JP4494538B2 - 銅系基板に有用な化学的・機械的研磨用スラリー - Google Patents

銅系基板に有用な化学的・機械的研磨用スラリー Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、錯生成剤、少なくとも1種の酸化剤、少なくとも1種の研磨材、及び膜生成剤を含む化学的・機械的研磨用スラリーに関する。本化学的・機械的研磨用スラリーは、半導体の製造に付随する金属層と薄膜の研磨に有用である。より詳しくは、本発明は、層又は膜の1つが銅又は銅含有合金を含む多層の金属層と薄膜を研磨するのに特に適する化学的・機械的研磨用スラリーに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
集積回路は、シリコン基板の中又は上に形成された数百万個の活性デバイスから形成される。最初は互いに独立した活性デバイスは相互に接続され、機能性の回路とコンポーネントを形成する。デバイスは、周知の多重レベル相互接続を使用して相互に接続される。相互接続構造は、一般に、第1のメラタイゼーション層、相互接続層、第2メラタイゼーションレベル、及び場合により第3以降のメラタイゼーションレベルを有する。ドーピングされた又はドーピングされていない二酸化ケイ素(SiO2 )のような中間レベル誘電体が使用され、シリコン基板又はウェルのいろいろなメラタイゼーションベルを電気絶縁する。いろいろな相互接続レベルの間の電気接続は、金属化ビアの使用によって行われる。本願でも参考にして取り入れられている米国特許第4789648号は、絶縁体膜中の多重金属化層と金属化ビアを調製する方法を記載している。同様な仕方で金属接点が使用され、ウェルの中に形成された相互接続レベルとデバイスの間の電気接続を形成する。金属ビアと接点は、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)、タンタル(Ta)、アルミニウム−銅(Al−Cu)、アルミニウム−ケイ素(Al−Si)、銅(Cu)、タングステン(W)、及びこれらの組み合わせのなどの種々の金属又は金属合金で装填されることができる。金属ビアと接点は、一般に、金属層をSiO2 基板に接着するため、窒化チタン(TiN)及び/又はチタン(Ti)のような接着層を使用する。接点レベルにおいて、接着層は、装填された金属とSiO2 が反応することを防ぐための拡散バリヤとして作用する。
【0003】
半導体製造プロセスの1つにおいて、金属化ビア又は接点は、ブランケット金属の堆積と、それに続く化学的・機械的研磨(CMP)工程によって形成される。一般的なプロセスにおいて、ビアホールは、中間レベル誘電体(ILD)を貫いて相互接続ライン又は半導体基板までエッチングされる。次いで、一般に、中間レベル誘電体を覆って窒化チタン及び/又はチタンのような薄い接着層が形成され、エッチングされたビアホールの中に導かれる。次いで金属膜が、接着層を覆って且つビアホールの中にブランケット堆積される。堆積は、ビアホールがブランケット堆積金属で装填されるまで続けられる。最後に、化学的・機械的研磨(CMP)によって余剰金属が除去され、金属ビアを形成する。ビアの形成及び/又は化学的・機械的研磨プロセスは、米国特許第4671851号、同4910155号、及び同4944836号に開示されている。
【0004】
一般的な化学的・機械的研磨プロセスにおいて、基板は、回転する研磨パッドに直接接触して配置される。支持体は、基板の裏側に圧力を加える。研磨プロセスの際に、基板の裏側に対する下方力を維持しながら、パッドとテーブルが回転される。通常「スラリー」と称される研磨性で化学的反応性の溶液が、研磨中にパッドに施される。スラリーは、研磨されている膜と化学反応することによって研磨プロセスを開始する。研磨プロセスは、スラリーがウェハー/パッドの境界に施されながら、基板に対するパッドの回転運動によって促進される。研磨は、絶縁体上の所望の膜が除去されるまで、この状態で継続される。スラリー組成物は、化学的・機械的研磨工程の重要な要素である。酸化剤や研磨材その他の有用な添加剤の選択によって研磨用スラリーは調整されることができ、表面の欠陥、欠損、腐食、浸蝕などを抑えながら所望の研磨速度で金属層に対する有効な研磨を行うことができる。また、研磨用スラリーは、チタンや窒化チタンなどの現状の集積回路技術に使用される他の薄膜材料に対する制御された研磨選択性を提供するように使用されることができる。
【0005】
一般に、化学的・機械的研磨用スラリーは、酸化性の水系媒体中に懸濁したシリカやアルミナのような研磨材を含む。例えば、Yuらの米国特許第5244523号は、予測可能な速度でタングステンを除去するのに有用であると同時に下に位置する絶縁層を殆ど除去しないアルミナ、過酸化水素、及び水酸化カリウム若しくは水酸化アンモニウムを含むスラリーを記載している。Yuらの米国特許第5209816号は、アルミニウムを研磨するのに有用な、水系媒体中に過塩素酸、過酸化水素、及び固体研磨材を含むスラリーを開示している。CadienとFellerの米国特許第5340370号は、約0.1Mのフェリシアン化カリウム、約5重量%のシリカ、及び酢酸カリウムを含むタングステンの研磨用スラリーを開示している。酢酸は、pHを約3.5に緩衝するように添加される。
【0006】
Beyerらの米国特許第4789648号は、硫酸、硝酸、酢酸、及び脱イオン水と併せてアルミナ研磨材を使用するスラリー処方を開示している。米国特許第5391258号と同546606号は、シリカの除去速度を制御する水系媒体、研磨材粒子、及びアニオンを含む金属とシリカの複合材料の研磨用スラリーを開示している。化学的・機械的研磨用途に使用されるその他の研磨用スラリーは、Nevilleらの米国特許第5527423号、Yuらの米国特許第5354490号、Cadienらの米国特許第5340370号、Yu等の米国特許第5209816号、Medellinの米国特許第5157876号、Medellinの米国特許第5137544号、Coteらの米国特許第4956313号に開示されている。
