CN1494740A - 铜的化学机械抛光所用的浆料和方法 - Google Patents

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Abstract

一种铜抛光浆料可以通过将下列物质组合在一起而形成：螯合有机酸缓冲体系，如柠檬酸和柠檬酸钾；研磨剂，如胶体二氧化硅。这种铜抛光浆料在集成电路的制造中很有用，具体地说，在铜和铜扩散阻断层的化学机械抛光中很有用。另一种铜抛光浆料可通过进一步与氧化剂如过氧化氢，和/或腐蚀抑制剂如苯并三唑相组合而形成。按照本发明的浆料的优良性质包括：Cu的移除速率提高到＞3000埃每分钟。与现有技术相比，在获得这一较高的抛光速率的同时维持了局部pH的稳定性，并显著减少了整体和局部腐蚀。局部pH的稳定能够减少晶片内部的不均一性并减少腐蚀缺陷。而且，铜扩散阻断层，如钽或氮化钽，也可利用不包括氧化剂在内的此类浆料进行抛光。

Description

铜的化学机械抛光所用的浆料和方法
技术领域
本发明一般地涉及化学机械抛光(CMP)领域，更具体地说，涉及用于提高金属抛光速率的方法和化学药品。
背景技术
半导体制造技术的进展，导致了具有多层互连线(interconnect)的集成电路的发展。在此类集成电路中，一个互连层上的图形化导电材料与另一个互连层上的图形化导电材料之间，通过诸如二氧化硅之类的膜材料而保持电绝缘。这类导电材料通常是金属或金属合金。不同的互连层上的导电材料之间，通过在绝缘层中形成开口并提供导电结构而加以连接，从而使得位于不同互连层上的图形化导电材料之间能够保持电连接。这类导电结构通常是指触点(contact)或微通路(via)。
半导体制造技术的其他进展，导致了数以百万计的晶体管的集成，其中的每一个晶体管都能够高速开关。将如此之多的能够快速开关的晶体管整合到一个集成电路中的后果是，运行过程中的能耗增加。一项能够在降低能耗的同时提高速度的技术是，将传统的用于集成电路的铝和铝合金互连线，替换为电阻更小的金属，例如铜。电气领域的熟练技术人员都知道，通过降低电阻，电信号会通过集成电路上的互连通路传播得更快。而且，由于铜的电阻要比铝的电阻小很多，因此，与铝互连线相比，铜互连线的横截面积可以更小一些，而不会导致基于互连线的电阻而产生的信号传播延迟的上升。此外，由于两个电节点之间的电容是节点之间正对面积的函数，因此，使用更小的铜互连线会使寄生电容减小。这样，将基于铝的互连线替换为基于铜的互连线(依赖于所选择的尺寸)，提供了更小的电阻、更小的电容或两者均有。
如前所述，铜具有一些电学上的优点，例如更低的单位横截面积的电阻，提供更小的寄生电容的能力，以及更强的对电迁移的不敏感性。由于所有这些原因，集成电路制造商们发现，把铜包括在他们的产品中是很理想的。
虽然铜具有一些电学上的优点，但是将铜整合到集成电路的制造过程中仍然很困难。本领域中已经公知，如果铜可以通过迁移或扩散进入集成电路的晶体管区域，那么铜就会对金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FET)的性能产生不利的影响。因此，必须使用铜扩散阻断层，以便将铜金属与那些晶体管区域隔离开来。此外，与通过减蚀工艺(subtractiveetch processes)制造的基于铝的金属互连系统不同，铜互连线通常是通过镶嵌金属工艺(damascene metal processes)制造的。此类工艺有时也称为嵌式金属工艺(inlaid metal processes)。在镶嵌工艺中，在第一层里形成沟槽，并且金属层形成于包含了沟槽的第一层之上。然后多余的金属被磨掉，在沟槽里留下单个的互连线。多余的铜通常是通过化学机械抛光除去的。虽然金属化镶嵌方法有很多已知的变化，但最常用的除去多余铜的方法是通过CMP。
因此，需要CMP的方法、材料和装置，用以抛光诸如铜之类的导电材料。
附图说明
