CN1333319A - 化学机械抛光用淤浆及其形成方法和半导体器件制造方法 - Google Patents
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Abstract
CMP用淤浆,它具有:液体;包含于此液体中的多种研磨粒子,此研磨粒子包含至少一种以上的有机粒子和至少一种以上的无机粒子,而此有机与无机粒子则通过热结合一体化。
Description
本申请的基础是先有的日本专利申请No.2000-214510(2000年9月14日提交)，同时请求优先权，此项先有日本专利申请中的整体内容已综合于此供参考。
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域中使用的CMP用淤浆、它的形成方法以及包括CMP法的半导体器件的制造方法。
背景技术
近年来，在半导体器件的制造领域中，伴随着半导体器件的高度集成化和半导体元件的细微化，正在开发种种的微加工技术。其中例如CMP技术是形成金属镶嵌配线方面不可欠缺的重要技术。
在由金属CMP形成金属镶嵌配线时，避免划伤和抑制侵蚀乃是最大的课题。为了抑制侵蚀，采用了硬质的研磨布，而且对于过抛光的问题则必须采用有余量的CMP用淤浆(以下简作淤浆)。
为了扩大过抛光的余量，如何有效地将负载的变化传递给被研磨基体金属膜成为关键问题。这就是说，要求有研磨速度能灵敏地响应负载变化的，所谓研磨速度负载相关性高的CMP特性。
作为实现这种CMP特性的方法，采用含有以有机粒子(单数形式)和无机粒子(多种形式)一体化的材料为研磨粒子的淤浆是有效的。这种方法是使无机粒子凝集于没有研磨力的有机粒子的周围，把有机粒子用作无机粒子的辅助粒子。
具体地说，采用上述淤浆时，通过有机粒子所具有的弹性能使负载的变化有效地传递给被研磨基体，而提高了研磨速度的负载相关性。此外，当采用了上述淤浆，由于有机粒子具有弹性，即使采用了硬质研磨布也能避免划伤。
发明内容
本发明的目的在于提供用于实现低侵蚀和高过抛光余量的CMP的有效淤浆及其形成方法，以及包括具有能实现低侵蚀与高过抛光余量的CMP的CMP工艺的半导体器件的制造方法。
为了达到上述目的，本发明的第一方面是包含有液体，此液体所包含的多种研磨粒子中则包含至少一种以上的有机粒子和至少一种以上的无机粒子，而上述有机粒子和无机粒子则通过热粘合成为整体。
本发明的第二方面是将多种有机粒子与多种无机粒子在粉体状态下混合，同时利用机械融合现象，将上述多种有机粒子中的至少一种以上与前述多种有机粒子的至少一种以上整体化成多个研磨粒子，再把这多种研磨粒子添加到溶液中。
此外，本发明的第二方面包括采用本发明的淤浆进行CMP的工艺。
本发明的其他目的与优点将陈述于后面的说明中，并将部分地通过此说明获得理解或可以通过实施本发明来认识。本发明的种种目的与优点可以借助后面具体指出的装置与混合物来实现与达到。
附图说明
包括在并构成为此说明书一部分的附图阐明了本发明当前最佳的实施形式，它们与前面的概述和下面将给出的最佳实施形式的详述在一起，用来说明本发明的原理。
图1是有关本发明的和先有的淤浆在研磨速度、淤浆稳定性与淤浆供给是否良好的总图；
图2A与2B说明采用本发明第一实施例的淤浆时的负载相关性；
图3说明采用本发明第一实施例的与先有的淤浆时各自的负载相关性；
图4说明采用本发明第一实施例的与先有的淤浆时各自的侵蚀与配线宽度的相关性；
图5A与5B说明采用本发明第二实施例的淤浆时的负载相关性；
图6A～6D是示明本发明第三实施例的Al金属镶嵌配线形成方法的工艺剖面图；
图7A与7B说明采用本发明第三实施例的淤浆时的负载相关性；
图8A与8B说明采用本发明第四实施例的淤浆时的负载相关性；
图9概示制造利用机械融合现象的研磨粒子时所用的制造设备。
具体实施方式
下面参看附图说明本发明的实施例。
(第一实施例)