【0007】
従来技術において、金属表面がスラリーを用いて研磨され得る種々のメカニズムが発表されている。金属表面は、表面の膜が生成せずにスラリーを用いて研磨されることができ、その場合、研磨プロセスは、金属粒子の除去とそれらのスラリー中への溶解によって進行する。こうしたメカニズムにおいて、ウェットエッチングを避けるため、化学的溶解速度は遅いことが必要である。ここで、好ましいメカニズムは、金属表面と、錯生成剤及び/又は膜生成層のようなスラリー中の1種以上の成分との反応により、薄い研磨可能な層が生成するメカニズムである。次いでこの薄い研磨可能な層は、機械的作用により、コントロールされた仕方で除去される。機械的な研磨プロセスが停止すると、薄い不導態化した膜が表面上に残留し、ウェットエッチングプロセスをコントロールする。化学的・機械的研磨プロセスのコントロールは、このメカニズムを利用して化学的・機械的研磨用スラリーで研磨すると、はるかに容易になる。
【0008】
銅の化学的・機械的研磨用スラリーを開発する検討は、刊行物に記載されている。PRIの文献「J.M. Steigerwaldら、Electrochemical Potential Measurements during the Chemical-Mechanical Polishing of Copper Thin Films, Mat. Res. Soc. Symp. 337,133(1994)」は、アンモニウム化合物(硝酸、塩化又は水酸化アンモニウム)、硝酸、及びアルミナ研磨材の使用に注力している。膜の存在しない表面から2nm/分(電気化学的に測定して)の銅の溶解が進行すると考えている。ここで、研磨速度は、400nm/分を上回ると報告している。この相違は、機械的作用、Cu破片(次に溶液に溶解される)の生成における重要性により説明される。選択的因子は与えられていない。
【0009】
「Q. Luoら、酸性媒体中の銅の化学的・機械的研磨、VLSL/LSI Multilevel Interconnection Conference (CMP-MIP)の第1回国際研磨学会の予講集、サンタバーバラ、1996年2月22〜23日」は、抑制剤(ベンゾトリアゾール)、スラリー安定用界面活性剤(ポリエチレングリコール)、及びアルミナと組み合わせた非常に攻撃的なエッチング剤(硝酸鉄、pH1〜2)を含む化学的・機械的研磨用スラリーの使用を発表している。化学反応は、腐食抑制膜、即ち、Cu−BTAの生成によって見かけ上コントロールされ、界面活性剤がその保護性を徐々に衰えさせる。酸化物に対する選択性は15:1〜45:1として与えられる。
【0010】
セマテック研究所での化学的・機械的研磨の電気化学的な検討が、「R. Carpio ら、Initial Study On Copper CMP Slurry Chemistries, Thin Solid Films, 262(1995) 」に記載されている。この文献は、妥当なスラリーの基本的特性における電気化学の利用を提案している。いくつかの別な成分に加え、過マンガン酸カリウムを酸化剤として使用している。
【0011】
「H.ヒラバヤシら、グリシンと過酸化水素を含むスラリーを用いた銅の化学的・機械的研磨、VLSL/LSI Multilevel Interconnection Conference (CMP-MIP)の第1回国際研磨学会の予講集、サンタバーバラ、1996年2月22〜23日」と特開平8−83780号は、低い腐食速度と欠陥レベルを与えるCuの化学的・機械的研磨プロセス用のグリシン、過酸化水素、及びシリカ(ベンゾトリアゾールは含む又は含まない)の混合物を発表している。この文献は、ベンゾトリアゾールやn-ベンゾイル-n- フェニルヒドロキシルアミンのような化学物質を含む化学的・機械的研磨用スラリーが、銅の上に保護膜を形成すると記載している。除去速度は、スラリー成分の濃度によって変化する。120nm/分の最適化された速度、30nm/分のTiN速度、及び幅15μmの構造を渡して200nmの中底そりが記載されている。
【0012】
いくつかの関連的な銅系化学物質が上記刊行物に記載されているが、それらはいずれも、化学的・機械的研磨用スラリーの重要な要件、即ち、200nm/分を上回る金属除去速度、5未満の金属ライナーに対する速度選択性、50を上回る誘電性酸化物層に対する選択性、及び10%未満の全体的欠陥深さの全てを上手く解決するプロセスを提供していない。
【0013】
化学的・機械的研磨プロセスにおいて、膜形成メカニズムの使用が望まれているにもかかわらず、生成する膜の層の厚さをコントロール可能な化学的・機械的研磨用スラリーを使用することの問題、及び生成した膜が研磨可能なことを保証する問題が、依然として存在する。これらの問題は、許容できない低い研磨速度や劣った研磨結果をもたらす化学的・機械的研磨用スラリーに帰結する。このように、基材表面上に、より詳しくは、銅合金を含有する基材の表面上に除去可能な薄い研磨できる層を形成させ得る化学的・機械的研磨用スラリーに対してニーズが存在している。望ましい化学的・機械的研磨用スラリーは、良好な薄膜研磨選択性を示すと同時に、最少限の中底そりと低い欠陥で研磨された基材を提供するものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、満足できる速度で金属含有基材を研磨可能な化学的・機械的研磨用スラリーに関する。
また、本化学的・機械的研磨用スラリーは、低い絶縁材の研磨選択性を有し、且つ銅・銅含有金属層に対して高い研磨選択性を示す。
【0015】
さらに、本発明は、金属層のとりわけ集積回路の銅又は銅合金含有層を研磨するために、単一の化学的・機械的研磨用スラリーを使用する方法に関する。
また、本発明は、安定性で効果的な酸化剤として尿素−過酸化水素(urea hydrogen peroxide)を含む化学的・機械的研磨用スラリーに関する。
