CN1705733A - 一种化学－机械抛光铜镶嵌结构所用的浆料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在铜镶嵌结构的制作过程中用于移除覆盖在钽基阻挡层上的铜的化学－机械抛光所用的浆料和一种使用该浆料在铜镶嵌结构的化学－机械抛光过程中抑制铜线路腐蚀的方法。本发明的浆料包括在化学－机械抛光中可释放自由基的氧化剂和可有效抑制所述的铜线路腐蚀的非螯合自由基猝灭剂。用在本发明浆料中的可释放自由基的优选氧化剂包括过氧化物、过氧化二磷酸盐和过硫酸盐。用在本发明浆料中的优选非螯合自由基猝灭剂包括抗坏血酸、硫胺素、2－丙醇和烷基乙二醇，最优选的是抗坏血酸。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学-机械抛光铜镶嵌结构所用的浆料，尤其是指在铜镶嵌结构的制作过程中覆盖在钽基阻挡层上的铜的化学-机械抛光过程中可抑制铜线路腐蚀的浆料。
背景技术
集成电路由数百万个形成在基底如硅或砷化镓中或者其上的有源器件组成，该有源器件一般使用硅基电介质材料相互分开，该有源器件通常带有相互连接形成功能电路和元件的多层，该有源器件的相互连接一般通过使用已知的多层相互连接方法如Chow等人在美国专利4,789,648中所公开的方法来实现。
由于铜与众多其他的电导体材料如铝相比具有出众的电迁移阻力和较低的电阻率，因此在制作集成电路的应用中铜是非常优选的电导体材料。铜布线和相互连接容许在集成电路中使用较高的临界电流，这样可大大提高此类装置的性能。
然而，在集成电路中使用铜的确存在一些很大的难题。铜易于扩散进入常规的硅基电介质材料中，如多晶硅、单晶硅、二氧化硅、低k(low-k)无机和有机材料等。一旦这些硅基材料被铜原子污染，那么这些硅基电介质的介电常数将受到不利的影响。此外，一旦半导体硅基材料用铜掺杂，那么设在铜掺杂的硅基区内或者与该硅基区极相近的晶体管或者不能良好地运行或者电学性能显著下降。因此，为阻止铜扩散必须在该硅基电介质层上使用阻挡层或衬垫薄膜。
目前制作含有铜布线和相互连接也被称为铜镶嵌结构的集成电路的优选方法之一通常包括在电介质薄膜的不连续层中提供相互连接的铜布线或者敷金属的图案。一般用于形成这些电介质薄膜层的材料包括磷硅酸盐玻璃、硼磷硅酸盐玻璃和二氧化硅。利用蚀刻或其他方法可在该电介质层中加工出多个沟和/或孔，然后再将通常不超过约300厚的阻挡层或衬垫薄膜沉积在带有图案的该电介质层上。优选的阻挡层或衬垫薄膜包括钽(Ta)或氮化钽(TaN)的薄膜或者由Ta和TaN彼此重叠而形成的Ta/TaN膜堆。通常可用物理气相沉积也被称为溅射沉积的方法来沉积此类衬垫，或者用化学气相沉积法来沉积以形成更一致的涂层。Ta和/或TaN衬垫涂在该沟和孔的表面及该电介质层的上表面以阻止铜原子的扩散同时也在铜层和电介质层之间提供良好的粘连连接。然后在衬垫层上沉积大约3,000～15,000厚的铜层用以完全填塞该沟和/或孔。由此填塞后的沟形成铜线路网而填塞后的孔形成通道或相互连接。制作集成电路过程的最后步骤也被称为铜镶嵌结构过程是从电介质薄膜层的上表面上移除铜层和钽基阻挡层只留下铜填塞的沟和孔。此步骤一般可由化学-机械抛光来实现。
在一般的化学-机械抛光过程中，铜镶嵌结构的敷金属表面在受控制的向下压力下与可转动的抛光衬垫直接接触。在抛光过程中在该衬垫和铜镶嵌结构的表面间存在有通常被称为“浆料”的化学反应溶液，该浆料通过和被抛光的金属薄膜表面发生化学反应引发抛光过程。该抛光过程可由该衬垫相对基底的旋转移动和薄膜/衬垫界面上存在的浆料而实现。照这样抛光持续到移除预定的薄膜为止。
