JP4681538B2 - 選択的バリヤ金属研磨溶液 - Google Patents
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- H01L21/7684—Smoothing; Planarisation
Description
発明の背景
本発明は一般に、バリヤ金属を除去するためのケミカルメカニカル平坦化（ＣＭＰ）加工に関し、より具体的には、集積回路素子中の配線構造の存在下でバリヤ金属を選択的に除去するための研磨組成物に関する。
本発明は一般に、バリヤ金属を除去するためのケミカルメカニカル平坦化（ＣＭＰ）加工に関し、より具体的には、集積回路素子中の配線構造の存在下でバリヤ金属を選択的に除去するための研磨組成物に関する。
近年、半導体産業は、集積回路の形成においてますます銅電気配線に依存するようになった。これらの銅配線は、低い電気抵抗率及び電子移動に対する高い抵抗を有する。銅は多くの絶縁材料、たとえば二酸化ケイ素及び二酸化ケイ素のlow−ｋタイプもしくはドープタイプに非常に可溶性であるため、下にある絶縁材料への銅の拡散を防ぐために拡散バリヤ層が必要である。一般的なバリヤ材料としては、タンタル、窒化タンタル、タンタル−窒化ケイ素、チタン、窒化チタン、チタン−窒化ケイ素、チタン−窒化チタン、チタン−タングステン、タングステン、窒化タングステン及びタングステン−窒化ケイ素がある。
高密度集積回路の要求の増大に対応して、半導体製造者は今や、多数の重畳する金属配線構造層を含む集積回路を作製している。素子作製中、各配線層の平坦化が実装密度、加工均一さ、製品品質を改善し、もっとも重要なことには、多層集積回路の製造を可能にする。チップ製造者は、平坦な基材面を製造する費用効果的な手段として、ケミカルメカニカル平坦化（ＣＭＰ）に依存する。ＣＭＰ加工は通常、２工程シーケンスで実施される。まず、研磨加工は、銅を速やかに除去するために特別に設計された「第一工程」スラリーを使用する。たとえば、Carpioらは、「Initial Study on Copper CMP Slurry Chemistries」Thin Solid Films, 269 (1995)で、効率的な銅除去のための、５重量％硝酸溶液の使用を開示している。同様に、Kondoらは、米国特許第６，１１７，７７５号で、銅除去のための、硝酸及びＢＴＡの使用を開示している。
最初の銅除去ののち、「第二工程」スラリーがバリヤ材料を除去する。通常は、第二工程スラリーは、配線構造の物理構造又は電気的性質に悪影響を及ぼすことなくバリヤ材料を除去するために優れた選択比を要する。
アルカリ性研磨スラリーが酸性スラリーよりもはるかに高いＴａ／ＴａＮ除去速度を有するということが従来から認識されているため、市販の第二工程スラリーは通常、塩基性ないし中性ｐＨを有する。中性ないし塩基性ｐＨのバリヤ金属研磨スラリーの利点を指摘するもう一つの要因は、第二工程研磨中に、バリヤ金属に重畳する金属を保存する必要性に関する。金属除去速度は、金属配線のディッシングを減らすために非常に低くあるべきである。
酸化剤を含む酸性スラリーでは、銅は、高い除去速度及び高い静的エッチング速度の両方を有する傾向にある。しかし、Coteらは、米国特許第６，３７５，６９３号で、バリヤ材料のための酸性ＣＭＰスラリーを開示している。Coteらのスラリーは、過酸化水素酸化剤、ベンゾトリアゾールインヒビター及び硫酸化脂肪酸とともに２〜７．５のｐＨ範囲で作用する。同様に、Wojtczakらは、米国特許第６，４０９，７８１号で、ヨウ素酸カリウム酸化剤、銅コロージョンインヒビターとしてのイミノ二酢酸及び銅活性化剤としての硝酸に依存してバリヤ材料を選択的に研磨する酸性研磨スラリーを開示している。
ＩＣ構造の将来のlow−ｋおよび超low−ｋ集積では、ＣＭＰ工程での低い金属及び絶縁材の損失を要求されるであろう。したがって、バリヤ除去のための選択性が高いスラリーが採用される可能性が非常に高い。中性ないし塩基性の研磨スラリーは、上記のような当業者には公知の利点を有するが、これらのスラリーはまた、低いタンタル除去速度を有する傾向にある。加えて、タンタルは酸化されやすいため、スラリー中の酸化剤がタンタルと反応して酸化物層を表面に形成するおそれがある。上記に照らして、バリヤ材料の速やかな溶解ならびに配線金属及び絶縁材料の両方に対する優れた選択比を有する第二工程スラリーを提供する必要性が存在する。
発明の記載
