專利名稱：在銅cmp中采用不包含氧化劑的拋光流體的第二步驟拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及化學(xué)-機(jī)械-平面化(CMP)，和更特別地，涉及由CMP除去半導(dǎo)體晶片上阻擋膜的第二拋光步驟用拋光流體。
背景可以在其中布置有多個(gè)溝槽的介電層中形成用于半導(dǎo)體器件的電路連接件。通過在下面的介電層上施加阻擋膜，隨后在阻擋膜上施加金屬層形成連接件。使金屬層形成到足夠的厚度以采用金屬填充溝槽。連接件制造工藝包括使用兩步驟CMP工藝。
CMP是指采用拋光墊和拋光流體拋光半導(dǎo)體晶片的工藝。在第一拋光步驟中，從下面的阻擋膜和從下面的介電層除去金屬層。由如下兩種方式除去金屬層由拋光墊施加的磨耗，和由與拋光流體的化學(xué)反應(yīng)，伴隨著化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的溶解。第一拋光步驟除去金屬層，在晶片上留下平滑平面拋光表面，和進(jìn)一步在溝槽中留下金屬以提供與拋光表面基本成平面的電路連接件。
典型的第一步驟拋光工藝包括在拋光流體中含有氧化劑，如KNO3或H2O2的水溶液，該拋光流體的pH在酸性范圍。由氧化劑的金屬層氧化和由拋光墊的磨耗除去銅金屬層。此外，拋光墊磨蝕金屬層以使溶解氧化物從溶液到要拋光的材料表面上的再沉積最小化。從例如，鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)的下面阻擋膜除去銅。阻擋膜比銅更耐磨耗，使得該阻擋膜用作停止銅第一步驟拋光的拋光停止物。此外，由拋光流體的阻擋膜表面的氧化會(huì)抑制它在第一步驟拋光期間的脫除。
在第二拋光步驟中，從下面的介電層除去阻擋膜。第二步驟拋光可在介電層上提供平滑、平面拋光的表面。理想地，第二拋光步驟不除去溝槽中的金屬。第二步驟中的過量金屬脫除可向來自第一步驟的凹坑(dishing)增加另外的凹坑。
凹坑是描述如下空腔形成的術(shù)語由除去溝槽中的過量金屬引起的電路連接件中不希望空腔的形成。凹坑可在第一拋光步驟中和在第二拋光步驟兩者中發(fā)生。要求電路連接件具有精確的尺寸，該尺寸確定信號傳輸線的電阻抗，如由電路連接件提供的那樣。超過可接受水平的凹坑在電路連接件中引起尺寸缺陷，其可導(dǎo)致由電路連接件傳輸?shù)碾娦盘柕乃p。由于阻擋金屬膜的相對較低的拋光速率，通常的拋光漿料要求太多的拋光時(shí)間用于完全除去絕緣膜上的阻擋金屬膜。如果溝槽中銅膜的拋光速率等于或高于阻擋金屬膜的拋光速率，溝槽中的銅膜金屬被過度拋光，導(dǎo)致凹坑。
第二拋光步驟應(yīng)當(dāng)引起最小的侵蝕。侵蝕是描述如下介電層表面的不希望降低的術(shù)語通過在密集連接件區(qū)域中除去在屏蔽層下面的一些介電層引起的介電層表面的不希望降低。此介電層脫除大于在稀薄區(qū)域如隔離的連接件區(qū)域中的介電層脫除，使得與其它表面相比密集連接件區(qū)域的表面變凹坑。鄰近溝槽中金屬發(fā)生的侵蝕在電路連接件中引起尺寸缺陷，它可導(dǎo)致由電路連接件傳輸?shù)碾娦盘柕乃p。為最小化侵蝕，需要用于第二步驟拋光的拋光流體采用比用于介電層脫除速率高的脫除速率除去阻擋膜。