浆料成分对于决定化学-机械抛光移除金属薄膜层的速率而言是一个重要的因素。如果浆料中的化学试剂选择合适，那么该浆料可被制成以预定抛光速率针对特定薄膜层提供有效抛光的特制浆料而同时使表面不完美或缺陷的形成或创生达最小化。
现有技术中用于移除覆盖在钽基阻挡层上的铜的化学-机械抛光浆料与钽基材料相比而言对铜表现出高选择性。此优点容许快速移除覆盖在钽基阻挡层上的铜层。然而，现有技术中抛光浆料腐蚀性的化学作用的缺点是在抛光过程中易于腐蚀铜镶嵌结构中的铜线路，导致有源器件发生故障或其性能不一致。
在铜镶嵌结构的制作中需要改进用于移除覆盖在钽基阻挡层上的铜的化学-机械抛光浆料。此改进的化学-机械抛光浆料会优选地以足够高的速率移除覆盖在钽基阻挡层上的铜，用来确保可接受的生产量而同时抑制铜线路的腐蚀。
发明内容
本发明提供了一种化学-机械抛光铜镶嵌结构所用的浆料，尤其是在铜镶嵌结构的制作过程中覆盖在钽基阻挡层上的铜的化学-机械抛光过程中可抑制铜线路腐蚀的浆料。本发明的浆料包括在化学-机械抛光中可释放自由基的氧化剂和可有效抑制所述的铜线路腐蚀的非螯合自由基猝灭剂。用在本发明浆料中的可释放自由基的氧化剂优选地从包括有过氧化物、过氧化二磷酸盐和过硫酸盐的组中选取。用在本发明浆料中的非螯合自由基猝灭剂优选地从包括有抗坏血酸、硫胺素、2-丙醇和烷基乙二醇的组中选取，最优选的是抗坏血酸。用在本发明化学机械抛光的浆料中的非螯合自由基猝灭剂在铜镶嵌结构的抛光过程中令人惊讶地可抑制铜线路的腐蚀而不会将铜的抛光速率减至不可接受的地步。抗腐蚀作用不受pH值的影响，但是当浆料的pH值被调节至从约4.0至约7.0的范围内时，铜的移除速率最大。
本发明前述的和其他的特点将在下文中尤其是在权利要求中得到更全面的详述。下面的详细描述阐明了本发明的实施例，然而仅是说明性的，按本发明的原理可以实施各种变化。
具体实施方式
在本发明中引为参考的共同未决的申请序列号为09/277,454的说明书中公开了在化学-机械抛光过程中相对较大浓度的自由基的生成可以大大提高铜的移除速率。在化学-机械抛光过程中相对较大浓度自由基的存在的不良副作用是对铜线路的腐蚀。
在说明书中和所附的权利要求书中的术语“腐蚀”是指在铜镶嵌结构的化学-机械抛光过程中不规则形状的凹槽或凹陷被化学蚀刻进位于沟或孔中的铜中的现象。在说明书中和所附的权利要求书中的术语“腐蚀”通常不用来指在抛光衬垫的化学-机械作用下引起的位于沟或孔中的铜中的浅层凹陷，该浅层凹陷通常称为“表面凹陷(dishing)”。
在本领域内众所周知，苯并三唑(BTA)和具有相似功能性的化合物可加进化学-机械抛光浆料中以防止铜线路被腐蚀。如Sasaki等人在美国专利5,770,095中所描述的那样，铜和BTA反应形成保护膜，该保护膜包括铜螯合化合物或铜络合物。铜螯合物膜作为保护性的阻挡膜可防止在下面的铜薄膜被浆料中的化学试剂所氧化或腐蚀。不幸的是，当使用少量的BTA时，难于控制浆料性能的一致性，同时，当使用大量的BTA时，铜的移除速率将降低至难以接受的低水平。
本发明的化学-机械抛光浆料在不需要BTA或其他螯合物的情况下可以防止铜线路被腐蚀。申请人意外地发现通过在化学-机械抛光浆料中掺入非螯合自由基猝灭剂可有效地抑制铜线路的腐蚀而不会将铜的抛光速率减至不可接受的地步。由此，本发明的浆料包括在化学-机械抛光中可释放自由基的氧化剂和可有效抑制所述的铜线路腐蚀的非螯合自由基猝灭剂。
