DE60009997T2

DE60009997T2 - Eine eine wässrige Dispersionszusammensetzung verwendende chemisch-mechanische Poliermethode zur Verwendung in der Herstellung von Halbleitervorrichtungen

Info

Publication number: DE60009997T2
Application number: DE60009997T
Authority: DE
Inventors: Masayuki Motonari; Masayuki Hattori; Nobuo Kawahashi
Original assignee: JSR Corp
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: JP2001077062A; JP4505891B2; KR100611264B1; DE60009997D1; TWI257414B; EP1081200A1; US6447695B1; KR20010039863A; EP1081200B1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein chemisch mechanisches Polierverfahren, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung benutzt, für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen (hierunter bezeichnet als "wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren", oder manchmal einfach als "wäßrige Dispersionszusammensetzung"). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein chemisch mechanisches Polierverfahren, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung benutzt, welches zum Polieren unterschiedlicher Typen von Arbeitsfilmen und metallischen Sperrschichten, ausgebildet auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere ein effizientes Polieren von metallischen Sperrschichten bewerkstelligen kann und angemessen ebene und hoch präzise endbearbeitete Oberflächen ergibt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine jüngere Technik, die in der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet wird, ist ein Verfahren, wodurch ein Verdrahtungsmaterial wie Wolfram, Kupfer oder ähnliches in einem Loch oder einer Nut, die in einem Isolierfilm auf einem Prozeßwafer ausgebildet ist, eingebettet wird und sodann ein Polieren durchgeführt wird, um das Verdrahtungsmaterial oberhalb der Oberfläche des Isolierfilms zu entfernen, und dadurch die Bildung der Verdrahtung zu vervollständigen. Eine Verdrahtung, die durch dieses Verfahren gebildet wird, nennt sich Damaszener-Verdrahtung. Dieses Polieren kann auf metallischen Sperrschichten aus Metallen mit hoher Härte wie Tantal oder ähnlichem nicht sehr effizient ausgeführt werden. Auf der anderen Seite sind relativ weiche Verdrahtungsmaterialien wie Kupfer zwar leicht zu polieren, zeigen jedoch eine Einwärtskrümmung in den Verdrahtungsabschnitten, was es schwierig macht, ebene endbearbeitete Oberflächen herzustellen. In Fällen mit einem hohen pH-Wert, insbesondere bei porösen Isolierfilmen mit niedriger Dielektrizitätskonstante, wird der Isolierfilm übermäßig poliert, was es unmöglich macht, eine befriedigende Damaszener-Verdrahtung auszubilden.
EP-A-0 846 742 bezieht sich auf einen mechanischen Kupfer-Polierschlicker, der zum Polieren von Metallschichten und dünnen Filmen, speziell auf dem Gebiet der Halbleitervorrichtungen, verwendbar ist. Dieser chemisch mechanische Polierschlicker beinhaltet im wesentlichen ein Abrasiv, ein Oxidationsmittel, einen Komplexbildner, einen Schichtbildner und Wasser.
Zusammenfassung der Erfindung
[Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen]
Die vorlegende Erfindung löst die oben genannten Probleme des Standes der Technik durch Bereitstellung eines nützlichen Verfahrens, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren in der Herstellung von Halbleitervorrichtungen nutzt, welches in der Lage ist, metallische Sperrschichten aus Tantal oder ähnlichem mit ausreichenden Raten zu polieren, welches ausreichend ebene endbearbeitete Oberflächen ergibt, ohne übermäßiges Polieren des Verdrahtungsmaterials aus Kupfer oder ähnlichem oder übermäßiges Polieren der Isolierfilme und welches befriedigende Damaszener-Verdrahtung ausbildet.
[Merkmale der Erfindung]
Die wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren in dem Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen entsprechend der vorliegenden Erfindung ist gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet.
Genauer, entsprechend der Erfindung, wenn ein Kupferfilm, eine Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht und ein Isolierfilm unter gleichen Bedingungen poliert werden, ist das Verhältnis (R_Cu/R_Ta) zwischen der Polierrate des Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate der Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht (R_Ta) nicht größer als 1/20, und das Verhältnis (R_Cu/R_In) zwischen der Polierrate des Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate des Isolierfilms (R_In) ist von 5 bis 1/5.
[Wirkung der Erfindung]
Entsprechend der Erfindung ist es möglich, ein nützliches Verfahren zu erhalten, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren nutzt, durch Herstellung einer wäßrigen Dispersionszusammensetzung, die einen Polierrateneinsteller enthält.
Durch die Angabe des Verhältnisses zwischen den Polierraten für einen Kupferfilm und eine Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht und des Verhältnisses zwischen der Polierrate für einen Kupferfilm und einen Isolierfilm, ist es möglich, metallische Sperrschichten mit genügender Rate zu polieren, Arbeitsfilme angemessen zu polieren und ein Verfahren zu erhalten, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren nutzt, das nützlich für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen ist, ohne übermäßiges Polieren des Isolierfilms und ohne Einwärtskrümmung.
