DE60023549T2 - Verfahren zum polieren oder planarisieren eines substrats - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Polieren oder Planarisieren bzw. Planen eines Substrates, insbesondere eines Halbleitersubstrates.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Zusammensetzungen zum Planen oder Polieren der Oberfläche von Substraten, die ein Metall, Metalloxid oder einen Metallverbundstoff enthalten, sind auf diesem Gebiet gut bekannt. Solche Zusammensetzungen enthalten typischerweise einen Schleifwerkstoff in einer wässrigen Lösung und sind als Polierschlämme bekannt. Die Polierschlämme werden gewöhnlich auf eine Oberfläche des Substrates durch Inkontaktbringen der Oberfläche mit einem Polierkissen aufgetragen, welches mit der Schlammzusammensetzung gesättigt ist. Typische Schleifwerkstoffe umfassen Siliziumdioxid, Zeroxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Zinndioxid. In dem U.S.-Patent 5,527,423 ist zum Beispiel ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren einer Metallschicht durch Inkontaktbringen der Oberfläche mit einem Polierschlamm beschrieben, der Metalloxidpartikel in einem wässrigen Medium aufweist.
  • Herkömmliche Polierzusammensetzungen sind beim Polieren oder Planen von Substraten, die Metalle, Metalloxide oder Metallverbundstoffe umfassen, manchmal nicht vollständig zufriedenstellend. Insbesondere kann der Schleifwerkstoff des Polierschlammes an dem polierten oder geplanten Substrat so anhaften, dass nach dem Polieren und der nachfolgenden Reinigung Schleifwerkstoff auf der Oberfläche des Substrates verbleibt. Die Verwendung solcher Polierschlämme beim chemisch-mechanischen Polieren kann eine schlechte Oberflächenqualität auf Grund der übriggebliebenen Schlammablagerungen zum Ergebnis haben. Da die Leistung eines Substrates direkt mit der Planheit seiner Oberfläche und dem Nichtvorhandensein von Partikelablagerungen in Verbindung steht, ist es wichtig, eine Polierzusammensetzung zu verwenden, die eine qualitativ hochwertige Politur mit minimalen Restschlammpartikeln auf der Oberfläche des Substrates hinterlässt.
  • Es bleibt ein Bedürfnis nach einer Art zum Polieren oder Planen eines Substrates bestehen, die eine wünschenswerte Polier- oder Planwirksamkeit, Einheitlichkeit und Abtragungsrate aufweist, jedoch bei gleichzeitiger Minimierung oder Vermeidung, dass nach dem Polieren oder Planen Rückstandswerkstoffe auf dem Substrat zurückbleiben. Mit der vorliegenden Erfindung wird versucht, dieses Bedürfnis zu erfüllen. Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden an Hand der in diesem Dokument bereitgestellten Beschreibung der Erfindung offensichtlich.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung einer Zusammensetzung bereitgestellt, die ein Kieselerdeschleifmittel und eine Trägerflüssigkeit aufweist, wobei die Zusammensetzung einen pH-Wert von 6 oder weniger aufweist, und das Kieselerdeschleifmittel eine Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte aufweist, die nicht größer als 3 Hydroxylgruppen pro nm2 ist, um ein Substrat zu polieren oder zu planen, welches Wolfram aufweist, indem mindestens ein Teil der Oberfläche des Substrates abgeschliffen wird, während die Anhaftung von Metalloxidschleifmittel an dem Substrat im Wesentlichen oder vollständig vermieden wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Polieren oder Planen eines Substrates. Die Erfindung umfasst das Inkontaktbringen des Substrates mit einer Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung und das Abschleifen mindestens eines Teiles der Oberfläche des Substrates durch Bewegen des Schleifmittels im Verhältnis zu dem Substrat, während die Anhaftung von Metalloxidschleifmittel an dem Substrat im Wesentlichen oder vollständig vermieden wird. Dieses Inkontaktbringen und Abschleifen kann mit jeder geeigneten Technik erfolgen. So kann zum Beispiel die Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung auf die Oberfläche des Substrates aufgetragen, und zum Abschleifen mindestens eines Teiles der Oberfläche des Substrates durch Verwendung eines Polierkissens verwendet werden.
