JP3850009B2 - 貴金属の研磨のための化学的活性スラリーおよびその研磨方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、集積回路（ＩＣ）製造工程、特に、貴金属の平坦化を可能にする化学的−機械的研磨（ＣＭＰ）スラリー、および貴金属ダマシン電極構造体の形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＭＰ工程は、大量生産製造環境においてＩＣ表面をウエハ表面全体にわたり約５０〜１５００オングストロームの範囲におさまる平坦性を有するように研磨するように設計される。ＣＭＰ工程は、主に金属化工程の後に行われる。堆積された金属膜は、ウエハのある領域では平坦化されなければならないが、別の領域においては完全に除去される。したがって、シリコン、酸化シリコン、および他の種々の誘電体材料と同様に、金属も下部のウエハ表面を汚染または損傷せずに同時に除去されることがある。
【０００３】
多くの商業工程において、ＡｌまたはＷなどの相互接続金属は、物理蒸着（ＰＶＤ）またはスパッタリングを介してウエハ表面上に膜状に堆積される。ウエハ表面を横切る相互接続線、または続いて形成される被覆ＩＣ金属レベルへのバイアは、金属膜の不用な領域を除去するように、パターンエッチングによって形成される。酸化物は一般的に、金属相互接続の周辺に絶縁用に用いられる。ＩＣレベルの完成時に、ＣＭＰ工程は、表面を平坦にするように行われる。
【０００４】
白金（Ｐｔ）および他の貴金属は、ＩＣ構造強誘電体キャパシタ中に使用される。貴金属が使用される理由は、化学的耐性の性質を有するからである。この性質は、強誘電体キャパシタの製造において見られるような高温度酸化条件下において特に望ましい。さらに、貴金属とペロブスカイト酸化金属などの強誘電体材料との間の化学的相互作用が無視できるほど小さい。
【０００５】
しかし、貴金属のパターンエッチングは、ウエットエッチングまたはドライエッチングのどちらを介して行うとしても、問題となり得る。エッチングは、パターン定義が不良となる傾向がある。例えば、エッチングの結果得られた金属構造体の側壁は、垂直となる代わりに、傾斜を有することがよくある。また、エッチング工程は化学的残留物を残すが、この残留物は、ＣＭＰ工程を行っても垂直な側壁構造体から除去することができない。
【０００６】
金属構造体はまた、ダマシン技術を用いてもパターン形成することができる。誘電体膜が最初に形成される。誘電体は、インレイを形成するようにパターンエッチングされる。次に、金属が誘電体上に堆積され、インレイを満たし、誘電体上に膜を形成する。ＣＭＰ工程は、被覆金属膜を除去し、金属を満たされたインレイを露出する。
【０００７】
商業装置を容易に利用してＣＭＰ工程を行うことができる。図１は、ＣＭＰ工程（従来技術）を行う装置を示す。ＣＭＰ装置１０は、回転テーブルパッド１２および回転ウエハ取付パッド、すなわちスピンドル１４を備える。一般に、研磨されるウエハ１６は、回転スピンドル１４上に逆さまに取り付けられる。研磨パッド１２もまた回転される。研磨パッド１２は一般に、市販のポリエステル／ポリウレタン材料である。スラリーは、ポート１８を介して、回転テーブルパッド１２およびウエハホルダ１４の間に導入される。研磨工程における主な変数は、パッド１２およびホルダ１４の相対回転速度、ウエハ１６とパッド１２との間の圧力、工程の持続時間、および使用されるスラリーの種類である。
【０００８】
名称が示唆するように、ＣＭＰ工程は、化学反応および物理的磨滅の両方によってウエハ表面から材料を除去する。一般的なＣＭＰ工程において、スラリーは、除去される材料に選択的な化学剤（エッチャントまたは改質剤）を含む。化学剤はウエハ表面を化学的に溶かすように作用し、研磨剤はウエハ表面から改質された材料を除去するように作用する。水酸化カリウムがエッチャントとして、およびシリカが研磨剤として使用される場合、このようなスラリーは、シリコン、二酸化シリコン、および窒化シリコンを研磨するのに有効である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
いくつかのスラリー化合物が、Ａｌ、Ｗ、銅、Ｓｉ、ＳｉＯ2、およびＳｉ3Ｎ4などを除去するために開発されてきた。しかし、ＣＭＰ工程において貴金属を除去するために利用できる有効なスラリーは全くない。貴金属を有効な電気的コンダクタにするのと同じ性質が貴金属をまた化学反応に対して耐性にし、したがってエッチングを困難にさせる。貴金属のための蒸着方法が開発されたとしても、有効なＣＭＰ工程、特に有効なスラリーがなければ、現在のＩＣ設計の電極または相互接続に貴金属を使用することは妨げられる。
【００１０】
ＣＭＰ工程スラリーが貴金属の平坦化に用いられるように開発されたならば、利点がある。
【００１１】
市販の標準的なＣＭＰ装置を使用して、標準的なＣＭＰ工程によって貴金属が平坦化されることが可能なスラリーが開発されたならば、利点がある。
【００１２】
貴金属ＣＭＰ工程が存在し、ダマシンまたはデュアルダマシン蒸着技術を使用して貴金属構造体の形成が可能となれば、利点がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの局面において、貴金属を研磨するための化学的活性スラリーは、強塩基性水溶液中のハロゲン元素と、研磨剤とを含み、得られたスラリーが、従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）装置を用いて貴金属を研磨するために使用される。
【００１４】
本発明の１つの実施態様において、上記ハロゲン元素は、臭素、ヨウ素、および塩素からなる群から選択されるが、臭素が好ましい。
【００１５】
本発明の１つの実施態様において、上記強塩基性水溶液のｐＨが約１０より大きい。
【００１６】
本発明の１つの実施態様において、上記水溶液塩基は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、または水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択されるが、ＮａＯＨが好ましい。
【００１７】
本発明の１つの実施態様において、上記ハロゲン元素が水酸化ナトリウムを有する溶液中に臭素を含む。
【００１８】
本発明の１つの実施態様において、上記研磨剤が、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、またはＳｉＯ2からなる群から選択される。
【００１９】
本発明の１つの実施態様において、上記研磨剤が酸化アルミニウムであり、酸化アルミニウムが水と混合され１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液を形成する。
【００２０】
本発明の１つの実施態様において、１．３モルの臭素（Ｂｒ2）と０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を５００ｍｌ水中で混合し、水酸化ナトリウムおよび臭素水溶液を形成する。
【００２１】
本発明の１つの実施態様において、容量比で５の割合の前記水酸化ナトリウムおよび臭素の溶液を、１の割合の前記酸化アルミニウム懸濁液で混合する。
【００２２】
本発明の別の局面において、貴金属表面を有するウエハを研磨する方法であって、テーブル研磨パッドおよびスピンドルが提供され、ａ）研磨パッドと相互作用するようにウエハ貴金属表面を設置する工程と、ｂ）強塩基性水溶液中のハロゲン元素および研磨剤を、テーブルパッドと貴金属表面との間に挟まれるようにスラリーを導入する工程と、ｃ）工程ａ）およびｂ）に応答して、貴金属表面を化学的に研磨する工程とを含み、貴金属が従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）システムによって研磨される。
【００２３】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されるスラリーが、臭素、ヨウ素、および塩素からなる群から選択されるハロゲン元素を含む。
【００２４】
本発明の１つの実施態様において、上記ハロゲン元素が臭素であり、上記工程ｂ）において導入されるスラリーが、水酸化ナトリウムを有する溶液中に臭素を含む。
【００２５】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されたスラリーの強塩基性水溶液が、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、および水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択される塩基を含む。