Außerdem ist es durch die Angabe der Funktion des Polierrateneinstellers und durch Angabe des pH-Wertes leicht möglich, ein Verfahren zu erhalten, das entsprechend der Erfindung eine wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren nutzt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[Mittel zur Lösung der Probleme]
Als ein Ergebnis der Forschung mit dem Gegenstand, ein Verfahren zu entwickeln, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren nutzt, welches ausreichende Ebenheit der endbearbeiteten Oberflächen für das Polieren der Arbeitsfilme, ausgebildet auf einem Halbleitersubstrat, erfüllt, wurde gefunden, daß es bei Einbeziehen eines Polierrateneinstellers, der eine spezifische heterozyklische Komponente mit einer Aminogruppe enthält, möglich ist, das Polieren der metallischen Barrierelage zu beschleunigen, das Polieren des Verdrahtungsmaterials wie Kupfer zu verhindern und ausreichend geebnete und hochgradig präzise endbearbeitete Oberflächen ohne übermäßiges Polieren des Isolierfilms zu erreichen. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage dieser Befunde vollendet.
Dieses Ziel ist zunächst durch ein Verfahren erreicht worden, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung nutzt, die eine spezifische Menge eines Polierrateneinstellers enthält, wie in den Ansprüchen angegeben. Das Ziel ist zweitens durch ein Verfahren erreicht worden, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren mit einem festgelegten Verhältnis zwischen der Polierrate eines Kupferfilms und einer Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht und zwischen der Polierrate eines Kupferfilms und einer Isolierschicht nutzt. Das Ziel wird abschließend durch ein Verfahren erreicht das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung mit einem spezifischen pH-Wert nutzt.
Die wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Poliermittel, Wasser und einer festgelegten Menge eines Polierrateneinstellers enthält.
Entsprechend der Erfindung, wenn ein Kupferfilm, eine Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht und ein Isolierfilm unter gleichen Bedingungen poliert werden, ist das Verhältnis (R_Cu/R_Ta) zwischen der Polierrate des Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate der Tantalschicht (R_Ta) nicht größer als 1/20, und das Verhältnis (R_Cu/R_In) zwischen der Polierrate des Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate des Isolierfilms (R_In) ist von 5 bis 1/5.
Das Kupfer, das den "Kupferfilm" bilden kann, enthält nicht nur reines Kupfer, sondern auch Legierungen, die mindestens 95 Gew.-% Kupfer enthalten, wie beispielsweise Kupfer-Silicium, Kupfer-Aluminium oder ähnliches. Das Tantal, das die "Tantalschicht" bilden kann, ist ebenfalls nicht auf reines Tantal beschränkt und schließt tantalhaltige Legierungen wie Tantal-Niob ein. Das Tantalnitrid, das die "Tantalnitridschicht" bilden kann, ist auch nicht auf reine Produkte begrenzt.
Die Formulierung "unter den gleichen Bedingungen", wie sie oben verwendet wird, bedeutet, daß das gleiche Poliervorrichtungs-Modell verwendet wird, und die Drehgeschwindigkeit von Scheibe und Kopf, der Polierdruck, die Polierzeit, der Typ der Polierblocks, und die Zuflußrate der wäßrigen Dispersionszusammensetzung pro Zeiteinheit alle einheitlich waren.
Das "Verhältnis" der oben genannten Polierraten kann aus den einzelnen Polierraten errechnet werden, die bei separatem Polieren eines Kupferfilms, einer Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht und eines Isolierfilms unter den gleichen Bedingungen erhalten wurden. Das Polieren kann unter Benutzung eines Wafers ausgeführt werden, der mit dem Kupferfilm, Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht oder Isolierfilm versehen ist.
Das Verhältnis (R_Cu/R_Ta) zwischen der Polierrate eines Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate einer Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht (R_Ta) ist vorzugsweise nicht größer als 1/30, insbesondere nicht größer als 1/40 und möglichst nicht größer als 1/50. Wenn R_Cu/R_Ta größer als 1/20 ist, können Tantalschichten nicht mehr mit genügender Rate poliert werden, und wenn die wäßrige Dispersionszusammensetzung zum Polieren von Arbeitsfilmen oder metallischen Sperrschichten verwendet wird, die auf Halbleitersubstraten gebildet sind, wird eine längere Zeit zum Polieren der metallischen Sperrschichten in zweiten Stufe eines zweistufigen Polierverfahrens benötigt.
Das Verhältnis R_Cu/R_In zwischen der Polierrate eines Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate einer Isolierfilms (R_In) ist vorzugsweise nicht größer als 4 bis 1/4, insbesondere nicht größer als 3 bis 1/3 und möglichst nicht größer als 2 bis 1/2. Wenn R_Cu/R_In größer als 5 ist, kann übermäßiges Polieren des Kupferfilms auftreten, und wenn die wäßrige Dispersionszusammensetzung zum Polieren von Arbeitsfilmen verwendet wird, die auf Halbleitersubstraten ausgebildet sind, kann Einwärtskrümmung in den Verdrahtungsbereichen erzeugt werden, die es unmöglich machen, eine endbehandelte Oberfläche mit ausreichender Ebenheit und hoher Präzision zu erreichen. Auf der anderen Seite kann übermäßiges Polieren des Isolierfilms auftreten, wenn R_Cu/R_In kleiner als 1/5 ist, was es unmöglich macht, befriedigende Damaszener-Verdrahtungen auszubilden.
Das oben genannte "Poliermittel" kann anorganische Partikel von Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Ceroxid, Zirkonoxid, Titanoxid oder ähnliches verwenden. Die anorganischen Partikel werden vorzugsweise in einem Gasphasenprozeß synthetisiert. Durch einen Gasphasenprozeß erhaltene anorganische Partikel sind vorzugsweise Partikel, die durch ein Verdampfungsverfahren (Hochtemperatur-Flammenhydrolyse) oder ein Verfahren der Nanophase Technology Co. (Oxidation von Metalldampfabscheidungen) synthetisiert werden.