  • Das Substrat weist Wolfram auf und kann im Wesentlichen aus Wolfram bestehen, oder besteht aus Wolfram. Das Substrat kann Kombinationen (zum Beispiel Legierungen oder Mischungen) von Wolfram mit zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Titan, Gold, Platin, Iridium oder Ruthenium umfassen. Das Substrat kann auch eine Mischung aus Wolfram mit jedem geeigneten Metalloxid umfassen. Geeignete Metalloxide umfassen zum Beispiel Aluminiumoxid, Kieselerde, Titanerde, Zer(IV)-oxid, Zirkonoxid, Germanium, Magnesium und Kombinationen derselben. Das Metalloxid des Substrates ist vorzugsweise Kieselerde. Zusätzlich kann das Substrat eine Mischung aus Wolfram mit jedem geeigneten Metallverbundstoff umfassen. Geeignete Metallverbundstoffe umfassen zum Beispiel Metallnitride (zum Beispiel Titannitrid und Wolframnitrid), Metallkarbide (zum Beispiel Siliziumkarbid und Wolframkarbid) und Nickel-Phosphor. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere gut für das Planen oder Polieren von Speicher- oder Festplatten, Metallen (zum Beispiel Edelmetallen), Zwischenebenen-Nichtleiterschichten, integrierten Schaltungen, Halbleitern, Ferroelektrik, Magnetköpfen, Polymerfilmen und Schichten mit kleiner und großer dielektrischer Konstante geeignet.
  • Das Schleifmittel ist Kieselerde. Noch vorteilhafter ist das Schleifmittel geräucherte Kieselerde.
  • Das Kieselerdeschleifmittel ist durch eine Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte gekennzeichnet, die niedrig genug ist, dass die Anhaftung des Metalloxidschleifmittels an dem polierten Substrat insbesondere nach nachfolgendem Reinigen nicht ein zufriedenstellendes Niveau überschreitet (die Anhaftung von Metalloxidschleifmittel an dem Substrat wird im Wesentlichen oder vollständig vermieden). Die gewünschte Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte ist geringer als das Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte-Sättigungsniveau für das Kieselerdeschleifmittel. Bei Sättigung weist Kieselerde eine Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte von etwa 4,7–5 Hydroxylgruppen pro nm2 auf.
  • Das Kieselerdeschleifmittel ist durch eine Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte gekennzeichnet, die nicht größer als 3 Hydroxylgruppen pro nm2 ist. Vorzugsweise ist die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte nicht größer als 2,8 Hydroxylgruppen pro nm2, zum Beispiel 2–2,8 Hydroxylgruppen pro nm2. Am vorteilhaftesten ist die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte nicht größer als etwa 2,5 Hydroxylgruppen pro nm2. Die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte kann auch nicht größer als 2 Hydroxylgruppen pro nm2, zum Beispiel 1–2 Hydroxylgruppen pro nm2, oder sogar nicht größer als 1 Hydroxylgruppe pro nm2, zum Beispiel 0,7–1 Hydroxylgruppen pro nm2 sein. Die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte des Kieselerdeschleifmittels kann mengenmäßig mit jedem geeigneten Verfahren analysiert werden.
  • Das Kieselerdeschleifmittel mit der zuvor erwähnten Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte kann mit jedem geeigneten Verfahren zubereitet werden. So kann ein solches Kieselerdeschleifmittel zum Beispiel ein direktes Ergebnis des Metalloxidzubereitungsvorganges sein, und/oder kann eine Nachbehandlung durchlaufen, um die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte zu verringern. Geeignete Verfahren zur Verringerung der Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte umfassen zum Beispiel: (i) Reaktion der Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppen mit einem Verbindungsmittel, (ii) Veresterung der Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppen mit einem Alkohol und (iii) die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppen der Dehydrationskondensation unterziehen, indem sie einer hohen Temperatur ausgesetzt werden (zum Beispiel durch Erhitzen des Metalloxides). Verfahren zur Zubereitung des Kieselerdeschleifmitttels mit der gewünschten Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte sind in dem U.S.-Patent 4,664,679 beschrieben.
