨基丙基硅氧烷，或氨基丙基甲硅烷醇和氨基丙基硅氧烷的混合物；
和其组合。
32.权利要求31的一种化学机械抛光浆料，其中所述的稳定剂为1.0％至10.0％重量；过氧化氢为0.5-10％重量。
33.权利要求31或32的化学机械抛光浆料，其中钨侵蚀抑制剂是哒嗪。
34.权利要求31或32的化学机械抛光浆料，其中稳定剂为每个催化剂离子有1.0-15分子的丙二酸。
35.权利要求31的化学机械抛光浆料，其中稳定剂为每分子的催化剂离子有1-5分子的丙二酸。
36.一种抛光包括至少一层金属层的基材的方法，包括下列步骤：
(a)将至少一种能侵蚀钨的化合物、至少一种钨侵蚀抑制剂和去离子水掺混以制备化学机械抛光组合物；
(b)将该化学机械抛光组合物涂于基材上；和
(c)通过垫片与基材接触并使垫片相对于基材运动除去至少一部分钨层；
其中钨侵蚀抑制剂选自：2，3，5-三甲基吡嗪、喹喔啉、哒嗪、吡嗪；
还原的谷胱甘肽、噻吩、巯基N-氧吡啶、盐酸硫胺、四乙基二硫化四烷基秋兰姆；
异硬脂酰基乙基亚氨基鎓、氢氧化十六烷基三甲基铵、2-十七烷基-4-乙基-2-噁唑啉-4-甲醇、氯化三辛基甲基铵、4，4-二甲基噁唑啉、氢氧化四丁基铵、十二烷基胺、氢氧化四甲基铵和其组合；
甘氨酸，
氨基丙基甲硅烷醇、氨基丙基硅氧烷，或氨基丙基甲硅烷醇和氨基丙基硅氧烷的混合物；
和其组合，
该能够侵蚀钨的化合物在总化学机械抛光组合物中的存在量为0.5-50.0重量％，且该钨侵蚀抑制剂在该组合中的存在量为0.00 1-2.0重量％。
37.权利要求36的抛光包括至少一层金属层的基材的方法，包括下列步骤：
(a)将至少一种能侵蚀钨的化合物、至少一种钨侵蚀抑制剂和去离子水掺混，制备pH小于5.0化学机械抛光组合物，其中钨侵蚀抑制剂是氨基烷基、在pH低于5.0下形成烷基铵离子的化合物和其组合，
(b)将该化学机械抛光组合物涂于基材上；和
(c)通过垫片与基材接触并使垫片相对于基材运动除去至少一部分钨层。
38.权利要求36或37的方法，其中基材还包括钛和/或氮化钛层，其中在步骤(c)中从基材中除去至少部分氮化钛层。
39.权利要求36或37的方法，其中能侵蚀钨的化合物是过氧化氢。
40.权利要求36或37的方法，其中化学机械抛光组合物包括选自无机铁化合物和有机铁化合物的催化剂。
41.权利要求40的方法，其中催化剂为0.001至2.0重量％的硝酸铁。
42.权利要求36或37的方法，其中化学机械抛光组合物还包括至少一种金属氧化物磨料以得到化学机械抛光浆料。
43.权利要求42的方法，其中金属氧化物磨料选自氧化铝、氧化铈、氧化锗、氧化硅、氧化钛、氧化锆及其混合物。
44.权利要求42的方法，其中磨料为金属氧化物的水分散体。
45.权利要求42的方法，其中金属氧化物磨料选自沉淀氧化铝、煅制氧化铝、沉淀氧化硅、煅制氧化硅及其混合物。
46.权利要求42的方法，其中金属氧化物磨料为0.5-15.0％重量二氧化硅。
47.权利要求36或37中的方法，其中钨侵蚀抑制剂选自天然存在的合成的氨基酸、合成的氨基酸和其混合物。
48.权利要求36或37的方法，其中钨侵蚀抑制剂是甘氨酸。
49.权利要求36或37的方法，其中钨侵蚀抑制剂是至少一种在pH低于5.0下形成烷基铵离子的化合物。