【００２６】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されたスラリーが、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、およびＳｉＯ2からなる群から選択される研磨剤を含む。
【００２７】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入された研磨剤が酸化アルミニウムであり、上記工程ｂ）が、水と混合され１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液を形成する酸化アルミニウムを含む。
【００２８】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されたスラリーが、０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と５００ｍｌの水中で混合される１．３モルの臭素（Ｂｒ2）を含む。
【００２９】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されたスラリーが、容量比１の割合の該酸化アルミニウム懸濁液で混合された５の割合の前記水酸化ナトリウムおよび臭素の溶液を含む。
【００３０】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ａ）が、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｏｓ、およびＲｈからなる群から選択される貴金属表面を含む。ＰｔＣＭＰ工程は、商業的に大きな期待がもてる。
【００３１】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ａ）がＰｔが貴金属であり、上記工程ｃ）が、約１５００〜２０００オングストローム／分の範囲の速度でＰｔ表面から材料を除去する工程を含む。
【００３２】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ａ）が貴金属表面とテーブルパッドとを相互作用させる工程を含み、金属表面と上記テーブルパッドとの間の圧力が約０〜約６ＰＳＩであり、テーブルパッド回転速度が約０〜６０ＲＰＭの範囲であり、スピンドル速度が約０〜６０ＲＰＭの範囲である。
【００３３】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｃ）が、等価な平坦貴金属表面において計った場合、約０．５ミクロンまでの貴金属材料の除去によって約０〜５０ｎｍの範囲の粗さまで前記貴金属を研磨する工程を含む。
【００３４】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）が１分当たり約０〜３００ミリメートルの範囲の流速でスラリーを導入する工程を含む。
【００３５】
本発明の別の局面において、強誘電体キャパシタ構造のためのダマシン集積回路電極は、第１水平面に沿う上部表面を有する誘電体層であって、誘電体層において誘電体上部表面から第１水平レベルへ伸びる第１垂直厚を有する、誘電体層と、ここで誘電体層が誘電体上部表面から第１厚を通って誘電体第１水平レベルまで形成される第１インレイを含み、上部表面を有する貴金属電極であって、約０〜５０ｎｍの範囲の粗さを有し、第１面と一列にならんでいる貴金属電極とを含み、貴金属スタッドが誘電体上部表面から誘電体第１水平レベルまで誘電体第１インレイを満たし、これにより貴金属スタッドが誘電体層を通る相互接続を形成する。
【００３６】
本発明の１つの実施態様において、上記貴金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｏｓ、およびＲｈからなる群から選択される。
【００３７】
本発明の１つの実施態様において、上記誘電体層が、誘電体層において上記誘電体第１水平レベルから第２水平レベルに伸びる第２垂直厚を有し、第２インレイが、誘電体操において誘電体第１水平レベルから誘電体第２水平レベルまで形成され、第２インレイが、少なくとも部分的に、第１インレイと位置合わせされ、貴金属電極が、第１および第２誘電体インレイを誘電体上部表面から誘電体第２水平レベルまで満たし、これによりデュアルダマシン電極が形成される。
【００３８】
本発明の１つの実施態様において、伝導接続表面をさらに含み、上記誘電体層が伝導接続表面に被さり、上記貴金属電極が、誘電体層を通り上記誘電体上部表面から伝導接続表面に伸び、これにより貴金属電極が伝導接続表面から誘電体上部表面にかけて形成される。
【００３９】
【発明の実施の形態】
貴金属の研磨が困難であることは周知である。これは、半反応ポテンシャルの低減において反映される：
Ｉｒ3+＋３ｅ-→Ｉｒ ＋１．１５６ｖ
Ｐｔ2+＋２ｅ-→Ｐｔ ＋１．１１８ｖ
これらのポテンシャルは、塩化物イオンつまりハロゲン化物によって低減され得る：
ＩｒＣｌ6 3-＋３ｅ-→Ｉｒ＋６Ｃｌ- ＋０．７７０ｖ
ＰｔＣｌ4 2-＋２ｅ-→Ｐｔ＋４Ｃｌ- ＋０．７５５ｖ
最後に、ポテンシャルの低減は、ｐＨを増加させることによってさらに低減される：
Ｉｒ2Ｏ3＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ-→２Ｉｒ＋６ＯＨ- ＋０．０９８ｖ
Ｐｔ（ＯＨ）2＋２ｅ-→Ｐｔ＋２ＯＨ- ＋０．１４０ｖ
したがって、貴金属を研磨するための化学的活性スラリーは、強塩基性水溶液中のハロゲン元素、および研磨剤を含む。強塩基性水溶液は一般に、約１０より大きいｐＨを有する。ただし、約１１〜１３のｐＨが好ましい。得られたスラリーは、従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）装置を用いて貴金属を研磨するために使用される。
【００４０】
現在許可され且つ手近な酸化剤は、ヨウ素、臭素、ヨウ素酸塩、過ヨウ素酸塩、過塩素酸塩、過酸化二硫酸塩、および過マンガン酸塩である。当然ながら、塩素は、窒素と塩酸との反応によって化学的に生成され得る。
【００４１】
半反応ポテンシャルの上記分析から分かるように、強塩基中のハロゲン溶液は、貴金属と効果的に反応する。水溶液の塩基は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、および水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択される。
【００４２】
強塩基において、フッ素を除いては、ハロゲン元素は不均化反応を起こし、ハロゲンイオンＸ-の等価物、および次亜ハロゲン酸塩イオンＸＯ-の等価物を形成する：
Ｘ2＋２ＯＨ-→Ｘ-＋ＸＯ-＋Ｈ2Ｏ
塩素の場合、次亜ハロゲン酸塩（次亜塩素酸塩）イオンは比較的安定であり、室温ではこれ以上の不均化反応が起きない。しかし、他のハロゲンについては、さらなる不均化反応が起きて、亜ハロゲン酸塩イオンを形成する：
２ＸＯ-→Ｘ-＋ＸＯ2 -
または、ハロゲン酸塩イオン：
３ＸＯ2 -→Ｘ-＋２ＸＯ3 -
または、最後に過ハロゲン酸塩イオン：
４ＸＯ3 -→Ｘ-＋３ＸＯ4 -
塩素の場合、すべてのオキソハロゲンイオンが存在する（次亜塩素酸塩、亜塩素酸塩、塩素酸塩、および過塩素酸塩）；臭素およびヨウ素の場合、ハロゲン酸塩イオンおよび過ハロゲン酸塩イオンだけが安定である（次亜臭素酸塩および次亜ヨウ素酸塩は、過渡的な種であり、臭素酸塩およびヨウ素酸塩は存在しないようである）。
【００４３】
したがって、本発明は、臭素、ヨウ素、および塩素からなる群から選択されたハロゲン元素を含む。１つの好ましい実施態様において、ハロゲン元素は、水酸化ナトリウムを有する溶液中に臭素を含む。
【００４４】
ヨウ素は、不十分な酸化ポテンシャルのために有効でない。しかし、強塩基臭素溶液およびアルミナ研磨剤との組み合わせは有効であり、白金が約１５００オングストローム／分の速度で研磨され得る。
【００４５】
本発明のスラリーは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、およびＳｉＯ2からなる群から選択される研磨剤を含む。研磨剤が酸化アルミニウムである場合、酸化アルミニウムは水と混合され、１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液を形成する。容量比で水酸化ナトリウムおよび臭素溶液の５に対し、酸化アルミニウム懸濁液の１の割合で両者が混合される。
【００４６】