1つの態様において、本発明は化学的・機械的研磨用スラリーである。本化学的・機械的研磨用スラリーは、研磨材、酸化剤、錯生成剤、及び膜生成剤を含む。1つの好ましい態様において、本化学的・機械的研磨用スラリーは、約1.0〜約15.0重量%のアルミナ研磨材、約0.3〜約12.0重量%の過酸化水素、約0.5〜約3.0重量%のシュウ酸アンモニウム又は酒石酸、及び約0.01〜0.2重量%のベンゾトリアゾールを含む。もう1つの好ましい態様において、本化学的・機械的研磨用スラリーは、1.0〜約15.0重量%のアルミナ研磨材、約1.0〜12.0重量%の尿素−過酸化水素、0.5〜約3.0重量%のシュウ酸アンモニウム又は酒石酸、及び約0.01〜0.2重量%のベンゾトリアゾールを含む。いずれの化学的・機械的研磨用スラリーの態様も、脱イオン水を共通に含む。
【0016】
もう1つの態様において、本発明は、少なくとも1つの金属層を含む基材を研磨する方法である。本方法は、先ず、約1.0〜約15.0重量%の研磨材、約0.3〜12.0重量%の過酸化水素と好ましくは尿素−過酸化水素、約0.5〜約3.0重量%の少なくとも1種の錯生成剤、約0.01〜約0.2重量%の少なくとも1種の膜生成剤、及び脱イオン水を混合し、化学的・機械的研磨用スラリーを得る。次いで本化学的・機械的研磨用スラリーが基材に施される。最後に、パッドを基材に接触させ、基材に対してパッドを動かすことにより、金属層の少なくとも一部が基材から除去される。
【0017】
さらにもう1つの態様において、本発明は、尿素と少なくとも1種の金属酸化物研磨材を含む化学的・機械的研磨用スラリー前駆体である。本化学的・機械的研磨用スラリー前駆体は、使用前に約0.75:1〜約2:1の尿素:過酸化水素のモル比で過酸化水素と混合されて、本化学的・機械的研磨用スラリーを提供する。
【0018】
本発明は、研磨材、少なくとも1種の酸化剤、錯生成剤、及び膜生成剤を含む化学的・機械的研磨用スラリーに関する。本化学的・機械的研磨用スラリーは、集積回路、薄膜、多重レベル半導体、及びウェハーを含む群から選択された基材に備わる金属のとりわけ銅と銅合金を含む金属層を研磨するのに有用である。
本発明のいろいろな好ましい態様を詳しく説明する前に、本願で使用する用語のいくつかを定義する。化学的・機械的研磨用スラリー(CMPスラリー)は、酸化剤、研磨材、錯生成剤、膜生成剤、及びその他の随意の成分を含む本発明の有用な生産品である。化学的・機械的研磨用スラリーは、限定されるものではないが、半導体の薄膜、集積回路の薄膜、その他の化学的・機械的研磨プロセスが有用な膜や表面などの多重レベルメタライゼーションを研磨するのに有用である。用語「銅」と「銅含有合金」は、当業者が理解できる範囲内でどちらでも使用され、限定されるものではないが、純粋な銅、銅アルミニウム合金、Ti/TiN/Cu、Ta/TaN/Cu多層基材などが挙げられる。
【0019】
本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは少なくとも1種の酸化剤を含む。酸化剤は、基材の1種以上の金属層をその対応する酸化物、水酸化物、又はイオンに酸化させるのに役立つ。例えば、本発明において、酸化剤は金属層をその対応する酸化物又は水酸化物に、例えば、チタンを酸化チタン、タングステンを酸化タングステン、銅を酸化銅、アルミニウムを酸化アルミニウムに酸化させるのに使用される。酸化剤は、化学的・機械的研磨用スラリーに混和された場合、チタン、窒化チタン、タンタル、銅、タングステン、アルミニウム、アルミニウム合金の例えばアルミニウム/銅合金、及びこれらの種々の混合物や組み合わせなどの金属や金属ベース成分を研磨し、その金属を機械的に研磨して各酸化物層を除去するのに有用である。
【0020】
本発明の化学的・機械的研磨用スラリーに使用される酸化剤は、還元されるとヒドロキシル基を生成する化合物から選択されることができる。このような酸化剤は、金属層や金属含有基材層のとりわけ銅合金層に対して良好な研磨選択性を示す。還元されるとヒドロキシル基を生成する金属酸化性化合物の例には、限定されるものではないが、過酢酸、尿素−過酸化水素、過酸化尿素、過酸化水素、及びこれらの混合物が挙げられ、過酸化水素と尿素−過酸化水素が好ましい酸化剤である。酸化剤は、本化学的・機械的研磨用スラリー中に約0.3〜約3.0重量%の量で存在することができる。酸化剤は、本発明の化学的・機械的研磨用スラリー中に約0.3〜約17.0重量%の量で存在することが好ましく、最も好ましくは約1.0〜約12.0重量%である。
【0021】
好ましい酸化剤は尿素−過酸化水素である。尿素−過酸化水素は34.5重量%の過酸化水素と65.5重量%の尿素であるため、上記の望ましい酸化剤含有量を得るには、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーに多めの重量の尿素−過酸化水素が含められる必要がある。例えば、1.0〜12.0重量%の酸化剤は3倍多い又は3.0〜36.0重量%の尿素−過酸化水素に対応する。
【0022】
尿素−過酸化水素を含む化学的・機械的研磨用スラリーは、尿素過酸化物に水を混ぜる、尿素と過酸化水素を水溶液中として約0.75〜:1〜約2:1のモル比で混合し、尿素−過酸化水素の酸化剤を得る、などの多くの方法によって調製されることができる。
また、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは膜生成剤を含む。膜生成剤は、金属酸化物の不動態層と金属層表面上の溶解抑制層の生成を促進することができる任意の化合物又は混合された化合物でよい。基材の表面層の不動態化は、基材表面の湿り浸蝕を防ぐのに重要である。有用な膜生成剤には、例えば、環状化合物のイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾイミダゾール、ベンゾチアゾール、及びそれらの誘導体のヒドロキシ、アミノ、イミノ、カルボキシ、メルカプト、ニトロ、及びアルキルの各置換基、及び尿素、チオユリアその他を有する誘導体がある。好ましい膜生成剤はベンゾトリアゾール(BTA)である。膜生成剤は、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーの中に、迅速で殆ど瞬間的に基材表面上に不動態層と溶解抑制層を生成させることができる量で存在すべきである。膜生成剤は、本発明の化学的・機械的研磨用スラリー中に、約0.01重量%〜1.0重量%の量で存在すべきである。好ましくは、膜生成剤は、本化学的・機械的研磨用スラリー中に約0.01〜約0.2重量%の量で存在する。
