DE60311569T2

DE60311569T2 - Tantalbarriere-Entfernungslösung

Info

Publication number: DE60311569T2
Application number: DE60311569T
Authority: DE
Inventors: Jinru Newark Bian
Original assignee: Rohm and Haas Electronic Materials CMP Holdings Inc; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Current assignee: Rohm and Haas Electronic Materials CMP Holdings Inc; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP2005522031A; CN1319132C; KR20040104956A; JP4560294B2; KR101005304B1; EP1490897B1; TW200305637A; CN1643660A; US7491252B2; US20030181345A1; AU2003218389A1; KR101020613B1; DE60311569D1; TWI248970B; EP1490897A1; KR20100084198A; WO2003083920A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf die chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) von Halbleiterwafermaterialien, und spezieller auf CMP-Zusammensetzungen und Verfahren zum Entfernen von Barrierematerialien von Halbleiterwafern in Gegenwart von darunter liegenden Dielektrika.
Typischerweise weist ein Halbleiterwafer einen Wafer aus Silicium und eine Dielektrikumschicht auf, enthaltend mehrere Gräben, die so angeordnet sind, daß sie eine Struktur für Stromkreisverbindungen innerhalb der Dielektrikumschicht bilden. Die Strukturanordnungen weisen normalerweise eine damaszierte Struktur oder doppeltdamaszierte Struktur auf. Eine Barriereschicht deckt die strukturierte Dielektrikumschicht ab und eine Metallschicht deckt die Barriereschicht ab. Die Metallschicht weist eine zumindest ausreichende Dicke auf, um die strukturierten Gräben mit Metall zur Bildung von Stromkreisverbindungen zu füllen.
CMP-Verfahren umfassen oftmals mehrere Planarisierungsschritte. Beispielsweise entfernt ein erster Schritt eine Metallschicht von darunter liegenden dielektrischen Barriereschichten. Der erste Polierschritt entfernt die Metallschicht, während er eine glatte planate Oberfläche auf dem Wafer mit Metall-gefüllten Gräben hinterläßt, die Stromkreisverbindungen bereitstellen, die zu der polierten Oberfläche planar sind. Der erste Polierschritt entfernt gewöhnlich überschüssige Zwischenverbindungsmetalle, wie Kupfer, bei einer anfänglichen hohen Rate. Beispielsweise offenbaren Lee et al. in der europäischen Patentveröffentlichung Nr. 1 072 662 A1 die Verwendung von Guanidin als einen Abriebbeschleuniger zum Beschleunigung der Dielektrikum-Entfernungsrate einer abrasiven Zusammensetzung. Nach dem ersten Entfernungsschritt kann der zweite Polierschritt eine Barriere entfernen, die auf dem Halbleiter wafer verblieb. Dieser zweite Polierschritt entfernt die Barriere von einer darunter liegenden Dielektrikumschicht eines Halbleiterwafers, um eine planare polierte Oberfläche auf der Dielektrikumschicht bereitzustellen.
Leider führen die CMP-Verfahren oftmals zu der übermäßigen Entfernung von unerwünschtem Metall von Stromkreisverbindungen oder Dishing. Dieses Dishing kann aus sowohl dem ersten Polierschritt als auch dem zweiten Polierschritt resultieren. Dishing über akzeptable Gehalte hinaus verursacht Dimensionsverluste in den Stromkreisverbindungen. Diese „dünnen" Bereiche in den Stromkreisverbindungen vermindern elektrische Signale und beeinträchtigen die fortlaufende Herstellung von doppelt-damaszierten Strukturen.
Eine Barriere ist typischerweise ein Metall, eine Metallegierung oder intermetallische Verbindung, wie Tantal oder Tantalnitrid. Die Barriere bildet eine Schicht, die die Migration oder Diffusion zwischen Schichten innerhalb eines Wafers verhindert. Beispielsweise verhindern Barrieren die Diffusion von Zwischenverbindungsmetall, wie Kupfer oder Silber, in ein angrenzendes Dielektrikum. Barrierematerialien müssen gegen Korrosion durch die meisten Säuren resistent sein und widerstehen daher der Auflösung in einer flüssigen Polierungszusammensetzung für CMP. Ferner können diese Barrierematerialien eine Zähigkeit zeigen, die der Entfernung durch abrasive Abriebteilchen in einer CMP-Aufschlämmung und von fixierten Schleifpads widerstehen.