Die anorganischen Partikel sind vorzugsweise kolloidales Siliciumoxid, kolloidales Aluminiumoxid, kolloidales Titanoxid oder ähnliches, die synthetisiert wurden durch (1) ein Sol-Verfahren, das die Synthese durch Hydryolyse und Kondensation eines Metallalkoxids wie Tetraethoxysilan oder Titanalkoxid oder ähnliches einbezieht, oder (2) ein anorganisches Kolloidverfahren und ähnliches, in welchem Verunreinigungen durch Reinigung entfernt werden.
Das verwendete Poliermittel können organische Partikel sein einschließlich thermoplastischer Harze wie Polyvinylchlorid; Polystyren und styrenbasierte Copolymere; Polyacetale; gesättigte Polyester; Polyamide; Polycarbonate; Polyolefine und olefinbasierte Copolymere wie Polyethylen, Polypropylen, Poly-1-buten, Poly-4-methyl-1-penten und ähnliche; Phenoxyharze; (Meth)acrylharze wie Polymethylmethacrylat; sowie acylbasierte Copolymere. Sie können ebenso organische Partikel werden einschließlich duroplastischer Harze wie Epoxyharze, Urethanharze und ähnliche verwenden.
Die anorganischen Partikel und organischen Partikel können für sich allein oder in Kombination von zwei oder mehr Typen verwendet werden, und anorganische Partikel können ebenso in Kombination mit organischen Partikeln verwendet werden.
Das Poliermittel kann auch organische/anorganische Kompositpartikel verwenden. Organische/anorganische Kompositpartikel müssen nur zu einem solchen Grad verpreßt sein, daß sich die organischen Partikel und die anorganischen Partikel während des Polierens nicht leicht trennen, und es gibt keine besonderen Beschränkungen bezüglich ihres Typs oder Struktur.
Die verwendeten Kompositpartikel können durch Polykondensation eines Alkoxysilans, Aluminiumalkoxids, Titanalkoxids oder ähnliches in Gegenwart von Polymerpartikeln von Polystyren, Polymethylmethacrylat oder ähnlichem hergestellt werden, und Polysiloxan oder ähnliches zumindest auf der Oberfläche der Polymerpartikel binden. Das erhaltene Polykondensat kann direkt an die funktionelle Gruppe der Polymerpartikel gebunden werden, oder es kann mittels eines Silan-Haftvermittlers gebunden werden.
Das Polykondensat braucht nicht notwendigerweise chemisch an die Polymerpartikel gebunden sein, und die dreidimensional gebildeten Polykondensate können physikalisch auf der Oberfläche der Polymerpartikel gehalten werden. Siliciumoxid-Partikel oder Aluminiumoxid-Partikel oder ähnliches können ebenfalls anstatt von Alkoxysilanen oder ähnlichem verwendet werden. Diese können ebenfalls durch Verflechtung mit dem Polysiloxan oder ähnlichem gehalten werden. Sie können auch über deren funktionelle Gruppen, wie Hydroxyl-Gruppen oder ähnliches, chemisch an die Polymerpartikel gebunden werden.
In einer wäßrigen Dispersionszusammensetzung, die organische Partikel und anorganische Partikel mit Zeta-Potentialen entgegengesetzten Vorzeichens enthalten, können die verwendeten Kompositpartikel ihre Partikel durch elektrostatische Kräfte gebunden haben.
Die Zeta-Potentiale von Polymerpartikeln sind normalerweise über den gesamten pH-Wert-Bereich negativ, oder über einen weiten pH-Wert-Bereich mit Ausnahme des niedrigen pH-Wert-Bereichs; wie auch immer, durch die Verwendung von Polymerpartikeln mit Carboxyl-Gruppen, Sulfonsäure-Gruppen oder ähnlichem, ist es möglich, Polymerpartikel mit einem sehr definierten negativen Zeta-Potential zu erhalten. Polymerpartikel mit Amino-Gruppen oder ähnlichem haben ein positives Zeta-Potential in bestimmten pH-Wert-Bereichen.
Die Zeta-Potentiale von anorganischen Partikeln sind hochgradig pH-Wert-abhängig und haben einen isoelektrischen Punkt, an dem das Potential null ist; das Vorzeichen des Zeta-Potentials kehrt sich um diesen Punkt herum um.
Folglich ist es möglich, durch Kombination bestimmter organischer Partikel und anorganischer Partikel und deren Mischung in einem pH-Wert-Bereich, in dem ihr Zeta-Potential von entgegengesetztem Vorzeichen ist, integrale Komposite von organischen Partikeln und anorganischen Partikeln durch elektrostatische Kräfte herzustellen. Während des Mischens kann das Zeta-Potential das gleiche Vorzeichen haben, und der anschließend eingestellte der pH-Wert gibt den Zeta-Potentialen ein entgegengesetztes Vorzeichen, wobei eine Einbindung der organischen und anorganischen Partikel gestattet wird.
Die verwendeten Kompositpartikel können durch Polykondensation eines Alkoxysilans, Aluminiumalkoxids, Titanalkoxids oder ähnlichem in Gegenwart von in dieser Weise integral durch elektrostatische Kräfte zusammengesetzten Partikel hergestellt werden, und Polysiloxan oder ähnliches mindestens auf der Oberfläche der Partikel binden, um ein Komposit zu bilden.