さらに、上記スラリーを使用して、ダマシン方法による白金パターニングが実現可能である。本発明の１つの実施態様において、プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）二酸化シリコンが、ダマシン構造体の製造のために使用される。ダマシンエッチングの深さは、３１００オングストロームである。厚さ４５００オングストロームの白金層が、パターン化された表面を覆うように先に堆積された薄いＴａＮバリア層上に堆積される。使用されるスラリー調製物は、
臭素： １０５ｇ
水酸化ナトリウム ４０ｇ
具体的には、１．３モルの臭素（Ｂｒ2）と０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とを混合し、水酸化ナトリウムおよび臭素水溶液を形成する。風袋を計ったビーカに約１００ｍｌのＤＩ水を加え、そのビーカ中で臭素は計測可能である。臭素は、水よりも重く、水に混ざらず、ほんのわずかしか水に溶けないので、ビーカの底へ沈む。したがって、臭素蒸気の発生は、豊富でない。別のビーカにおいて、水酸化ナトリウムを約２００ｍｌの水に溶かす。ＮａＯＨ溶液の熱は大きく、水酸化溶液は非常に熱くなるので注意しなければならない。臭素とＮａＯＨとの反応は発熱性が高いので、沸騰および臭素蒸気の発生を防ぐために、水酸化ナトリウム溶液は、臭素および水の混合物にゆっくりと加える。一旦すべての水酸化ナトリウムが加えられると、溶液が鮮やかなオレンジ色になるように臭素を完全に溶解しなければならない。この混合物を全体積が５００ｍｌとなるように希釈し、次に１００ｍｌのＲｏｄｅｌ ＭＳＷ２０００Ａ（または同等物）アルミナ懸濁液を加えて、スラリーを完成させる。
【００４７】
アルカリ性溶液において、臭素酸塩および臭化物イオンは、以下の化学式にしたがって元素状態の臭素と平衡状態にある：
６Ｂｒ2＋１２ＯＨ-→１０Ｂｒ-＋２ＢｒＯ3 -＋６Ｈ2Ｏ
臭素および臭素酸塩イオンの両方は、比較的強い酸化剤であり、白金を攻撃する原因となる。
【００４８】
図２は、貴金属表面を用いてウエハを研磨する本発明の方法における工程を示す。工程１００は、ＩＣウエハを取り付けるＣＭＰ工程テーブル研磨パッドおよびスピンドルを与える。工程１０２は、ウエハ貴金属表面を研摩パッドと相互作用するように設置する。工程１０２は、Ｐｔが好ましいが、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｏｓ、およびＲｈからなる群から選択される貴金属を含む。
【００４９】
工程１０４は、強塩基性水溶液中のハロゲン元素、および研磨剤を含むスラリーをテーブルパッドと貴金属表面との間に入れるように導入する。本発明のある局面において、工程１０４は、臭素、ヨウ素、および塩素からなる群から選択されるハロゲン元素を含む。工程１０４において導入されたスラリーの強塩基性水溶液は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、および水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択される塩基を含む。好ましくは、ハロゲン元素が臭素であって、工程１０４において導入されるスラリーが溶液中に水酸化ナトリウムとともに臭素を含む。具体的には、スラリーは１．３モルの臭素（Ｂｒ2）と０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とを混合する。
【００５０】
工程１０４において導入されたスラリーは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、またはＳｉＯ2からなる群から選択される研磨剤を含む。研磨剤が酸化アルミニウムである場合、工程１０４は、水と混合されて１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液を形成する酸化アルミニウムを含む。スラリーは、容量比で水酸化ナトリウムおよび臭素溶液の５に対し、酸化アルミニウム懸濁液の１の割合で混合される。本発明のある局面において、工程１０４は、１分当たり約０〜３００ミリメートルの範囲の流速でスラリーを導入する工程を含む。本発明のある局面において、スラリーの粒子の大きさは、約１ミクロン以下である。
【００５１】
工程１０６は、工程１０２および１０４に応答して、貴金属表面を滑らかな表面仕上げを有するように化学的に研磨する。工程１０２は、１平方インチ当たり約０〜６ポンド（ＰＳＩ）の範囲の力を含む。金属表面とテーブルパッドの間の好ましい圧力は、約４ＰＳＩである。研磨パッド回転速度は、１分当たり約０〜６０回転（ＲＰＭ）の範囲であり、約４０ＲＰＭの回転速度が好ましい。同様に、スピンドル速度は、１分当たり約０〜６０回転（ＲＰＭ）の範囲であり、約４０ＲＰＭの回転速度が好ましい。工程１０８は、成果であり、貴金属が従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）システムにおいて研磨される。
【００５２】
本発明のある局面において、工程１０２は貴金属である白金を含み、工程１０６は約１５００〜２０００オングストローム／分の範囲の速度で白金表面から材料を除去する工程を含む。この除去速度は、１８００オングストローム／分が好ましい。
【００５３】
本発明のある局面において、工程１０６は、５０ナノメートル（ｎｍ）より小さい粗さに貴金属を研磨する工程を含む。好ましい粗さは、約１５ｎｍである。工程１０６はまた、等価な平坦貴金属表面から計って、０．５ミクロンの貴金属材料の除去を含む。
【００５４】
一般に、上記スラリー中のＴａＮバリア層上の白金金属の研磨速度は、４ＰＳＩの下向き力、ならびにスピンドルおよびテーブルの両方に対して４０ｒｐｍの回転速度で、約１８００オングストローム／分である。反対に、ＴａＮは、フィーチャの外縁のまわりだけが侵食によって除去される。白金の表面仕上げは、非常に滑らかで欠損がない。残りのＴａＮは、希釈ＨＦ溶液中でまたはプラズマエッチングによって除去される。
【００５５】
図３は、ダマシンＰｔのＳＥＭを示す。これらの写真は、Ｐｔでインレイを満たす工程および研磨する工程から形成された細いＰｔラインの断面図を示す。ダマシン白金構造体は、ＴａＮの代わりにＴｉＮおよびＴｉＮ／Ｔｉバリア層を使用して、上記臭素／水酸化白金研磨スラリーで製造され得る。ＴａＮの場合と異なり、白金スラリーは、フィールド領域からバリア層を容易に除去する。白金研磨速度は、約１５００オングストローム／分で繰り返し可能を維持する。研磨されたフィールドの見た目は、かなりきれいであり損傷がない。
【００５６】
図４は、本発明のスラリーを使用したダマシンＰｔの光学顕微鏡写真である。図４は、金属を満たされて電気的相互接続を形成するインレイまたはダマシン構造体を有するＩＣ構造体上でＣＭＰ工程を行う際に関する動態を示す。ダマシン構造体がバイアまたは相互接続溝などの１つのインレイを含むことが分かる。ダマシン構造体はまた、相互接続溝がバイアに位置を合わせて被さり２つのインレイ構造体の相互接続を形成するデュアルダマシン構造体を含む。
【００５７】
トポグラフィーの平坦化は、異なる高さおよび／または密度の隣接フィーチャが研磨工程によって平坦化される速度によって決定される。例えば、誘電体の上部表面および誘電体層における第１レベル。異なる高さは、誘電体層におけるバイアなどのインレイの結果であり得る。図５は、トポグラフィー効果の模式図である。ここで研磨パッドは、基板との接触によって多少圧縮された「バネ」の配列によって表される。この点について、これらのバネの物理的性質が研磨パッド材料のバルク弾性特性と単純に同一化されるべきでないことに注意する必要がある。そのような同一化は、パッドの表面が本質的に非常に滑らかで均一な場合に適用できる。しかし、ＣＭＰに使用される研磨パッドが決して滑らかでも均一でもないことは周知であり、実際にはパッドは、むしろ粗くランダムに分布した多くの凸凹によって覆われている。有効な除去速度を維持するために、研磨工程中に意図的にパッドを粗くする（すなわち、新しく凸凹をつくる）ことが実際には普通である。したがって、図５におけるバネとバルク材料は全く異なる弾性特性を有するので、バネを個々のパッド凸凹とみなすのがより現実に即している。
【００５８】
図６は、強誘電体キャパシタ構造体２００のダマシン集積回路電極の予備的形成を示す図である。相互接続構造体２００は、第１水平面２０６に沿って上部表面２０４を有する強誘電体層２０２を含む。貴金属は、貴金属表面を有する金属膜を形成するように堆積される。
【００５９】
図７は、ＣＭＰ工程後の図６の電極構造体２００を示す図である。誘電体層２０２はまた、誘電体層２０２中を誘電体上部表面２０４から第１水平レベル２０８までわたる参照記号２０７で表される第１垂直厚を有する。