用在本发明浆料中的氧化剂在抛光过程中可释放自由基。用在本发明中的合适的氧化剂包括过氧化物、过氧化二磷酸盐、过硫酸盐和前述物质的组合物。目前，用在本发明浆料中的最优选氧化剂是过氧化氢、过硫酸铵和/或过硫酸钾。优选地，该氧化剂按浆料重量计为约0.01％至约15.0％，更优选地，该氧化剂按浆料重量计为约0.1％至约10.0％。当使用过氧化氢时，最理想的氧化剂按浆料重量计为约0.5％至约5.0％。
本发明的浆料中也包括至少一种非螯合自由基猝灭剂。在说明书中和所附的权利要求书中的术语“非螯合自由基猝灭剂”是指不易于与铜螯合或者络合的化合物，但是该化合物可与自由基发生反应而抑制自由基的反应活性，这样可防止铜金属被腐蚀。目前，用在本发明浆料中的最优选非螯合自由基猝灭剂是又被称为维生素C的抗坏血酸，其他优选非螯合自由基猝灭剂包括又被称为维生素B1的硫胺素(3-[(4-氨基-2-甲基-5-嘧啶基)甲基]-5-(2-羟乙基)-4-甲基噻唑啉氯化物)、2-丙醇和烷基乙二醇。应该理解在本发明中也可以使用这些非螯合自由基猝灭剂的衍生物和前体，在所附的权利要求书中也应被充分扩大地理解为包括此类衍生物和前体。
用在浆料中的非螯合自由基猝灭剂的优选量是在化学-机械抛光过程中可有效抑制所述的铜线路腐蚀所需的最少量。一般地，该非螯合自由基猝灭剂按浆料重量计为约0.01％至约5.0％。当使用抗坏血酸作为非螯合自由基猝灭剂时，按浆料重量计为约0.1％至约1.0％的量通常可以有效地抑制铜线路的腐蚀。
可选择地，本发明的浆料还可包含粒状磨料。然而，应该理解在一些应用中在浆料中不包含粒状磨料更佳，在这种情况下抛光衬垫的压力提供机械抛光作用。当存在有粒状磨料时，粒状磨料可进一步辅助执行机械研磨的功能。
用在本发明浆料中的粒状磨料可以包括任何一种在化学-机械抛光浆料中被常规使用的粒状磨料或多种粒状磨料的混合物。合适的粒状磨料的例子包括氧化铝、氧化铈、氧化铜、金刚石、氧化铁、氧化镍、氧化锰、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化锡、二氧化钛、碳化钛、氧化钨、氧化镱、氧化锆及其组合物。目前，优选的磨料是氧化硅、氧化铝和氧化铈，最优选的是氧化铝和氧化硅。
优选地，粒状磨料的平均大小是从约0.02到约1.0微米，最大尺寸是小于约10微米。应该理解，虽然颗粒的大小本身不是决定性的，但是如果粒状磨料太小，那么浆料的抛光速率将低至不可接受的地步。应该理解，在另一方面，如果颗粒太大，那么在被抛光的物品表面上可能会产生不可接受的刮痕。在浆料中存在的粒状磨料的量按浆料重量计为最高达约60％，更优选按浆料重量计为从约0.5％至约30.0％，最理想的量是按浆料重量计在约3.0％至约10.0％的范围内。
优选地，本发明的浆料还包括溶剂。用在本发明的浆料中的优选溶剂是去离子水。用在化学-机械抛光浆料中的其他常规溶剂也可被使用。浆料也可包括可选择的已知的表面活性剂、pH调节剂、pH缓冲剂、抗泡沫剂和分散剂。
通过在本发明的浆料中掺入非螯合自由基猝灭剂而引起的抗腐蚀作用不受pH值影响，换句话说，可在很广的pH值范围内观察到腐蚀抑制现象。然而，当浆料的pH值被调至从约4.0至约7.0时，预定的铜的移除速率最佳。优选地，通过加入硝酸、氢氧化钾和/或氢氧化铵来调节浆料的pH值。