本实施例说明W金属镶嵌配线时所用的W-CMP用淤浆。本实施例中W-CMP用淤浆的各研磨粒子是由有机粒子PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)(单数)与无机粒子二氧化锰(多种)于粉体状态下混合(粉体混合)，通过机械融合现象将两种粒子热粘合成PMMA(多种)与二氧化锰(多数)的凝聚体。
下面说明这种利用机械融合现象的具体的研磨粒子制造方法(参看图9)。首先将两种粉体借助离心力固定于旋转容器21的内壁上。用固定于中心轴上的内部构件22将其瞬时地压密。然后由刮板23刮集接受了这种作用的粉体。通过反复高速地进行上述操作，恰当地应用压密/剪断作用作粒子复合化处理，就能由机械融合现象获得两种粒子热粘合成的凝聚体。本实施例中把这样求得的凝聚体用作研磨粒子。将上述研磨粒子加到纯水中便得到W-CMP用淤浆。
再用过滤器除去未构成凝聚体的PMMA与二氧化锰。凝聚体的粒径比PMMA与二氧化锰大。因而采用孔的尺寸比凝聚体粒度小的过滤器就能容易地除去PMMA与二氧化锰。
这样地通过粉体混合形成的W-CMP用淤浆(本发明的淤浆)比由液体混合形成的W-CMP用淤浆(比较例的淤浆)有更强的粒子间引力。结果，本发明的淤浆与比较例的淤浆相比，成为研磨速度、淤浆稳定性与淤浆供给等CMP特性都良好的淤浆。
用液体混合成的CMP用淤浆是通过将包含有机粒子(多种形式)的淤浆与包含无机粒子(多种形式)的淤浆混合，利用范德瓦尔斯力或静电力可将这些粒子一体化为用作研磨粒子的有机粒子(单数)和无机粒子(多种)的凝聚体。由上述方法求得的凝聚体的粒子间的引力是不充分的。因此，在采用包含上述凝聚体的淤浆时，不能求得快速的研磨速度，得不到所期待的大的负载相关性。图1中相对于本发明的与比较例的淤浆示明了上述CMP特性是否优良的汇总结果。
无机粒子与有机粒子的一次粒子粒度最好为5～1000nm。一次粒子粒度是分散状态粒子的粒径。因此不是图1所示凝聚体的粒度。一次粒子粒度的上限是1000nm的理由是粒度超过1000nm的粒子特别难于控制其分散性。一次粒子粒度的下限为5nm的理由是粒度小于5nm的粒子由于有激烈的布朗运动易于相互吸引，而使吸附粒子的沉淀速度将加快，结果便难以保证必要的研磨速度。
淤浆中无机粒子的浓度最好约为0.5～3wt％而有机粒子的浓度最好约为0.1～2wt％。无机粒子与有机粒子的浓度上限值分别为约3wt％与2wt％的理由之一是，浓度超过上述值之后，粒子的分散性差，结果使粒子相互间吸引而形成大的凝聚体。由于这种凝聚体的沉淀，就会减少用于研磨目的的研磨粒子数，结果难以确保必要的研磨速度。此外的理由是，当浓度降到上述值以下，SiO2膜等绝缘膜的研磨速度变快，不易对金属膜作选择地除去。另一方面，使无机粒子与有机粒子的浓度下限值分别为约0.5wt％与约0.1wt％的理由是，当浓度降到上述值以下时，难以确保必要的研磨速度。
至于负载相关性的问题，如图2A所示，在低负载情形，PMMAl与二氧化锰2的凝集体不变形，而二氧化锰对W膜3几乎不起作用，W膜3在未被氧化时是很硬的膜，因而在不发生氧化时，W膜3的研磨基本不能进行。
另一方面，在高负荷的情形，如图2B所示，PMMAl发生弹性变形，有很多的二氧化锰2作用于W膜3，二氧化锰2与W膜3的相互作用变大。此时，由于二氧化锰2的氧化作用，当于W膜3的表面上形成非常弱的氧化膜(WOx膜)4后，与此同时，磨料例如二氧化锰2便会将氧化膜4除去。结果能以充分快的研磨速度进行W膜3的研磨。
本实施例的W-CMP用淤浆中的PMMA与二氧化锰由于热粘合而结合得很牢靠，粒子之间的引力很大。因此，采用了本实施例的W-CMP用淤浆的CMP，与采用了比较例中由液体混合致粒子间引力小的W-CMP用淤浆的CMP相比，能将负载有效地传递给W膜。
结果在高负载下二氧化锰的氧化作用(化学作用)能有效地影响W膜，从而如图3所示，能够实现与比较例比研磨速度快而且负载相关性也较比较例大的CMP。于是如图4所示，根据本实施例，与比较例相比，能够与配线宽度的大小无关，抑制过抛光时的侵蚀(配线沟上被研磨的膜所除去的厚度)。这就是说，可以扩大侵蚀的过抛光余量。