【0023】
不動態層が基材表面上に生成すると、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーの研磨材成分によって基材表面から金属酸化物を研磨するため、不動態層を攪乱できることが重要になる。不動態層を攪乱するのに有用な化合物の1つの部類は錯生成剤である。有用な錯生成剤には、限定されるものではないが、クエン酸、乳酸、酒石酸、コハク酸、酢酸、シュウ酸、及びその他の酸、及びアミノ酸、アミノ硫酸、及びそれらの塩が挙げられる。好ましい錯生成剤はシュウ酸アンモニウムである。もう1つの好ましい錯生成剤は酒石酸である。
【0024】
錯生成剤は、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーにおいて、少なくとも2つの有用な役割をする。錯生成剤は、研磨工程の際と特に研磨工程が完了した後に不動態層の破壊やその生成の抑制をすることなく、機械的研磨工程の際に不動態層を攪乱する。第2に、錯生成剤は、下部に存在する未酸化金属とではなくて酸化金属と錯体を形成し、それによって、酸化層の深さを制限すると考えられる。錯生成剤は、本発明の化学的・機械的研磨用スラリー中に、約0.5〜約5.0重量%、好ましくは約0.5〜約3.0重量%の量で存在することができる。
【0025】
別なよく知られた研磨スラリー用の添加剤も、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーの中に含められることができる。所望による添加剤の1つの部類は、チタンやタンタルのようなウェハー中のバリヤ層の研磨速度をさらに改良又は促進するために研磨用スラリーに添加され得る無機酸及び/又はその塩である。有用な無機物添加剤には、硫酸、リン酸、硝酸、HF酸、フッ化アンモニウム、アンモニウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、又はスルフェート、ホスフェート、及びフルオリドのその他のカチオン塩が挙げられる。
【0026】
本発明の化学的・機械的研磨用スラリー中のベンゾトリアゾール又は他の膜生成剤は、スラリー中の研磨材の均一な分散を不安定にさせることがある。沈降、凝集、分解に対する本発明の化学的・機械的研磨用スラリーの安定化を促進させるため、界面活性剤、安定剤、分散剤のような種々の所望による化学的・機械的研磨用スラリー添加剤を使用することができる。界面活性剤が化学的・機械的研磨用スラリーに添加される場合、アニオン系、カチオン系、ノニオン系、又は両性系でよく、2種以上の界面活性剤の組み合わせが採用されることもできる。また、界面活性剤の添加は、ウェハーのウェハー内部不均一性(WIWNU)を抑え、それによってウェハーの表面を改良し、ウェハー欠陥を減らすのに有用であり得ることが見出されている。
【0027】
一般に、本発明において使用され得る界面活性剤のような添加剤の量は、スラリーの効果的な安定性を得るのに十分とすべきであり、一般に、選択される特定の界面活性剤と金属酸化物研磨材の表面の性質によって異なるであろう。例えば、選択された界面活性剤が不十分な量で使用されると、化学的・機械的研磨用スラリーの安定化に対して殆ど又は全く効果がないであろう。他方で、化学的・機械的研磨用スラリー中の過剰な量の界面活性剤は、スラリーの不都合な発泡及び/又は凝集をもたらすことがある。このため、界面活性剤のような安定化剤は、一般に、本発明のスラリー中に約0.001〜0.2重量%、好ましくは約0.001〜約0.1重量%の量で存在すべきである。また、添加剤は、スラリーに直接添加されてもよく、あるいは、公知技術を用いて金属酸化物研磨材の表面に処理されてもよい。いずれの場合でも、添加剤の量は、本研磨用スラリー中で所望濃度となるように調節される。好ましい界面活性剤には、ドデシル硫酸ナトリウム塩、ラウリル硫酸ナトリウム、ドデシル硫酸アンモニウム塩、及びこれらの混合物がある。有用な界面活性剤の例には、TRITON(商標)DF−16(ユニオンカーバイド社製)とSURFYNOL(商標)(エアープロダクツアンドケミカルズ社製)が挙げられる。
【0028】
本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは研磨材を含む。この研磨材は一般に金属酸化物の研磨材である。金属酸化物研磨材は、アルミナ、チタニア、ジルコニア、ゲルマニア、シリカ、セリア、及びこれらの混合物を含む群から選択されることができる。本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは、好ましくは、約1.0〜約15.0重量%又はそれ以上の研磨材を含む。ここで、より好ましくは、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは約3.0〜約6.0重量%の研磨材を含む。
【0029】