本発明は、配線金属及び絶縁材の存在下でバリヤ材料を除去するのに有用な研磨溶液を提供する。研磨溶液は、過酸化水素０．１〜１０重量％、研磨溶液のｐＨレベルを３未満に調節するための、硝酸、硫酸、塩酸及びリン酸からなる群より選択される少なくとも１種のｐＨ調節剤、配線金属の除去速度を下げるためのベンゾトリアゾールインヒビター少なくとも０．００２５重量％、界面活性剤０〜１０重量％、５０nm未満の平均粒度を有するコロイダルシリカ０〜１０重量％ならびに残余としての水及び不可避的な不純物を含む。研磨溶液は、ウェーハに対して垂直に計測して１５kPa未満の研磨パッド圧力で測定して、少なくとも３：１の窒化タンタル：銅の選択比及び少なくとも３：１の窒化タンタル：ＴＥＯＳの選択比を有する。
本発明は、配線金属及び絶縁材の存在下でバリヤ材料を除去するのに有用な研磨溶液を提供する。研磨溶液は、過酸化水素０．１〜１０重量％、研磨溶液のｐＨレベルを３未満に調節するための、硝酸、硫酸、塩酸及びリン酸からなる群より選択される少なくとも１種のｐＨ調節剤、配線金属の除去速度を下げるためのベンゾトリアゾールインヒビター少なくとも０．００２５重量％、界面活性剤０〜１０重量％、５０nm未満の平均粒度を有するコロイダルシリカ０〜１０重量％ならびに残余としての水及び不可避的な不純物を含む。研磨溶液は、ウェーハに対して垂直に計測して１５kPa未満の研磨パッド圧力で測定して、少なくとも３：１の窒化タンタル：銅の選択比及び少なくとも３：１の窒化タンタル：ＴＥＯＳの選択比を有する。
本方法は、配線金属の存在下で半導体基材からバリヤ材料を除去し、上記研磨溶液及び研磨パッドを用いて、半導体基材に対して垂直方向の１５kPa未満の圧力で半導体基材を平坦化して、少なくとも３：１の窒化タンタル：銅の選択比及び少なくとも３：１の窒化タンタル：ＴＥＯＳの選択比を提供する工程を含む。
詳細な説明
本発明は、コロイダルシリカ砥粒、過酸化水素酸化剤、ベンゾトリアゾールコロージョンインヒビター及び無機ｐＨ調節剤を含む、３未満の酸性ｐＨを有するバリヤ金属研磨溶液を提供する。本明細書に関して、研磨溶液とは、砥粒を含んでも含まなくてもよい水性研磨溶液をいう。研磨溶液が砥粒を含むならば、その研磨溶液は研磨スラリーでもある。研磨溶液はまた、場合によっては、界面活性剤、キレート化剤、ｐＨ緩衝剤及び消泡剤を含むことができる。
本発明は、コロイダルシリカ砥粒、過酸化水素酸化剤、ベンゾトリアゾールコロージョンインヒビター及び無機ｐＨ調節剤を含む、３未満の酸性ｐＨを有するバリヤ金属研磨溶液を提供する。本明細書に関して、研磨溶液とは、砥粒を含んでも含まなくてもよい水性研磨溶液をいう。研磨溶液が砥粒を含むならば、その研磨溶液は研磨スラリーでもある。研磨溶液はまた、場合によっては、界面活性剤、キレート化剤、ｐＨ緩衝剤及び消泡剤を含むことができる。
本明細書に関して、絶縁材は、シリカ系材料、たとえばＴＥＯＳ、low−ｋ及び超low−ｋ材料（一部の超low材料はシリカ系ではない）を含む。low−ｋ及び超low−ｋ絶縁材料を研磨するためには、これらの材料の離層及び崩壊を最小限にするために低い圧力を維持することが重要である。しかし、低い圧力は、ウェーハスループットにとって望ましくない、低いバリヤ材料（Ｔａ／ＴａＮ）除去速度を生じさせる。運良く、強い酸化剤を有する酸性研磨溶液が、低い圧力で作用する従来のアルカリ性バリヤスラリーと比較して、高いバリヤ除去速度を実証した。バリヤ材料としては、タンタル、窒化タンタル、タンタル−窒化ケイ素、チタン、窒化チタン、チタン−窒化ケイ素、チタン−窒化チタン、チタン−タングステン、タングステン、窒化タングステン及びタングステン−窒化ケイ素がある。
バリヤ金属研磨組成物は、場合によっては、バリヤ材料の磨耗又は「機械的」除去のためのコロイダルシリカ砥粒を含む。コロイダルシリカは、研磨組成物の水相中０〜１０重量％の濃度を有する。本明細書は、断りない限り、すべての濃度を重量％で表す。研磨組成物が砥粒を含有しない場合、パッドの選択及びコンディショニングがＣＭＰ加工にとってより重要になる。たとえば、シリカを含まない組成物の場合、固定砥粒パッドが研磨性能を改善する。有利には、コロイダルシリカ濃度は０．０１〜５重量％である。そして、もっとも有利には、コロイダルシリカ濃度は０．１〜２重量％である。