图1是一个铜镶嵌结构的横切面示意图。该结构表示制造过程中，电镀之后、抛光之前的状态。
图2是一个流程图，示出了按照本发明在形成浆料的过程中的操作。
图3是一个流程图，示出了按照本发明在抛光薄膜的过程中的操作。
图4是一个流程图，示出了按照本发明在抛光薄膜的过程中的操作。
具体实施方式
描述了铜的化学机械抛光所用的浆料和方法。在下面的描述中给出了很多具体的细节，以便于理解本发明。但是，对于本领域的熟练技术人员而言，在阅读本公开材料之后，本发明显然可以通过那些与此处提供的示例性实例中所使用的装置和工艺不同的装置和工艺而实现。
术语
术语芯片、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方式，在本领域中通常可以互换使用。可以将上述的全部术语应用于本发明，因为在本领域中，它们一般都能被理解。
RPM(也作rpm)是指每分钟的转数。
此处的“一个实施例”、“某一实施例”或类似的提法，是指所描述的与该实施例有关的一个具体的特征、结构或性质被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，此处出现的此类短语或提法，并不一定都是指同一个实施例。而且，不同的具体特征、结构或性质，可以在一个或多个实施例中以任何恰当的方式组合起来。
概述
对于半导体工业而言，与用于集成电路的导电互连线的形成有关的铜金属层的抛光，正变得越来越重要。铝金属化通常是通过减金属蚀刻(subtractive metal etch)形成于集成电路上的，与铝金属化不同，铜互连线通常是通过镶嵌或嵌式金属工艺形成的。此类工艺要求将多余的铜除去，通常是通过化学机械抛光除去。
在现有技术中，用于铜的化学机械抛光的几种浆料存在一些与之相关的问题。例如，现有技术中一种基于硬质研磨剂(例如Al2O3)的此类浆料，易于产生过多的划痕，并且气味难闻。在现有技术的另一个例子中，一种铜抛光浆料里含有丙酸和二氧化硅研磨剂，但在腐蚀、划痕和气味方面的性质令人不满意。
按照本发明的一种示意性铜抛光浆料，可以通过将下列物质组合在一起而制得：一种螯合有机酸缓冲体系，例如柠檬酸和柠檬酸钾；一种研磨剂，例如胶体二氧化硅；以及一种氧化剂，例如过氧化氢(H2O2)。按照本发明的另一种铜抛光浆料，可以通过进一步与一种腐蚀抑制剂例如苯并三唑(BTA)组合而形成。
按照本发明的浆料的优良性质包括：Cu的移除速率提高到了＞3000埃每分钟。而且，与现有技术中的铜抛光浆料相比，在获得这一较高的抛光速率的同时，维持了局部pH的稳定性，并显著减少了整体和局部腐蚀。本领域的熟练技术人员可以理解，局部pH的稳定能够减少晶片内部的不均一性，并减少腐蚀缺陷。
浆料
按照本发明的浆料，包括用于提高金属CMP系统的抛光速率的缓冲体系。这些浆料是通过将一种螯合有机酸缓冲体系例如柠檬酸和柠檬酸钾，与一种研磨剂例如胶体二氧化硅组合而形成的。如果待抛光的金属是铜或铜合金，那么应该在浆料混合物中加入一种氧化剂，例如过氧化氢。本领域的熟练技术人员可以理解，这些成分的组合可以在任何适当的容器中进行，并且可以包括混合。而且，这些成分可以在容器外部进行组合，例如在抛光盘上。发明的另一种浆料，可以通过将上述物质进一步与腐蚀抑制剂，例如苯并三唑，进行组合而制得。此类浆料在用于抛光铜和铜扩散阻断层时特别有用。
按照本发明的一种示意性的用于化学机械抛光的浆料，其pH约为3.8，包括SiO2研磨剂、H2O2氧化剂、苯并三唑腐蚀抑制剂以及柠檬酸/柠檬酸钾缓冲体系。通常要将这些成分与水组合，以形成浆料。本领域的熟练技术人员可以理解，该浆料是这些成分的混合物，在这些成分之间可能会发生各种化学反应，浆料里可能含有这些成分的各种混合物和反应产物，包括但不限于，络合物和解离的离子。也就是说，按照本发明，通过组合或混合这些成分而制得的浆料，在平衡状态下或在可能对其施加的其它条件下将含有由于这些成分的组合而产生的化学组分。所要注意的是按照本发明的浆料的pH范围在3到6之间。