相對于下面的層，第二拋光步驟應(yīng)當(dāng)具有對屏蔽層的高脫除選擇性。脫除選擇性定義為相對于比較層，例如介電層或金屬膜的脫除速率，阻擋膜脫除速率的比例。因此，脫除選擇性是相對于介電層或金屬膜的阻擋膜脫除的量度。需要高脫除選擇性。采用拋光流體的拋光使阻擋膜而不是介電層的脫除最大化，該拋光流體顯示相對于介電層的高脫除選擇性。
US專利6547843公開了用于金屬接線層制備的拋光組合物，該組合物包括水、磨料顆料、有機(jī)酸、和氧化劑，和由堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)的pH為5.5-10.0。由于組合物包括氧化劑，鉭的脫除速率是400-870埃/min而銅的脫除速率是360-600埃/min，和Ta/Cu的選擇性接近1。
采用包含氧化劑的拋光流體存在的問題在于氧化劑促進(jìn)金屬層的腐蝕，并因此促進(jìn)金屬層的凹坑。有利的是發(fā)現(xiàn)了不包含氧化劑的合適第二步驟拋光流體。也有利的是第二步驟拋光流體也具有低的磨料粒子濃度。磨料粒子的高濃度確實(shí)在高速率下除去阻擋物Ta或TaN，但可引起其它問題，如引起介電層的侵蝕和在拋光的晶片表面中引起缺陷。
發(fā)明概述一種通過采用拋光墊和拋光流體的拋光而脫除半導(dǎo)體晶片上阻擋膜的方法，該拋光流體在水溶液中于堿性pH下，包括范圍為0.1-5wt％的磨料粒子和范圍為0.5-10wt％的有機(jī)酸或其混合物，而不加入氧化劑。本發(fā)明的拋光流體不包含氧化劑。令人驚奇地，沒有通常用于CMP拋光流體和在低拋光磨料濃度下的有機(jī)酸，提供了增強(qiáng)的阻擋物脫除使得阻擋物對金屬和阻擋物對介電層兩者的選擇性高。非必要地，可以加入通常用于CMP漿料的其它組分，如銅緩蝕劑以進(jìn)一步保護(hù)溝槽中的金屬銅表面。也可以非必要地向本發(fā)明的拋光流體中加入漿料穩(wěn)定劑。
詳細(xì)描述用于本發(fā)明拋光流體的磨料粒子可以是CMP漿料中發(fā)現(xiàn)的任何通常磨料，如氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈰、氧化鋯等。優(yōu)選是由二氧化硅，例如熱解法二氧化硅和膠體二氧化硅組成的磨料。
二氧化硅拋光顆粒的平均直徑優(yōu)選是5-500nm，更優(yōu)選約50nm。按照因素如拋光效率、拋光精度、和TaN/Cu和TaN/TEOS的選擇性，拋光漿料中二氧化硅拋光顆粒的含量可以適當(dāng)?shù)剡x擇在拋光流體組合物總數(shù)量中的0.1-5wt％的范圍內(nèi)。優(yōu)選是至少1wt％磨料。
用于本發(fā)明拋光漿料的有機(jī)酸可以是選自如下物質(zhì)的至少一種有機(jī)酸、羧酸、和包含羧基和羧基的羥基羧酸、和包含氨基的氨基酸。例如，可以使用如下物質(zhì)有機(jī)酸，如檸檬酸、馬來酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、丙烯酸、乳酸、琥珀酸、蘋果酸、丙二酸、酒石酸、鄰苯二甲酸、富馬酸、乳酸(α-羥基丙酸或β-羥基丙酸)、庚二酸、己二酸、戊二酸、草酸、水楊酸、乙醇酸、丙三羧酸、苯甲酸、和這些酸的鹽?？梢允褂玫陌被岚é?氨基酸或β-氨基酸。