【００６０】
誘電体層２０２は、誘電体上部表面２０４から誘電体第１水平レベル２０８にかけて第１厚２０７にわたる第１インレイ２１０を含む。一般に第１インレイ２１０は、バイアまたは相互接続溝である。上部表面２１３を有する貴金属電極２１２は、約０〜５０ｎｍの範囲の粗さ（参照記号２１４によって表される）を有し、第１面２０６と一列にならんでおり、誘電体上部表面２０４から誘電体第１水平レベル２０８まで誘電体第１インレイ２１０を満たす。電極２１２用に使用される貴金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｏｓ、およびＲｈからなる群から選択される。貴金属電極２１２は、誘電体層２０２を通り抜ける相互接続を形成する。本発明のある局面において、電極２１２は、誘電体中間レベル２０２を通り抜ける、金属レベル間の相互接続スタッドとして機能する。
【００６１】
一般に相互接続構造体２００は、基板２１６上の伝導接続表面２１５を含む。伝導接続表面は、相互接続金属、ポリシリコン、およびトランジスタ電極などの半活性領域からなる群から選択される。誘電体層２０２は、伝導接続表面２１５に被さる。貴金属電極２１２は、誘電体上部表面２０４から伝導接続表面２１５へ誘電体層２０２を通り抜けて伸びる。このように、貴金属強誘電体キャパシタ電極２００は、伝導接続表面２１４から誘電体上部表面２０４にかけて形成される。
【００６２】
本発明のある局面において、バリア層２１７は誘電体層２０２に被さり、誘電体層はバリア層２１８に被さる。一般にこれらのバリア層は非伝導である、しかし、伝導バリア層はまた本発明の他の局面において使用される。本発明のある局面において、バリア層２２０は、第１インレイ２１０を裏打ちする。バリア層２２０は、伝導または非伝導のいずれかである。ある局面において、図示しないが、伝導バリア材料は、電極２１２と伝導接続表面２１５との間に挟まれる。
【００６３】
図８は、図７の電極構造体２００と同様の、デュアルダマシン貴金属強誘電体キャパシタ電極構造体２５０を示す図である。簡単のために図７のダマシン電極構造体２００のいくつかの共通電極が図８において繰り返される。誘電体層２０２は、参照記号２５２によって表される第２垂直厚を有し、誘電体層２０２において誘電体第１水平レベル２０８から第２水平レベル２５４まで伸びる。あるいは、第２厚２５２は、別個の誘電体層であり、その上に誘電体層２０２が配置される。本発明のある局面において、バリア層は、２つの誘電体層を分離しない。
【００６４】
第２インレイ２５６は、誘電体層２０２において誘電体第１水平レベル２０８から誘電体第２水平レベル２５４にかけて形成される。第２インレイ２５６は、少なくとも部分的に、第１インレイ２１０と位置合わせされる。貴金属電極２１２は、第１および第２誘電体インレイ２１０および２５６を、誘電体上部表面２０４から誘電体第２水平レベル２５４まで満たす。本発明のある局面において、第１インレイ２１０は相互接続溝であり、第２インレイ２５６はバイアである。このように、デュアルダマシン電極構造体２５０が形成される。一般に電極構造体２５０は、電極２１２および誘電体層２０２の下の伝導表面２５８と誘電体上部表面２０４とのインターフェースである。
【００６５】
貴金属表面を研磨するためのスラリーおよびＣＭＰ工程が、本明細書中において提供される。上記のスラリーおよび研磨工程を使用して、ダマシンまたはデュアルダマシン貴金属インレイが形成され得る。本発明のスラリーは、ＣＭＰ工程中に貴金属と化学的に反応するための塩基性水溶液中の臭素などのハロゲンを使用する点において新規である。本発明の他の変形および実施態様は、当業者にとって明らかである。
貴金属表面を研磨するためのスラリーおよびＣＭＰ工程を提供する。スラリーおよび研磨工程を使用して、ダマシンまたはデュアルダマシン貴金属インレイを形成する。このようなインレイは、集積回路強誘電体キャパシタ電極を形成するのに有用である。スラリーは、貴金属と化学的に反応するように、塩基性水溶液中に臭素などのハロゲンを含む。研磨剤を加えたスラリーを使用して、ＣＭＰ工程中にウエハ表面から貴金属を研磨し除去する。
【００６６】
【発明の効果】
ＣＭＰ工程スラリーが貴金属の平坦化に用いられるように開発される。市販の標準的なＣＭＰ装置を使用して、標準的なＣＭＰ工程によって貴金属が平坦化されることが可能なスラリーが開発される。貴金属ＣＭＰ工程が存在し、ダマシンまたはデュアルダマシン蒸着技術を使用して貴金属構造体の形成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＭＰ工程を行うための装置（従来技術）を示す図である。
【図２】貴金属表面を有するウエハを研磨する本発明の方法における工程を示すフローチャートである。
【図３】ダマシンＰｔのＳＥＭである。
【図４】本発明のスラリーを使用したダマシンＰｔ光学顕微鏡写真である。
【図５】トポグラフィー効果を示す図である。
【図６】強誘電体キャパシタ構造のためのダマシン集積回路電極の予備的形成を示す図である。
【図７】ＣＭＰ工程の後の図６の電極構造の図である。
【図８】図７の電極構造と同様の、デュアルダマシン貴金属強誘電体キャパシタ電極構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ ＣＭＰ装置
１２ 回転テーブルパッド
１４ スピンドル
１６ ウエハ
１８ ポート
２００ 電極構造体
２０２ 誘電体層
２０４ 上部表面
２０６ 第１水平面
２０８ 第１水平レベル
２１０ 第１誘電体層
２１２ 貴金属電極
２１３ 上部表面
２１５ 伝導接続表面
２１６ 基板
２１７ バリア層
２１８ バリア層
２５０ デュアルダマシン貴金属強誘電体キャパシタ電極構造体
２５２ 第２厚
２５４ 誘電体第２水平レベル
２５６ 第２インレイ
２５８ 伝導表面
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、集積回路（ＩＣ）製造工程、特に、貴金属の平坦化を可能にする化学的−機械的研磨（ＣＭＰ）スラリー、および貴金属ダマシン電極構造体の形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＭＰ工程は、大量生産製造環境においてＩＣ表面をウエハ表面全体にわたり約５０〜１５００オングストロームの範囲におさまる平坦性を有するように研磨するように設計される。ＣＭＰ工程は、主に金属化工程の後に行われる。堆積された金属膜は、ウエハのある領域では平坦化されなければならないが、別の領域においては完全に除去される。したがって、シリコン、酸化シリコン、および他の種々の誘電体材料と同様に、金属も下部のウエハ表面を汚染または損傷せずに同時に除去されることがある。
【０００３】
多くの商業工程において、ＡｌまたはＷなどの相互接続金属は、物理蒸着（ＰＶＤ）またはスパッタリングを介してウエハ表面上に膜状に堆積される。ウエハ表面を横切る相互接続線、または続いて形成される被覆ＩＣ金属レベルへのバイアは、金属膜の不用な領域を除去するように、パターンエッチングによって形成される。酸化物は一般的に、金属相互接続の周辺に絶縁用に用いられる。ＩＣレベルの完成時に、ＣＭＰ工程は、表面を平坦にするように行われる。
【０００４】
白金（Ｐｔ）および他の貴金属は、ＩＣ構造強誘電体キャパシタ中に使用される。貴金属が使用される理由は、化学的耐性の性質を有するからである。この性質は、強誘電体キャパシタの製造において見られるような高温度酸化条件下において特に望ましい。さらに、貴金属とペロブスカイト酸化金属などの強誘電体材料との間の化学的相互作用が無視できるほど小さい。
【０００５】
しかし、貴金属のパターンエッチングは、ウエットエッチングまたはドライエッチングのどちらを介して行うとしても、問題となり得る。エッチングは、パターン定義が不良となる傾向がある。例えば、エッチングの結果得られた金属構造体の側壁は、垂直となる代わりに、傾斜を有することがよくある。また、エッチング工程は化学的残留物を残すが、この残留物は、ＣＭＰ工程を行っても垂直な側壁構造体から除去することができない。
【０００６】
金属構造体はまた、ダマシン技術を用いてもパターン形成することができる。誘電体膜が最初に形成される。誘電体は、インレイを形成するようにパターンエッチングされる。次に、金属が誘電体上に堆積され、インレイを満たし、誘電体上に膜を形成する。ＣＭＰ工程は、被覆金属膜を除去し、金属を満たされたインレイを露出する。
【０００７】