在一种具体的示例性浆料中，柠檬酸/柠檬酸钾缓冲体系是通过在浆料混合物中加入约3g/l的柠檬酸和约3g/l的柠檬酸钾而获得的。
一种适合在本发明的实施例中使用的研磨剂是沉淀SiO2。在此行业中，沉淀SiO2有时也称为胶体，但从技术上讲，胶体这个词并不是对此种材料的准确描述。这种示例性浆料可以含有按重量计5％的二氧化硅，例如Klebesol 1498-50(可从Rodel公司获得，3804 East Watkins Street，Phoenix，AZ 85034)。
这种示例性浆料可以进一步通过将浆料混合物同过氧化氢进行组合而制得，从而使得该氧化剂的重量含量为3％。苯并三唑可以作为腐蚀抑制剂与浆料混合物组合在一起。在此示例性实施例中，浆料混合物中包括0.015M的苯并三唑。
方法
在本发明的一个实施例中，对铜镶嵌结构进行了抛光，以形成单个的互连线。图1示出了在将多余的铜和铜扩散阻断层除去之前的铜镶嵌结构。如图所示，夹层电介质(ILD)层被图形化，以便在晶片表面形成ILD 102。图1中，ILD 102的厚度以TILD表示。铜扩散阻断层104形成于晶片和ILD 102的暴露表面上。可以使用多种材料作为铜扩散阻断层。钽和氮化钽都可以用作铜扩散阻断层。然后，铜种层通常形成于铜扩散阻断层104之上。然后，完整的铜层106形成于扩散阻断层104之上，通常是通过电镀。位于ILD 102的上表面103之上的那部分铜被认为是多余的。从图1中可以看出，除去多余的铜会产生两个分离的导电互连结构。
图2的流程图解释了按照本发明的浆料形成工艺的一个实施例。
如图2中的框202，螯合有机酸缓冲体系、研磨剂和水被组合在一起。在一个实施例中，螯合有机酸缓冲体系是柠檬酸和柠檬酸钾，研磨剂是胶体二氧化硅。在框204中，将一种氧化剂与上述的混合物进行组合。在一个实施例中，该氧化剂是一种电化学势较低的氧化剂，例如过氧化氢。在框206中，将一种腐蚀抑制剂与上述的其他成分进行组合。按照本发明，本领域的熟练技术人员可以理解，向浆料混合物中加入各成分的特定顺序可以进行改变。本发明不受组分的组合顺序的限制。例如，水和苯并三唑可以组合在一起，然后加入螯和缓冲液，然后加入研磨剂和氧化剂。
图3描述了关于按照本发明抛光晶片上的薄膜的方法的一个实施例。
众所周知，在通常的CMP系统中，晶片面朝下放置于旋转的工作台上，工作台上已经覆盖了一个抛光盘，抛光盘上已经涂了浆料。可以被固定到旋转轴的支架，用于对晶片的背面施加一个向下的力。可以使用一个定位环，将晶片置于支架的中心，并阻止晶片的横向滑动。通过施加向下的力并旋转晶片，同时旋转其上带有浆料的抛光盘，可以将数量可观的材料从薄膜表面除去。
图3是一个流程图，示出了按照本发明的一种工艺。在框302中，形成了一利含有按照本发明的含有螯合有机酸缓冲体系的浆料，将该浆料输送并分配到抛光盘上。如上所述，该浆料的pH值可为3.8左右。然后，如框304所示，将其上已经形成了铜镶嵌结构的晶片与抛光盘相接触。如框306所示，铜镶嵌结构被抛光。使用轨道式抛光器(例如IPEC 576轨道式抛光器，购自Speed-Fam IPEC，305 North 54th Street，Chandler，AZ 85226)时的抛光条件通常是，向下的力约3.75psi，主轴转速约310rpm，晶片旋转速度约19rpm，浆料流速约130ccm，delta P为0.0psi。delta P是施加在晶片的上下表面上的压力之差，可以对晶片边缘的速度进行精细调控。堆叠抛光盘(例如IC1000，带有Suba-4副盘(sub-pad)，制造商均为Rodel公司，3804 East Watkins Street，Phoenix，AZ 85034)可与浆料一起用于抛光铜薄膜。其他的商品化抛光盘也可用于本发明，例如FX-9抛光盘，购自马萨诸塞州Lowell的Freudenberg。