氨基酸可以作為游離形式、作為鹽或作為水合物加入?？梢约尤氲哪切┑睦影ü劝彼?、谷氨酸鹽酸鹽、谷氨酰胺鈉(sodium glutaminate)一水合物、谷氨酰胺、谷胱甘肽、甘氨酰甘氨酸、丙氨酸、β-丙氨酸、γ-氨基丁酸、ε-氨基己酸、賴氨酸、賴氨酸鹽酸鹽、賴氨酸二鹽酸鹽、賴氨酸苦味酸鹽、組氨酸、組氨酸鹽酸鹽、組氨酸二鹽酸鹽、門冬氨酸、門冬氨酸一水合物、門冬氨酸鉀、門冬氨酸鉀三水合物、色氨酸、蘇氨酸、甘氨酸、胱氨酸、半胱氨酸、半胱氨酸鹽酸鹽一水合物、羥脯氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、鳥氨酸鹽酸鹽、苯丙氨酸、苯基甘氨酸、脯氨酸、絲氨酸、酪氨酸、纈氨酸、和這些氨基酸的混合物。這些有機(jī)酸的鹽具有增加溶解度的效果和因此被使用。這些化學(xué)品可以單獨(dú)使用或以兩種或多種的結(jié)合物使用。用于本發(fā)明的以上有機(jī)酸的含量必須是至少0.1wt％和至多10％，優(yōu)選1-5％，最優(yōu)選2-4％，以改進(jìn)包含鉭的阻擋膜的拋光速率。當(dāng)結(jié)合兩種或多種有機(jī)酸時(shí)，以上含量表示它們的總量。
本發(fā)明拋光流體的pH優(yōu)選為7-12，更優(yōu)選pH8-10和最優(yōu)選約pH9。用于調(diào)節(jié)本發(fā)明漿料pH的堿可以是包含銨離子的堿，如氫氧化銨、包含烷基取代銨離子的堿、包含堿金屬離子的堿、包含堿土金屬離子的堿、包含IIIB族金屬離子的堿、包含IVB族金屬離子的堿、包含VB族金屬離子的堿和包含過渡金屬離子的堿。在堿性范圍的指定pH不僅僅用于阻擋物表面的脫除，而且對于本發(fā)明漿料的穩(wěn)定性是良好的。對于拋光漿料，可以由已知技術(shù)調(diào)節(jié)pH。例如，可以向其中分散二氧化硅磨料和溶解有機(jī)酸的漿料中直接加入堿。或者，可以將一部分或所有要加入的堿作為有機(jī)堿鹽加入?？梢允褂玫膲A的例子包括堿金屬氫氧化物如氫氧化鉀、堿金屬碳酸鹽如碳酸鉀、氨、和在此段中提及的胺。
可以進(jìn)一步加入用于導(dǎo)電金屬，如銅的緩蝕劑。抑制劑的加入可使得進(jìn)一步調(diào)節(jié)導(dǎo)電金屬膜的拋光速率和可導(dǎo)致在導(dǎo)電金屬膜上形成涂料膜，以防止在拋光期間和之后的凹坑和腐蝕。抑制劑的例子包括苯并三唑、1，2，4-三唑、苯并N-氧化噁二唑、2，1，3-苯并噻唑、鄰苯二胺、間苯二胺、兒茶酚、鄰氨基苯酚、2-巰基苯并咪唑、2-巰基苯并噁唑、蜜胺、和它們的衍生物。其中，優(yōu)選是苯并三唑和它的衍生物。此外，可以使用萘三唑和萘雙三唑以及如上所述的取代萘三唑和取代萘雙三唑。抑制劑的含量優(yōu)選是拋光漿料總數(shù)量的至少0.001wt％用于達(dá)到它加入的適當(dāng)效果。本發(fā)明的拋光漿料可包含通常加入到拋光漿料中的各種添加劑如分散劑、殺蟲劑、緩沖劑和粘度改進(jìn)劑，只要這樣的加入不劣化漿料的性能。拋光漿料的余量是水，優(yōu)選去離子水。