  • Es kann jedes geeignete Verbindungsmittel zur Verringerung der Oberflächenhydroxyldichte von Kieselerde schleifmitteln verwendet werden. Geeignete Verbindungsmittel umfassen zum Beispiel Silanverbindungsmittel (das heißt Methyltrimethoxysilan oder Hexamethyldisilazan), Aluminiumverbindungsmittel (das heißt Acetoalkoxyaluminiumdiisopropylat), ein organisches Titanverbindungsmittel (das heißt Isopropyltriisostearoyltitanat) und ein organisches Phosphorverbindungsmittel (das heißt Dibutyl 2-Methallyloxyethylphosphat). Es kann jedes geeignete Verfahren zur Behandlung mit dem Verbindungsmittel verwendet werden, zum Beispiel Flüssigphasenbehandlung oder Gasphasenbehandlung. Darüber hinaus kann die Verbindungsmittelbehandlung mit jedem geeigneten Verfahren, zum Beispiel organischer Elementanalyse des Kohlenstoffgehaltes in dem Kieselerdeschleifmittel bewertet werden.
  • Es kann jeder geeignete Alkohol zur Verringerung der Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte von Metalloxidschleifmitteln verwendet werden. Geeignete Alkohole umfassen zum Beispiel geradkettige oder verzweigtkettige gesättigte einwertige Alkohole mit 1–18 Kohlenstoffatomen, zum Beispiel Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol oder t-Butanol. Vorzugsweise wird die Veresterungsbehandlung in einer Gasphase mit einer Temperatur zwischen dem Siedepunkt des verwendeten Alkohols und 350°C durchgeführt.
  • Es kann jede geeignete Temperatur für die Dehydrationskondensation von Hydroxylgruppen des Kieselerdeschleifmittels verwendet werden. Das Kieselerdeschleifmittel wird vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 500°C erhitzt (zum Beispiel 550–600°C). Das Kieselerdeschleifmittel kann auf höhere Temperaturen von mindestens 800°C oder sogar mindestens 1000°C erhitzt werden.
  • Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Zusammensetzung weist zusätzlich zu dem Kieselerdeschleifmittel eine Trägerflüssigkeit auf. Es kann jede geeignete Trägerflüssigkeit in der Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung verwendet werden. Es wird ein Träger verwendet, um das Auftragen des Kieselerdeschleifmittels auf die Oberfläche eines zu polierenden oder zu planenden geeigneten Substrates zu erleichtern. Eine bevorzugte Trägerflüssigkeit ist Wasser.
  • Die Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung weist einen pH-Wert von 6 oder weniger auf. Ein solcher pH-Wert hemmt die Hydrolisierung des Metalloxidschleifmittels. Bei einem pH-Wert, der höher als etwa 7 ist, wird das Metalloxidschleifmittel in einer vernünftigen Zeit rehydrolisiert, so dass die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte schließlich den Sättigungspunkt erreicht (das heißt etwa 4,7–5 Hydroxylgruppen pro nm2). Somit könnte sich die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte dann, wenn die Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung mit einer Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte von weniger als der Sättigung an einem Zeitpunkt auf einen höheren pH-Wert trifft, unerwünschterweise erhöhen, so dass es wünschenswert ist, einen pH-Wert von 7 oder weniger über den gesamten Vorgang der Zubereitung der Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung beizubehalten.
  • Die Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung weist einen pH-Wert von 6 oder weniger, zum Beispiel 5–6 auf. Noch vorteilhafter weist die Zusammensetzung einen pH-Wert von 5 oder weniger, zum Beispiel 4–5 auf. Ein solcher relativ niedrigerer pH-Wert wird nicht dahingehend funktionieren, dass er die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte des Kieselerdeschleifmittels verringert, sondern stellt eher die Aufrechterhaltung einer verringerten Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte im Verhältnis zu dem Kieselerdeschleifmittel über eine bedeutende Zeitdauer bereit, zum Beispiel während der Lagerung der Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung vor der Verwendung in einem Polier- oder Planvorgang. Das Kieselerdeschleifmittel kann auch chemisch behandelt werden, um die Hydrolisierung während der Lagerung der Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung zu hemmen.