金属酸化物の研磨材は、当業者に公知の任意の技術によって製造されることができる。金属酸化物の研磨材は、ゾルゲル法、熱水法、又はプラズマ法、あるいはビュームド又は沈殿金属酸化物を製造する方法などの任意の高温プロセスを用いて製造することができる。好ましくは、金属酸化物はビュームド又は沈殿研磨材であり、より好ましくは、ヒュームドシリカやヒュームドアルミナのようなヒュームド研磨材である。例えば、ヒュームド金属酸化物の製造は、水素と酸素の火炎中で適切な原料蒸気(例えば、アルミナ研磨材については塩化アルミニウム)の熱分解を伴う周知プロセスである。ほぼ球形の溶融粒子が燃焼プロセスで形成され、その直径はプロセスパラメーターによって変化させ得る。これらのアルミナその他の酸化物の溶融した球形粒子(一般に、一次粒子と称される)は、衝突によって接触点で互いに融合し、枝のある3次元の鎖状凝集体を生成する。この凝集体を破壊するのに必要な力はかなりのものである。冷却と回収の際に、凝集体はさらに衝突し、ある種の機械的絡み合いを生じ、アグロメレートの生成をもたらす。アグロメレートは、ファンデルワールス力によって相互に弱い結合で支持されたものと考えられ、可逆であることができ、即ち、適当な媒体の中で適切に分散させることによってバラバラになることができる。
【0030】
沈殿研磨材は、通常の技術を用いて製造されることができ、例えば、高濃度の塩、酸その他の凝固剤の作用下で、水系媒体から所望の粒子を凝固させることによって生成される。粒子は、当業者に公知の常套技術によって、濾過、洗浄、乾燥され、反応生成物のその他の残留物から分離される。
適切な金属酸化物は、通常BET法と称される「S. Brunauer, P.H. Emmet, abd I. Teller, J. Am. Chemical Society, 60 巻、309 頁、1938年」の方法で測定して約5m2 /g〜約430m2 /g、好ましくは約30m2 /g〜約170m2 /g表面積を有する。IC工業の厳しい純度の要請のため、適切な金属酸化物は高純度である必要がある。高純度とは、原材料の不純物のような出発源と微量のプロセス上の不純物の全不純物含有率が、一般に1%未満、好ましくは0.01%(100ppm)未満であることを意味する。
【0031】
本発明の分散系に有用な金属酸化物研磨材は、金属酸化物の凝集体又は個々の単一の球状粒子からなることができる。用語「粒子」は、本願では、複数の一次粒子の凝集体と単一粒子の双方を指称するために使用される。
金属酸化物の研磨材は、約1.0μm未満のサイズ分布、約0.4μm未満の平均凝集体直径、及び研磨材凝集体自身のファンデルワールス力に反発して打ち勝つに足る力を有する金属酸化物凝集体からなることが好ましい。このような金属酸化物研磨材は、研磨の際に引っ掻き傷、小孔、ディボットその他の表面不完全性を抑制する又は発生させないのに有効であることが見出されている。本発明における凝集体サイズ分布は、透過型電子顕微鏡(TEM)のような公知技術を用いて測定することができる。「平均凝集体直径」とは、TEM像の解析を使用した、即ち、凝集体の横断面積による平均相当球直径を意味する。「力」とは、金属酸化物粒子の表面電位又は水和力が、粒子間のファンデルワールス引力に反発して打ち勝つに十分である必要があることを意味する。
【0032】
もう1つの好ましい態様において、金属酸化物研磨材は、0.4μm(400nm)未満の一次粒子直径と約10m2 /g〜約250m2 /gの表面積を有する分離した個々の金属酸化物の球状粒子からなることができる。
好ましくは、金属酸化物研磨材は、金属酸化物の濃い水分散系として研磨用スラリーの水系媒体中に混和され、この金属酸化物研磨材の水分散系は、一般に、約3%〜約45%の固形分、好ましくは10%〜20%の固形分である。金属酸化物の水分散系は、例えば、脱イオン水のような適切な媒体に金属酸化物研磨材をゆっくり添加してコロイド状分散系を作成するといった、通常の技術によって得ることができる。この分散系は、一般に、当業者に公知の高剪断混合にそれを供することによって仕上げられる。スラリーのpHは、コロイドの安定性を最大限にするため、下記に示すように等電点から遠ざけて調節されることができる。
【0033】
化学的・機械的研磨プロセスのコントロールを容易にするため、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーのpHは約2.0〜約12.0、好ましくは約4.0〜約9.0、最も好ましくは約5.0〜約8.0に維持することが好ましい。本発明の化学的・機械的研磨用スラリーのpHが例えば2未満のように低過ぎると、スラリーを取り扱う問題や基板の研磨品質の問題が生じる。シュウ酸アンモニウムが錯生成剤である場合、本化学的・機械的研磨用前駆体又はスラリーは、一般に約7.5のpHを有し、pHの調節が必要ないことがある。ここで、酒石酸が錯生成剤として選択された場合、本化学的・機械的研磨用前駆体又はスラリーは一般に約2.0のpHを有し、pH調節が望ましい。
【0034】
本発明の化学的・機械的研磨用スラリーのpHは、公知の任意の酸、塩基、アミンを用いて調節可能である。ここで、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーに不都合な金属成分を導入することを避けるため、金属イオンを含まない水酸化アンモニウムやアミン、又は硝酸、リン酸、硫酸、有機酸のような酸又は塩基を使用することが好ましい。
【0035】
本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは、任意のタイプの金属層を研磨するのに使用されることができるが、銅、チタン、窒化チタン、及び窒化タンタルに対して高い研磨速度と、タンタルに対して満足できる研磨速度を有することが見出されている。また、本化学的・機械的研磨用スラリーは、誘電性絶縁層に対しては望ましい低い研磨速度を示す。
【0036】
本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは、当業者に公知の常套技術を用いて製造されることができる。一般に、酸化剤、有機酸、及びその他の所望の添加剤の例えば界面活性剤が、所定の濃度で脱イオン水や蒸留水のような水系媒体に添加され、それらの成分が媒体中に完全に溶解するまで低剪断条件下で混合される。ヒュームドアルミナのような金属酸化物研磨材の濃分散系がその媒体に添加され、最終的研磨用スラリー中で所望の研磨材充填レベルまで希釈される。
【0037】
