專利名稱：一種化學(xué)－機(jī)械拋光銅鑲嵌結(jié)構(gòu)所用的漿料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)-機(jī)械拋光銅鑲嵌結(jié)構(gòu)所用的漿料，尤其是指在銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的制作過程中覆蓋在鉭基阻擋層上的銅的化學(xué)-機(jī)械拋光過程中可抑制銅線路腐蝕的漿料。
背景技術(shù)：
集成電路由數(shù)百萬個形成在基底如硅或砷化鎵中或者其上的有源器件組成，該有源器件一般使用硅基電介質(zhì)材料相互分開，該有源器件通常帶有相互連接形成功能電路和元件的多層，該有源器件的相互連接一般通過使用已知的多層相互連接方法如Chow等人在美國專利4,789,648中所公開的方法來實(shí)現(xiàn)。
由于銅與眾多其他的電導(dǎo)體材料如鋁相比具有出眾的電遷移阻力和較低的電阻率，因此在制作集成電路的應(yīng)用中銅是非常優(yōu)選的電導(dǎo)體材料。銅布線和相互連接容許在集成電路中使用較高的臨界電流，這樣可大大提高此類裝置的性能。
然而，在集成電路中使用銅的確存在一些很大的難題。銅易于擴(kuò)散進(jìn)入常規(guī)的硅基電介質(zhì)材料中，如多晶硅、單晶硅、二氧化硅、低k(low-k)無機(jī)和有機(jī)材料等。一旦這些硅基材料被銅原子污染，那么這些硅基電介質(zhì)的介電常數(shù)將受到不利的影響。此外，一旦半導(dǎo)體硅基材料用銅摻雜，那么設(shè)在銅摻雜的硅基區(qū)內(nèi)或者與該硅基區(qū)極相近的晶體管或者不能良好地運(yùn)行或者電學(xué)性能顯著下降。因此，為阻止銅擴(kuò)散必須在該硅基電介質(zhì)層上使用阻擋層或襯墊薄膜。
目前制作含有銅布線和相互連接也被稱為銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的集成電路的優(yōu)選方法之一通常包括在電介質(zhì)薄膜的不連續(xù)層中提供相互連接的銅布線或者敷金屬的圖案。一般用于形成這些電介質(zhì)薄膜層的材料包括磷硅酸鹽玻璃、硼磷硅酸鹽玻璃和二氧化硅。利用蝕刻或其他方法可在該電介質(zhì)層中加工出多個溝和/或孔，然后再將通常不超過約300厚的阻擋層或襯墊薄膜沉積在帶有圖案的該電介質(zhì)層上。優(yōu)選的阻擋層或襯墊薄膜包括鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)的薄膜或者由Ta和TaN彼此重疊而形成的Ta/TaN膜堆。通?？捎梦锢須庀喑练e也被稱為濺射沉積的方法來沉積此類襯墊，或者用化學(xué)氣相沉積法來沉積以形成更一致的涂層。Ta和/或TaN襯墊涂在該溝和孔的表面及該電介質(zhì)層的上表面以阻止銅原子的擴(kuò)散同時也在銅層和電介質(zhì)層之間提供良好的粘連連接。然后在襯墊層上沉積大約3,000～15,000厚的銅層用以完全填塞該溝和/或孔。由此填塞后的溝形成銅線路網(wǎng)而填塞后的孔形成通道或相互連接。制作集成電路過程的最后步驟也被稱為銅鑲嵌結(jié)構(gòu)過程是從電介質(zhì)薄膜層的上表面上移除銅層和鉭基阻擋層只留下銅填塞的溝和孔。此步驟一般可由化學(xué)-機(jī)械拋光來實(shí)現(xiàn)。