進(jìn)行試驗(yàn)以測試由CMP從半導(dǎo)體晶片上的下面二氧化硅介電層除去TaN阻擋膜，用于第二步驟拋光的拋光流體的組成變化。此外，進(jìn)行相同的試驗(yàn)以從半導(dǎo)體晶片除去銅金屬，其中銅金屬模擬半導(dǎo)體晶片的溝槽中的金屬。參考表1，使用拋光墊和堿性pH(pH＝9)的拋光流體通過拋光TaN的阻擋膜和二氧化硅的介電層進(jìn)行試驗(yàn)。pH＝9是公稱值，因?yàn)閽伖饬黧w中組分的所有濃度是公稱值。因此，組分的所有所述測量值，以及pH測量值分別可圍繞它們的所述公稱值變化。同樣參考表1，測試A和B使用包含0％磨料和0％檸檬酸的拋光流體作為參考試驗(yàn)，其中分別加入0.002wt％或0.1wt％的BTA；測試C使用包含1％超微二氧化硅磨料和0％檸檬酸的拋光流體，作為測試檸檬酸性能的對比試驗(yàn)；測試1-4的漿料包含1％二氧化硅磨料和濃度從0.5％增加到4％的檸檬酸。表1中列出的拋光流體也可包括少量殺蟲劑。使用這些拋光流體，在拋光墊，購自Rodel Inc的IC1010上進(jìn)行CMP，拋光片狀空白晶片。對于每種拋光流體，使用兩個(gè)TaN晶片，兩個(gè)銅晶片和兩個(gè)TEOS晶片。表中報(bào)導(dǎo)的脫除速率是兩個(gè)晶片的平均值。
測試B和測試C的比較顯示采用1％磨料，TaN和銅脫除速率兩者可從幾乎零增加到178埃/min，其中兩個(gè)測試不包含有機(jī)酸。測試1-4顯示隨著流體中檸檬酸濃度的連續(xù)增加，氮化鉭(TaN)的脫除速率增加至1350埃/min，而銅脫除速率幾乎恒定。從測試1到測試4的銅脫除速率接近測試C的銅脫除速率。這指示銅脫除起因于1％磨料。測試顯示在不存在氧化劑的情況下由檸檬酸例示的有機(jī)酸特別地相互作用和除去阻擋物(TaN)表面，而非金屬銅表面。此外，測試顯示二氧化硅TEOS的脫除速率也非常低。
測試D和5-9具有與測試1-4相似的測試設(shè)定。測試D顯示在1％二氧化硅磨料存在下，但流體中沒有谷氨酸，TaN脫除速率是20埃/min，阻擋物脫除拋光的不可接受數(shù)值。測試中的銅脫除速率是178埃/min，它與測試C中相同。當(dāng)加入1或2或4wt％谷氨酸時(shí)，TaN脫除速率增加至1580埃/min，這指示這些漿料中TaN的脫除是由于氨基酸，谷氨酸的加入。采用加入谷氨酸的銅脫除速率再次幾乎恒定，如在加入檸檬酸的測試中那樣。此外，TEOS脫除速率是約50埃/min，其足夠低以在圖案晶片拋光中具有低至零的侵蝕。測試5顯示沒有磨料，酸單獨(dú)不會(huì)提供高的TaN脫除速率。因此，磨料必須與此氨基酸一起。這也指示由于測試中TaN的脫除需要化學(xué)(來自谷氨酸)和機(jī)械(磨料)拋光的結(jié)合，采用谷氨酸的脫除不是刻蝕工藝而是真實(shí)的CMP工藝。在氨基酸存在下，二氧化硅磨料的增加增大了TaN的脫除速率，如在測試7和9中所示。
表1拋光結(jié)果和選擇性


在此引用的實(shí)施例說明采用有機(jī)酸或氨基酸和磨料的結(jié)合，而無氧化劑，我們能夠從晶片基底在高脫除速率下除去包括鉭(如鉭和氮化鉭)的阻擋膜，具有低銅脫除速率和低介電TEOS脫除速率。