本発明の化学的・機械的研磨用スラリーはワンパッケージ系として供給されることができる(適切な水系媒体中の酸化剤、研磨材、膜生成剤、不動態化剤)。ここで、起こり得る化学的・機械的研磨用スラリーの品質低下を防ぐため、第1パッケージが膜生成剤と錯生成剤を含み、第2パッケージが酸化剤を含む、少なくとも2つのパッケージ系が使用されることが好ましい。残りの成分の研磨材は、第1容器、第2容器、又は第3容器のいずれかに入れられることができる。本発明の化学的・機械的研磨用スラリーの成分のその他の2つの容器の組み合わせは当業者の知識の範囲内にある。
【0038】
尿素−過酸化水素を含む本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは、尿素及びその他の任意の有用なスラリー成分を含むスラリー前駆体に過酸化水素を添加し、尿素−過酸化水素を含む化学的・機械的研磨用スラリーを得ることによって処方され得ることが見出されている。尿素を含むスラリー前駆体から本発明の化学的・機械的研磨用スラリーを処方することは、過酸化水素を含有するスラリーに伴う安定性、搬送、安全性の問題を解消する。このことは、尿素を含有する化学的・機械的研磨用スラリー前駆体が調製されて使用される場所まで搬送され、その場所で調達できる過酸化水素と混合され、尿素−過酸化水素を含む化学的・機械的研磨用スラリーを得ることにより達成される。
【0039】
本発明の好ましいスラリー前駆体は、尿素と少なくとも1種の金属酸化物研磨材の乾燥又は水系混合物である。少なくとも1種の錯生成剤、少なくとも1種の膜生成剤、及び本化学的・機械的研磨用スラリーに有用な界面活性剤などのその他の任意の添加剤を含む尿素含有スラリーの仲に付加的な成分を含めることもできる。
【0040】
本発明の殆どの好ましいスラリー前駆体は、約2.0〜約24.0重量%の尿素、ヒュームドアルミナ、錯生成剤(シュウ酸アンモニウム、酒石酸、又はこれらの混合物から選択、好ましくは酒石酸)、ベンゾトリアゾール、及び上記の量の界面活性剤の水分散系を含んでなる。スラリー前駆体又はその混合物は、約4.0〜約9.0のpHを有することが好ましい。
【0041】
多数パッケージの化学的・機械的研磨用スラリー系は、ウェハーの目的とする金属層について使用するのに適切な任意の標準的な研磨装置とともに使用されることができる。多数パッケージ系は、2つ以上の容器の中に、適切な水系又はドライ状の形態の中に1種以上の化学的・機械的研磨用スラリー成分を含む。多数パッケージ系は、基材にスラリーを施す前又はその時に別な容器から所望の量の成分を混合し、上記の量の、少なくとも1種の酸化剤、膜生成剤、錯生成剤、少なくとも1種の研磨材を含む化学的・機械的研磨用スラリーを調製することにより使用される。好ましいパッケージ系は、アルミナ、尿素、錯生成剤(シュウ酸アンモニウム、酒石酸、又はこれらの混合物から選択される)、ベンゾトリアゾール、及び界面活性剤を含んで約4.0〜約9.0のpHの化学的・機械的研磨用スラリー前駆体を入れた第1容器、及び過酸化水素を入れた第2容器を含んでなる。研磨する場所で既定量の化学的・機械的研磨用スラリーと所定量の過酸化水素が研磨時に混合され、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーを得ることができる。
【0042】
本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは、二酸化ケイ素の研磨速度を大きく高めることはない。しかしながら、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは、銅、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタルを、コントロールできる条件下で良好な速度で研磨する。即ち、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーは、チタン、銅、窒化チタンの研磨選択性をコントロールするのに有効である。本発明の研磨用スラリーは、表面の不完全性や欠陥を最少限にしながら所望の研磨速度で有効な研磨を提供するため、半導体集積回路の製造の種々の工程で使用されることができる。
【0043】
【実施例】
本発明者は、少なくとも1種の酸化剤、錯生成剤、及び膜生成剤を含む化学的・機械的研磨用スラリーが、銅合金、チタン、窒化チタンを含む多数金属層を高い速度で研磨することができ、且つ誘電体層に対しては許容できる低い研磨速度を呈することを見出した。
【0044】
以下の例は、本発明の好ましい態様と、本発明の組成物を使用する好ましい方法を示す。
例1
化学的・機械的研磨メカニズムを把握するため、及びスラリー成分の選択基準を提供するため、電気化学的テストを用いる。使用した電気化学セルは、IBM研究所で開発され、文献「V. Brusic ら、Corrosion And Inhibition Of Thin Line Conductors In VLSI Structure, IBM J R&D, 37, 173(1993)」に記載されており、本願でも参考にして取り入れられている。この電気化学セルは、表面研磨ありなしで、電極電位と基材の金属溶解速度の評価を可能にする。この方法は、PAR腐食ソフトウェアーを備えたPAR273型ポテンシオスタットを使用する。
【0045】
図1は、酸化剤、即ち、4重量%の過硫酸アンモニウム、及びグリシン(1と2)又はシュウ酸アンモニウム(3と4)(双方ともpH5.1で1重量%の量で存在)の存在下で銅の溶解を支配するプロセスを例示する。双方の場合において、アノードのTafel勾配は極めて小さく、研磨ありなしの電位動的分極曲線の間の差は非常に小さい。電気化学セルの結果は、Cu表面が酸化膜で覆われていないことを示唆する。しかしながら、銅の溶解は、シュウ酸アンモニウムの存在中で少なくとも1/20の遅さである。グリシンに比較し、シュウ酸塩は、銅の溶解に対してより有効な抑制剤である。また、腐食電位に一貫した差があり、シュウ酸アンモニウムにおける電位は、グリシンにおいて測定した電位よりも常に低く、このことは、優先的な溶解プロセスがCu+ イオンをもたらし、グリシンの存在でCu++イオンの生成が起こり得ることを示唆する。