在一般的化學(xué)-機(jī)械拋光過程中，銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的敷金屬表面在受控制的向下壓力下與可轉(zhuǎn)動的拋光襯墊直接接觸。在拋光過程中在該襯墊和銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的表面間存在有通常被稱為“漿料”的化學(xué)反應(yīng)溶液，該漿料通過和被拋光的金屬薄膜表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引發(fā)拋光過程。該拋光過程可由該襯墊相對基底的旋轉(zhuǎn)移動和薄膜/襯墊界面上存在的漿料而實(shí)現(xiàn)。照這樣拋光持續(xù)到移除預(yù)定的薄膜為止。
漿料成分對于決定化學(xué)-機(jī)械拋光移除金屬薄膜層的速率而言是一個重要的因素。如果漿料中的化學(xué)試劑選擇合適，那么該漿料可被制成以預(yù)定拋光速率針對特定薄膜層提供有效拋光的特制漿料而同時使表面不完美或缺陷的形成或創(chuàng)生達(dá)最小化。
現(xiàn)有技術(shù)中用于移除覆蓋在鉭基阻擋層上的銅的化學(xué)-機(jī)械拋光漿料與鉭基材料相比而言對銅表現(xiàn)出高選擇性。此優(yōu)點(diǎn)容許快速移除覆蓋在鉭基阻擋層上的銅層。然而，現(xiàn)有技術(shù)中拋光漿料腐蝕性的化學(xué)作用的缺點(diǎn)是在拋光過程中易于腐蝕銅鑲嵌結(jié)構(gòu)中的銅線路，導(dǎo)致有源器件發(fā)生故障或其性能不一致。
在銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的制作中需要改進(jìn)用于移除覆蓋在鉭基阻擋層上的銅的化學(xué)-機(jī)械拋光漿料。此改進(jìn)的化學(xué)-機(jī)械拋光漿料會優(yōu)選地以足夠高的速率移除覆蓋在鉭基阻擋層上的銅，用來確?？山邮艿纳a(chǎn)量而同時抑制銅線路的腐蝕。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種化學(xué)-機(jī)械拋光銅鑲嵌結(jié)構(gòu)所用的漿料，尤其是在銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的制作過程中覆蓋在鉭基阻擋層上的銅的化學(xué)-機(jī)械拋光過程中可抑制銅線路腐蝕的漿料。本發(fā)明的漿料包括在化學(xué)-機(jī)械拋光中可釋放自由基的氧化劑和可有效抑制所述的銅線路腐蝕的非螯合自由基猝滅劑。用在本發(fā)明漿料中的可釋放自由基的氧化劑優(yōu)選地從包括有過氧化物、過氧化二磷酸鹽和過硫酸鹽的組中選取。用在本發(fā)明漿料中的非螯合自由基猝滅劑優(yōu)選地從包括有抗壞血酸、硫胺素、2-丙醇和烷基乙二醇的組中選取，最優(yōu)選的是抗壞血酸。用在本發(fā)明化學(xué)機(jī)械拋光的漿料中的非螯合自由基猝滅劑在銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的拋光過程中令人驚訝地可抑制銅線路的腐蝕而不會將銅的拋光速率減至不可接受的地步?？垢g作用不受pH值的影響，但是當(dāng)漿料的pH值被調(diào)節(jié)至從約4.0至約7.0的范圍內(nèi)時，銅的移除速率最大。
本發(fā)明前述的和其他的特點(diǎn)將在下文中尤其是在權(quán)利要求中得到更全面的詳述。下面的詳細(xì)描述闡明了本發(fā)明的實(shí)施例，然而僅是說明性的，按本發(fā)明的原理可以實(shí)施各種變化。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中引為參考的共同未決的申請序列號為09/277,454的說明書中公開了在化學(xué)-機(jī)械拋光過程中相對較大濃度的自由基的生成可以大大提高銅的移除速率。在化學(xué)-機(jī)械拋光過程中相對較大濃度自由基的存在的不良副作用是對銅線路的腐蝕。