過度の金属ディッシング及び絶縁材エロージョンを防ぐため、コロイダルシリカは、平均粒度が５０nm未満である。本明細書に関して、粒度とは、コロイダルシリカの平均粒度をいう。有利には、金属ディッシング及び絶縁材エロージョンをさらに減らすため、シリカは、平均粒度が３０nm未満である。もっとも有利には、１５nm未満の平均粒度が、絶縁材料を過度に除去することなくバリヤ金属を許容しうる速度で除去する。たとえば、平均粒度が２〜１５nmであるコロイダルシリカを用いた場合に絶縁材エロージョン及び金属ディッシングがもっとも少ない。コロイダルシリカの粒度を減らすことは、溶液の選択比を改善する傾向を示すが、それはまた、バリヤ除去速度を下げる傾向をも示す。加えて、好ましいコロイダルシリカは、酸性ｐＨ範囲でシリカの安定性を改善するための添加剤、たとえば分散剤を含むことができる。このようなコロイダルシリカの一つは、フランスPuteauxのClariant社から市販されている。
酸化剤過酸化水素によってバリヤ材料、たとえばタンタル及び窒化タンタルの除去速度が大幅に促進されるということがわかった。この発見は、酸化剤がタンタルを不動態化し、その除去速度を下げると教示する、この分野における従来技術とは矛盾する。過酸化水素は、水相中０．１〜１０重量％の濃度を有する。有利には、過酸化水素は、０．１〜５重量％の濃度を有する。もっとも有利には、過酸化水素は、０．１〜２重量％の濃度を有する。過酸化水素は急速に分解し、保存寿命が短いため、使用の時点で過酸化水素を溶液に混入することが非常に有利である。
バリヤ金属研磨溶液は、下にあるバリヤ金属のＣＭＰ加工中、配線金属除去速度を下げ、配線金属ディッシングを減らすため、酸性ｐＨを有する。有利には、配線金属は、銅、銅合金、銀及び銀合金からなる群より選択される。もっとも有利には、配線金属は銅である。Ｈ2Ｏ2のような酸化剤を含む従来技術の酸性スラリーでは、銅除去速度及び静的エッチング速度は高い。この問題を解決するため、本研磨溶液は、第一のコロージョンインヒビターであるベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）及び場合によっては第二のコロージョンインヒビター、たとえば界面活性剤を使用して、銅コロージョン速度をさらに下げる。コロージョンインヒビターは、酸性研磨組成物中の酸化剤による銅酸化を最小限にするように働く。第一及び第二のコロージョンインヒビターが両方とも使用される場合、第一及び第二コロージョンインヒビターの組み合わせ作用が、ＣＭＰ加工中の銅のような配線金属の酸化を実質的に防止する。これがまた、配線金属のディッシングを減らすことにより、改善された研磨性能を促進する。
第一のコロージョンインヒビターはベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）である。ＢＴＡは、水相中、少なくとも０．００２５重量％の濃度を有する。溶液は、銅除去速度を下げるために、比較的多量のＢＴＡインヒビターで作用する。事実、溶液は、ＢＴＡ飽和溶液で作用することができる。一般的な研磨溶液は、ＢＴＡを１．７重量％まで含有することができる。しかし、過剰なＢＴＡ濃度は、配線金属除去速度の低下に対して漸増作用をほとんど及ぼさない傾向にある。有利には、溶液は、０．２５〜１重量％のＢＴＡ濃度を有する。０．２５重量％を超えるＢＴＡ濃度では、第二のコロージョンインヒビターは不要である。
金属配線のための場合によって使用される第二のコロージョンインヒビターは、０〜１０重量％の界面活性剤であることができる。もっとも有利には、研磨溶液は、界面活性剤を０〜５重量％含有する。たとえば、官能基、たとえばスルホネート、スルフェート、カルボキシレート、ホスフェート又はこれらの官能基の誘導体を有するアニオン性界面活性剤が、銅配線の除去速度を抑えるのに必要なＢＴＡを劇的に減らすように作用する。さらには、第二のコロージョンインヒビターは、非イオン界面活性剤、たとえばケイ素系化合物、フッ素系化合物、エステル、エチレンオキシド、アルコール、エトキシレート、エーテル、グリコシド又はこれらの化合物の誘導体であることができる。加えて、第二のコロージョンインヒビターは、アゾール化合物又はその誘導体、たとえばトリトリアゾール（ＴＴＡ）、イミダゾールなどであることができる。場合によって使用されるさらなる二次インヒビター化合物としては、両性界面活性剤及びポリマー、たとえばポリカルボキシレート及びその誘導体、ポリアクリルアミド及びその誘導体、セルロース、ポリビニルアルコール及びその誘導体ならびにポリビニルピロリドン及びその誘導体がある。