Erosion bezieht sich auf unerwünschte Vertiefungen in der Oberfläche von Dielektrikumschichten, die aus dem Entfernen eines Teils der Dielektrikumschicht durch das CMP-Verfahren resultieren. Erosion, die angrenzend an das Metall in Gräben auftritt, verursacht Dimensionsfehler in den Stromkreisverbindungen. Diese Fehler tragen zur Verminderung der elektrischen Signale bei, die durch die Stromkreisverbindungen übertragen werden, und beeinträchtigen die anschließende Herstellung einer doppelt-damaszierten Struktur in einer ähnlichen Weise wie das Dishing. Die Entfernungsrate der Barriere gegenüber einer Entfernungsrate der Metallzwischenverbindung oder der Dielektrikumschicht ist als das Selektivitätsverhältnis bekannt.
Die meisten Barrierematerialien sind schwierig durch CMP zu entfernen, da die Barrierematerialien der Entfernung durch Abrieb und durch Auflösung widerstehen. Typische Barriereentfernungsaufschlämmungen erfordern eine hohe Abrasivmittelkonzentration, wie mindestens 7,5 Gew.-%, in einer flüssigen Polierungszusammensetzung, um ein Barrierematerial zu entfernen. Aber Aufschlämmungen mit diesen hohen Abrasivmittelkonzentrationen verleihen der Dielektrikumschicht wahrscheinlich schädliche Erosion und führen zu Dishing, Erosion und Zerkratzen der Kupferverbindung. Zusätzlich dazu können hohe Abrasivmittelkonzentrationen zum Ablösen oder Aufspalten von Low-k-Dielektrikumschichten von Halbleiterwafern führen.
Es gibt einen unbefriedigten Bedarf an einer verbesserten CMP-Zusammensetzung zum selektiven Entfernen von Tantalbarrierematerialien. Insbesondere besteht der Bedarf an einer CMP-Zusammensetzung zum selektiven Entfernen von Tantalbarrierematerialien mit verringerter Dielektrikumerosion und verringertem Dishing, Erosion und Zerkratzen der Metallzwischenverbindung. Ferner besteht der Wunsch, Tantalbarrierematerialien ohne Ablösen von Low-k-Dielektrikumschichten von Halbleiterwafern zu entfernen.
Erläuterung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine chemisch-mechanische Planarisierungslösung bereit, die zum Entfernen eines Tantalbarrierematerials verwendbar ist, umfassend, in Gew.-%, 0 bis 25 Oxidationsmittel, 0 bis 15 Inhibitor für ein nicht-eisenhaltiges Metall, 0 bis 20 Komplexierungsmittel für das nicht-eisenhaltige Metall, 0,01 bis 12 Tantalenffernungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Formamidin, Formamidinsalzen, Formamidinderivaten, Guanidinderivaten, Guanidinsalzen und Gemischen davon, 0 bis 5 Abrasivmittel, 0 bis 15 gesamte Teilchen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polymerteilchen und Polymer-beschichteten beschichteten Teilchen, und als Rest Wasser, und wobei die Lösung eine Selektivität von Tantalnitrid zu TEOS von mindestens 3 zu 1 aufweist, gemessen mit einem Druck eines mikroporösen Polyurethan-Polierpads, gemessen normal bzw. senkrecht zu einem Wafer, von weniger als 20,7 kPa (3 psi).
Außerdem stellt die Erfindung ein chemisch-mechanisches Planarisierungsverfahren zum Entfernen eines Tantalbarrierematerials von einem Halbleiterwafer bereit, umfassend die Schritte: Inkontaktbringen eines Wafersubstrats mit einer Polierlösung, wobei das Wafersubstrat ein Tantalbarrierematerial und ein Dielektrikum enthält, wobei die Polierlösung ein Tantalmittel enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Formamidin, Formamidinsalzen, Formamidinderivaten, Guanidinderivaten, Guanidinsalzen und Gemischen davon; und Polieren des Wafersubstrats mit einem Polierpad, um das Tantalbarrierematerial von dem Wafersubstrat bei einer Entfernungsrate, ausgedrückt in Angstrom pro Minute, zu entfernen, die größer als eine Entfernungsrate für das Dielektrikum ist.
