JP2006519499A - モジュラーバリヤ除去研磨スラリー - Google Patents

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Abstract

水性スラリーは、半導体基材のケミカルメカニカルプラナリゼーションに有用である。スラリーは、酸化剤0.1〜25重量%、200nm未満の平均粒度を有するシリカ粒子0.1〜20重量%、シリカ粒子を被覆するためのポリビニルピロリドン0.005〜0.8重量%、インヒビター0.01〜10重量%、錯化剤0.001〜10重量%及び残余としての水ならびに不可避的な不純物を含み、水性スラリーは少なくとも7のpHを有する。

Description

発明の背景
チップ製造への新たなlow-k及び超low-k絶縁材の導入は、ケミカルメカニカルプラナリゼーション(CMP)にとって新たな挑戦を呈する。low-k及び超low-k材料の機械的強度は比較的低いため、CMP中に加わる機械的な力がlow-k膜を破断又はウェーハ基材から離層させるおそれがある。そのため、CMPは、その研磨装置を低めのダウンフォース、すなわち3psi(20.7kPa)以下の力で使用する方向に移行している。低めのダウンフォースでの研磨装置の運転は、許容しうるウェーハ処理速度を容易にするために、研磨スラリーが増大した除去速度を有することを要する。
スラリー製造者が直面するもう一つの挑戦は、現在のlow-k/超low-k集積アーキテクチャがきわめて多様であり、ユーザ固有の目標に大きく依存するということである。いくつかの比較的簡単な集積スキームは、絶縁材料に対する低い選択比を有する従来のCMPスラリーを使用する。これらのスラリーは、良好なトポグラフィー修正能力を有するが、過度な絶縁材及び金属の損失を誘発する傾向にある。この問題に加えて、金属トレンチ/ヴィア構造の高めのアスペクト比のために、いくつかの集積スキームでは、バリヤCMP中の金属損失を減らすために、より高い選択性のスラリーを要する。さらには、種々の膜のキャップ層を集積スキームに含める可能性が、余分なレベルの複雑さを与えている。
複雑な集積スキームから生じる困難に加えて、大部分の超low-k材料は多孔質であり、スラリー汚染を受けやすい。多孔質絶縁材上への多孔質キャップ層の付着は、スラリーがlow-k膜を汚染することを防ぐ。これに加えて、現在の超low-k集積スキームは複数のキャップ層を含むことがある。たとえば、多くの超low-k集積スキームは、二つのキャップ層、すなわち、犠牲的な上層と、絶縁材を保護する下層の下キャップとを用いる。これらの2キャップ層スキームの場合、バリヤlow-kスラリーは、バリヤを除去し、前の工程からのトポグラフィーを維持又は修正し、下にある超low-kに達する「パンチスルー」を生じさせることなく、犠牲的なキャップの上層を除去し、キャップの下層を維持しなければならない。これには、いくつかの異なる膜、すなわちバリヤ層、1種、おそらくは2種のキャップ材料、銅のような配線金属及びlow-k絶縁膜の間での選択比制御が必要である。したがって、バリヤ、絶縁材、Cu膜及びキャップ層の間の選択比を制御する能力を有するスラリーが要望されている。
発明の記述
本発明は、半導体基材のケミカルメカニカルプラナリゼーションに有用な水性スラリーであって、酸化剤0.1〜25重量%、200nm未満の平均粒度を有するシリカ粒子0.1〜20重量%、シリカ粒子を被覆するためのポリビニルピロリドン0.005〜0.8重量%、少なくとも1種の非鉄金属の除去速度を下げるためのインヒビター0.01〜10重量%、非鉄金属のための錯化剤0.001〜10重量%及び残余としての水ならびに不可避的な不純物を含み、少なくとも7のpHを有する水性スラリーを提供する。