もっとも有利には、第二のコロージョンインヒビターはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム界面活性剤である。含まれる場合、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムは、水相中０．０００１〜５重量％の濃度で存在する。有利には、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムは、０．０００１〜０．５重量％の量で存在する。もっとも有利には、研磨溶液は、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを０．０１〜０．０５重量％含有する。
研磨組成物は、研磨組成物のｐＨを３未満の酸性ｐＨまで下げるための無機ｐＨ調節剤を含む。ｐＨ調節剤は、無機酸、たとえば硝酸、硫酸、塩酸及びリン酸である。もっとも有利なｐＨ調節剤は硝酸（ＨＮＯ3）である。有利には、酸は、ｐＨ１．５〜２．９の溶液を作り出す。もっとも有利には、ｐＨは２〜２．８である。シリカはｐＨ２で等電点を有するため、溶液は、このｐＨの付近では動力学的に安定であることができない。シリカ粒子は、分散剤の使用なしでは、等電点の近くで凝集する傾向を示すことがある。
３未満のｐＨでは、研磨組成物は、比較的低い砥粒濃度でさえ、高いバリヤ金属除去速度を提供することができる。この低い砥粒濃度は、望ましくない砥粒誘発欠陥、たとえばスクラッチを減らすことにより、ＣＭＰ加工の研磨性能を改善することができる。同じく３未満のｐＨでは、研磨組成物には、比較的小さな粒度を有する砥粒を配合することができる。たとえば、約１０nmの小さな粒度でさえ、許容しうるＴａ／ＴａＮ除去速度を提供する。比較的小さな粒度を有する砥粒を用い、酸性研磨組成物を低い砥粒濃度で調合することにより、研磨欠陥を減らして優良なレベルにすることができる。
溶液は、ＣＭＰ装置が低いパッド圧力、たとえば７．５〜１５kPa及び場合によっては７．５kPa未満で作動することを可能にする。低いＣＭＰパッド圧力は、スクラッチ及び他の望まれない研磨欠陥を減らすことによって研磨性能を改善し、脆性材料に対する損傷を最小限にする。たとえば、低誘電率材料は、高い圧縮力に暴露されるならば、砕け、離層する。さらには、酸性研磨溶液によって得られる高いバリヤ金属除去速度は、低い砥粒濃度及び小さな粒度を使用する場合でも効果的なバリヤ金属研磨を可能にする。
研磨溶液は、ウェーハに対して垂直に計測して１５kPa未満の研磨パッド圧力で測定して、少なくとも３：１の窒化タンタル：銅の選択比及び少なくとも３：１の窒化タンタル：ＴＥＯＳの選択比を有する。有利には、研磨溶液は、ウェーハに対して垂直に計測して１５kPa未満の研磨パッド圧力で測定して、少なくとも４：１の窒化タンタル：銅の選択比及び少なくとも４：１の窒化タンタル：ＴＥＯＳの選択比を有する。もっとも有利には、研磨溶液は、ウェーハに対して垂直に計測して１０kPa未満の研磨パッド圧力で測定して、少なくとも５：１の窒化タンタル：銅の選択比及び少なくとも５：１の窒化タンタル：ＴＥＯＳの選択比を有する。この高レベルの選択比は、チップ製造者が、過剰な絶縁材又は配線材料を除去することなくバリヤ材料を除去することを可能にする。
場合によって使用される成分の一種は、バリヤ金属除去速度に対して銅除去速度を調節するためのキレート化剤又は錯化剤である。キレート化剤は、銅とキレート化金属錯体を形成することによって銅除去速度を改善する。キレート化剤は、カルボン酸、アミノカルボン酸及びそれらの誘導体などであることができる。好ましくは、キレート化剤は、水相中０〜５重量％の濃度を有する。研磨組成物はまた、場合によっては、１．５〜３未満のｐＨ範囲でpKaを有する緩衝剤、たとえば種々の有機酸及び無機酸ならびにアミノ酸又はそれらの塩を含むことができる。研磨組成物はさらに、場合によっては、消泡剤、たとえばエステル、エチレンオキシド、アルコール、エトキシレート、ケイ素化合物、フッ素化合物、エーテル、グリコシド及びそれらの誘導体などをはじめとする非イオン界面活性剤を含むことができる。消泡剤はまた、両性界面活性剤であってもよい。
実施例
異なる成分濃度での本発明の研磨組成物の研磨性能を測定するため、いくつかの実験を実施した。研磨実験は、Buehler Ecomet CMP システム、Strasbaugh 6EC、IPEC 472又はApplied Materials Mirraを使用して実施した。
異なる成分濃度での本発明の研磨組成物の研磨性能を測定するため、いくつかの実験を実施した。研磨実験は、Buehler Ecomet CMP システム、Strasbaugh 6EC、IPEC 472又はApplied Materials Mirraを使用して実施した。