优选地，本发明的浆料是在非螯合自由基猝灭剂被加入之前或之后在溶剂中分散氧化剂而制成的。如果在浆料中含有粒状磨料，那么浆料可由许多方法制备，例如，浆料可以通过在氧化剂和/或非螯合自由基猝灭剂被加入之前或之后在溶剂中分散粒状磨料来制备。浆料也可作为两组分体系而制备(即分散在去离子水中的粒状磨料组分及分散在去离子水中的氧化剂与非螯合自由基猝灭剂组分)。浆料也可以由浓缩的形式来制备，只需要添加去离子水以稀释浓缩物(或在二元组分体系中的浓缩组分)至预定的水平。
另一种选择是，本发明的浆料可通过将浆料组分的一部分掺入抛光衬垫中而制成。例如，粒状磨料和非螯合自由基猝灭剂可直接掺进或者含有或者不含有粒状磨料的抛光衬垫中，然后去离子水和氧化剂被加进衬垫或被抛光物品的表面以在原位形成抛光浆料。在另一个可选择的实施例中，粒状磨料被粘到衬垫上，同时氧化剂、非螯合自由基猝灭剂和去离子水也被单独或者一起地加进衬垫或者被抛光物品的表面以在原位形成抛光浆料。应该理解，本发明的浆料组分也可由各种方法组合以在原位形成浆料。
也可能通过在抛光前或在抛光时组合化学前体而形成浆料组分。由此，用在说明书和所附的权利要求书中的术语“浆料”应被理解为指在化学-机械抛光过程中存在于抛光衬垫和被抛光的物品的表面之间的界面上的组分，除非另有所指，术语“浆料”包括组合前体而在原位形成浆料组分的情况。
本发明也提供了一种在具有多个铜线路的铜镶嵌结构的制作过程中移除覆盖在钽基阻挡层上的铜的方法。本发明的方法包括：提供包括在化学-机械抛光中可释放自由基的氧化剂和可有效抑制所述的铜线路腐蚀的非螯合自由基猝灭剂，和使用浆料抛光铜层直至暴露出钽基阻挡层为止。
下面的实施例只用于说明本发明而不应被认为用来限制权利要求。
实施例
浆料A通过由平均粒径为340nm的按重量计为3.0％的氧化铝颗粒分散在去离子水中而成，浆料J和K含有按重量计3.0％的过氧化氢和按重量计为1.0％的氨基乙酸。浆料B除了还包含按重量计为1.0％的抗坏血酸外按照和浆料A同样的方法和同样的成份形成。然后在每种浆料中加入足量的氢氧化钾调节pH值至5.8。
利用Strasbaugh 6CA抛光机和Rodel IC1400 K-槽衬垫将相同的Sematech 926图案晶片(每一晶片包括依次地涂在晶片上的3000nm厚蚀刻的TEOS CVD二氧化硅电介质层、25nm厚的Ta/TaN阻挡层和1600nm厚的铜层)用上述的浆料A和浆料B分别抛光。抛光条件是：4psi的向下压力、0psi的向后压力、40rpm的表速度、40rpm的主轴速度、20℃的温度和200cc/min的浆料流速。
通过化学-机械抛光移除铜层暴露出Ta/TaN阻挡层后，使用光学显微镜检验每一个晶片表面的铜线路腐蚀情况。用浆料A抛光的晶片有严重的铜线路腐蚀，而用包含非螯合自由基猝灭剂(即按重量计1.0％的抗坏血酸)的浆料B抛光的晶片没有明显的腐蚀。上述实施例的结果总结在下面的表1中。
表1
| 浆料 | 氧化剂 | 磨料 | 自由基猝灭剂 | 其他的添加物 | 铜抛光速率 | 铜线路腐蚀 |
| A | 1％H2O2 | 3％Al2O3 | 无 | 1％氨基乙酸 | 900nm/min | 严重 |
| B | 1％H2O2 | 3％Al2O3 | 1％抗坏血酸 | 1％氨基乙酸 | 620nm/min | 无 |
本领域的技术人员很易想到附加的优点和变化。因此，本发明广义地说不限于此处的说明和描述的具体细节和说明性的实施例。由此，可以在不脱离本发明所附的权利要求及其等价物所限定的概括发明概念的精神和范围内作出各种变化。