半導体基材を研磨する方法は、a)請求項1のスラリーを半導体基材に適用する工程、b)21kPa以下の、半導体基材に対する下向きの力を研磨パッドに加える工程、及びc)研磨パッドを用いて半導体基材を平坦化して、半導体基材からバリヤ材料を除去する工程を含む。
詳細な説明
シリカ含有スラリーへの制御された量のポリビニルピロリドン、すなわちPVPの添加が、low-k絶縁膜の選択的な除去速度の優れた制御を提供するということが見出された。具体的には、シリカCMPスラリーへのPVPの添加は、low-k絶縁膜(通常は疎水性)及びハードマスクキャップ層膜の両方を研磨する能力を提供する。
研磨スラリーは酸化剤を0.1〜25重量%含有する。酸化剤は、銅のようなウェーハの金属成分を酸化させるための剤である。本明細書では、すべての濃度を重量%で表す。有利には、スラリーは酸化剤を0.1〜10重量%含有する。もっとも有利には、スラリーは酸化剤を0.5〜7.5重量%含有する。酸化剤は、多数の酸化性化合物、たとえば過酸化水素(H22)、一過硫酸塩、ヨウ素酸塩、過フタル酸マグネシウム、過酢酸及び他の過酸、過硫酸塩、臭素酸塩、過ヨウ素酸塩、硝酸塩、鉄塩、セリウム塩、Mn(III)、Mn(IV)及びMn(VI)塩、銀塩、Cu塩、クロム塩、コバルト塩、ハロゲンならびに次亜塩素酸塩の少なくとも一種であることができる。さらには、酸化剤化合物の混合物を使用することがしばしば有利である。好ましいバリヤ金属研磨スラリーは過酸化水素酸化剤を含む。研磨スラリーが過酸化水素のような不安定な酸化剤を含有する場合、多くの場合、使用の時点で酸化剤を組成物に混入することが非常に有利である。
スラリーは、バリヤ金属を除去するためのコロイダルシリカ砥粒を0.1〜20重量%含有する。有利には、スラリーはコロイダルシリカ砥粒を0.1〜15重量%含有する。コロイダルシリカは200nm未満の平均粒度を有する。有利には、コロイダルシリカは、水性スラリー中で5〜150nmの平均粒度を有する。もっとも有利には、コロイダルシリカは6〜120nmの平均粒度を有する。通常、粒度の増大がバリヤ除去速度を高める。しかし、コロイダルシリカ粒度の増大はまた、スラリーによる半導体ウェーハのスクラッチ発生を増加させる傾向がある。シリカ粒子の粒度に加えて、粒子の形状及びモホロジーがスクラッチ発生に影響を及ぼすこともある。
スラリーはまた、シリカ粒子を被覆するためのポリビニルピロリドン(PVP)を0.005〜0.8重量%含有する。本明細書に関して、シリカ粒子を被覆することは、PVPがスラリーのゼータ電位に計測可能な影響を及ぼすものと定義する。たとえば、ゼータ電位に対する計測可能な影響は、PVPを有するスラリーとPVPを有しないスラリーとでゼータ電位に検出可能な差がある場合に生じる。ゼータ電位を計測するのに許容しうる具体的な装置は、Dispersion TechnologyのDT-1200である。有利には、スラリーはPVPを0.05〜0.8重量%含有する。適度なlow-k除去速度でのバリヤ除去が要求される用途の場合、スラリーは、有利には、PVPを0.05〜4重量%含有する。低いlow-k除去速度でのバリヤ除去が要求される用途の場合、スラリーは、有利には、PVPを0.4〜0.8重量%含有する。
有利には、PVPは、ゼータ電位における少なくとも2ミリボルトの増大をスラリーに与える。ゼータ電位の増大はスラリーの安定性を下げるが、それはまた、スラリーのlow-k除去速度を下げる。もっとも有利には、スラリーのPVPは、ゼータ電位における少なくとも5ミリボルトの増大を与える。しかし、過度なPVPは、コロイダルシリカの不可逆性の沈殿を結果的に生じさせることがある。本明細書に関して、不可逆性の沈殿とは、水溶液中で2分間攪拌した後でも沈殿状態のままのシリカのことである。有利には、PVPは、スラリーを室温で少なくとも30日間貯蔵する間にシリカの10%未満に不可逆性の沈殿を生じさせる。もっとも有利には、PVPは、スラリーを室温で少なくとも30日間貯蔵する間に、シリカの2%未満しか不可逆性の沈殿を生じさせない。通常、不可逆性のシリカ沈殿の減少はスラリーのスクラッチ発生傾向を減らす。