Ausführliche Beschreibung
Die Lösung und das Verfahren stellen unerwartete Selektivität zum Entfernen von Tantalbarrierematerialien bereit. Die Lösung beruht auf ein Tantalbarriereentfernungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Formamidin, Formamidinsalzen, Formamidinderivaten, wie Guanidin, Guanidinderivaten, Guanidinsalzen und Gemischen davon, um Tantalbarrierematerialien selektiv zu entfernen. Die Lösung entfernt selektiv Barrierematerialien mit verringerter Dielektrikumerosion und verringerter Dishing, Erosion und Zerkratzen der Metallzwischenverbindungen, wie Kupfer. Ferner entfernt die Lösung Tantalbarrierematerialien ohne Ablösen oder Aufspalten der Low-k-Dielektrikumschichten von Halbleiterwafern.
Die Lösung beruht auf einem Barriereentfernungsmittel, um Tantalbarrierematerialien zu entfernen. Für die Zwecke dieser Beschreibung bezieht sich Tantalbarriere auf Tantal, eine Tantal-enthaltende Legierung, Tantal-basierende Legierungen und Tantal-Intermetallverbindungen. Die Lösung weist eine spezielle Wirksamkeit für Tantal, Tantal-basierende Legierungen und Tantal-Intermetallverbindungen, wie Tantalcarbide, -nitride und -oxide, auf. Die Aufschlämmung ist am wirksamsten für das Entfernen von Tantalbarrieren von strukturierten Halbleiterwafern.
Das Tantalbarriereentfernungsmittel kann Formamidin, ein Formamidinsalz, ein Formamidinderivat wie Guanidin, ein Guanidinderivat, ein Guanidinsalz oder ein Gemisch davon sein. Diese Tantalentfernungsmittel haben scheinbar eine starke Affinität für Tantalbarrierematerialien. Diese Affinität für Tantal kann die Barriereentfernungsrate mit beschränktem Abrasivmittel oder gegebenenfalls ohne Verwendung irgendwelcher Abrasivmittel beschleunigen. Diese beschränkte Verwendung von Abrasivmitteln erlaubt das Polieren zum Entfernen der Tantalbarriere bei einer Rate, die größer als die des Dielektrikums und der Metallzwischenverbindung ist. Spezielle wirksame Guanidinderivate und -salze umfassen Guanidinhydrochlorid, Guanidinsulfat, Amino-guanidinhydrochlorid, Guanidinessigsäure, Guanidincarbonat, Guanidinnitrat, Formamidin, Formamidinsulfinsäure, Formamidinacetat und Gemische davon. Vorteilhafterweise enthält die Lösung 0,01 bis 12 Gew.-% Tantalentfernungsmittel. Diese Beschreibung drückt alle Konzentrationen in Gewichtsprozent aus. Am vorteilhaftesten enthält die Lösung 0,1 bis 10 Gew.-% Tantalentfernungsmittel, und für die meisten Anwendungen stellen Tantalentfernungsmittelkonzentrationen zwischen 0,2 und 6 Gew.-% ausreichende Barriereentfernungsraten bereit.
Das Tantalentfernungsmittel stellt die Wirksamkeit über einen breiten pH-Bereich in Lösungen, die einen Rest an Wasser enthalten, bereit. Dieser nützliche pH-Bereich für Lösungen erstreckt sich von mindestens 2 bis 12. Außerdem beruht die Lösung am vorteilhaftesten auf einem Rest an deionisiertem Wasser, um zufällige Verunreinigungen zu begrenzen.
Gegebenenfalls enthält die Lösung 0 bis 25 Gew.-% Oxidationsmittel. Vorteilhafterweise liegt das optionale Oxidationsmittel in dem Bereich von 0 bis 15 Gew.-%. Das Oxidationsmittel ist besonders wirksam, indem es die Lösung unterstützt, Tantaloxidfilme zu entfernen, die sich bei sauren pH-Werten bilden können, und insbesondere den Filmen, die sich bei pH-Werten von 5 und darunter bilden können. Das Oxidationsmittel kann zumindest eines von einer Vielzahl von oxidierenden Verbindungen sein, wie Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Monopersulfate, Iodate, Magnesiumperphthalat, Peressigsäure und andere Persäuren, Persulfate, Bromate, Periodate, Nitrate, Eisensalze, Cersalze, Mn(III)-, Mn(IV)- und Mn(VI)-Salze, Silbersalze, Cu-Salze, Chromsalze, Kobaltsalze, Halogene, Hypochlorite und Gemische davon. Ferner ist es oftmals vorteilhaft, ein Gemisch aus Oxidationsmittelverbindungen zu verwenden. Die bevorzugte Barrieremetall-Polierungsaufschlämmung umfaßt ein Wasserstoffperoxidoxidationsmittel. Wenn die Polierungsaufschlämmung ein instabiles Oxidati onsmittel, wie Wasserstoffperoxid, enthält, es ist oftmals sehr vorteilhaft, das Oxidationsmittel in die Aufschlämmung zum Verwendungszeitpunkt zu mischen.