铜扩散阻断层，例如钽或氮化钽，也可以利用按照本发明的浆料和抛光条件成功地进行抛光。具体地说，通过省去氧化剂但包含螯合有机酸缓冲体系，可以对基于钽的铜扩散阻断层进行有效的抛光。
图4描述了一种按照本发明形成铜互连线的方法。如图4，一种示例性方法包括在图形化ILD层(402)上形成铜扩散阻断层。该ILD层被图形化，从而在其中产生了沟槽和微通路，该ILD层的形成可以采用任何在镶嵌金属工艺中形成ILD的常规方法。ILD层中可以包括任何适当的介电材料，包括但不限于，二氧化硅、掺氟二氧化硅、掺碳二氧化硅，以及基于二氧化硅以外的材料的ILD层，包括但不限于，有机聚合物和多孔无机材料。在本发明的示例性实施例中，使用了基于钽的铜扩散阻断层。这样的阻断层可以由钽或氮化钽制成。然后，在铜扩散阻断层(404)上形成铜种层。然后，在种层(406)上电镀一层铜。铜层的多余部分(参见上述的图1)通过化学机械抛光除去，此过程中利用了一种浆料，该浆料中包括一种螯合有机酸缓冲体系以及一种电化学势较低的氧化剂。此类浆料中可以含有柠檬酸/柠檬酸钾螯合有机酸缓冲体系，并以过氧化氢作为氧化剂。浆料中也包括一种研磨剂，例如二氧化硅。浆料中也可以包括一种腐蚀抑制剂，例如苯并三唑。在铜层被除去以后，下面的扩散阻断层就暴露了出来。然后，除去阻断层的多余部分，也就是在ILD上表面上的部分(410)。改变浆料的化学成分，使得在除去扩散阻断层的多余部分时，不使用氧化剂。换句话说，当开始抛光铜层的时候，使用第一个浆料配方；然后，分配与第一个配方相似但不含氧化剂的第二个浆料配方，以抛光下面的基于钽的扩散阻断层。
关于图4中的示例性实施例，铜的抛光和阻断层的抛光可以在同一个抛光盘上进行，也可以在不同的抛光盘上进行。不管在哪种情况下，铜的抛光都是在达到预定的终点时停止，或者通过对抛光计时，通过检测CMP电机电流的变化，或者通过任何其他的适当方法。如果待抛光的两个层在同一个抛光盘上，浆料化学成分的改变可以通过分配第二种不含氧化剂的浆料而实现，或者如果氧化剂正在被直接输送到抛光盘上的话，也可以通过简单的关闭氧化剂的分配器而实现。如果两个层要在不同的抛光盘上抛光，那么当检测出预期的终点时，可以将晶片转移到第二个抛光盘上，并将第二种浆料输送到第二个抛光盘上。
结论
本发明的实施例提供了适于金属(例如铜)化学机械抛光的浆料。本发明的其他实施例提供了形成集成电路导电互连线的方法。
本发明一些实施例的一个优点是，螯合剂将铜的移除速率提高到了3000埃每分钟以上，而同时使用了一种电化学势较低的氧化剂，例如过氧化氢。与电化学势较低的氧化剂的相容性，减小了麻点状腐蚀和其他形式局部腐蚀的驱动力。
本发明一些实施例的另一个优点是，在柠檬酸缓冲体系的存在下，苯并三唑的浓度可以显著提高，以控制静态蚀刻速率(有时称为整体腐蚀)，而不会使抛光速率下降。
本发明一些实施例的另一个优点是，在一种软性研磨剂例如胶体SiO2的存在下，螯合有机酸缓冲液提高了移除速率。
本发明一些实施例的另一个优点是，缓冲体系基本保证了局部pH的均一性，而这又反过来降低了晶片内部的不均一性，也减少了局部腐蚀。
本发明一些实施例的另一个优点是，螯合剂在广泛的pH范围内，提高了移除速率，并且可以在高pH的缓冲体系中在高pH下使用。
本发明一些实施例的另一个优点是，与常规浆料不同，螯合有机酸缓冲体系没有与之相关的实质性的稳定性、气味、健康和清除问题。
本发明一些实施例的另一个优点是，浆料的成分形成了成本较低的产品。
本发明一些实施例的另一个优点是，一种对于抛光Ta和TaN(也就是铜扩散阻断层)很有效的浆料，可以通过将螯合有机酸缓冲体系、研磨剂和腐蚀抑制剂组合在一起而制得，也就是说，不需要向浆料中加入氧化剂成分。
对于本领域的熟练技术人员而言，很显然，可以对上述的示例性实施例做出很多改变和修正。例如，在本发明的范围内，可以使用不同的组合、浆料pH、浆料输送速率、抛光盘旋转速度、抛光盘温度等。