在本發(fā)明的拋光漿料中，可以優(yōu)選調(diào)節(jié)組成以提供優(yōu)選至少400埃/min，更優(yōu)選至少1000埃/min的包括鉭的阻擋膜拋光速率，和提供優(yōu)選小于500埃/min，更優(yōu)選小于200埃/min的銅拋光速率?？梢哉{(diào)節(jié)本發(fā)明拋光漿料的組成以提供優(yōu)選5/1，更優(yōu)選10/1或更大的含鉭阻擋膜對銅膜的拋光速率比?？梢运璧卣{(diào)節(jié)本發(fā)明拋光漿料的組成以提供在本發(fā)明的拋光漿料中，優(yōu)選至少10/1，更優(yōu)選至少20/1的更高的含鉭阻擋膜對層間介電膜的拋光速率比(TaN/介電膜拋光比)。其中檸檬酸以4wt％存在于漿料中的測試4的結(jié)果，阻擋物TaN對銅的選擇性是9.0而阻擋物TaN對絕緣層的選擇性是24.5。其中谷氨酸以4wt％存在于漿料中的測試8的結(jié)果，阻擋物TaN對銅的選擇性是11而阻擋物TaN對絕緣層的選擇性是41。
權(quán)利要求
1.一種通過采用拋光墊和拋光流體的拋光而脫除半導(dǎo)體晶片上阻擋膜的方法，該拋光流體在水溶液中于堿性pH下，包括0.1％-5wt％的磨料粒子和0.5-10wt％的有機(jī)酸或其混合物，而不加入氧化劑。
2.權(quán)利要求1的方法，其中有機(jī)酸選自羧酸、包含羥基的羥基羧酸、和氨基酸。
3.權(quán)利要求2的方法，其中有機(jī)酸選自檸檬酸、馬來酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、丙烯酸、乳酸、琥珀酸、蘋果酸、丙二酸、酒石酸、鄰苯二甲酸、富馬酸、乳酸(α-羥基丙酸或β-羥基丙酸)、庚二酸、己二酸、戊二酸、草酸、水楊酸、乙醇酸、丙三羧酸、和苯甲酸。
4.權(quán)利要求2的方法，其中氨基酸選自谷氨酸、谷氨酸鹽酸鹽、谷氨酰胺鈉一水合物、谷氨酰胺、谷胱甘肽、甘氨酰甘氨酸、丙氨酸、β-丙氨酸、γ-氨基丁酸、ε-氨基己酸、賴氨酸、賴氨酸鹽酸鹽、賴氨酸二鹽酸鹽、賴氨酸苦味酸鹽、組氨酸、組氨酸鹽酸鹽、組氨酸二鹽酸鹽、門冬氨酸、門冬氨酸一水合物、門冬氨酸鉀、門冬氨酸鉀三水合物、色氨酸、蘇氨酸、甘氨酸、胱氨酸、半胱氨酸、半胱氨酸鹽酸鹽一水合物、羥脯氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、鳥氨酸鹽酸鹽、苯丙氨酸、苯基甘氨酸、脯氨酸、絲氨酸、酪氨酸、纈氨酸、和這些氨基酸的混合物。
5.權(quán)利要求1的方法，其中該磨料是二氧化硅。
6.權(quán)利要求3的方法，其中有機(jī)酸是檸檬酸。
7.權(quán)利要求4的方法，其中氨基酸是谷氨酸。
8.權(quán)利要求1的方法，其中將金屬緩蝕劑加入到該拋光溶液中。
9.權(quán)利要求1的方法，其中流體pH為pH7-pH11。
10.一種通過采用拋光墊和拋光流體的拋光而脫除半導(dǎo)體晶片上阻擋膜的拋光流體，其中該拋光流體在水溶液中于堿性pH下，包括0.1-5wt％的磨料粒子和0.5-10wt％的有機(jī)酸或其混合物，而不加入氧化劑。
全文摘要
在銅CMP中用于第二步驟屏蔽物脫除拋光的拋光流體，該拋光流體不包含氧化劑、包含有機(jī)酸、磨粒，和非必要地銅緩蝕劑，其顯示出屏蔽物對金屬和屏蔽物對絕緣層的高選擇性。
文檔編號H01L21/321GK1610072SQ200410087078
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月22日
發(fā)明者卞錦儒 申請人:Cmp羅姆和哈斯電子材料控股公司