50.权利要求36或37的方法，其中抑制剂选自甘氨酸、氨丙基硅醇、氨丙基硅氧烷及其混合物。
51.权利要求36的抛光包括至少一层钨层的基材的方法，包括下列步骤：
(a)将0.5至15.0重量％的二氧化硅；0.001至0.2重量％的硝酸铁催化剂；0.5至10.0重量％的过氧化氢；至少一种稳定剂，和0.001至1.0重量％的甘氨酸和去离子水掺混，制备pH2.0-5.0化学机械抛光浆料；
(b)将该化学机械抛光浆料涂于基材上；和
(c)通过垫片与基材接触并使垫片相对于基材运动除去至少一部分钨层。
52.权利要求51的方法，其中化学机械抛光浆料包括氨基丙基甲硅烷醇、氨基丙基硅氧烷和其混合物。
53.权利要求36的抛光包括至少一层钨层的基材的方法，包括下列步骤：
(a)将0.5至15.0重量％的二氧化硅；0.001至0.2重量％的硝酸铁催化剂；0.5至10.0重量％的过氧化氢；每催化剂离子有1-15分子的丙二酸，和0.01至0.5重量％的至少一种钨侵蚀抑制剂和去离子水掺混，制备化学机械抛光浆料；
(b)将该化学机械抛光浆料涂于基材上；和
(c)通过垫片与基材接触并使垫片相对于基材运动除去至少一部分钨层；
其中钨侵蚀抑制剂选自：2，3，5-三甲基吡嗪、喹喔啉、哒嗪、吡嗪；
还原的谷胱甘肽、噻吩、巯基N-氧吡啶、盐酸硫胺、四乙基二硫化四烷基秋兰姆；
异硬脂酰基乙基亚氨基鎓、氢氧化十六烷基三甲基铵、2-十七烷基-4-乙基-2-噁唑啉-4-甲醇、氯化三辛基甲基铵、4，4-二甲基噁唑啉、氢氧化四丁基铵、十二烷基胺、氢氧化四甲基铵和其组合；
甘氨酸，
氨基丙基甲硅烷醇、氨基丙基硅氧烷，或氨基丙基甲硅烷醇和氨基丙基硅氧烷的混合物；
和其组合。
54、权利要求1的一种化学机械抛光组合物，包括：
能侵蚀钨的化合物；和至少一种钨侵蚀抑制剂，
其中钨侵蚀抑制剂选自：
2，3，5-三甲基吡嗪、2-乙基-3，5-二甲基吡嗪、喹喔啉、2-乙酰基吡咯、哒嗪、组氨酸、吡嗪、还原的谷胱甘肽、2-巯基-苯并咪唑、噻吩、巯基N-氧吡啶、盐酸硫胺、四乙基二硫化四烷基秋兰姆、异硬脂酰基乙基酰亚铵、氢氧化鲸蜡基三甲基铵、2-十七烷基-4-乙基-2-噁唑啉-4-甲醇、三辛基甲基氯化铵、4，4-二甲基噁唑啉、四丁基氢氧化铵、十二烷基胺、四甲基氢氧化铵、赖氨酸、酪氨酸、谷酰胺、谷氨酸、甘氨酸、丝氨酸、氨基丙基硅氧烷、氨基丙基甲硅烷醇、苯丙氨酸、3，5-二甲基吡唑、3，3-二硫代丙酸、2，5-二苯基-1，6，6a-三硫杂戊烷、和其组合，其中该组合物的pH为5或更低。
55、权利要求1的一种化学机械抛光组合物，其中钨侵蚀抑制剂选自：2，3，5-三甲基吡嗪、2-乙基-3，5-二甲基吡嗪、喹喔啉、2-乙酰基吡咯、哒嗪、组氨酸、苯并咪唑、还原的胱甘肽、半胱氨酸、2-巯基-苯并咪唑、胱氨酸、巯基N-氧吡啶、盐酸硫胺、四乙基二硫化四烷基秋兰姆、异硬脂酰基乙基酰亚铵、氢氧化鲸蜡基三甲基铵、2-十七烷基-4-乙基-2-噁唑啉-4-甲醇、三辛基甲基氯化铵、4，4-二甲基噁唑啉、十二烷基胺、赖氨酸、酪氨酸、谷酰胺、谷氨酸、甘氨酸、丝氨酸、氨基丙基硅氧烷、氨基丙基甲硅烷醇、3，3-二硫代丙酸、2，5-二苯基-1，6，6a-三硫杂戊烷、或其组合。
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