Typische nicht-eisenhaltige Metallzwischenverbindungen umfassen: Kupfer, Kupferbasierende Legierungen, Silber und Silber-basierende Legierungen. Gegebenenfalls enthält die Lösung 0,02 bis 15 Gew.-% Inhibitor zur Kontrolle der Zwischenverbindungsentfernungsrate durch statisches Ätzen oder andere Entfernungsmechanismen. Das Einstellen der Konzentration eines Inhibitors stellt die Zwischenverbindungsmetall-Entfernungsrate durch Schützen des Metalls vor der statischen Ätzung ein. Vorteilhafterweise enthält die Lösung 0,02 bis 10 Gew.-% eines optionalen Inhibitors. Der Inhibitor kann aus einem Gemisch aus Inhibitoren bestehen. Azolinhibitoren sind besonders wirksam für Kupfer- und Silberverbindungen. Typische Azolinhibitoren umfassen Benzotriazol (BTA), Tolytriazol, Imidazol und andere Azolverbindungen. Am vorteilhaftesten enthält die Aufschlämmung 0,02 bis 5 Gew.-% gesamtes Azol zum Inhibieren der statischen Ätzung von Kupfer- oder Silberverbindungen. BTA ist ein besonders wirksamer Inhibitor für Kupfer und Silber.
Zusätzlich zu dem Inhibitor kann die Lösung 0 bis 20 Gew.-% Komplexierungsmittel für das nicht-eisenhaltige Metall enthalten. Das Komplexierungsmittel, wenn vorhanden, verhindert die Ausfällung der Metallionen, die durch Lösen der nichteisenhaltigen Metallzwischenverbindungen gebildet werden. Am vorteilhaftesten enthält die Lösung 0 bis 10 Gew.-% Komplexierungsmittel für das nicht-eisenhaltige Metall. Beispielkomplexierungsmittel umfassen Essigsäure, Zitronensäure, Ethylacetoacetat, Glycolsäure, Milchsäure, Äpfelsäure, Oxalsäure, Salicylsäure, Natriumdiethyldithiocarbamat, Bernsteinsäure, Weinsäure, Thioglycolsäure, Glycin, Alanin, Asparaginsäure, Ethylendiamin, Trimethyldiamin, Malonsäure, Glutarsäure, 3-Hydroxybuttersäure, Propionsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, 3-Hydroxysalicylsäure, 3,5-Dihydroxysalicylsäure, Gallussäure, Gluconsäure, Pyrocatechol, Pyrogallol, Gallusgerbsäure, Salze und Gemische davon. Vorteilhafterweise ist das Komplexierungsmittel aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Essigsäure, Zitronensäure, Ethylacetoacetat, Glycolsäure, Milchsäure, Äpfelsäure, Oxalsäure und Gemischen davon. Am vorteilhaftesten ist das Komplexierungsmittel Zitronensäure.