此外，根据本实施例的CMP淤浆的形成方法，由于是把有机粒子与无机粒子按粉体状态混合，使不存在液体混合情形中那种pH限制，而能够实现有机粒子与无机粒子的任意的组合。
在液体混合情形，特别是在利用静电力的液体混合情形，为使有机粒子的表面带有电荷，需要在有机粒子的表面上导入带电的官能团(例如COO-)。为了使有机粒子(单数)与无机粒子(多种)凝聚，两者上的表面电荷必须异号。结果对能使用的粒子种类与淤浆的pH范围产生了限制。
再有，粉体混合时与液体混合时不同，各淤浆本身的不稳定性对有机粒子(单数形式)与无机粒子(多种形式)一体化后的淤浆特性没有大的影响。从而根据本实施例能够改进淤浆的控制性，取得稳定的CMP特性。
还有，粉体混合情形与利用静电力的液体混合情形不同，不必要在有机粒子的表面中引入官能团。在表面上导入了官能团的有机粒子成为具有疏水部与亲水部的界面活性粒子，能使淤浆的起泡现象剧烈化。淤浆中的起泡激化的结果，有时会给淤浆的供给带来困难。因此，概据本实施例，能够防止淤浆中的起泡，实现稳定的淤浆供给。
再有，本实施例中，作为具有氧化作用的无机粒子虽然采用的是二氧化锰，但即使采用二氧化铈等其他具有氧化作用的无机粒子，也能取得同样的效果。
(第二实施形式)
本实施例说明形成W金属镶嵌配线时用到的W-CMP所用淤浆。本实施例的W-CMP用淤浆的各研磨粒子，即有机粒子PMMA(多种)与无机粒子(多种)氧化铁，分别在粉体状态下混合(粉体混合)，通过机械融合现象使两种粒子成为热结合的PMMA(单数)和氧化铁(多种)的凝聚体。本实施例的W-CMP用淤浆包含有用作氧化剂的过氧化氢。
在低负载情形，根据与第一实施例相同的理由，如图5A所示，氧化铁5对W膜3基本不起作用。因此，即使于W膜3的表面上由过氧化氢形成的是脆的氧化膜(WOx膜)4，W膜3的研磨速度也非常之慢。
另一方面，在高负载的情形，根据与第一实施例相同的理由，如图5B所示，由于氧化铁5与W膜3的相互作用增大，进而由于氧化铁5中的铁离子的催化剂作用(Fe→H2O2)，使得过氧化氢的氧化力进一步提高。结果，氧化铁5的化学作用即氧化铁5所作的化学研磨得到增强，而能以非常快速的研磨速度进行W膜3的研磨。
通过把具有催化剂作用的氧化铁用作无机粒子，与第一实施例相比，这样就能容易地进一步提高对负载的相关性，而且能容易地进一步扩大过抛光容量。此外还能取得与第一实施例的相同效果。
本实施例中，作为具有促进氧化剂分解的催化剂作用的无机粒子虽然采用了含有铁组分的氧化铁，但若采用含有铁组分的其他无机粒子或含有银、钌(Ru)或是钛(Ti)组分的无机粒子，也能获得同样的效果。
(第三实施例)
图6A～6D是示明本发明第三实施例的Al金属镶嵌配线的形成方法的工艺剖面图。上述Al金属镶嵌配线例如用于DRAM(动态随机存取存储器)或高速逻辑LSI。
首先如图6A所示，在硅衬底11上淀积SiO2等的层间绝缘膜。在硅衬底11上集成有图中未示的例如DRAM或高速逻辑LSI所用的元件。硅衬底11可以是体衬底也可以是SOI衬底。
再如图6B所示，于层间绝缘膜12的表面上形成深400nm的配线沟，再淀积上厚15nm的Nb衬膜14，然后于Nb衬膜14上继续淀积添加有Cu的厚800nm的Al膜(Al-Cu膜)15。Nb衬膜14与Al膜15例如用溅射法形成。
再如图6C所示，将配线沟13外部不需要的Al膜15由采用本实施例的Al-CMP用淤浆的CMP工艺除去(快速抛光)。
本实施例的Al-CMP用淤浆中的各研磨粒子是把有机粒子的PMMA(多种)与无机粒子的氧化铝(多种)作粉体混合，由机械融合现象将两种粒子热结合，形成两层结构的凝聚体(多种)，然后再把上述两层结构的凝聚体与PMMA(多种)作粉体混合，通过机械融合现象，将两层结构的凝聚体(单数)与PMMA(多种)热结合成三层结构的凝聚体(单数)。将此三层结构的凝聚体添加到通常的淤浆溶液中使其分散，完成了本实施例的Al-CMP用淤浆。