合計0.01〜10重量%のインヒビターの添加が、非鉄金属、たとえば銅、銀、銅ベース合金及び銀ベース合金の除去速度を下げる。もっとも有利には、半導体ウェーハは銅を含む。有利には、インヒビターとしてはアゾールがある。アゾールインヒビターとしては、ベンゾトリアゾール(BTA)、トリトリアゾール、イミダゾール及び他のアゾール化合物がある。もっとも有利には、スラリーはアゾールインヒビターを合計0.01〜5重量%含有する。
水性スラリーは、バリヤ材料を除去するために少なくとも7のpHを有する。スラリーは、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン及び他のバリヤ材料を除去するのに特に効果的である。もっとも有利には、スラリーは7.5〜12のpHを有する。ヒドロキシイオンの供給源、たとえばアンモニア、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムがpHを塩基性領域に調節する。もっとも有利には、ヒドロキシイオンの供給源は水酸化カリウムである。
インヒビターに加えて、0.001〜10重量%の錯化剤が非鉄金属の沈殿を防止する。もっとも有利には、スラリーは錯化剤を0.001〜5重量%含有する。典型的な錯化剤としては、酢酸、クエン酸、アセト酢酸エチル、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、シュウ酸、サリチル酸、ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム、コハク酸、酒石酸、チオグリコール酸、グリシン、アラニン、アスパラギン酸、エチレンジアミン、トリメチルジアミン、マロン酸、グルタル酸、3−ヒドロキシ酪酸、プロピオン酸、フタル酸、イソフタル酸、3−ヒドロキシサリチル酸、3,5−ジヒドロキシサリチル酸、没食子酸、グルコン酸、ピロカテコール、ピロガロール、タンニン酸及びこれらの塩がある。有利には、錯化剤は、酢酸、クエン酸、アセト酢酸エチル、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、シュウ酸からなる群より選択される。もっとも有利には、錯化剤はクエン酸である。
場合によっては、スラリーは、レベリング剤、たとえば塩化物、特に塩化アンモニウム、緩衝剤、分散剤及び界面活性剤を含有することができる。塩化アンモニウムは表面外観の改善を提供する。
有利には、スラリーは、21kPa以下の下向きの力を研磨パッドに加えることによってスラリーを半導体基材に適用することにより、半導体基材を研磨する。下向きの力は、半導体基材に対する研磨パッドの力を表す。研磨パッドは、円形、ベルト形又はウェブ形態を有することができる。この低い下向きの力は、半導体基材を平坦化して半導体基材からバリヤ材料を除去するのに特に有用である。もっとも有利には、研磨は、15kPa未満の下向きの力で実施する。
平坦化は、半導体基材からのlow-k絶縁材料の除去速度の少なくとも5倍の除去速度で半導体基材からTEOSを除去することができる。配合によっては、平坦化は、半導体基材からのlow-k絶縁材料の除去速度の少なくとも10倍の除去速度で半導体基材からTEOSを除去することができる。これに加えて、平坦化は、半導体基材からのlow-k絶縁材料の除去速度よりも高い除去速度で半導体基材からSiCバリヤを除去することができる。
実施例