選択成分の異なる濃度レベル及び種々のｐＨレベルでの研磨性能を評価するため、いくつかの研磨組成物を調製した。すべてのスラリーは、３ガロン（１１．３リットル）バケツで、まず脱イオン水を加え、次いで種々の化学成分を混入して水相を形成することによって調製した。次いで、所望のｐＨ値を得るための量の硝酸を加えることによってｐＨを調節した。ひとたび水相が形成すると、水相中１〜８．５重量％のシリカを有する溶液を形成するのに十分な量のコロイダルシリカを加えた。
これらの予備的スクーピング実験では２種の異なるコロイダルシリカ砥粒を使用した。Nalco 2360及びKlebosolシリーズである。コロイダルシリカ砥粒を以下の表Ｉに一覧で示す。
Klebosolコロイダルシリカは、約２．４のｐＨで安定化させた。比較的低いｐＨを有する研磨組成物中のコロイダルシリカの安定性は当産業における関心事であるが、上記コロイダルシリカ製品は、粒子を安定化させる添加剤を使用することができる。
実施例１
異なるｐＨ値を有するように調合した２種の研磨組成物とともにBuehler CMP システムを使用して試験基材を研磨した。第一及び第二の研磨組成物それぞれは、ｐＨ調節剤ならびに異なる量のＨ2Ｏ2及びコロイダルシリカ８．５重量％を含有するものであった。各スラリーの砥粒相は、Nalco 2360コロイダルシリカ砥粒を使用して調合した。一方の研磨組成物は、ｐＨ２を有するように調合し、他方の研磨組成物は、ｐＨ９を有するように調合した。Target Materials社製のタンタル（９９．９５％）基材を使用して研磨実験を実施した。基材は、直径１インチ（２．５cm）、厚さ０．１１８インチ（０．３０cm）であった。
異なるｐＨ値を有するように調合した２種の研磨組成物とともにBuehler CMP システムを使用して試験基材を研磨した。第一及び第二の研磨組成物それぞれは、ｐＨ調節剤ならびに異なる量のＨ2Ｏ2及びコロイダルシリカ８．５重量％を含有するものであった。各スラリーの砥粒相は、Nalco 2360コロイダルシリカ砥粒を使用して調合した。一方の研磨組成物は、ｐＨ２を有するように調合し、他方の研磨組成物は、ｐＨ９を有するように調合した。Target Materials社製のタンタル（９９．９５％）基材を使用して研磨実験を実施した。基材は、直径１インチ（２．５cm）、厚さ０．１１８インチ（０．３０cm）であった。
本発明にしたがってｐＨ２で調合した研磨組成物及びｐＨ９で調合した第二の塩基性研磨組成物に関して、Ｈ2Ｏ2濃度の関数としてのタンタル除去速度を図１に示す。各基材からの金属除去量を測定するため、金属ディスクの重量を各研磨実験の前後で計測した。研磨時間６分間後、研磨実験ごとに金属除去量をミリグラム単位で測定した。
図１に示すデータを得るために、Buehler CMP システムは、Rodel社製のｋ溝付き研磨パッドIC1000を具備していた。試験ごとの研磨実験の合間に、ダイヤモンドディスクコンディショナを使用して、この研磨パッドを２分間コンディショニングした。６．４psi（４４．１kPa）のパッド圧力の計算値及び７０rpmのテーブル速度及び１００ml/分の研磨組成物流量を使用して研磨実験を実施した。
図１に示すように、ｐＨ２を有する研磨組成物は、ｐＨ９を有する研磨組成物と比較して、Ｔａ除去の有意な増大を示した。Ｈ2Ｏ2濃度を０重量％から４重量％に変化させると、Ｔａ除去速度の改善はさらに顕著に表れた。
また、Klebosol砥粒相及び水相で調合されたｐＨ２．５の研磨組成物を使用して実験を実施した。Ｈ2Ｏ2濃度を０重量％から４重量％に増したときのＴａ除去速度を測定した。文字は比較スラリーを表し、数字は本発明の例を表す。これらの実験の場合、Buehler CMP システムは、IC1010/Suba IV研磨パッドを具備していた。データを以下の表２に示す。
これらのデータは、Ｈ2Ｏ2濃度の増大に伴う、Ｔａ除去の安定した増大を示す。図１及び表２に示すデータは、酸化剤濃度の増大に伴う、予想されるＴａ除去速度からの逸脱を表す。従来の塩基性研磨組成物は通常、酸化剤濃度の増大に伴ってＴａ除去速度の低下を示す。
実施例２