商業装置を容易に利用してＣＭＰ工程を行うことができる。図１は、ＣＭＰ工程（従来技術）を行う装置を示す。ＣＭＰ装置１０は、回転テーブルパッド１２および回転ウエハ取付パッド、すなわちスピンドル１４を備える。一般に、研磨されるウエハ１６は、回転スピンドル１４上に逆さまに取り付けられる。研磨パッド１２もまた回転される。研磨パッド１２は一般に、市販のポリエステル／ポリウレタン材料である。スラリーは、ポート１８を介して、回転テーブルパッド１２およびウエハホルダ１４の間に導入される。研磨工程における主な変数は、パッド１２およびホルダ１４の相対回転速度、ウエハ１６とパッド１２との間の圧力、工程の持続時間、および使用されるスラリーの種類である。
【０００８】
名称が示唆するように、ＣＭＰ工程は、化学反応および物理的磨滅の両方によってウエハ表面から材料を除去する。一般的なＣＭＰ工程において、スラリーは、除去される材料に選択的な化学剤（エッチャントまたは改質剤）を含む。化学剤はウエハ表面を化学的に溶かすように作用し、研磨剤はウエハ表面から改質された材料を除去するように作用する。水酸化カリウムがエッチャントとして、およびシリカが研磨剤として使用される場合、このようなスラリーは、シリコン、二酸化シリコン、および窒化シリコンを研磨するのに有効である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
いくつかのスラリー化合物が、Ａｌ、Ｗ、銅、Ｓｉ、ＳｉＯ2、およびＳｉ3Ｎ4などを除去するために開発されてきた。しかし、ＣＭＰ工程において貴金属を除去するために利用できる有効なスラリーは全くない。貴金属を有効な電気的コンダクタにするのと同じ性質が貴金属をまた化学反応に対して耐性にし、したがってエッチングを困難にさせる。貴金属のための蒸着方法が開発されたとしても、有効なＣＭＰ工程、特に有効なスラリーがなければ、現在のＩＣ設計の電極または相互接続に貴金属を使用することは妨げられる。
【００１０】
ＣＭＰ工程スラリーが貴金属の平坦化に用いられるように開発されたならば、利点がある。
【００１１】
市販の標準的なＣＭＰ装置を使用して、標準的なＣＭＰ工程によって貴金属が平坦化されることが可能なスラリーが開発されたならば、利点がある。
【００１２】
貴金属ＣＭＰ工程が存在し、ダマシンまたはデュアルダマシン蒸着技術を使用して貴金属構造体の形成が可能となれば、利点がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの局面において、貴金属を研磨するための化学的活性スラリーは、強塩基性水溶液中のハロゲン元素と、研磨剤とを含み、得られたスラリーが、従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）装置を用いて貴金属を研磨するために使用される。
【００１４】
本発明の１つの実施態様において、上記ハロゲン元素は、臭素、ヨウ素、および塩素からなる群から選択されるが、臭素が好ましい。
【００１５】
本発明の１つの実施態様において、上記強塩基性水溶液のｐＨが約１０より大きい。
【００１６】
本発明の１つの実施態様において、上記水溶液塩基は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、または水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択されるが、ＮａＯＨが好ましい。
【００１７】
本発明の１つの実施態様において、上記ハロゲン元素が水酸化ナトリウムを有する溶液中に臭素を含む。
【００１８】
本発明の１つの実施態様において、上記研磨剤が、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、またはＳｉＯ2からなる群から選択される。
【００１９】
本発明の１つの実施態様において、上記研磨剤が酸化アルミニウムであり、酸化アルミニウムが水と混合され１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液を形成する。
【００２０】
本発明の１つの実施態様において、１．３モルの臭素（Ｂｒ2）と０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を５００ｍｌ水中で混合し、水酸化ナトリウムおよび臭素水溶液を形成する。
【００２１】
本発明の１つの実施態様において、容量比で５の割合の前記水酸化ナトリウムおよび臭素の溶液を、１の割合の前記酸化アルミニウム懸濁液で混合する。
【００２２】
本発明の別の局面において、貴金属表面を有するウエハを研磨する方法であって、テーブル研磨パッドおよびスピンドルが提供され、ａ）研磨パッドと相互作用するようにウエハ貴金属表面を設置する工程と、ｂ）強塩基性水溶液中のハロゲン元素および研磨剤を、テーブルパッドと貴金属表面との間に挟まれるようにスラリーを導入する工程と、ｃ）工程ａ）およびｂ）に応答して、貴金属表面を化学的に研磨する工程とを含み、貴金属が従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）システムによって研磨される。
【００２３】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されるスラリーが、臭素、ヨウ素、および塩素からなる群から選択されるハロゲン元素を含む。
【００２４】
本発明の１つの実施態様において、上記ハロゲン元素が臭素であり、上記工程ｂ）において導入されるスラリーが、水酸化ナトリウムを有する溶液中に臭素を含む。
【００２５】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されたスラリーの強塩基性水溶液が、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、および水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択される塩基を含む。
【００２６】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されたスラリーが、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、およびＳｉＯ2からなる群から選択される研磨剤を含む。
【００２７】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入された研磨剤が酸化アルミニウムであり、上記工程ｂ）が、水と混合され１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液を形成する酸化アルミニウムを含む。
【００２８】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されたスラリーが、０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と５００ｍｌの水中で混合される１．３モルの臭素（Ｂｒ2）を含む。
【００２９】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）において導入されたスラリーが、容量比１の割合の該酸化アルミニウム懸濁液で混合された５の割合の前記水酸化ナトリウムおよび臭素の溶液を含む。
【００３０】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ａ）が、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｏｓ、およびＲｈからなる群から選択される貴金属表面を含む。ＰｔＣＭＰ工程は、商業的に大きな期待がもてる。
【００３１】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ａ）がＰｔが貴金属であり、上記工程ｃ）が、約１５００〜２０００オングストローム／分の範囲の速度でＰｔ表面から材料を除去する工程を含む。
【００３２】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ａ）が貴金属表面とテーブルパッドとを相互作用させる工程を含み、金属表面と上記テーブルパッドとの間の圧力が約０〜約６ＰＳＩであり、テーブルパッド回転速度が約０〜６０ＲＰＭの範囲であり、スピンドル速度が約０〜６０ＲＰＭの範囲である。
【００３３】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｃ）が、等価な平坦貴金属表面において計った場合、約０．５ミクロンまでの貴金属材料の除去によって約０〜５０ｎｍの範囲の粗さまで前記貴金属を研磨する工程を含む。
【００３４】
本発明の１つの実施態様において、上記工程ｂ）が１分当たり約０〜３００ミリメートルの範囲の流速でスラリーを導入する工程を含む。