【0046】
より高いpHにおいて、シュウ酸塩は、銅表面で依然として吸着するが、シュウ酸アンモニウムはCu(NH3)x + とCu(NH3)x ++の錯体の生成によって銅の溶解速度を高める作用もする。図2は、11%のH2 2 (曲線1、表面研磨の後)、1重量%のグリシンを含む同じ酸化剤(曲線2)、及び1%のシュウ酸アンモニウムを含む同じ酸化剤(曲線3)での銅の溶解と不動態化を示す。腐食電位はシュウ酸アンモニウムの存在下で最も低い。シュウ酸アンモニウムにおいて、銅の溶解は、過酸物のみに比較して高められるが、研磨の際に約200nm/分に達し、表面の再不動化が生じ、研磨の後にわずか5.5nm/分の溶解速度となる。少量のベンゾチアゾールの添加は、不動態化が迅速に生じ、銅−ベンゾチアゾールが銅の溶解速度の付加的な因子を提供するることを確保する。これに対し、グリシンにおける銅の溶解は、研磨のありなしで同じであり、表面の再不動態化なしに300nm/分を上回るコントロールできない値に達する。
【0047】
例2
Strasbaugh研磨機を用い、3psiの下方力、45rpmのテーブル速度、及び50rpmのスピンドル速度で、CuとTiのウェハーを化学的・機械的研磨用スラリーで研磨した。この化学的・機械的研磨用スラリーは、表1に示すように、過酸化水素、シュウ酸アンモニウム、ベンゾチアゾール、及び湿潤剤の濃度を変えて処方した。CuとTiの除去速度を測定した。過酸化水素とグリシンを含む従来技術のスラリーについての速度もまた測定し、表2に示す。使用した湿潤剤は、コネクティカット州のダンバリーにあるユニオンカーバイドケミカルズアンドプラスティクス社製のTRITON(商標)DF16であった。
【0048】
【表1】
Figure 0004494538
【0049】
【表2】
Figure 0004494538
【0050】
表1と2に示した化学的・機械的研磨テストの結果は、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーが、少なくとも100nm/分の銅速度と高々4:1の〔Cu:Ti〕選択性など、適切な銅とチタンの研磨速度と選択性を達成できることを示している。
例3
この例においては、11.0重量%の過酸化水素、1.5%のシュウ酸アンモニウム、0.04%のベンゾトリアゾール、50ppmのTRITON(商標)DF16(ユニオンカーバイドケミカルズアンドプラスティクス社製)、及び5%のアルミナ研磨材を含む化学的・機械的研磨用スラリーについてCu除去速度とウェハー内部不均一性(WIWNU)の結果の再現性を評価した。この化学的・機械的研磨用スラリーは、DF200インサートを備えたRodel1158緩衝式パッドを有するStrasbaugh研磨機を用い、4psiの下方力、50rpmのテーブル速度、及び50rpmのスピンドル速度で、銅ウェハーに連続的に施した。
【0051】
図3にプロットした実験結果は、スラリーの研磨性能が極めて一貫しており、良好なウェハーとウェハー均一性を示すことを実証している。
例4
この例は、有用な化学的・機械的研磨酸化剤としての、尿素−過酸化水素と過酸化水素の有効性を比較する。詳しくは、この例は、2つの酸化剤について経時的な安定性を比較する。
【0052】
下記の組成を有する2つのスラリーを水系媒体(脱イオン水)の中で調製した。各スラリーは、SEMI−SPERSE(商標)アルミナ分散系を用いて調製し、脱イオン水で5重量%アルミナに希釈した。
スラリーA:5%のアルミナ、3%の過酸化水素〔HP〕、3%のコハク酸、元のpH=3.50
スラリーB:5%のアルミナ、8.5%の尿素−過酸化水素〔UHP〕(約3.0重量%の水系H2 2 に相当)、3%のコハク酸、元のpH=3.55
スラリーAとBは、室温に数週間にわたって放置した。定期的にスラリーAとBのサンプルをpHについて分析し、また、酸性溶液中の過マンガン酸カリウムで滴定し、活性過酸物の%を測定した。その結果を下記の表3に示す。
【0053】
【表3】
Figure 0004494538
【0054】
テスト結果は、過酸化水素を含むスラリー中の活性過酸化物が、尿素−過酸化水素を含むスラリーのそれよりもはるかに速く分解することを示す。双方のスラリーのpH安定性は似ている。
最も好ましい酸化剤は尿素−過酸化水素である。尿素−過酸化水素は、全体の化学的・機械的研磨用スラリーの中に約1.5〜約3.0重量%の量で存在することができる。尿素−過酸化水素は、スラリー中に約3.0〜約17.0重量%で存在することが好ましく、最も好ましくは約5.0〜約12.0重量%である。
【0055】
例5
尿素−過酸化水素を含む研磨用スラリーの、CuとTiウェハーを研磨する効率をこの例で評価した。下記の表4に示したスラリーを、ロデル社製のICI1000/SUBA IV パッドスタックを用いたIPEC472研磨機で、5psiの下方力、50rpmのテーブル速度、60rpmのスピンドル速度で、CuとTiのウェハーに適用した。各スラリーは5重量%のアルミナ研磨材を含んだ。使用した湿潤剤はTRITON(商標)DF−16であった。
【0056】
CuとTiの研磨速度を表4に示す。
【0057】
【表4】
Figure 0004494538
【0058】
この研磨速度の結果は、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーが500nm/分を上回るCuとTiの好ましい研磨速度と、2.5未満のCu:Tiの選択比を得ることができることを示す。
例6