  • Der pH-Wert der Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung kann wenn notwendig auf jede geeignete Art und Weise, zum Beispiel durch die Beimischung eines pH-Anpassers zu der Zusammensetzung angepasst werden. Geeignete pH-Anpasser umfassen zum Beispiel Basen wie Kaliumhydroxid, Ammoniumhydroxid, Natriumkarbonat und Mischungen derselben, sowie Säuren wie zum Beispiel Mineralsäuren (zum Beispiel Salpetersäure und Schwefelsäure) und organische Säuren (zum Beispiel Essigsäure, Zitronen säure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Weinsäure und Oxalsäure).
  • Die Kieselerdeschleifmittelzusammensetzung kann optional weiterhin einen oder mehrere andere Zusätze aufweisen. Diese Zusätze umfassen grenzflächenaktive Stoffe (zum Beispiel kationische grenzflächenaktive Stoffe, anionische grenzflächenaktive Stoffe, nichtionogene grenzflächenaktive Stoffe, amphotere grenzflächenaktive Stoffe, fluorierte grenzflächenaktive Stoffe und Mischungen derselben), Polymerstabilisatoren oder andere oberflächenaktive Dispersionsmittel (zum Beispiel Phosphorsäure, organische Säuren, Zinndioxide und Phosphonatverbindungen), pH-Puffer (zum Beispiel Kaliumphosphat) und Polierbeschleuniger wie zum Beispiel Katalysatoren, Oxidationsmittel und Chelat- oder Komplexbildner (zum Beispiel Metall, insbesondere Eisen, Nitrate, Sulfate, Halogenide (einschließlich Fluriden, Chloriden, Bromiden und Jodiden), Verbindungen mit Karboxylat-, Hydroxyl-, Sulfon-, und/oder Phosphongruppen, Di-, Tri-, Multi- und Polykarbonsäuren und Salze (wie zum Beispiel Weinsäuren und Tartrate, Apfelsäure und Malate, Malonsäure und Malonate, Glukonsäure und Glukonate, Zitronensäure und Zitrate, Phthalsäure und Phthalate, Pyrocazetol, Pyrogallol, Gallussäure und Gallate, Gerbsäure und Tannate), aminhaltige Verbindungen (wie zum Beispiel primäre, sekundäre, tertiäre und quaternäre Amine und Aminosäuren), Peroxide, Überjodsäure und Salze, Perbromsäure und Salze, Perchlorsäure und Salze, Perborsäure und Salze, Jodsäure und Salze, Permanganate, rotes Blutlaugensalz, Chlorate, Percarbonate, Persulfate, Bromate, Chromate, Zerverbindungen und Mischungen derselben).

Claims (9)

  1. Verwendung einer Zusammensetzung, die ein Kieselerdeschleifmittel und eine Trägerflüssigkeit aufweist, wobei die Zusammensetzung einen pH-Wert von 6 oder weniger und das Kieselerdeschleifmittel eine Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte aufweist, die nicht größer als 3 Hydroxylgruppen pro nm2 ist, um ein Substrat zu polieren oder zu planarisieren, welches Wolfram aufweist, indem mindestens ein Teil der Oberfläche des Substrates abgeschliffen wird, während die Anhaftung von Metalloxidschleifmittel an dem Substrat im Wesentlichen oder vollständig vermieden wird.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kieselerdeschleifmittel geräucherte Kieselerde ist.
  3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte nicht größer als 2,8 Hydroxylgruppen pro nm2 ist.
  4. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtoberflächen-Hydroxylgruppendichte nicht größer als 2,5 Hydroxylgruppen pro nm2 ist.
  5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat weiterhin ein Metalloxid aufweist.
  6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid des Substrates aus der aus Aluminiumoxid, Kieselerde, Titanerde, Zer(IV)-oxid, Zirkonoxid, Germanium, Magnesium bestehenden Gruppe und aus Kombinationen derselben ausgewählt ist.
  7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid Kieselerde ist.
  8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat weiterhin einen Metallverbundstoff aufweist.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallverbundstoff des Substrates aus der aus Titannitrid, Wolframnitrid und Nickel-Phosphor bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
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