Die Verwendung des Tantalentfernungsmittels erleichtert das Polieren mit niedrigen Abrasivmittelkonzentrationen, wie denen unter 5 Gew.-%. Für Polierlösungen, die weniger als 5 Gew.-% Abrasivmittel enthalten, kann das Polieren ohne weiteres das Tantalbarrierematerial bei einer Rate entfernen, die mindestens dreimal größer als die Entfernungsrate für das Dielektrikum ist, ausgedrückt in Angstrom pro Minute. Für Polierlösungen, die weniger als 1 Gew.-% Abrasivmittel enthalten, kann das Polieren ohne weiteres das Tantalbarrierematerial bei einer Rate entfernen, die mindestens fünfmal größer als die Entfernungsrate für das Dielektrikum ist, ausgedrückt in Angstrom pro Minute. Typische Abrasivmittel umfassen Diamantteilchen und Metalloxide, -boride, -carbide und -nitride und Gemische davon. Am vorteilhaftesten wird, wenn vorhanden, das Abrasivmittel aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Aluminiumoxid, Cerdioxid und Siliciumdioxid und Gemischen davon. Für ultraverringerte Dielektrikum-Erosionsraten enthält die Lösung vorteilhafterweise weniger als 0,09 Gew.-% Abrasivmittel und am vorteilhaftesten weniger als 0,05 Gew.-% Abrasivmittel. Obwohl die Lösung ohne Konzentrationsgehalte an Abrasivmittel wirksam ist, erleichtert eine kleine Menge an Abrasivmittel die Entfernung von Polierungsbruchstücken. Um das Zerkratzen einzuschränken, enthält die Lösung vorteilhafterweise Abrasivmittel mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 200 nm und am vorteilhaftesten einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 100 nm.
Für die Bruchstückentfernung kann die Lösung insgesamt 0 bis 15 Gew.-% Polymer- oder Polymer-beschichtete Teilchen enthalten. Diese „Polymerteilchen" erleichtern die Bruchstückentfernung ohne den schädlichen Einfluß von Dielektrika-Erosion oder Verbindungsabrieb, Dishing oder Erosion. Am vorteilhaftesten enthält die Lösung insgesamt 0 bis 10 Gew.-% Polymer- oder Polymer-beschichtete Teilchen. Oberflächenaktive Mittel oder Polymere, wie Polyvinylpyrrolidon, können an Abrasivmittel binden, um die Polymer-beschichteten Teilchen bereitzustellen.
Die Polierlösungen können ebenso Egalisiermittel wie Ammoniumchlorid umfassen, um das Oberflächenfinish des Zwischenverbindungsmetalls zu kontrollieren. Zusätzlich dazu kann die Lösung gegebenenfalls ein Biozid zum Einschränken der biologischen Kontamination enthalten. Beispielsweise stellt Neolone^TM M-50 Biozid 2-Methyl-4-isothiazolin-3-on in Propylenglycol (Rohm and Haas Company) ein wirksames Biozid für viele Anwendungen bereit.
Die Lösung stellt eine Selektivität von Tantalnitrid zu TEOS von mindestens 3 zu 1 bereit, gemessen mit einem Druck eines mikroporösen Polyurethan-Polierpads, gemessen senkrecht zu einem Wafer, von weniger als 20,7 kPa. Ein spezielles Polierpad, das zum Bestimmen der Selektivität verwendbar ist, ist das Politex mikroporöse Polyurethan-Polierpad. Vorteilhafterweise stellt die Lösung eine Selektivität von Tantalnitrid zu TEOS von mindestens 5 zu 1 bereit, gemessen mit einem Druck eines mikroporösen Polyurethan-Polierpads, gemessen senkrecht zu einem Wafer, von weniger als 20,7 kPa; und am vorteilhaftesten beträgt dieser Bereich mindestens 10 zu 1. Die Lösung kann Selektivitätsverhältnisse von Tantalnitrid zu TEOS über 100 zu 1 bereitstellen. Das Einstellen des pH, der Oxidationsmittelkonzentration und der Tantalentfernungsmittelkonzentrationen stellt die Tantalbarriereentfernungsrate ein. Das Einstellen der Inhibitor-, Oxidationsmittel-, Komplexierungsmittel- und Egalisiermittelkonzentrationen stellt die Ätzrate der Zwischenverbindungsmetalle ein.
Beispiele
In den Beispielen stellen die Ziffern die Beispiele der Erfindung dar und die Buchstaben stellen die Vergleichsbeispiele dar. Außerdem enthielten alle Beispiellösungen 0,01 Gew.-% Neolone^TM M-50 Biozid 2-Methyl-4-isothiazolin-3-on in Propylenglycol und 0,01 Ammoniumchlorid-Aufheller.