【００３５】
本発明の別の局面において、強誘電体キャパシタ構造のためのダマシン集積回路電極は、第１水平面に沿う上部表面を有する誘電体層であって、誘電体層において誘電体上部表面から第１水平レベルへ伸びる第１垂直厚を有する、誘電体層と、ここで誘電体層が誘電体上部表面から第１厚を通って誘電体第１水平レベルまで形成される第１インレイを含み、上部表面を有する貴金属電極であって、約０〜５０ｎｍの範囲の粗さを有し、第１面と一列にならんでいる貴金属電極とを含み、貴金属スタッドが誘電体上部表面から誘電体第１水平レベルまで誘電体第１インレイを満たし、これにより貴金属スタッドが誘電体層を通る相互接続を形成する。
【００３６】
本発明の１つの実施態様において、上記貴金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｏｓ、およびＲｈからなる群から選択される。
【００３７】
本発明の１つの実施態様において、上記誘電体層が、誘電体層において上記誘電体第１水平レベルから第２水平レベルに伸びる第２垂直厚を有し、第２インレイが、誘電体操において誘電体第１水平レベルから誘電体第２水平レベルまで形成され、第２インレイが、少なくとも部分的に、第１インレイと位置合わせされ、貴金属電極が、第１および第２誘電体インレイを誘電体上部表面から誘電体第２水平レベルまで満たし、これによりデュアルダマシン電極が形成される。
【００３８】
本発明の１つの実施態様において、伝導接続表面をさらに含み、上記誘電体層が伝導接続表面に被さり、上記貴金属電極が、誘電体層を通り上記誘電体上部表面から伝導接続表面に伸び、これにより貴金属電極が伝導接続表面から誘電体上部表面にかけて形成される。
【００３９】
【発明の実施の形態】
貴金属の研磨が困難であることは周知である。これは、半反応ポテンシャルの低減において反映される：
Ｉｒ3+＋３ｅ-→Ｉｒ ＋１．１５６ｖ
Ｐｔ2+＋２ｅ-→Ｐｔ ＋１．１１８ｖ
これらのポテンシャルは、塩化物イオンつまりハロゲン化物によって低減され得る：
ＩｒＣｌ6 3-＋３ｅ-→Ｉｒ＋６Ｃｌ- ＋０．７７０ｖ
ＰｔＣｌ4 2-＋２ｅ-→Ｐｔ＋４Ｃｌ- ＋０．７５５ｖ
最後に、ポテンシャルの低減は、ｐＨを増加させることによってさらに低減される：
Ｉｒ2Ｏ3＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ-→２Ｉｒ＋６ＯＨ- ＋０．０９８ｖ
Ｐｔ（ＯＨ）2＋２ｅ-→Ｐｔ＋２ＯＨ- ＋０．１４０ｖ
したがって、貴金属を研磨するための化学的活性スラリーは、強塩基性水溶液中のハロゲン元素、および研磨剤を含む。強塩基性水溶液は一般に、約１０より大きいｐＨを有する。ただし、約１１〜１３のｐＨが好ましい。得られたスラリーは、従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）装置を用いて貴金属を研磨するために使用される。
【００４０】
現在許可され且つ手近な酸化剤は、ヨウ素、臭素、ヨウ素酸塩、過ヨウ素酸塩、過塩素酸塩、過酸化二硫酸塩、および過マンガン酸塩である。当然ながら、塩素は、窒素と塩酸との反応によって化学的に生成され得る。
【００４１】
半反応ポテンシャルの上記分析から分かるように、強塩基中のハロゲン溶液は、貴金属と効果的に反応する。水溶液の塩基は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、および水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択される。
【００４２】
強塩基において、フッ素を除いては、ハロゲン元素は不均化反応を起こし、ハロゲンイオンＸ-の等価物、および次亜ハロゲン酸塩イオンＸＯ-の等価物を形成する：
Ｘ2＋２ＯＨ-→Ｘ-＋ＸＯ-＋Ｈ2Ｏ
塩素の場合、次亜ハロゲン酸塩（次亜塩素酸塩）イオンは比較的安定であり、室温ではこれ以上の不均化反応が起きない。しかし、他のハロゲンについては、さらなる不均化反応が起きて、亜ハロゲン酸塩イオンを形成する：
２ＸＯ-→Ｘ-＋ＸＯ2 -
または、ハロゲン酸塩イオン：
３ＸＯ2 -→Ｘ-＋２ＸＯ3 -
または、最後に過ハロゲン酸塩イオン：
４ＸＯ3 -→Ｘ-＋３ＸＯ4 -
塩素の場合、すべてのオキソハロゲンイオンが存在する（次亜塩素酸塩、亜塩素酸塩、塩素酸塩、および過塩素酸塩）；臭素およびヨウ素の場合、ハロゲン酸塩イオンおよび過ハロゲン酸塩イオンだけが安定である（次亜臭素酸塩および次亜ヨウ素酸塩は、過渡的な種であり、臭素酸塩およびヨウ素酸塩は存在しないようである）。
【００４３】
したがって、本発明は、臭素、ヨウ素、および塩素からなる群から選択されたハロゲン元素を含む。１つの好ましい実施態様において、ハロゲン元素は、水酸化ナトリウムを有する溶液中に臭素を含む。
【００４４】
ヨウ素は、不十分な酸化ポテンシャルのために有効でない。しかし、強塩基臭素溶液およびアルミナ研磨剤との組み合わせは有効であり、白金が約１５００オングストローム／分の速度で研磨され得る。
【００４５】
本発明のスラリーは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、およびＳｉＯ2からなる群から選択される研磨剤を含む。研磨剤が酸化アルミニウムである場合、酸化アルミニウムは水と混合され、１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液を形成する。容量比で水酸化ナトリウムおよび臭素溶液の５に対し、酸化アルミニウム懸濁液の１の割合で両者が混合される。
【００４６】
さらに、上記スラリーを使用して、ダマシン方法による白金パターニングが実現可能である。本発明の１つの実施態様において、プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）二酸化シリコンが、ダマシン構造体の製造のために使用される。ダマシンエッチングの深さは、３１００オングストロームである。厚さ４５００オングストロームの白金層が、パターン化された表面を覆うように先に堆積された薄いＴａＮバリア層上に堆積される。使用されるスラリー調製物は、
臭素： １０５ｇ
水酸化ナトリウム ４０ｇ
具体的には、１．３モルの臭素（Ｂｒ2）と０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とを混合し、水酸化ナトリウムおよび臭素水溶液を形成する。風袋を計ったビーカに約１００ｍｌのＤＩ水を加え、そのビーカ中で臭素は計測可能である。臭素は、水よりも重く、水に混ざらず、ほんのわずかしか水に溶けないので、ビーカの底へ沈む。したがって、臭素蒸気の発生は、豊富でない。別のビーカにおいて、水酸化ナトリウムを約２００ｍｌの水に溶かす。ＮａＯＨ溶液の熱は大きく、水酸化溶液は非常に熱くなるので注意しなければならない。臭素とＮａＯＨとの反応は発熱性が高いので、沸騰および臭素蒸気の発生を防ぐために、水酸化ナトリウム溶液は、臭素および水の混合物にゆっくりと加える。一旦すべての水酸化ナトリウムが加えられると、溶液が鮮やかなオレンジ色になるように臭素を完全に溶解しなければならない。この混合物を全体積が５００ｍｌとなるように希釈し、次に１００ｍｌのＲｏｄｅｌ ＭＳＷ２０００Ａ（または同等物）アルミナ懸濁液を加えて、スラリーを完成させる。
【００４７】
アルカリ性溶液において、臭素酸塩および臭化物イオンは、以下の化学式にしたがって元素状態の臭素と平衡状態にある：
６Ｂｒ2＋１２ＯＨ-→１０Ｂｒ-＋２ＢｒＯ3 -＋６Ｈ2Ｏ
臭素および臭素酸塩イオンの両方は、比較的強い酸化剤であり、白金を攻撃する原因となる。
【００４８】
図２は、貴金属表面を用いてウエハを研磨する本発明の方法における工程を示す。工程１００は、ＩＣウエハを取り付けるＣＭＰ工程テーブル研磨パッドおよびスピンドルを与える。工程１０２は、ウエハ貴金属表面を研摩パッドと相互作用するように設置する。工程１０２は、Ｐｔが好ましいが、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｏｓ、およびＲｈからなる群から選択される貴金属を含む。
【００４９】
工程１０４は、強塩基性水溶液中のハロゲン元素、および研磨剤を含むスラリーをテーブルパッドと貴金属表面との間に入れるように導入する。本発明のある局面において、工程１０４は、臭素、ヨウ素、および塩素からなる群から選択されるハロゲン元素を含む。工程１０４において導入されたスラリーの強塩基性水溶液は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、および水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択される塩基を含む。好ましくは、ハロゲン元素が臭素であって、工程１０４において導入されるスラリーが溶液中に水酸化ナトリウムとともに臭素を含む。具体的には、スラリーは１．３モルの臭素（Ｂｒ2）と０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とを混合する。