Die verwendeten Kompositpartikel können von einem Typ sein, oder sie können eine Kombination von zwei oder mehr Typen sein. Die Kompositpartikel können ebenfalls in Kombination mit entweder einem oder beiden anorganischen Partikeln und organischen Partikeln verwendet werden.
Die mittlere Partikelgröße der anorganischen Partikel und organischen Partikel ist vorzugsweise 0,01–3 μm. Eine mittlere Partikelgröße kleiner 0,01 μm führt zu einer Reduzierung der Polierrate. Auf der anderen Seite kann eine mittlere Partikelgröße größer 3 μm in Abscheidung und Separation des Poliermittels resultieren, was die Bemühungen hemmt, eine stabile wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren zu erhalten. Die mittlere Partikelgröße ist mit 0,05–1,0 μm mehr zu bevorzugen und mit 0,1–0,7 μm am meisten zu bevorzugen, weil ein Poliermittel mit einer mittleren Partikelgröße in diesem Bereich eine stabile wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren ergeben kann, die ein Polieren von metallischen Sperrschichten mit genügenden Polierraten ohne Abscheidung und Separation der Partikel erlaubt. Die mittlere Partikelgröße kann durch Betrachtung unter dem Transmissions-Elektronenmikroskop gemessen werden.
Der Poliermittelgehalt kann bei 0,05–15 Teilen liegen, jedoch sind 0,1–8 Teile vorzuziehen und am meisten sind 0,5–6 Teile vorzuziehen, bezogen auf 100 Teile der wäßrigen Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren. Wenn der Poliermittelgehalt kleiner als 0,3 Teile ist, kann es nicht möglich sein, eine genügende Polierrate zu erreichen, während sein Gehalt vorzugsweise nicht mehr als 15 Teile ist, weil die Kosten steigen und die Stabilität der wäßrigen Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren verringert wird.
Entsprechend der Erfindung unterdrückt der Polierrateneinsteller das Polieren des Kupferfilms und beschleunigt das Polieren von Tantalschichten und/oder Tantalnitridschichten.
Durch Einbeziehen eines Polierrateneinstellers mit dieser bestimmten Funktion ist es möglich, leicht ein Verfahren zu erhalten, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren mit dem bestimmten Polierverhältnis gemäß der Erfindung nutzt.
Die verwendeten Polierrateneinsteller sind 5-Amino-1H-tetrazol, Guanin, 3-Mercapto-1,2,4-triazol, 1-Phenyl-5-mercapto-1H-tetrazol, 5-Methyl-1H-benzotriazol und 7-Hydroxy-5-methyl-1,3,4-triazaindolizin.
Ein besonders bevorzugter Polierrateneinsteller ist 5-Amino-1H-tetrazol oder 7-Hydroxy-5-methyl-1,3,4-triazaindolizin.
Der Gehalt des Polierrateneinstellers ist 0,001–3 Gewichts-Teile (hierunter einfach als "Teile" bezeichnet), vorzugsweise 0,01–3 Teile und am meisten zu bevorzugen 0,05–3 Teile, bezogen auf 100 Teile der wäßrigen Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren. Wenn der Gehalt des Polierrateneinstellers kleiner als 0,001 Teile ist, kann es nicht möglich sein, eine genügende Polierrate für Tantalschichten und/oder Tantalnitridschichten zu erreichen, während eine längere Polierzeit benötigt wird, wenn die wäßrige Dispersionszusammensetzung für das Polieren von metallischen Sperrschichten verwendet wird, die auf Halbleitersubstraten ausgebildet sind. Auf der anderen Seite wird ein Gehalt des Polierrateneinstellers von 3 Teilen den gewünschten Effekt angemessen liefern, und es gibt keine Notwendigkeit für einen höheren Gehalt.
Die Erfindung in Anspruch 7 gibt den empfohlenen pH-Wert-Bereich für die wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren an.
Der pH-Wert der wäßrigen Dispersionszusammensetzung ist vorzugsweise zwischen 1 und 10. Mit einem pH-Wert in diesem Bereich ist es möglich, das Polieren des Isolierfilm zu unterdrücken, um ein übermäßiges Polieren des Isolierfilms zu verhindern. Der pH-Wert ist vorzugsweise 1–9, insbesondere 2–8 und möglichst 3–7,5. Wenn der pH-Wert der wäßrigen Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren kleiner 1 oder größer 10 ist, kann übermäßiges Polieren des porösen Isolierfilms mit niedriger Dielektrizitätskonstante, wie zum Beispiel hauptsächlich aus Silsesquioxan bestehende Isolierfilme, auftreten, die es folglich unmöglich machen, eine befriedigende Damaszener-Verdrahtung auszubilden.
Der pH-Wert sollte mit einer anorganischen Säure wie zum Beispiel Salpetersäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure, oder einer organischen Säure wie zum Beispiel Ameisensäure, Essigsäure, Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure oder Benzoesäure oder ähnliches eingestellt werden.