それぞれ異なるｐＨ値を有するように調合した４種の研磨組成物で、Strasbaugh CMP システムを使用して試験基材を研磨した。これらの実験のために、Strasbaugh CMP システムは、Rodel社のIC1010/Suba IV研磨パッドを具備していた。研磨組成物のうち２種は、Klebosol PL150H20コロイダルシリカを１重量％含有するものであり、残り２種の組成物は、Klebosol PL150H20コロイダルシリカを４重量％含有するものであった。さらに、研磨組成物ごとに、Wafernet社から得た直径２００mmのケイ素基材を使用して、１psi（６．９kPa）及び２psi（１３．８kPa）のパッド圧力を使用して研磨実験を実施した。基材は、電気めっきした１５，０００オングストロームのＣｕ薄層、ＴＥＯＳ源ガスを使用するＣＶＤによって付着させた１５，０００オングストロームのＳｉＯ2薄層又はケイ素に重なる２０００オングストロームのＣＶＤ ＴａＮ薄層を含むものであった。
それぞれ異なるｐＨ値を有するように調合した４種の研磨組成物で、Strasbaugh CMP システムを使用して試験基材を研磨した。これらの実験のために、Strasbaugh CMP システムは、Rodel社のIC1010/Suba IV研磨パッドを具備していた。研磨組成物のうち２種は、Klebosol PL150H20コロイダルシリカを１重量％含有するものであり、残り２種の組成物は、Klebosol PL150H20コロイダルシリカを４重量％含有するものであった。さらに、研磨組成物ごとに、Wafernet社から得た直径２００mmのケイ素基材を使用して、１psi（６．９kPa）及び２psi（１３．８kPa）のパッド圧力を使用して研磨実験を実施した。基材は、電気めっきした１５，０００オングストロームのＣｕ薄層、ＴＥＯＳ源ガスを使用するＣＶＤによって付着させた１５，０００オングストロームのＳｉＯ2薄層又はケイ素に重なる２０００オングストロームのＣＶＤ ＴａＮ薄層を含むものであった。
０．５psi（３．４kPa）の背圧及び１２０rpmのテーブル速度で研磨加工を実施した。他のパラメータとして、キャリヤ速度１１４rpm及びスラリー流量２００ml/分であった。異なる薄膜に対して研磨時間を以下のように変化させた。Ｃｕの場合には１〜５分、ＳｉＯ2の場合は１分、ＴａＮの場合は３０秒。各実験の合間に、DiaGrid Kinikコンディショナを使用してIC1010/Suba IV研磨パッドをコンディショニングした。
CDE 168 ４点プローブを使用してＣｕ除去速度及びＴａＮ除去速度を測定し、KLA-Tencor SM300を使用してＳｉＯ2（ＴＥＯＳ）除去速度を測定した。５種の異なるｐＨ値で測定したＴａＮ除去速度をｐＨの関数として図２に示す。実験データは、水相のｐＨを２から４に調節したときのＴａＮ除去速度の顕著な低下を示す。Ｃｕ、二酸化ケイ素（ＴＥＯＳ）及びＴａＮに関する除去速度データを以下の表３に示す。
これらのデータは、所望の窒化タンタル：銅及び窒化タンタル：ＴＥＯＳの選択比を達成するためには３未満のｐＨが必要であることを示す。
実施例３
種々の砥粒濃度での研磨組成物のＴａＮ除去速度を測定するための実験を実施した。この実験はまた、砥粒濃度とパッド圧力との相互作用を判定するために、異なるパッド圧力で実施した。研磨データを図３に示す。ＴａＮ除去速度は、種々の砥粒濃度で試験範囲にわたってパッド圧力の増大とともに線形に増大する。また、所与のパッド圧力の場合、ＴａＮ除去速度は砥粒濃度の増大とともに増大する。重要なことに、データは、低い砥粒濃度及びパッド圧力でさえ高いＴａＮ除去速度が得られるということを示す。
種々の砥粒濃度での研磨組成物のＴａＮ除去速度を測定するための実験を実施した。この実験はまた、砥粒濃度とパッド圧力との相互作用を判定するために、異なるパッド圧力で実施した。研磨データを図３に示す。ＴａＮ除去速度は、種々の砥粒濃度で試験範囲にわたってパッド圧力の増大とともに線形に増大する。また、所与のパッド圧力の場合、ＴａＮ除去速度は砥粒濃度の増大とともに増大する。重要なことに、データは、低い砥粒濃度及びパッド圧力でさえ高いＴａＮ除去速度が得られるということを示す。
実施例４
Ｃｕ、ＳｉＯ2（ＴＥＯＳ）及びＴａＮの除去速度を測定するための実験を実施した。これらの実験の場合、４重量％コロイダルシリカ、４重量％Ｈ2Ｏ2を有するｐＨ２の研磨組成物を使用して２psi（１３．８kPa）のパッド圧力で試料を研磨した。図４は、異なる濃度の第一のインヒビターＢＴＡでのＣｕ、ＴａＮ及びＳｉＯ2（ＴＥＯＳ）除去速度を示す。Ｃｕ除去速度は、CDE 168 ４点プローブを使用して測定し、ＳｉＯ2除去速度は、KLA-Tencor SM300を使用して測定した。データは、ＢＴＡの重量％を飽和レベルまで増したとき、Ｃｕ除去速度の劇的な低下を示す。飽和レベルを超えると、ＢＴＡ濃度の増大は、第二のインヒビターの非存在下では、Ｃｕ除去速度を有意には低下させない。重要なことに、ＳｉＯ2及びＴａＮ除去速度は、Ｃｕ除去速度と比べて比較的一定のままである。また、ＴａＮ除去速度は、全ＢＴＡ濃度範囲にわたって高いままである。