【００５０】
工程１０４において導入されたスラリーは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、またはＳｉＯ2からなる群から選択される研磨剤を含む。研磨剤が酸化アルミニウムである場合、工程１０４は、水と混合されて１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液を形成する酸化アルミニウムを含む。スラリーは、容量比で水酸化ナトリウムおよび臭素溶液の５に対し、酸化アルミニウム懸濁液の１の割合で混合される。本発明のある局面において、工程１０４は、１分当たり約０〜３００ミリメートルの範囲の流速でスラリーを導入する工程を含む。本発明のある局面において、スラリーの粒子の大きさは、約１ミクロン以下である。
【００５１】
工程１０６は、工程１０２および１０４に応答して、貴金属表面を滑らかな表面仕上げを有するように化学的に研磨する。工程１０２は、１平方インチ当たり約０〜６ポンド（ＰＳＩ）の範囲の力を含む。金属表面とテーブルパッドの間の好ましい圧力は、約４ＰＳＩである。研磨パッド回転速度は、１分当たり約０〜６０回転（ＲＰＭ）の範囲であり、約４０ＲＰＭの回転速度が好ましい。同様に、スピンドル速度は、１分当たり約０〜６０回転（ＲＰＭ）の範囲であり、約４０ＲＰＭの回転速度が好ましい。工程１０８は、成果であり、貴金属が従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）システムにおいて研磨される。
【００５２】
本発明のある局面において、工程１０２は貴金属である白金を含み、工程１０６は約１５００〜２０００オングストローム／分の範囲の速度で白金表面から材料を除去する工程を含む。この除去速度は、１８００オングストローム／分が好ましい。
【００５３】
本発明のある局面において、工程１０６は、５０ナノメートル（ｎｍ）より小さい粗さに貴金属を研磨する工程を含む。好ましい粗さは、約１５ｎｍである。工程１０６はまた、等価な平坦貴金属表面から計って、０．５ミクロンの貴金属材料の除去を含む。
【００５４】
一般に、上記スラリー中のＴａＮバリア層上の白金金属の研磨速度は、４ＰＳＩの下向き力、ならびにスピンドルおよびテーブルの両方に対して４０ｒｐｍの回転速度で、約１８００オングストローム／分である。反対に、ＴａＮは、フィーチャの外縁のまわりだけが侵食によって除去される。白金の表面仕上げは、非常に滑らかで欠損がない。残りのＴａＮは、希釈ＨＦ溶液中でまたはプラズマエッチングによって除去される。
【００５５】
図３は、ダマシンＰｔのＳＥＭを示す。これらの写真は、Ｐｔでインレイを満たす工程および研磨する工程から形成された細いＰｔラインの断面図を示す。ダマシン白金構造体は、ＴａＮの代わりにＴｉＮおよびＴｉＮ／Ｔｉバリア層を使用して、上記臭素／水酸化白金研磨スラリーで製造され得る。ＴａＮの場合と異なり、白金スラリーは、フィールド領域からバリア層を容易に除去する。白金研磨速度は、約１５００オングストローム／分で繰り返し可能を維持する。研磨されたフィールドの見た目は、かなりきれいであり損傷がない。
【００５６】
図４は、本発明のスラリーを使用したダマシンＰｔの光学顕微鏡写真である。図４は、金属を満たされて電気的相互接続を形成するインレイまたはダマシン構造体を有するＩＣ構造体上でＣＭＰ工程を行う際に関する動態を示す。ダマシン構造体がバイアまたは相互接続溝などの１つのインレイを含むことが分かる。ダマシン構造体はまた、相互接続溝がバイアに位置を合わせて被さり２つのインレイ構造体の相互接続を形成するデュアルダマシン構造体を含む。
【００５７】
トポグラフィーの平坦化は、異なる高さおよび／または密度の隣接フィーチャが研磨工程によって平坦化される速度によって決定される。例えば、誘電体の上部表面および誘電体層における第１レベル。異なる高さは、誘電体層におけるバイアなどのインレイの結果であり得る。図５は、トポグラフィー効果の模式図である。ここで研磨パッドは、基板との接触によって多少圧縮された「バネ」の配列によって表される。この点について、これらのバネの物理的性質が研磨パッド材料のバルク弾性特性と単純に同一化されるべきでないことに注意する必要がある。そのような同一化は、パッドの表面が本質的に非常に滑らかで均一な場合に適用できる。しかし、ＣＭＰに使用される研磨パッドが決して滑らかでも均一でもないことは周知であり、実際にはパッドは、むしろ粗くランダムに分布した多くの凸凹によって覆われている。有効な除去速度を維持するために、研磨工程中に意図的にパッドを粗くする（すなわち、新しく凸凹をつくる）ことが実際には普通である。したがって、図５におけるバネとバルク材料は全く異なる弾性特性を有するので、バネを個々のパッド凸凹とみなすのがより現実に即している。
【００５８】
図６は、強誘電体キャパシタ構造体２００のダマシン集積回路電極の予備的形成を示す図である。相互接続構造体２００は、第１水平面２０６に沿って上部表面２０４を有する強誘電体層２０２を含む。貴金属は、貴金属表面を有する金属膜を形成するように堆積される。
【００５９】
図７は、ＣＭＰ工程後の図６の電極構造体２００を示す図である。誘電体層２０２はまた、誘電体層２０２中を誘電体上部表面２０４から第１水平レベル２０８までわたる参照記号２０７で表される第１垂直厚を有する。
【００６０】
誘電体層２０２は、誘電体上部表面２０４から誘電体第１水平レベル２０８にかけて第１厚２０７にわたる第１インレイ２１０を含む。一般に第１インレイ２１０は、バイアまたは相互接続溝である。上部表面２１３を有する貴金属電極２１２は、約０〜５０ｎｍの範囲の粗さ（参照記号２１４によって表される）を有し、第１面２０６と一列にならんでおり、誘電体上部表面２０４から誘電体第１水平レベル２０８まで誘電体第１インレイ２１０を満たす。電極２１２用に使用される貴金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｏｓ、およびＲｈからなる群から選択される。貴金属電極２１２は、誘電体層２０２を通り抜ける相互接続を形成する。本発明のある局面において、電極２１２は、誘電体中間レベル２０２を通り抜ける、金属レベル間の相互接続スタッドとして機能する。
【００６１】
一般に相互接続構造体２００は、基板２１６上の伝導接続表面２１５を含む。伝導接続表面は、相互接続金属、ポリシリコン、およびトランジスタ電極などの半活性領域からなる群から選択される。誘電体層２０２は、伝導接続表面２１５に被さる。貴金属電極２１２は、誘電体上部表面２０４から伝導接続表面２１５へ誘電体層２０２を通り抜けて伸びる。このように、貴金属強誘電体キャパシタ電極２００は、伝導接続表面２１４から誘電体上部表面２０４にかけて形成される。
【００６２】
本発明のある局面において、バリア層２１７は誘電体層２０２に被さり、誘電体層はバリア層２１８に被さる。一般にこれらのバリア層は非伝導である、しかし、伝導バリア層はまた本発明の他の局面において使用される。本発明のある局面において、バリア層２２０は、第１インレイ２１０を裏打ちする。バリア層２２０は、伝導または非伝導のいずれかである。ある局面において、図示しないが、伝導バリア材料は、電極２１２と伝導接続表面２１５との間に挟まれる。
【００６３】
図８は、図７の電極構造体２００と同様の、デュアルダマシン貴金属強誘電体キャパシタ電極構造体２５０を示す図である。簡単のために図７のダマシン電極構造体２００のいくつかの共通電極が図８において繰り返される。誘電体層２０２は、参照記号２５２によって表される第２垂直厚を有し、誘電体層２０２において誘電体第１水平レベル２０８から第２水平レベル２５４まで伸びる。あるいは、第２厚２５２は、別個の誘電体層であり、その上に誘電体層２０２が配置される。本発明のある局面において、バリア層は、２つの誘電体層を分離しない。
【００６４】
第２インレイ２５６は、誘電体層２０２において誘電体第１水平レベル２０８から誘電体第２水平レベル２５４にかけて形成される。第２インレイ２５６は、少なくとも部分的に、第１インレイ２１０と位置合わせされる。貴金属電極２１２は、第１および第２誘電体インレイ２１０および２５６を、誘電体上部表面２０４から誘電体第２水平レベル２５４まで満たす。本発明のある局面において、第１インレイ２１０は相互接続溝であり、第２インレイ２５６はバイアである。このように、デュアルダマシン電極構造体２５０が形成される。一般に電極構造体２５０は、電極２１２および誘電体層２０２の下の伝導表面２５８と誘電体上部表面２０４とのインターフェースである。