Wenn der pH-Wert am sauren Ende ist, wird die Polierrate auf Kupferfilmen verlangsamt, während die Polierrate auf Tantalschichten und/oder Tantalnitridschichten beschleunigt wird. Wenn eine solche saure wäßrige Dispersionszusammensetzung für das Polieren eines Arbeitsfilms, gebildet auf einem Halbleitersubstrat, eingesetzt wird, ist es möglich ein ausgeglicheneres Polieren des Arbeitsfilms und der metallischen Barrierelage zu erreichen. Die wäßrige Dispersionszusammensetzung ist besonders hilfreich zum Polieren in der zweiten Stufe eines zweistufigen Polierverfahrens. Auf der anderen Seite wird die Polierrate auf Kupferfilmen erhöht, wenn der pH-Wert nahezu neutral ist, während die Polierrate auf Tantalschichten und/oder Tantalnitridschichten verlangsamt wird. Die metallische Sperrschicht arbeitet dabei angemessen als Stopperschicht. Eine solche neutrale wäßrige Dispersionszusammensetzung kann gleich in der ersten Stufe eines zweistufigen Polierverfahrens Anwendung finden.
Die wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren aus der Erfindung enthält normalerweise ein Oxidationsmittel. Das ist, weil ein Oxidationsmittel das Polieren von Arbeitsfilmen wie beispielsweise Kupferfilmen beschleunigt, während es in einer langsameren Polierrate für metallischen Sperrschichten resultiert. Wie auch immer, ein Oxidationsmittel kann so lange einbezogen werden, wie das Oxidationsmittel und sein Gehalt so sind, daß das Verhältnis der Polierrate für Kupferfilme und Tantalschichten und/oder Tantalnitridschichten in dem in der Erfindung bestimmten Bereich bleibt. Als bestimmtes Beispiel für Oxidationsmittel kann hier Wasserstoffperoxid; organische Peroxide wie beispielsweise Peressigsäure, Perbenzoesäure und Tertbutylhydroperoxid und ähnliches; und Salpetersäure-Komponenten wie Salpetersäure, Eisennitrat und ähnliches genannt werden. Zuzüglich zu diesen Oxidationsmitteln können bei Bedarf verschiedene Additive einbezogen werden. Dies kann die Stabilität der Dispersionszusammensetzung verbessern, die Polierrate erhöhen und die Differenz der Polierraten einstellen, wenn Filme verschiedener Härte poliert werden, wie zum Beispiel im Fall des Polierens von zwei oder mehr Typen von Arbeitsfilmen.
Entsprechend der Erfindung, ist das Verhältnis der Polierraten für Kupferfilme und Tantalschichten und/oder Tantalnitridschichten bestimmt, aber die wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren aus der Erfindung kann für das Polieren verschiedener Typen von Arbeitsfilmen und metallischen Sperrschichten, gebildet auf einem Halbleitersubstrat, in einem Fertigungsprozeß für Halbleitervorrichtungen wie zum Beispiel Super-LSI's und ähnliches verwendet werden. Solche Arbeitsfilme schließen reine Kupferfilme, reine Aluminiumfilme, als auch Filme, die aus Legierungen von Kupfer, Aluminium, Wolfram und anderen Metallen hergestellt sind ein. Unter diesen Typen von Arbeitsfilmen ist das Verfahren, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung aus der Erfindung nutzt, besonders hilfreich für das Polieren von Filmen mit niedriger Härte, wie beispielsweise reine Kupferfilme oder ähnliches. Metallische Sperrschichten schließen Metalle wie Tantal, Titan und ähnliche, wie auch ihre Oxide und Nitride, ein.
Metallische Sperrschichten werden normalerweise aus einem Typ von Metall wie beispielsweise Tantal oder Titan oder ähnlichem geformt, aber manchmal schließen sie Tantal und Tantalnitrid auf dem selben Substrat ein.
Das Polieren des Arbeitsfilms oder metallischer Barrierelage einer Halbleitervorrichtung kann durch die Verwendung einer kommerziell erhältlichen chemisch mechanischen Poliervorrichtung (wie zum Beispiel das Modell "LGP510" oder LGP552" von Lapmaster SFT) ausgeführt werden. Für das Polieren wird das übrige Poliermittel auf der Polieroberfläche vorzugsweise nach dem Polieren entfernt. Das Entfernen des Poliermittels kann durch ein übliches Waschverfahren ausgeführt werden, aber im Falle von organischen Partikeln kann es durch Ausbrennen der Partikel auf der Polieroberfläche bei hohen Temperaturen in der Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt werden. Das Ausbrennverfahren kann das Aussetzen gegenüber einem Sauerstoffplasma einschließen, oder eine Plasma-Veräscherungs-Behandlung mit der Zuführung von Sauerstoffradikalen in einem Abwärtsfluß, wodurch die übrigen organischen Partikel auf der Polieroberfläche einfach entfernt werden können.
Die oben genannte "Halbleitervorrichtung" wird in einem weiten Sinn verwendet, um polierte Wafer, Platten, die aus solchen Wafern gefertigt wurde, und verschiedene Vorrichtungen, die mit solchen Platten versehen wurden (d.h. Vorrichtungen auf denen solche Platten montiert sind) einzuschließen.
[Bevorzugte Betriebsart der Erfindung]
Die vorliegende Erfindung soll nun auf dem Wege von Beispielen detaillierter erklärt werden.
(1) Herstellung eines Poliermittel enthaltenden Schlickers
Nach dem Einfüllen von 100 g Siliciumoxidstaub (Produktname: "Aerosil #50", Nihon Aerosil, Co. Ltd.) oder Aluminiumodixstaub (Produktname: "Alumina C", Nihon Aerosil, Co. Ltd.) in eine 2 Liter Polyethylenflasche wurde entionisiertes Wasser bis zu einer Gesamtmenge von 1000 g zugegeben und der Ansatz wurde mit einem Ultraschalldispergierer dispergiert.