Ｃｕ、ＳｉＯ2（ＴＥＯＳ）及びＴａＮの除去速度を測定するための実験を実施した。これらの実験の場合、４重量％コロイダルシリカ、４重量％Ｈ2Ｏ2を有するｐＨ２の研磨組成物を使用して２psi（１３．８kPa）のパッド圧力で試料を研磨した。図４は、異なる濃度の第一のインヒビターＢＴＡでのＣｕ、ＴａＮ及びＳｉＯ2（ＴＥＯＳ）除去速度を示す。Ｃｕ除去速度は、CDE 168 ４点プローブを使用して測定し、ＳｉＯ2除去速度は、KLA-Tencor SM300を使用して測定した。データは、ＢＴＡの重量％を飽和レベルまで増したとき、Ｃｕ除去速度の劇的な低下を示す。飽和レベルを超えると、ＢＴＡ濃度の増大は、第二のインヒビターの非存在下では、Ｃｕ除去速度を有意には低下させない。重要なことに、ＳｉＯ2及びＴａＮ除去速度は、Ｃｕ除去速度と比べて比較的一定のままである。また、ＴａＮ除去速度は、全ＢＴＡ濃度範囲にわたって高いままである。
実施例５
Ｃｕ、二酸化ケイ素及びＴａＮの除去速度を第二のコロージョンインヒビター（ドデシル硫酸ナトリウム）濃度の関数として測定した。ｐＨ２を有するように調合した研磨組成物を使用して実験を実施した。本発明の研磨組成物はまた、過酸化水素４重量％及び第一のインヒビター（ＢＴＡ）０．６重量％を含有するものであった。Strausbaugh CMP システムを２psi（１３．８kPa）のパッド圧力で作動させた。
Ｃｕ、二酸化ケイ素及びＴａＮの除去速度を第二のコロージョンインヒビター（ドデシル硫酸ナトリウム）濃度の関数として測定した。ｐＨ２を有するように調合した研磨組成物を使用して実験を実施した。本発明の研磨組成物はまた、過酸化水素４重量％及び第一のインヒビター（ＢＴＡ）０．６重量％を含有するものであった。Strausbaugh CMP システムを２psi（１３．８kPa）のパッド圧力で作動させた。
結果を図５に示す。結果は、第二のインヒビター濃度の実験範囲にわたってＴａＮがＳｉＯ2及びＣｕよりも一定に高い速度で除去されるということを示す。また、ＳｉＯ2は、Ｃｕよりも高速で除去される。これらの実験では、第二のコロージョンインヒビターによってＣｕ除去速度が１００Å/分未満の非常に低い値まで抑えられた。
実施例６
本発明にしたがって調合した、界面活性剤を含む研磨組成物を使用して、Ｃｕ、ＳｉＯ2及びＴａＮの除去速度を測定するための実験を実施した。これらの実験の場合、アニオン性界面活性剤Biosoft D-40を研磨組成物に添加して、水相中０．０２重量％の界面活性剤濃度を形成した。Biosoft D-40の有効成分はドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムである。IPEC 472 CMP システムを使用して研磨試験を実施した。IPEC 472は、IC1000ｋ溝付き研磨パッドを具備していた。他の作業パラメータとして、テーブル速度１２０rpm、キャリヤ速度１１４rpm及びスラリー流量２００ml/分であった。１psi（６．９kPa）のパッド圧力を適用して、以下の表４に示す除去速度を得た。
本発明にしたがって調合した、界面活性剤を含む研磨組成物を使用して、Ｃｕ、ＳｉＯ2及びＴａＮの除去速度を測定するための実験を実施した。これらの実験の場合、アニオン性界面活性剤Biosoft D-40を研磨組成物に添加して、水相中０．０２重量％の界面活性剤濃度を形成した。Biosoft D-40の有効成分はドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムである。IPEC 472 CMP システムを使用して研磨試験を実施した。IPEC 472は、IC1000ｋ溝付き研磨パッドを具備していた。他の作業パラメータとして、テーブル速度１２０rpm、キャリヤ速度１１４rpm及びスラリー流量２００ml/分であった。１psi（６．９kPa）のパッド圧力を適用して、以下の表４に示す除去速度を得た。
すべての研磨試験において、Ｃｕ除去速度はＴａＮ除去速度よりも低かった。また、０．１重量％〜０．４重量％のＢＴＡ濃度範囲にわたって高いＴａＮ除去速度が維持された。
実施例７