この例は、研磨用スラリー前駆体と過酸化水素銅研磨材を含む化学的・機械的研磨用スラリーの銅研磨の有効性を評価した。下記の表5に示したスラリーは、5重量%のアルミナ、尿素、シュウ酸アンモニウム、ベンゾチアゾール、及び湿潤剤(TRITON(商標)DF−16)からなる化学的・機械的研磨用スラリー前駆体の水分散系に、30重量%のH2 2 を混合することによって調製した。得られたスラリーを、ロデル社製のICI1000/SUBA 500パッドスタックを用いたIPEC472研磨機で、5psiの下方力、40rpmのテーブル速度、60rpmのスピンドル速度で、Cuウェハーに適用した。Cuの研磨速度を下記の表5に示す。
【0059】
【表5】
Figure 0004494538
【0060】
この結果は、本発明の化学的・機械的研磨用スラリーが、500nm/分を上回るCu(及びTi)の好ましい研磨速度と、2.5未満のCu:Tiの選択比を得ることができることを示す。有用なスラリーは、例5の表4に示したような固体の尿素−過酸化物を酸化剤とするか、又は液体の過酸化水素(30%溶液としてパッケージ)を、表5に示したような固体尿素を含む化学的・機械的研磨用スラリー前駆体と混合することによって調製できる。
【0061】
例7
この例は、銅、タンタル、及びPTEOSの研磨について、酒石酸とシュウ酸アンモニウムを含む化学的・機械的研磨用スラリーの有効性を評価した。各成分を混合することによって2種のスラリーを調製し、3重量%のアルミナ、3.65重量%の尿素、2.0重量%の過酸化水素、50ppmのTritonDF−16界面活性剤、及び0.04重量%のベンゾチアゾールを含む化学的・機械的研磨用スラリーを得た。スラリー1は1.0重量%のシュウ酸アンモニウムを含んだが、スラリー2は3.0重量%の酒石酸を含んだ。シュウ酸アンモニウムを含むスラリーのpHはもともと7.5であり、酒石酸を含むスラリーのpHは、水酸化アンモニウムをスラリーに添加して7.5に調節した。
【0062】
両方のスラリーを、ロデル社製のICI1000/SUBA 500パッドスタックを用いたIPEC472研磨機で、3psiの下方力、2psiの背圧、55rpmのテーブル速度、30rpmのスピンドル速度で、Cu、Ta、PETOSの各ウェハーに適用した。研磨速度を下記の表6に示す。
【0063】
【表6】
Figure 0004494538
【0064】
酒石酸を含む研磨用スラリーの研磨速度は、シュウ酸アンモニウムを含むスラリーの速度よりも低い。しかしながら、酒石酸を含む化学的・機械的研磨用スラリーは、シュウ酸アンモニウムを含むスラリーよりも不動態化性であり、それによって、より強い腐食コントロールを提供する。
例8
5種のスラリーを用い、例1の方法にしたがってCuの腐食速度を電気化学的に評価した。5種のスラリーは、いずれも5%の分散アルミナ、2%のH2 2 、3.65%の尿素、及び50ppmのTritonDF−16界面活性剤を含んだ。錯生成剤、抑制剤の有無、及びスラリーpHを、測定した腐食速度とともに表7に掲げた。
【0065】
【表7】
Figure 0004494538
【0066】
腐食データは、酒石酸が、シュウ酸アンモニウムに比較してCu腐食速度を下げることを示す。腐食速度は、テトラアルキル水酸化アンモニウムの存在下でさらに抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】4重量%の過硫酸アンモニウムと、1重量%のグリシン(曲線1と2)又は1重量%のシュウ酸アンモニウム(曲線3と4)を含む溶液で、銅について測定したポテンシオダイナミック分極曲線を示す。各曲線のセットは、銅の表面研磨の際(曲線1と3)と、研磨を止めた後に再度測定した(曲線2と4)。
【図2】11重量%H2 2 の酸化剤溶液(曲線1、研磨の後)、同じ酸化剤と1重量%のグリシンを含む電解質(曲線2、研磨の後)、同じ酸化剤と1重量%のシュウ酸アンモニウムの(曲線3、研磨の後)での、銅についてのポテンシオダイナミック分極曲線を示す。
【図3】研磨性能の再現性、即ち、5重量%のアルミナ研磨材、11.0重量%のH2 2 、1.5重量%のシュウ酸アンモニウム、0.04重量%のベンゾチアゾール、50ppmの湿潤剤(Triton(商標)DF−16界面活性剤)を含む本発明の化学的・機械的研磨用スラリーを用いた、銅についての研磨速度とウェハー内部不均一性を示す。

Claims (8)

  1. (a)研磨材、
    (b)0.3〜15.0重量%の酸化剤、
    (c)1.0〜3.0重量%の、クエン酸、乳酸、酒石酸、コハク酸、酢酸、シュウ酸、及びこれらの塩からなる群より選択される、少なくとも1種の錯生成剤、及び
    (d)0.08〜1.0重量%の少なくとも1種の膜生成剤
    を含む化学的・機械的研磨用スラリー。
  2. 前記研磨材が30m2/g〜170m2/gの表面積を有する、請求項1記載の化学的・機械的研磨用スラリー。
  3. 4〜9のpHを有する、請求項1記載の化学的・機械的研磨用スラリー。
  4. 水酸化アンモニウム、アンモニウム塩、及びこれらの混合物からなる群より選択される化合物をさらに含む、請求項1記載の化学的・機械的研磨用スラリー。
  5. 少なくとも1つの金属層を含む基材を研磨する方法であって、
    (a)請求項1〜4のいずれか1項に記載の化学的・機械的研磨用スラリーを基材に塗布すること、
    (b)パッドを基材に接触させ、基材に対してパッドを動かすことによって基材から金属層の少なくとも一部を除去すること
    の工程を含む方法。
  6. (a)膜生成剤と、クエン酸、乳酸、酒石酸、コハク酸、酢酸、シュウ酸、及びこれらの塩からなる群より選択される少なくとも1種の錯生成剤を含む第1の容器、
    (b)酸化剤を含む第2の容器、及び
    (c)第1の容器、第2の容器、及び第3の容器からなる群より選択される容器に入れた研磨材
    を含む化学的・機械的研磨用スラリーの多数パッケージ。
  7. 前記研磨材が第3の容器に入れられている、請求項6記載の化学的・機械的研磨用スラリーの多数パッケージ。
  8. 前記酸化剤が過酸化水素である、請求項6記載の化学的・機械的研磨用スラリーの多数パッケージ。
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