Beispiel 1
Dieses Experiment maß die Entfernungsraten von: TaN-Barriere, Ta-Barriere, einer Dielektrikumschicht von TEOS, einer Low-k-Dielektrikumvariante von Siliciumdioxid, abgeleitet von der Verarbeitung eines Tetraethylorthosilikatpräkursors und Kupfer. Insbesondere bestimmte der Test die Wirkung von speziellen Tantalentfernungsmitteln, Oxidationsmitteln und Inhibitoren in einem zweiten Poliervorgang. Eine Strausbaugh-Poliermaschine unter Verwendung eines Politex-Polyurethan-Polierpads (Rodel, Inc.) unter den Bedingungen einer nach unten gerichteten Kraft von etwa 3 psi (20,7 kPa) und einer Polierlösungsfließgeschwindigkeit von 200 cm³/min, einer Plattengeschwindigkeit von 120 U/min und einer Trägergeschwindigkeit von 114 U/min planarisierte die Proben. Die Polierlösungen wiesen einen pH = 9 auf, der unter Verwendung von KOH und HNO₃ eingestellt wurde, und alle Lösungen enthielten deionisiertes Wasser. Außerdem umfassen Polierlösungen 1 Gew.-% Siliciumdioxid-Abrasivmittel mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 50 nm.
Tabelle 1

GAA = Guanidinessigsäure, GS = Guanidinsulfat, GHCL = Guanidinhydrochlorid, AGHCL = Aminoguanidinhydrochlorid, BTA = Benzotriazol, TaN = Tantalnitrid, TEOS = Tetraethylorthosilikat (dielektrisch), Cu = Kupfer (Metall), Ta = Tantalbarriere, FS = Formamidinsulfinsäure und FA = Formamidinacetat.

Die obige Tabelle zeigt, daß Guanidin- und Formamidinverbindungen eine hohe Entfernungsselektivität für Tantalbarrierematerialien in bezug auf Dielektrika und Zwischenverbindungsmetalle bereitstellen. Außerdem bestätigten die Tests, daß die Ta- und TaN-Entfernung von ähnlichen Ausmaßen waren, wenn mit derselben Polierlösung poliert wurde – siehe Lösungen 2, 7, 8 und 10. Das Wasserstoffperoxidoxidationsmittel von Lösungen 4 bis 6 verringerte jedoch die TaN-Entfernungsrate bei dem pH dieses Tests. Diese Rate ist jedoch weit größer als die, die mit der Vergleichslösung A erreicht wird, der es an einer Guanidin- oder Formamidinverbindung fehlt.
Die Daten zeigen, daß die Guanidin- und Formamidinbarriereentfernungsmittel Entfernungsraten für die TaN-Barriereschicht bei einer Rate von mindestens 1000 Angström pro Minute in allen Fällen bereitstellten. Die Lösungen 7 und 10, die in Tabelle 1 aufgezeichnet sind, zeigten, daß der Korrosionsinhibitor BTA die Barriereentfernungsrate verbesserte. Insbesondere erhöhte sich die TaN-Entfernungsrate von 1221 Angström pro Minute auf 2200 Angström pro Minute, wenn sich die BTA-Konzentration von 0,05 Gew.-% BTA auf 0,8 Gew.-% BTA erhöhte.
Beispiel 2
Die Tests von Beispiel 2 nutzten die Lösung und Vorrichtung von Beispiel 1, aber die Lösung enthielt keine Siliciumdioxid-Abrasivmittel-Zusätze.
Tabelle 2
Die obigen Daten zeigen, daß das Entfernen von Abrasivmittel aus der Lösung die Dielektrikumentfernungsraten auf nicht nachweisbare Entfernungsraten verringerte. Diese Lösungen haben eine Selektivität von TaN zu TEOS von mindestens 100 zu 1.
Beispiel 3
Die Tests von Beispiel 3 nutzten die Lösung und Vorrichtung von Beispiel 1, aber die Lösung wies verschiedene pH-Werte auf.
Tabelle 3
Diese Daten zeigen die Nützlichkeit der Polierlösung bei hohen pH-Werten. Bei niedrigen pH-Werten erfordert die Lösung die Zugabe eines Oxidationsmittels, wie in Beispiel 4 nachstehend gezeigt.
Beispiel 4
Dieses Beispiel zeigt die Wirksamkeit der Zugabe eines Oxidationsmittels zu Lösungen mit niedrigem pH. Speziell beruhte dieser Test auf einer nach unten gerichteten Kraft von 2 psi (13,8 kPa), einer Tischgeschwindigkeit von 120 U/min, einer Trägergeschwindigkeit von 114 U/min und einer Aufschlämmungsfließgeschwindigkeit von 200 cm³/min von Lösungen mit pH 3 und 5, die 0,6 Gew.-% H₂O₂ enthielten.