对于本领域的熟练技术人员而言，在阅读本公开材料之后，针对此处所清晰描述的装置、浆料和过程而进行的其他修改将会是显而易见的。因此，正如所附的权利要求中所描述的，所有的此类修改和改变将会被认为落入了本发明的精神和范围之中。

Claims (27)

1.一种形成铜互连线的方法，包含：
在至少一个镶嵌结构中形成铜扩散阻断层；
在阻断层上形成铜层；
使用包含螯合有机酸缓冲体系、胶体二氧化硅和氧化剂的浆料，通过化学机械抛光除去铜层的一部分。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述的氧化剂包含过氧化氢。
3.按照权利要求2所述的方法，其中所述的螯合有机酸缓冲体系包含柠檬酸和柠檬酸钾。
4.按照权利要求3所述的方法，其中所述的浆料还包含腐蚀抑制剂。
5.按照权利要求4所述的方法，其中所述的腐蚀抑制剂包含苯并三唑。
6.一种形成铜互连线的方法，包含：
在其中具有至少一个沟槽的基片上形成阻断层；
在阻断层的表面上形成铜种层；
在阻断层和种层上形成铜层；
使用第一种包含螯合有机酸缓冲体系、胶体二氧化硅和氧化剂的浆料，通过化学机械抛光除去铜层的一部分；及
使用第二种包含螯合有机酸缓冲体系和胶体二氧化硅的浆料，通过化学机械抛光除去阻断层的一部分；
其中所述的第二种浆料不含氧化剂。
7.按照权利要求6所述的方法，其中所述的阻断层包含钽。
8.按照权利要求7所述的方法，其中所述的螯合有机酸缓冲体系包含柠檬酸和柠檬酸钾。
9.按照权利要求8所述的方法，其中所述的氧化剂包含过氧化氢。
10.按照权利要求9所述的方法，其中所述的第一种浆料还包含腐蚀抑制剂。
11.按照权利要求10所述的方法，其中所述的第一种浆料的pH范围为3到6，并且腐蚀抑制剂包含苯并三唑。
12.一种通过包含如下操作的工艺所生产的浆料：将柠檬酸、柠檬酸钾、二氧化硅、过氧化氢和苯并三唑组合在一起。
13.按照权利要求12所述的工艺生产的浆料，其中柠檬酸的浓度约为3g/l，柠檬酸钾的浓度约为3g/l，二氧化硅的浓度按重量计约为5％，过氧化氢的浓度按重量计约为3％，以及苯并三唑的浓度约为0.015摩尔/升。
14.按照权利要求13所述的工艺生产的浆料，还包含将柠檬酸、柠檬酸钾、二氧化硅、过氧化氢和苯并三唑与水组合在一起。
15.一种浆料，包含：
约3g/l的柠檬酸；
约3g/l的柠檬酸钾；
按重量计约5％的二氧化硅；
按重量计约3％的过氧化氢；
约0.015摩尔/升的苯并三唑；及
其混合物和反应产物。
16.按照权利要求15所述的浆料，其中所述浆料的pH范围为3到6。
17.一种通过将如下物质组合在一起的工艺而形成的浆料：一种有机酸，一种有机酸盐，按重量计约5％的二氧化硅，按重量计约3％的过氧化氢，以及约0.015摩尔/升的苯并三唑。
18.按照权利要求17所述的浆料，其中所述的有机酸包含乙酸。
19.按照权利要求18所述的浆料，其中所述的有机酸盐包含乙酸钾。
20.按照权利要求17所述的浆料，其中所述的有机酸包含3g/l的柠檬酸，所述的有机酸盐包含3g/l的柠檬酸钾。
21.一种用于抛光铜扩散阻断层的浆料，包含：
约3g/l的柠檬酸；
约3g/l的柠檬酸钾；
按重量计约5％的二氧化硅；
约0.015摩尔/升的苯并三唑；及
其混合物和反应产物。
22.按照权利要求21所述的浆料，其中所述的铜扩散阻断层包含钽。
23.按照权利要求21所述的浆料，其中所述浆料的pH范围为3到6。
24.一种用于抛光含钽阻断层的浆料，包含：有机酸、有机酸盐、研磨剂、腐蚀抑制剂及其混合物和反应产物，其中不包含氧化剂。
25.按照权利要求24所述的浆料，其中所述的有机酸包含柠檬酸。
26.按照权利要求24所述的浆料，其中所述的腐蚀抑制剂包含苯并三唑，其中所述浆料的pH范围为3到6。
27.按照权利要求25所述的浆料，其中所述的有机酸盐包含柠檬酸钾。
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