Claims (21)
1、一种在制作具有多个铜线路的铜镶嵌结构的过程中用于移除覆盖在钽基阻挡层上的铜的化学-机械抛光所用的浆料，所述的浆料包括：
可释放自由基的氧化剂；及
在化学-机械抛光中可有效抑制所述的铜线路腐蚀的非螯合自由基猝灭剂。
2、如权利要求1所述的浆料，其中所述的非螯合自由基猝灭剂是从包括有抗坏血酸、硫胺素、2-丙醇、烷基乙二醇和前述物质的组合物的组中选取的。
3、如权利要求2所述的浆料，其中所述的非螯合自由基猝灭剂按所述的浆料重量计为约0.01％至约5.0％。
4、如权利要求1所述的浆料，其中所述的可释放自由基的氧化剂是从包括有过氧化物、过氧化二磷酸盐、过硫酸盐和前述物质的组合物的组中选取的。
5、如权利要求4所述的浆料，其中所述的可释放自由基的氧化剂是从包括有过氧化氢、过硫酸铵和过硫酸钾的组中选取的。
6、如权利要求4所述的浆料，其中所述的可释放自由基的氧化剂按所述的浆料重量计为约0.01％至约15.0％。
7、如权利要求1所述的浆料，进一步包括粒状磨料。
8、如权利要求7所述的浆料，其中所述的粒状磨料是从包括有氧化硅、氧化铝、氧化铈和前述物质的组合物的组中选取的。
9、如权利要求7所述的浆料，其中所述的粒状磨料按所述的浆料重量计为从约0.1％至约60.0％。
10、如权利要求1所述的浆料，进一步包括去离子水。
11、如权利要求1所述的浆料，进一步包括pH调节剂和/或pH缓冲剂。
12、如权利要求11所述的浆料，其中pH值被调节至小于7.0左右。
13、一种在具有多个铜线路的铜镶嵌结构的制作过程中用于移除覆盖在钽基阻挡层上的铜的化学-机械抛光所用的浆料，所述的浆料包括：
按重量计从约3％至约10％的粒状磨料；
按重量计从约0.5％至约5.0％的可释放自由基的氧化剂；及
按重量计从约0.1％至约1％的在化学-机械抛光中可抑制所述的铜线路腐蚀的非螯合自由基猝灭剂。
14、如权利要求13所述的浆料，其中所述的粒状磨料从包括有氧化铝、氧化硅和前述物质的组合物的组中选取的。
15、如权利要求13所述的浆料，其中所述的可释放自由基的氧化剂是从包括有过氧化氢、过硫酸铵和前述物质的组合物的组中选取的。
16、如权利要求13所述的浆料，其中所述的非螯合自由基猝灭剂是从包括有抗坏血酸、硫胺素、2-丙醇、烷基乙二醇和前述物质的组合物的组中选取的。
17、如权利要求14所述的浆料，其中所述的可释放自由基的氧化剂是从包括有过氧化氢和过硫酸铵，所述的非螯合自由基猝灭剂包括抗坏血酸的组中选取的。
18、如权利要求17所述的浆料，其pH值为从约4.0至约7.0。
19、一种在具有多个铜线路的铜镶嵌结构的制作过程中移除覆盖在钽基阻挡层上的铜的方法，所述的方法包括：
提供化学-机械抛光所用的浆料，其包括：
可释放自由基的氧化剂；
在化学-机械抛光中可有效抑制所述的铜线路腐蚀的非螯合自由基猝灭剂；及
可选择的粒状磨料；及
使用所述的浆料抛光所述的铜层直至暴露出所述的钽基阻挡层为止。
20、如权利要求19所述的方法，其中所述的可选择的粒状磨料选自氧化铝和氧化硅，所述的可释放自由基的氧化剂是从包括有过氧化氢和过硫酸铵，所述的非螯合自由基猝灭剂选自抗坏血酸、硫胺素、2-丙醇、烷基乙二醇和前述物质的组合物的组中选取的。
21、如权利要求20所述的方法，其中所述的非螯合自由基猝灭剂是抗坏血酸，其中所述的浆料其pH值从约4.0至约7.0。
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