Tabelle 4
Die obigen Daten zeigen die H₂O₂-signifikante Erhöhung der Entfernungsrate, die durch Zugeben eines Oxidationsmittels zu den Lösungen mit niedrigem pH erreicht wurde.
Beispiel 5
Die Tests von Beispiel 5 nutzten die Lösung und Vorrichtung von Beispiel 1, wobei die Polierbedingungen in Tabelle 5 festgelegt sind. Die Lösung enthielt Wasser bei einem pH von 8,0, 0,20 % BTA, 1 % GHCL, 0,5 % Zitronensäure, 0,01 % Neolone M50 und 0,01 % kolloidales Siliciumdioxid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 12 nm.
Tabelle 5
Die Experimente, die in Tabelle 4 aufgezeichnet sind, zeigen, daß eine Guanidinverbindung Metall, TaN, ein bekanntes Barrieremetall mit ausreichender Entfernungsrate und Selektivität, mit einer niedrigen nach unten gerichteten Kraft von 1 psi bis 3 psi (6,9 bis 20,7 kPa) entfernt. Außerdem erzeugten 0,01 Gew.-% kolloidales Siliciumdioxid eine nicht-signifikante Veränderung der Entfernungsraten, aber reinigten die verbliebenen Reste von TaN, um die ungleichmäßige Entfernung der TaN-Oberflächenschicht zu verringern.
Für die Zwecke der Beschreibung bezieht sich der Ausdruck Dielektrikum auf ein halbleitendes Material mit Dielektrizitätskonstante, k, welches Low-k- und Ultralow-k-dielektrische Materialien umfaßt. Dieses Verfahren entfernt Tantalbarrierematerialien mit geringer Wirkung auf konventionelle Dielektrika und Low-k-dielektrische Materialien. Da die Lösungen effektive Barriereentfernungsraten mit geringen oder keinen Abrasivmitteln bei niedrigen Drücken (d. h. weniger als 21,7 kPa) und hoher Tantalselektivität bereitstellen, erleichtert es das Polieren mit niedrigen Dielektrikum-Erosionsraten. Die Lösung und das Verfahren sind zum Verhindern von Erosion von mehreren Waferbestandteilen ausgezeichnet, einschließlich folgender: poröser und nicht poröser Low-k-Dielektrika, organischer und anorganischer Low-k-Dielektrika, organischer Silikatgläser (OSG) und identifiziert durch die chemische Notation, Si_wC_xO_yH_z, worin w, x, y und z die Anzahl an Atomen darstellen, Fluorsilikatglas, (FSG), Kohlenstoff-dotiertes Oxid (CDO), TEOS, ein Siliciumdioxid, abgeleitet von Tetra-ethylorthosilikat, und jedes der harten Maskierungsmaterialien, wie TEOS, Si_wC_xO_yH_z, SiCH, Si_xN_y, Si_xC_yN_z und SiC.
Vorteilhafterweise enthält die Polierlösung weniger als 5 Gew.-% Abrasivmittel zur Einschränkung der Erosion, und das Polieren entfernt das Tantalbarrierematerial bei einer Rate, die dreimal größer als die Entfernungsrate für das Dielektrikum ist, ausgedrückt in Angström pro Minute. Am vorteilhaftesten enthält die Polierlösung weniger als 1 Gew.-% Abrasivmittel zur weiteren Einschränkung der Erosion, und das Polieren entfernt das Tantalbarrierematerial bei einer Rate, die fünfmal größer als die Entfernungsrate für das Dielektrikum ist, ausgedrückt in Angström pro Minute.
Die Lösung und das Verfahren stellen ausgezeichnete Selektivität zum Entfernen von Tantalbarrierematerialien wie Tantal, Tantalnitrid und Tantaloxid bereit. Die Lösung entfernt selektiv Tantalbarrierematerialien mit verringerter Dielektrikum-Erosion. Beispielsweise kann die Lösung Tantalbarrieren ohne einen nachweisbaren TEOS-Verlust und ohne Ablösen oder Aufspalten der Low-k-Dielektrikumschichten entfernen. Zusätzlich dazu verringert die Lösung Dishing, Erosion und das Zerkratzen von Kupferverbindungen.