在低负载情形下，如图7A所示，由于该三层结构的凝聚体最外表面上是没有研磨力的PMMA，基本不进行Al膜15的研磨。
另一方面，在高负载的情形，如图7B所示，将上述PMMA粉碎，则两层结构的凝聚体的许多氧化铝便对Al膜15起作用。这就是说，由于氧化铝所具有的机械研磨作用而能对Al膜15作显著的研磨。结果能以快速的研磨速度进行Al膜15的研磨。
通过将此三层结构(PMMA/氧化铝/PMMA)的凝聚体用作研磨粒子，与采用两层结构的凝聚体的情形相比，容易进一步提高对负载的相关性，而且可容易地进一步扩大过抛光余量。此外可以取得与第一
实施例相同的效果。
然后如图6D所示，将配线沟13外部不要的Nb衬膜14与进行初抛光后留剩的不需Al膜15，由通常的CMP法除去(二次抛光)。
作为研磨粒子例如可以用硅胶。PMMA/氧化铝/PMMA的凝聚体是研磨Al的有效粒子。因此，当于二次抛光中把PMMA/氧化铝/PMMA的凝聚体用作研磨粒子时，会造成对配线沟13内的Al膜15作过量的研磨。于是在二次抛光中不使用PMMA/氧化铝/PMMA。
(第四实施例)
本实施例说明Al金属镶嵌配线的形成方法。与第三实施例的不同处是初抛光中所用的淤浆。具体地说，以前各实施例中所用的母粒子(核粒子)全为有机粒子，而在本实施例中则是把无机粒子具体是把硅石用作母粒子(核粒子)，同时则把有机粒子具体是把PMMA用作子粒子。
在低负载情形，如图8A所示，凝聚体最外层表面的有机粒子1不与Al膜15接触，而且由于用作有机粒子1的PMMA无研磨力，基本上不进行Al膜15的研磨。
另一方面，在高负载情形，如图8B所示，PMMA粉碎，对于Al来说，由于是把硅石用作研磨力大的无机粒子2与Al膜15直接接触。通过硅石具有的机械研磨作用能有效地研磨Al膜15，结果能以非常快的研磨速度进行Al膜15的研磨。
这样，即使是把母粒子(核粒子)为无机粒子而子粒子为有机粒子的凝聚体用作研磨粒子，也容易进一步提高对负载的相关性，而且也能容易地进一步扩大过抛光余量。此外，可以取得与第一实施例相同的效果。
上面虽然说明了本发明的第一至第四实施例，但本发明是不限定于这些实施例的。举例来说，也可以采用第一与第二实施例相结合的形式。具体地说，也可以把具有氧化作用的无机粒子(多种)和能促进氧化剂分解的无机粒子(多种)以及有机粒子(单数)热接合成的凝聚体(单数)用作各研磨粒子，而采用包含这类研磨粒子(多种)与氧化剂的淤浆进行金属CMP。
又在上述实施例中虽然是把甲基丙烯酸类树脂中之一PMMA用作有机粒子，但是也可以采用其他丙烯酸树脂组成的树脂，而且还可以采用具有与丙烯酸树脂基本上等同硬度的酚醛树脂、尿素树脂、密胺树脂、聚苯乙烯树脂、聚缩醛树脂或聚碳酸酯树脂组成的粒子。
上述实施例中虽然是把过氧化氢用作氧化剂，但除此之外也可使用过氧化硫酸铵(过硫酸铵)、磷酸、硝酸或硝酸铵等氧化剂。
上述实施例中虽然是对Cu膜、Al膜、Nb膜的CMP进行了描述，而作为被研磨膜所得到的膜包括上述实施例中所述的、能够举出的有从Cu、Al、W、Ti、Mo、Nb、Ta、Ag、V、Ru与Pt的元素组中所选择的金属，或从此元素组选出的至少一种元素为主要成份的合金、氮化物、硼化物、氧化物或是混合物组成的单层或叠层膜。
上述实施例中说明的是所谓的单金属镶嵌配线的情形，但本发明也可适用于双金属镶嵌配线的情形。再有，除配线以外，本发明也能适用于例如金属镶嵌栅型MOS晶体管中金属栅电极的CMP处理。
再有，上述实施例中采用的是包含有通过热粘合一体化的单一有机粒子和多种无机粒子的研磨粒子，但也可以采用包含有通过热结合一体化的单一有机粒子和单一无机粒子、多种有机粒子和单一无机粒子，或多种有机粒子和多种有机粒子的研磨粒子。
内行的人将能很快地熟悉本发明的其他优点与变型。因此本发明的广度是不受这里所示和所描述的具体细节与代表性实施例的限制。这样，在不偏离后附权利要求书及其等效内容所规定的，本发明的普遍原理的精神与范围的前提下，是可以作出种种改型的。