【００６５】
貴金属表面を研磨するためのスラリーおよびＣＭＰ工程が、本明細書中において提供される。上記のスラリーおよび研磨工程を使用して、ダマシンまたはデュアルダマシン貴金属インレイが形成され得る。本発明のスラリーは、ＣＭＰ工程中に貴金属と化学的に反応するための塩基性水溶液中の臭素などのハロゲンを使用する点において新規である。本発明の他の変形および実施態様は、当業者にとって明らかである。
貴金属表面を研磨するためのスラリーおよびＣＭＰ工程を提供する。スラリーおよび研磨工程を使用して、ダマシンまたはデュアルダマシン貴金属インレイを形成する。このようなインレイは、集積回路強誘電体キャパシタ電極を形成するのに有用である。スラリーは、貴金属と化学的に反応するように、塩基性水溶液中に臭素などのハロゲンを含む。研磨剤を加えたスラリーを使用して、ＣＭＰ工程中にウエハ表面から貴金属を研磨し除去する。
【００６６】
【発明の効果】
ＣＭＰ工程スラリーが貴金属の平坦化に用いられるように開発される。市販の標準的なＣＭＰ装置を使用して、標準的なＣＭＰ工程によって貴金属が平坦化されることが可能なスラリーが開発される。貴金属ＣＭＰ工程が存在し、ダマシンまたはデュアルダマシン蒸着技術を使用して貴金属構造体の形成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＭＰ工程を行うための装置（従来技術）を示す図である。
【図２】貴金属表面を有するウエハを研磨する本発明の方法における工程を示すフローチャートである。
【図３】ダマシンＰｔのＳＥＭである。
【図４】本発明のスラリーを使用したダマシンＰｔ光学顕微鏡写真である。
【図５】トポグラフィー効果を示す図である。
【図６】強誘電体キャパシタ構造のためのダマシン集積回路電極の予備的形成を示す図である。
【図７】ＣＭＰ工程の後の図６の電極構造の図である。
【図８】図７の電極構造と同様の、デュアルダマシン貴金属強誘電体キャパシタ電極構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ ＣＭＰ装置
１２ 回転テーブルパッド
１４ スピンドル
１６ ウエハ
１８ ポート
２００ 電極構造体
２０２ 誘電体層
２０４ 上部表面
２０６ 第１水平面
２０８ 第１水平レベル
２１０ 第１誘電体層
２１２ 貴金属電極
２１３ 上部表面
２１５ 伝導接続表面
２１６ 基板
２１７ バリア層
２１８ バリア層
２５０ デュアルダマシン貴金属強誘電体キャパシタ電極構造体
２５２ 第２厚
２５４ 誘電体第２水平レベル
２５６ 第２インレイ
２５８ 伝導表面
Claims (22)
- 化学的機械的研磨（ＣＭＰ）装置を用いて貴金属を研磨するために使用される化学的活性スラリーであって、
臭素、ヨウ素、および塩素からなる群から選択されるハロゲン分子が含まれて、ｐＨが１０より大きい強塩基性水溶液と、
研磨剤とを含む、化学的活性スラリー。 - 前記強塩基性水溶液が、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、および水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択される塩基を含む、請求項１に記載の化学的活性スラリー。
- 前記強塩基性水溶液が、水酸化ナトリウム水溶液に、前記ハロゲン分子として臭素を含んで構成されている、請求項１に記載の化学的活性スラリー。
- 前記研磨剤が、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、およびＳｉＯ2からなる群から選択される、請求項１に記載の化学的活性スラリー。
- 前記研磨剤が酸化アルミニウムであり、該酸化アルミニウムが水と混合されることによって１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液とされて前記強塩基性水溶液と混合されている、請求項４に記載の化学的活性スラリー。
- 前記強塩基性水溶液は、１．３モルの臭素（Ｂｒ2）と０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とを水中で混合して、全体積が５００ｍｌとされている、請求項５に記載の化学的活性スラリー。
- 前記強塩基性水溶液と前記酸化アルミニウム懸濁液とが容量比で５：１の割合で混合されている、請求項６に記載の化学的活性スラリー。
- テーブル研磨パッドおよびスピンドルを有する化学的機械的研磨（ＣＭＰ）システムによって貴金属表面を有するウエハを研磨する方法であって、
ａ）前記ウエハの貴金属表面が前記テーブル研磨パッドと相互作用するように前記ウェハを前記スピンドルに設置する工程と、
ｂ）請求項１に記載のスラリーを、前記テーブル研磨パッドと前記貴金属表面との間に挟まれるように導入するとともに、前記テーブル研磨パッドおよび前記スピンドルを相対的に回転させて前記貴金属表面を化学的に研磨する工程とを含む、研磨方法。 - 前記工程ｂ）において導入される前記スラリーが、水酸化ナトリウム溶液中にハロゲン分子として臭素を含んで構成されている、請求項８に記載の研磨方法。
- 前記工程ｂ）において導入される前記スラリーの強塩基性水溶液が、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）、および水酸化テトラアルキルアンモニウム（Ｒ4ＮＯＨ）からなる群から選択される塩基を含む、請求項８に記載の研磨方法。
- 前記工程ｂ）において導入される前記スラリーが、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ＣｅＯ2、およびＳｉＯ2からなる群から選択される研磨剤を含む、請求項８に記載の研磨方法。
- 前記工程ｂ）において導入された前記スラリーに含まれる研磨剤が酸化アルミニウムであり、該酸化アルミニウムが水と混合されることによって１〜５０重量％の酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム懸濁液とされて前記強塩基性水溶液と混合されることにより、該工程ｂ）において導入される前記スラリーが形成されている、請求項１１に記載の研磨方法。
- 前記工程ｂ）において導入される前記スラリーの前記強塩基性水溶液は、１．３モルの臭素（Ｂｒ2）と０．５モルの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とを水中で混合して全体積が５００ｍｌとされている、請求項１２に記載の研磨方法。
- 前記工程ｂ）において導入される前記スラリーは、前記強塩基性水溶液と前記酸化アルミニウム懸濁液とが容量比で５：１の割合で混合されている、請求項１３に記載の研磨方法。
- 前記ウエハの前記貴金属が、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｏｓ、およびＲｈからなる群から選択される、請求項８に記載の方法。
- 前記貴金属がＰｔであり、前記工程ｂ）における前記テーブル研磨パッドおよび前記スピンドルの相対回転速度が１５００〜２０００オングストローム／分の範囲になっている、請求項８に記載の方法。
- 前記工程ａ）において、前記貴金属表面と前記テーブル研磨パッドとの間の圧力が６ＰＳＩ以下とされて、前記工程ｂ）において、該テーブル研磨パッド回転速度が６０ＲＰＭ以下、前記スピンドル回転速度が６０ＲＰＭ以下とされる、請求項８に記載の方法。
- 前記工程ｂ）において、前記貴金属の表面を０．５ミクロン以下にわたって除去することにより前記貴金属の表面を５０ｎｍ以下の粗さまで平坦化する、請求項８に記載の方法。
- 前記工程ｂ）において、１分当たり３００ミリメートル以下の流速で前記スラリーを導入する、請求項８に記載の方法。
- 前記ウエハの前記貴金属が、強誘電体キャパシタ構造のためのダマシン集積回路電極である、請求項８に記載の方法。
- 前記ウエハが、第１水平面に沿う上部表面と、該上部表面から第１の垂直厚さの第１水平レベルまで形成される第１インレイとを有する誘電体層を有し、
前記貴金属が、該誘電体の前記第１インレイを満たすとともに該誘電体上に設けられている、請求項８に記載の方法。 - 前記誘電体層が、前記第１水平レベルから第２水平レベルまでの第２垂直厚を有する第２インレイを前記第１インレイ内に有しており、前記貴金属が、該第２インレイを満たしている、請求項２１に記載の研磨方法。
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