Eine kolloidales Siliciumoxid enthaltende wäßrige Dispersionszusammensetzung wurde in der folgenden Weise hergestellt. Speziell wurden 70 g Ammoniakwasser mit einer Konzentration von 25 Gew.-%, 40 g entionisiertes Wasser, 175 g Ethanol, und 21 g Tetraethoxysilan in einen 2 Liter Kolben gegeben, die Mischung wurde unter Rühren mit 180 U/min auf 60°C geheizt und bei dieser Temperatur für 2 Stunden gerührt, die Mischung wurde gekühlt, um eine kolloidale Siliciumoxid/Alkohol Dispersionszusammensetzung mit einer mittleren Partikelgröße von 97 nm zu erhalten. Ein Verdampfer wurde dann für mehrere Wiederholungen eines Arbeitsschrittes genutzt, in dem der Alkoholanteil entfernt wurde, während entionisiertes Wasser bei einer Temperatur von 80°C zu der Dispersionszusammensetzung zugegeben und der Alkoholanteil derweil entfernt wurde, um eine wäßrige Dispersionszusammensetzung mit einer Feststoffkonzentration von 8 Gew.-% herzustellen.
Eine kolloidales Siliciumoxid enthaltende wäßrige Dispersionszusammensetzung wurde in der folgenden Weise hergestellt. Speziell wurden 90 Teile Methylmethacrylat, 5 Teile Methoxypolythylenglycolmethacrylat (Produktname: "NK Ester M-90G", #400, Produkt von Shinnakamura Chemical Industries, Co. Ltd.), 5 Teile 4-Vinylpyridin, 2 Teile eines azobasierten Polymerisationsstarters (Produktname "V50", Produkt von Wako Junyaku, Co. Ltd.) und 400 Teile entionisiertes Wasser in einen 2 Liter Kolben gegeben und der Inhalt unter Rühren auf 70°C unter Stickstoffatmosphäre für 6 Stunden zur Polymerisation erhitzt wurde. Dies führte zu einer wäßrigen Dispersionszusammensetzung, die Polymethylmethacrylat basierte Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 0,15 μm enthielt, ausgestattet mit Kationen einer Amino-Gruppe und Polyethylenglycol kettentragenden funktionellen Gruppe. Die Ausbeute der Polymerisation war 95%. Nach dem Einfüllen von 100 Teilen dieser wäßrigen Dispersionszusammensetzung mit 10 Gew.-% Polymethylmethacrylat-basierten Partikel in einen 2 Liter Kolben, wurde 1 Teil Methyltrimethoxysilan zugegeben und die Mischung wurde bei 40°C für 2 Stunden gerührt. Der pH-Wert wurde dann mit Salpetersäure auf 2 eingestellt, um die wäßrige Dispersionszusammensetzung (a) zu erhalten. Ebenfalls wurde der pH-Wert einer wäßrigen Dispersionszusammensetzung mit 10 Gew.-% von kolloidalem Siliciumoxid (Produktname: "Snowtex O", Produkt von Nissan Chemical Industries, Co. Ltd.) mit Kaliumhydroxid auf 8 eingestellt, um eine wäßrige Dispersionszusammensetzung (b) zu erhalten. Das Zeta-Potential der Polymethylmethacrylat-basierten Partikel in der wäßrigen Dispersionszusammensetzung (a) war +17 mV, und das Zeta-Potential der Siliciumoxid-Partikel in der wäßrigen Dispersionszusammensetzung (b) war –40 mV. Nach der schrittweisen Zugabe von 50 Teilen wäßriger Dispersionszusammensetzung (b) zu 100 Teilen er wäßriger Dispersionszusammensetzung (a) über einen Zeitraum von 2 Stunden und anschließendem Mischen und Rühren wurde eine wäßrige Dispersionszusammensetzung die Partikel erhalten, die aus Siliciumoxid-Partikeln bestand, welche an Polymethylmethacrylatbasierten Partikeln anhafteten. Als nächstes wurden 2 Teile Vinyltriethoxysilan zu dieser wäßrigen Dispersionszusammensetzung zugegeben, und nach dem Rühren für eine Stunde wurde 1 Teil Tetraethoxysilan zugegeben, die Mischung auf 60°C erhitzt und dann kontinuierlich für 3 Stunden gerührt und gekühlt, um eine wäßrige Dispersionszusammensetzung, die Kompositpartikel enthielt, zu erhalten. Die mittlere Partikelgröße lag bei 180 nm, und die Siliciumoxid-Partikel hafteten auf 80 der Oberfläche der Polymethylmethacrylat-basierten Partikel.
(2) Herstellung einer wäßrigen Lösung mit Polierrateneinsteller
Nach dem Einfüllen von 5 g 5-Amino-1H-tetrazol, Guanin, 3-Mercapto-1,2,4-triazol oder 7-Hydroxy-5-methyl-1,3,4-trazaindolin (HMT) in eine 1 Liter Polyethylenflasche wurde entionisiertes Wasser zum Lösen zugegeben, um eine wäßrige Lösung von insgesamt 500 g herzustellen.