Claims (20)
1.CMP用淤浆，它包括：液体；包含于此液体中的多种研磨粒子，此研磨粒子包含至少一种以上的有机粒子和至少一种以上的无机粒子，而所述有机粒子与无机粒子通过热结合而一体化。
2.权利要求1所述的CMP用淤浆，其中所述研磨粒子包含一种有机粒子和多种无机粒子。
3.权利要求1所述的CMP用淤浆，其中所述无机粒子具有氧化作用。
4.权利要求3所述的CMP用淤浆，其中所述无机粒子包括二氧化锰与二氧化铈二者中的至少一种。
5.权利要求1所述的CMP用淤浆，其中还含有氧化剂，而且所述无机粒子具有促进前述氧化剂分解的催化剂作用。
6.权利要求5所述的CMP用淤浆，其中所述无机粒子包含有铁、银、钌与钛之中的至少一种。
7.权利要求5所述的CMP用淤浆，其中包含有权利要求3所述的无机粒子和权利要求5所述的无机粒子。
8.权利要求7所述的CMP用淤浆，其中包含有权利要求4所述的无机粒子和权利要求6所述的无机粒子。
9.权利要求1所述的CMP用淤浆，其中所述有机粒子所用材料包含从丙烯酸树脂、酚醛树脂、尿素树脂、密胺树脂、聚苯乙烯树脂、聚缩醛树脂与聚碳酸酯树脂组成的材料组中所选出的一种。
10.权利要求1所述的CMP用淤浆，其中所述无机粒子与有机粒子的一次粒子粒度为5～1000nm。
11.CMP用淤浆的形成方法，它包括：将多种有机粒子与多种无机粒子于粉体状态下混合，而且利用机械融合现象将上述多种有机粒子中的至少一种以上与上述多种有机粒子中的至少一种以上一体化，形成多种研磨粒子；将这多种研磨粒子添加到液体中。
12.权利要求11所述CMP用淤浆的形成方法，其中在形成所述多种研磨粒子后，将这多种研磨粒子与前述多种有机粒子于粉体状态下混合，而且利用机械融合现象，将这多种研磨粒子的至少一种以上与前述多种有机粒子的至少一种以上一体化得到的多种研磨粒子加到上述液体中。
13.权利要求11所述CMP用淤浆的形成方法，其中在上述溶液中还添加氧化剂。
14.权利要求13所述CMP用淤浆的形成方法，上述氧化剂是过氧化氢、过氧化硫酸铵、过硫酸铵、磷酸、硝酸与硝酸铵中的至少一种。
15.半导体器件的制造方法，它包括：于衬底上形成导电膜；由CMP用淤浆研磨所述导电膜，而此CMP用淤浆包括：液体；包含于此液体中的多种研磨粒子，此研磨粒子包含至少一种以上的有机粒子和至少一种以上的无机粒子，而所述有机粒子与无机粒子通过热结合而一体化。
16.权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其中所述衬底包括半导过滤器和于此半导过滤器上形成的在表面上形成有配线沟的绝缘膜，而为了埋入上述配线沟于所述绝缘膜上形成前述导电膜，同时为了除去此配线沟外的所述导电膜而研磨所述导电膜。
17.权利要求16所述的半导体器件的制造方法，其中所述导电膜是由下述材料中的至少一种构成：从Cu、Al、W、Ti、Mo、Nb、Ta、Ag、V、Ru与Pt所组成的元素组中选择的金属；从这组元素中选取的至少一种元素为主要成分的合金；以上述元素为主要成份的氮化物；以上述元素为主要成份的硼化物；以上述元素为主要成分的氧化物以及以上述元素为主要成份的混合物。
18.权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其中所述研磨粒子包含一种有机粒子和多种无机粒子。
19.权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其中所述无机粒子具有氧化作用。
20.权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其中所述无机粒子包括二氧化锰与二氧化铈两者中的至少一种。
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