表５のスラリー調合物１８〜２１及びＪは、コロイダルシリカ４重量％、ＢＴＡ ０．６重量％、Ｈ2Ｏ2 ０．５重量％を含み、硝酸でｐＨを２．５に調節したものであった。以下の表は、Mirra CMP 研磨装置でのシートウェーハ除去速度データを提示する。研磨加工は、１２０rpmのテーブル速度、１１４rpmのキャリヤ速度、１psi（６．９kPa）のダウンフォース、２００ml/分のスラリー流量及びIC1010/Suba IVパッドを使用した。
表５のスラリー調合物１８〜２１及びＪは、コロイダルシリカ４重量％、ＢＴＡ ０．６重量％、Ｈ2Ｏ2 ０．５重量％を含み、硝酸でｐＨを２．５に調節したものであった。以下の表は、Mirra CMP 研磨装置でのシートウェーハ除去速度データを提示する。研磨加工は、１２０rpmのテーブル速度、１１４rpmのキャリヤ速度、１psi（６．９kPa）のダウンフォース、２００ml/分のスラリー流量及びIC1010/Suba IVパッドを使用した。
種々のコロイド状砥粒のディッシング及びエロージョン性能を評価するため、Sematech 854 ＴＥＯＳパターンウェーハをMirraで研磨した。各プラテンでの研磨加工を表６に示し、ディッシング及びエロージョンデータを図６に示す。
ＴａＮ及びＳｉＣＮシートウェーハ除去速度は、粒度２５nmで最大除去速度を提供したが、ＴＥＯＳ、Ｃｕ及びCoral除去速度は、粒度又は分布のいずれに対しても感受性がなかった。興味深いことに、854 ＴＥＯＳパターンウェーハのディッシング及びエロージョンは、粒度の増大及び粒度分布モードとともに増大する。しかし、これらの結果からは、粒度又は分布モード数がディッシング及びエロージョン性能を支配するかどうかは明白ではない。９nm砥粒が最高のディッシング及びエロージョン性能を提供した。２５nmから９nmへの粒度変化とともにＴａＮ除去速度が低下するにもかかわらず、除去速度は、効率的な第二工程バリヤＣＭＰ加工には十分である。
要するに、低ｐＨの無機酸、ＢＴＡ及び過酸化水素の組み合わせが、バリヤ材料の速やかな溶解ならびに配線金属、たとえば銅及び絶縁材料の両方に対する優れた選択比を有する第二工程研磨溶液を提供する。このバリヤ材料の速やかな溶解は、１５kPa未満の圧力、有利には１０kPa未満の圧力でＣＭＰ加工を実施することを可能にする。もっとも有利には、ＣＭＰ平坦化は、７．５kPa未満の圧力で実施することができる。
Claims (5)
- 配線金属及び絶縁材の存在下でバリヤ材料を除去するための研磨溶液であって、過酸化水素０．１〜１０重量％、研磨溶液のｐＨレベルを２〜２．９に調節するためのｐＨ調節剤であって、硝酸、硫酸、塩酸及びリン酸からなる群より選択される少なくとも１種の無機酸のみから構成されるｐＨ調節剤、配線金属の除去速度を下げるためのベンゾトリアゾールインヒビター０．４〜１重量％、界面活性剤０〜１０重量％、５０nm未満の平均粒度を有するコロイダルシリカ０.０１〜１０重量％ならびに残余としての水及び不可避的な不純物を含み、銅除去速度を調節するためのキレート化剤又は錯化剤を含まず、ウェーハに対して垂直に計測して１５kPa未満の研磨パッド圧力で測定して、少なくとも３：１の窒化タンタル：銅の選択比及び少なくとも３：１の窒化タンタル：ＴＥＯＳの選択比を有する研磨溶液。
- 前記界面活性剤が、スルホネート、スルフェート、カルボキシレート、ホスフェート及びこれらの誘導体からなる群より選択される官能基を有するアニオン性界面活性剤であり、前記界面活性剤が銅配線の除去速度を下げる、請求項１記載の研磨溶液。
- 前記コロイダルシリカの平均粒度が２〜１５nmであり、前記コロイダルシリカが単峰性粒度分布を有する、請求項１又は２記載の研磨溶液。
- 前記研磨溶液が、過酸化水素０．１〜２重量％、ベンゾトリアゾールインヒビター０．４〜１重量％、界面活性剤０〜５重量％、コロイダルシリカ０．１〜２重量％を含有し、前記ｐＨレベルが２〜２．８であり、前記コロイダルシリカが１５nm未満の平均粒度を有し、前記研磨溶液が、ウェーハに対して垂直に計測して１０kPa未満の研磨パッド圧力で測定して、少なくとも５：１の窒化タンタル：銅の選択比及び少なくとも５：１の窒化タンタル：ＴＥＯＳの選択比を有する、請求項１〜３のいずれか１項記載の研磨溶液。
- ０．０００１〜５重量％のドデシルベンゼンスルホン酸を含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の研磨溶液。
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