(3) Beispiele 1–9 und Vergleichsbeispiel 1
Nach dem Einfüllen eines Schlickers, der das Poliermittel aus (1) oben (500 g in den Beispielen 1 und 3–6 und Vergleichsbeispiel 1, und 300 g in Beispiel 2) enthielt, und der wäßrigen Lösung, die den Polierrateneinsteller aus (2) oben (200 g in Beispiel 1–3, 5–6 und 8–9, 5 g in Beispiel 4 und 100 g in Beispiel 7) enthielt, in eine 2 Liter Polyethylenflasche und dem Einstellen des pH-Wertes mit Salpetersäure, wurde entionisiertes Wasser auf insgesamt 1000 g zugegeben, um eine wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren für die Beispiele 1–9 herzustellen. Eine wäßrige Dispersionszusammensetzung wurde ebenfalls für Vergleichsbeispiel 1 in der gleichen Weise wie Beispiel 1 hergestellt, ausgenommen daß die wäßrige Lösung aus (2) oben nicht enthalten war. Die Zusammensetzungen jeder der wäßrigen Dispersionszusammensetzung (hinsichtlich des Feststoffgehalts) werden in Tabelle 1 gezeigt.
Die wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren der Beispiele 1–9 und des Vergleichsbeispiels 1 wurden zum Polieren eines mit Kupferfilm beschichteten 8 Zoll-Wafers, eines mit Tantalfilm beschichteten 8 Zoll-Wafers, eines mit Tantalnitrid beschichteten 8 Zoll-Wafers, eines mit TEOS plasmabeschichteten 8 Zoll-Wafers und eines mit porösem Isolierfilm mit niedriger Dielektrizitätskonstante beschichteten 8 Zoll-Wafers verwendet.
Der Plasma-TEOS-Film war ein Plasma-Oxidationsfilm, der mittels Plasma-CVD unter Verwendung von TEOS (Tetraethoxysilan) und ähnlichem als Ausgangsmaterial gebildet wurde.
Der poröse Isolierfilm mit niedriger Dielektrizitätskonstante wurde nach der folgenden Methode gebildet. Speziell wurde eine gemischte Lösung aus 101,5 g Methyltrimethoxysilan, 276,8 g Methylmethoxypropionat und 9,7 g Tetraisopropoxytitan/Ethylacetonatchelat auf 60°C aufgeheizt, und eine Mischung aus 112,3 g γ-Butyrolaceton und Wasser (Gewichtsverhältnis: 4,58) wurden tropfenweise zu der gemischten Lösung über eine Stunde zugegeben. Nach Abschluß der tropfenweisen Zugabe der Mischung, wurde die Reaktion bei 60°C für eine Stunde geführt, um ein Polysiloxan-Sol zu erhalten. Ein Anteil von 15 g des Polysiloxan-Sols wurde mit 1 g Polystyren-Partikel gemischt und die resultierende Mischung wurde durch Schleuderbeschichtung auf ein ITO (Indium-Zinn-Oxid) Substrat beschichtet, um eine Beschichtung mit einer Dicke von 1,39 μm zu bilden. Dies wurde für 5 Minuten auf 80°C erhitzt und dann für 5 Minuten auf 200°C, und anschließend für jeweils 30 Minuten in dieser Reihenfolge unter Vakuum auf 340°C, 360°C und 380°C und abschließend für eine Stunde auf 450°C, um eine farblose, transparente Beschichtung zu ergeben. Untersuchungen eines Schnittbildes der Beschichtung mit dem Raster-Elektronenmikroskop bestätigten die Bildung feiner Poren. Die Dielektrizitätskonstante war 1,98, der E-Modul war 3 GPa, und der Prozentsatz der Poren war 15%.
Die Ergebnisse des obigen Polierens sind in Tabelle 1 gezeigt.
Ein Modell "LGP-510" von Lapmaster SFT wurde als Poliervorrichtung verwendet, um die auf verschiedenen Wafern unter den folgenden Bedingungen gebildeten Filme zu polieren, und die Polierrate wurde gemäß der unten angegeben Formel berechnet.
Tischdrehgeschwindigkeit: 50 U/min; Kopfdrehgeschwindigkeit: 50 U/min; Polierdruck: 300 g/cm²; Zuflußrate der wäßrigen Dispersionszusammensetzung: 100 cm³/min; Polierzeit: 1 min.; Polierblock: zweilagige Struktur mit den Produkt-Nr. "IC1000"/"SUBA400" von Rodel-Nitta, Co. Ltd.
Polierrate (Å/min) = (Dicke jedes Film vor dem Polieren – Dicke jedes Films nach dem Polieren)/Polierzeit.
Die Dicke jedes Films wurde durch Messung des Schichtwiderstandes mittels Gleichstrom-Viersonden-Methode ermittelt, wobei ein Widerstands-Meßgerät (Modell "Σ-5" von NPS Corporation.) verwendet wurde, und Berechnung der Dicke aus dem Wert des Flächenwiderstandes und des Widerstandes von Kupfer, Tantal, Tantalnitrid nach folgender Formel. Filmdicke (Å) = [Wert des Flächenwiderstandes (Ω/cm2) × Widerstand von Kupfer, Tantal, Tantalnitrid (Ω/cm)] × 108
Der Widerstand des plasmaerzeugten TEOS wurde mit dem Modell "FTP500", Optische Interferenz Schichtdicken-Sonde von SENTECH Corporation gemessen.