すべての試験で200mmウェーハを使用した。これらのウェーハは、シートウェーハ除去速度を測定するため、TEOS二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭素ドープ酸化物(CDO)、窒化タンタル、タンタル及び電気めっき銅シートウェーハを含むものであった。low-k絶縁材は、Novellusによって供給されるCORALCDOであった。加えて、トポグラフィーデータ収集データは、マイクロポーラス構造を含むRodel(登録商標)標準IC1010(商標)ポリウレタン研磨パッド又はPolitex(登録商標)Hi エンボスパッドのいずれかを使用して、International SematechのMIT 854-AZパターン付きウェーハを試験することから得たものであった。Applied MaterialsのMIRRA(登録商標)CMP装置が研磨プラットフォームを提供した。
第一工程研磨は、すべてのパターン付きウェーハに関して、プラテン1上でのEternalのEPL2360研磨スラリーとIC1010パッド及びプラテン2上でのRodelのRLS3126反応性液(酸性無砥粒溶液)とIC1010パッドからなるものであった。プラテン3上での第二工程バリヤ層研磨は、RodelのPolitex Hi エンボス研磨パッド又はIC1010研磨パッドのいずれかを用いた。そして、プロセスは、2psi(13.8kPa)又は3psi(20.7kPa)のダウンフォースのいずれかを有し、それぞれ120及び114rpmを示したプラテン速度及びキャリヤ速度であった。スラリー流量は180ml/minにセットした。
研磨前及び研磨後の膜厚さの計測が、除去速度を計算するための基礎を提供した。KLA-Tencor SM300又はThermaWave Optiprobe 2600で、可視電磁法で光学的に透明な絶縁膜、たとえばPECVD TEOS SiO2、炭化ケイ素及び窒化ケイ素の厚さを測定した。4点探針CDE Resmap Thicknessで導電膜、たとえば窒化タンタル、タンタル及び銅の厚さを計測した。最後に、Dektak Vecco V200SLでパターン付きウェーハトポグラフィーデータを収集した。ゼータ電位計測は、Dispersion TechnologyのDT-1200装置で得られた値を反映する。本明細書は、すべての除去速度をÅ/minの単位で表す。
以下の表は、試験した研磨スラリーの化学組成を重量%で提供する。文字で示されたスラリーは比較スラリーを表し、数字で示されたスラリーは本発明のスラリーを表す。
Figure 2006519499
実施例1
以下の表は、種々の半導体成分に関する3psi(20.7kPa)のダウンフォースでの除去速度に対する影響を示す。
Figure 2006519499
図1にグラフで示すPVPの添加量は、PVPを欠くスラリーの場合、CMP研磨加工がTEOS(キャップ材料)及びlow-k材料(CDO)の両方を除去するということを示す。しかし、スラリーへのPVPの添加は、スラリーがlow-k膜に対してTEOS膜を選択的に除去することを可能にする。したがって、この配合は、チップ製造者がケミカルメカニカルプラナリゼーションを提供し、かつlow-k膜上で止めることを可能にする。たとえば、一部のデュアルハードマスク/キャップ集積スキームは、TEOSキャップを除去する一方で、SiC又はCDO層上で止めることを要する。これらの集積スキームの場合、高いTEOS除去速度を有し、SiC上で止めるスラリー4が優れた溶液を提供する。
実施例2
以下の表は、SiCウェーハの場合のPVPの効果を確認し、ダウンフォースを2psi(13.8kPa)に減らすことから生じる効果を示す。
Figure 2006519499
実施例1で認められたように、CDO除去速度はスラリー中のPVPの増加とともに低下した。これに加えて、図2に示すように、PVP添加はまた、SiC除去速度を下げた。大部分の研磨スラリーの場合、CDOに対するSiCの相対的硬さのせいで、SiC除去速度は通常、CDO除去速度よりもずっと低い。しかし、PVP含有溶液は、CDO除去速度よりも一般に高いSiC除去速度を示した。
実施例3