Claims

Chemisch-mechanische Planarisierungslösung, die zum Entfernen eines Tantalbarrierematerials verwendbar ist, umfassend, in Gew.-%, 0 bis 25 Oxidationsmittel, 0,02 bis 15 Inhibitor für ein nicht-eisenhaltiges Metall, 0 bis 20 Komplexierungsmittel für das nicht-eisenhaltige Metall, 0,01 bis 12 Tantalentfernungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Formamidin, Formamidinsalzen, Formamidinderivaten, Guanidin, Guanidinderivaten, Guanidinsalzen und Gemischen davon, 0 bis 5 Abrasivmittel, 0 bis 15 gesamte Teilchen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polymerteilchen und Polymer-beschichteten beschichteten Teilchen, und als Rest Wasser, und wobei die Lösung eine Selektivität von Tantalnitrid zu TEOS von mindestens 3 zu 1 aufweist, gemessen mit einem Druck eines mikroporösen Polyurethan-Polierpads, gemessen normal bzw. senkrecht zu einem Wafer, von weniger als 20,7 kPa.
Lösung nach Anspruch 1, wobei das Tantalentfernungsmittel zwischen 0,1 bis 10 Gew.-% beträgt.
Lösung nach Anspruch 1, wobei der Inhibitor einen Azolinhibitor einschließt.
Lösung nach Anspruch 1, wobei das Tantalentfernungsmittel aus der Gruppe, bestehend aus Guanidinhydrochlorid, Guanidinsulfat, Aminoguanidinhydrochlorid, Guanidinessigsäure, Guanidincarbonat, Guanidinnitrat, Formamidin, Formamidinsulfinsäure, Formamidinacetat und Gemischen davon, ausgewählt ist.
Chemisch-mechanische Planarisierungslösung, die zum Entfernen eines Tantalbarrierematerials verwendbar ist, umfassend, in Gew.-%, 0 bis 15 Oxidationsmittel, 0,02 bis 10 Inhibitor für ein nicht-eisenhaltiges Metall, 0 bis 10 Komplexierungsmittel für das nicht-eisenhaltige Metall, 0,1 bis 10 Tantalentfernungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Formamidin, Formamidinsalzen, Formamidinderivaten, Guanidin, Guanidinderivaten, Guanidinsalzen und Gemischen davon, 0 bis 0,09 Abrasivmittel, 0 bis 10 gesamte Teilchen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polymerteilchen und Polymer-beschichteten beschichteten Teilchen und als Rest Wasser.
Lösung nach Anspruch 5, wobei das Tantalentfernungsmittel aus der Gruppe, bestehend aus Guanidinhydrochlorid, Guanidinsulfat, Aminoguanidinhydrochlorid, Guanidinessigsäure, Guanidincarbonat, Guanidinnitrat, Formamidin, Formamidinsulfinsäure, Formamidinacetat und Gemischen davon, ausgewählt ist, und das Tantalentfernungsmittel 0,2 bis 6 Gew.-% beträgt.
Lösung nach Anspruch 5, wobei der Inhibitor 0,02 bis 5 Gew.-% gesamter Azolinhibitor ist.
Chemisch-mechanisches Planarisierungsverfahren zum Entfernen eines Tantalbarrierematerials von einem Halbleiterwafer, umfassend die Schritte: Inkontaktbringen eines Wafersubstrates mit der Polierlösung nach Anspruch 1, wobei das Wafersubstrat ein Tantalbarrierematerial und ein Dielektrikum enthält, und Polieren des Wafersubstrates mit einem Polierpad, um das Tantalbarrierematerial von dem Wafersubstrat bei einer Entfernungsrate, ausgedrückt in Angstrom pro Minute, zu entferrnen, die mindestens dreimal größer als eine Entfernungsrate für das Dielektrikum ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Polierlösung 0 bis 0,09 Abrasivmittel enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Polierlösung weniger als 1 Gew.-% Abrasivmittel enthält und das Polieren das Tantalbarrierematerial in einer Rate, ausgedrückt in Angstrom pro Minute, entfernt, die mindestens fünfmal größer als die Entfernungsrate des Dielektrikums ist.