Entsprechend der in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse, hatten die Polierrateneinsteller enthaltenden wäßrigen Dispersionszusammensetzungen für chemisch mechanisches Polieren der Beispiele 1–9, Verhältnisse zwischen den Polierraten für den Kupferfilm und den Tantalfilm (R_Cu/R_Ta) und Verhältnisse zwischen den Polierraten für Kupferfilm und TEOS-Isolierfilm (R_Cu/R_In) von 0,02–0,05, 0,56–1,50, und 1,00–4,50, welche alle in dem Bereich der Erfindung waren, einschließlich Beispiel 4, welches einen sehr niedrigen Gehalt des Polierrateneinsteller hatte. Für den Tantalnitridfilm war die Polierrate langsamer als für den Tantalfilm, aber das Verhältnis der Polierraten für den Kupferfilm und den Tantalnitridfilm (R_Cu/R_TaN) war 0,04–0,05, was ebenfalls in dem Bereich der Erfindung lag. Folglich wurde geschlossen, daß die wäßrigen Dispersionszusammensetzungen der Beispiele 1–9 dazu verwendet werden können, endbearbeitete Oberflächen mit angemessener Ebenheit und hoher Präzision zum Polieren von Arbeitsfilmen und metallischen Sperrschichten zu ergeben, die auf Halbleitersubstraten gebildet wurden. Mit der wäßrigen Dispersionszusammensetzung des Vergleichsbeispiels 1 jedoch, gab es kein Problem mit dem Verhältnis der Polierraten für den Kupferfilm und den Isolierfilm, aber das Verhältnis der Polierraten für den Kupferfilm und den Tantal- oder Tantalnitridfilm war groß (entsprechend 0,31 und 0,44), was darauf hinweist, daß deren endbearbeitete Oberflächen unzureichende Ebenheit haben werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit, das eine wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren nutzt, welche für die Fertigung von Halbleitervorrichtungen hilfreich ist, und welches für das Polieren unterschiedlicher Typen von auf einem Halbleitersubstrat gebildeten Arbeitsfilmen und metallischen Sperrschichten effizientes Polieren speziell von metallischen Barriereoberflächen erreichen und genügende Ebenheit und hohe Präzision der endbearbeiteten Oberflächen ergeben kann. Die wäßrige Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren hat Eigenschaften der Art, daß beim Polieren eines Kupferfilms, einer Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht und eines Isolierfilms unter den gleichen Bedingungen, das Verhältnis (R_Cu/R_Ta) zwischen der Polierrate des Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate der Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht (R_Ta) nicht größer als 1/20 ist und das Verhältnis (R_Cu/R_In) zwischen den Polierraten des Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate des Isolierfilms (R_In) 5 bis 1/5 ist. R_Cu/R_Ta ist vorzugsweise nicht größer als 1/30, insbesondere nicht größer als 1/40 und möglichst nicht größer als 1/50, während R_Cu/R_In vorzugsweise 4–1/4, insbesondere 3–1/3 und möglichst 2–1/2 ist.

Claims

Chemisch mechanisches Polierverfahren für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, gekennzeichnet durch Polieren eines Isolationsfilms, eines Kupferfilms und einer Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht gebildet auf Halbleitervorrichtungen, unter Verwendung einer wässrigen Dispersionszusammensetzung, welche ein Poliermittel, Wasser und einen Polierrateneinsteller umfasst, wobei der Polierrateneinsteller 5-Amino-1H-tetrazol, Guanin, 3-Mercapto-1,2,4-triazol, 1-Phenyl-5-mercapto-1H-tetrazol, 5-Methyl-1H-benzotriazol oder 7-Hydroxy-5-methyl-1,3,4-triazaindolizin ist, und der Anteil des Polierrateneinstellers 0,001–3 Gewichtsteile auf 100 Gewichtsteile der wässrigen Dispersionszusammensetzung für chemisch mechanisches Polieren ist, und wenn der Kupferfilm, die Tantalschicht und/oder die Tantalnitridschicht und der Isolationsfilm unter den gleichen Bedingungen poliert werden, ist das Verhältnis (R_Cu/R_Ta) zwischen der Polierrate des Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate der Tantalschicht und/oder Tantalnitridschicht (R_Ta) nicht größer als 1/20, und das Verhältnis (R_Cu/R_In) zwischen der Polierrate des Kupferfilms (R_Cu) und der Polierrate des Isolationsfilms (R_In) ist von 5–1/5.
Chemisch mechanisches Polierverfahren für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen nach Anspruch 1, wobei das Poliermittel wenigstens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silicateilchen, Aluminiumoxidteilchen und organischen/anorganischen Verbundstoffteilchen ist.
Chemisch mechanisches Polierverfahren für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen nach Anspruch 1, wobei das Poliermittel organische/anorganische Verbundstoffteilchen ist.
Chemisch mechanisches Polierverfahren für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen nach Anspruch 2 oder 3, wobei die organischen/anorganischen Verbundstoffteilchen Silicaverbundstoffteilchen sind.
Chemisch mechanisches Polierverfahren für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die wässrige Dispersionszusammensetzung kein Oxidationsmittel enthält.
Chemisch mechanisches Polierverfahren für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Anteil des Polierrateneinstellers 0,05–3 Gewichtsteile bezogen auf 100 Gewichtsteile der wässrigen Dispersionszusammensetzung ist.
Chemisch mechanisches Polierverfahren für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der pH der wässrigen Dispersionszusammensetzung 1–10 ist.
Chemisch mechanisches Polierverfahren für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen nach Anspruch 7, wobei der pH der wässrigen Dispersionszusammensetzung 1–5 ist.