以下のシリーズは、シリカ8.5重量%を有するスラリーに関して、2psi(13.8kPa)ダウンフォースでのSiC及びCDOウェーハに対する一定の濃度の効果を評価する。
Figure 2006519499
先の実施例で認められたように、PVPはCDO及びSiC除去速度を下げた。図3は、表4のスラリーの場合に達成されたlow-k除去速度に対する劇的な効果を示す。
実施例4
表面の性質は、low-k膜研磨に影響するもう一つの重要な特性である。具体的には、疎水面を形成するlow-k絶縁材は浄化しにくい。しかし、スラリー中のPVPはまた、改善された浄化のために、疎水性low-k面を疎水性から親水性に変化させると思われる。これはまた、表面改質する界面活性剤の必要性を除くことにより、スラリーの性能に対して有意な利点を提供する。PVPの添加は、そのような表面改質剤をスラリーに添加する必要性を減らす又は除くと思われ、スラリーの界面活性剤の必要性の軽減はスラリーの安定性を改善する。表5は、PVPを用いる場合及びPVPを用いない場合でのスラリーのぬれ方試験結果を提供する。
Figure 2006519499
図4は、PVPなしでは、CDOウェーハの表面が、PVP含有スラリーを用いて達成されるほど平滑ではないことを示す。図5は、PVP添加がまた、TEOSウェーハの表面品質を改善したことを示す。これに加えて、TEOSを0.1重量%超まで増すことで、TEOSウェーハの表面仕上げにおけるさらなる改善が提供された。しかし、銅ウェーハの表面品質に対するPVP含有スラリーの影響は一貫性を欠き、ほとんど利点がなかった。
実施例5
この実施例では、シリカを8.5重量%含有するスラリー(B、D及び8〜12)、シリカを12重量%含有するスラリー(A、C及び1〜7)及びシリカを30重量%含有する純粋なシリカスラリー(Klebosol 1498、E〜K)に関して、ゼータ電位に対するPVPの影響を比較する。図6は、最小限の濃度のPVPを用いて達成されたゼータ電位における劇的な増大をグラフにしたものである。加えて、この図は、スラリー組成に関連するゼータ電位のシフトを示す。
モジュラー式のバリヤ除去スラリーは、最終的なウェーハトポグラフィーを最適化するための、銅、キャップ層及び絶縁膜の相対除去速度の調節を容易にする。これは、バリヤ、銅、low-k及びハードマスク/キャップ絶縁膜をはじめとするいくつかの異なる膜の間での選択的除去の制御を可能にする効能を提供する。その結果、これらの膜の間での選択比制御は、多数の集積スキーム及び要件を満たすことができる。たとえば、データは、バリヤ除去スラリーが10:1以上のTEOS:CDOの選択比を有することができることを示す。
PVP含有スラリーは、low-kウェーハに効果的であり、キャップ膜(TEOS)を除去しなければならないが、SiC又はCDO膜上で止めなければならない集積スキームの場合に特に効果的である。たとえば、スラリーは、バリヤ除去ののちウェーハのトポグラフィーを維持するように設計された高選択比スラリーを提供し、最小限のILD損失で長いオーバーポリッシング時間を可能にする。スラリーは、ポリマー研磨パッド、特にマイクロポーラスなポリウレタンパッドと一緒に最小限のlow-k又はキャップ除去を容易にする。スラリーは、デュアルトップハードマスク集積スキームに推奨される中庸の選択性のスラリーを提供する。これらの集積スキームは、トップハードマスクの完全な除去及びボトムハードマスクの最小限の除去を要する。低選択比スラリーは、Politex研磨パッド又はIC1010研磨パッドのいずれかを使用するトポグラフィーの修正及びlow-k材料の平坦化を要するアーキテクチャと一緒に作用する。残念ながら、この低選択比スラリーの使用は、より高いILD損失を結果的に生じさせるおそれがある。
要するに、モジュラー式のバリヤ除去スラリーは、銅又は銀、絶縁材料及びキャップの相対除去速度の調節の自在性を与えて、特定の集積スキームの場合にウェーハの最終的なトポグラフィー及び絶縁材/金属損失を最適化する。加えて、高いバリヤ除去速度は高いウェーハ処理を容易にする。さらには、ウェーハは、バリヤ除去工程中、絶縁材損失で譲歩することなくトポグラフィーの有意な減少を達成することができ、配合物は、低い欠陥率及び優れた表面品質を提供する。そして最後に、モジュラー式のバリヤ除去スラリーは、集積スキームを満たし、TEOS/SiC及びTEOS/CDOに関する十分な選択比でlow-kキャップ付き及びキャップなしの両パターン付きウェーハを平坦化するのに最良のスラリーを予測するためのモデル化を容易にする。
TEOS及びCSO(low-k)の除去速度対ポリビニルピロリドン(PVP)のグラフである。 TEOS及び炭化ケイ素の除去速度対ポリビニルピロリドン(PVP)のグラフである。 TEOS、炭化ケイ素及びCDO(low-k)除去速度対ポリビニルピロリドン(PVP)のグラフである。 CDO(low-k)の粗さ対ポリビニルピロリドン(PVP)のグラフである。 TEOSの粗さ対ポリビニルピロリドン(PVP)のグラフである。 3種の異なるスラリーに関するゼータ電位対ポリビニルピロリドン(PVP)のグラフである。

Claims (10)

  1. 半導体基材のケミカルメカニカルプラナリゼーションに有用な水性スラリーであって、酸化剤0.1〜25重量%、200nm未満の平均粒度を有するシリカ粒子0.1〜20重量%、前記シリカ粒子を被覆するためのポリビニルピロリドン(PVP)0.005〜0.8重量%、少なくとも1種の非鉄金属の除去速度を下げるためのインヒビター0.01〜10重量%、前記非鉄金属のための錯化剤0.001〜10重量%及び残余としての水ならびに不可避的な不純物を含み、少なくとも7のpHを有する水性スラリー。
  2. 前記PVPがゼータ電位を少なくとも2ミリボルト増大させる、請求項1記載の水性スラリー。
  3. 前記スラリーを室温で少なくとも30日間貯蔵する間に、前記シリカ粒子の10%未満が不可逆性の沈殿を起こす、請求項1記載の水性スラリー。
  4. 半導体基材のケミカルメカニカルプラナリゼーションに有用な水性スラリーであって、酸化剤0.1〜10重量%、5〜150nmの平均粒度を有するシリカ粒子0.1〜15重量%、前記シリカ粒子を被覆するためのポリビニルピロリドン(PVP)0.05〜0.8重量%、少なくとも1種の非鉄金属の除去速度を下げるためのアゾールインヒビター合計0.01〜5重量%、前記非鉄金属のための錯化剤0.001〜5重量%及び残余としての水ならびに不可避的な不純物を含み、7.5〜12のpHを有する水性スラリー。
  5. 前記PVPがゼータ電位を少なくとも2ミリボルト増大させ、かつ前記スラリーを室温で少なくとも30日間貯蔵する間に、前記シリカ粒子の10%未満が不可逆性の沈殿を起こす、請求項4記載の水性スラリー。
  6. 前記PVPの濃度が0.05〜0.4重量%である、請求項4記載の水性スラリー。
  7. 前記PVPの濃度が0.4〜0.8重量%である、請求項4記載の水性スラリー。
  8. 半導体基材を研磨する方法であって、
    a)請求項1のスラリーを半導体基材に適用する工程、
    b)21kPa以下の、前記半導体基材に対する下向きの力を研磨パッドに加える工程、及び
    c)前記研磨パッドで前記半導体基材を平坦化して、前記半導体基材からバリヤ材料を除去する工程
    を含む方法。
  9. 平坦化が、前記半導体基材からのlow-k絶縁材料の除去速度の少なくとも5倍の除去速度で前記半導体基材からTEOSを除去する、請求項8記載の方法。
  10. 平坦化が、前記半導体基材からのlow-k絶縁材料の除去速度よりも高い除去速度で前記半導体基材からSiCバリヤを除去する、請求項8記載の方法。
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