在說明書中和所附的權(quán)利要求書中的術(shù)語“腐蝕”是指在銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的化學(xué)-機(jī)械拋光過程中不規(guī)則形狀的凹槽或凹陷被化學(xué)蝕刻進(jìn)位于溝或孔中的銅中的現(xiàn)象。在說明書中和所附的權(quán)利要求書中的術(shù)語“腐蝕”通常不用來指在拋光襯墊的化學(xué)-機(jī)械作用下引起的位于溝或孔中的銅中的淺層凹陷，該淺層凹陷通常稱為“表面凹陷(dishing)”。
在本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知，苯并三唑(BTA)和具有相似功能性的化合物可加進(jìn)化學(xué)-機(jī)械拋光漿料中以防止銅線路被腐蝕。如Sasaki等人在美國專利5,770,095中所描述的那樣，銅和BTA反應(yīng)形成保護(hù)膜，該保護(hù)膜包括銅螯合化合物或銅絡(luò)合物。銅螯合物膜作為保護(hù)性的阻擋膜可防止在下面的銅薄膜被漿料中的化學(xué)試劑所氧化或腐蝕。不幸的是，當(dāng)使用少量的BTA時，難于控制漿料性能的一致性，同時，當(dāng)使用大量的BTA時，銅的移除速率將降低至難以接受的低水平。
本發(fā)明的化學(xué)-機(jī)械拋光漿料在不需要BTA或其他螯合物的情況下可以防止銅線路被腐蝕。申請人意外地發(fā)現(xiàn)通過在化學(xué)-機(jī)械拋光漿料中摻入非螯合自由基猝滅劑可有效地抑制銅線路的腐蝕而不會將銅的拋光速率減至不可接受的地步。由此，本發(fā)明的漿料包括在化學(xué)-機(jī)械拋光中可釋放自由基的氧化劑和可有效抑制所述的銅線路腐蝕的非螯合自由基猝滅劑。
用在本發(fā)明漿料中的氧化劑在拋光過程中可釋放自由基。用在本發(fā)明中的合適的氧化劑包括過氧化物、過氧化二磷酸鹽、過硫酸鹽和前述物質(zhì)的組合物。目前，用在本發(fā)明漿料中的最優(yōu)選氧化劑是過氧化氫、過硫酸銨和/或過硫酸鉀。優(yōu)選地，該氧化劑按漿料重量計為約0.01％至約15.0％，更優(yōu)選地，該氧化劑按漿料重量計為約0.1％至約10.0％。當(dāng)使用過氧化氫時，最理想的氧化劑按漿料重量計為約0.5％至約5.0％。
本發(fā)明的漿料中也包括至少一種非螯合自由基猝滅劑。在說明書中和所附的權(quán)利要求書中的術(shù)語“非螯合自由基猝滅劑”是指不易于與銅螯合或者絡(luò)合的化合物，但是該化合物可與自由基發(fā)生反應(yīng)而抑制自由基的反應(yīng)活性，這樣可防止銅金屬被腐蝕。目前，用在本發(fā)明漿料中的最優(yōu)選非螯合自由基猝滅劑是又被稱為維生素C的抗壞血酸，其他優(yōu)選非螯合自由基猝滅劑包括又被稱為維生素B1的硫胺素(3-[(4-氨基-2-甲基-5-嘧啶基)甲基]-5-(2-羥乙基)-4-甲基噻唑啉氯化物)、2-丙醇和烷基乙二醇。應(yīng)該理解在本發(fā)明中也可以使用這些非螯合自由基猝滅劑的衍生物和前體，在所附的權(quán)利要求書中也應(yīng)被充分?jǐn)U大地理解為包括此類衍生物和前體。
用在漿料中的非螯合自由基猝滅劑的優(yōu)選量是在化學(xué)-機(jī)械拋光過程中可有效抑制所述的銅線路腐蝕所需的最少量。一般地，該非螯合自由基猝滅劑按漿料重量計為約0.01％至約5.0％。當(dāng)使用抗壞血酸作為非螯合自由基猝滅劑時，按漿料重量計為約0.1％至約1.0％的量通常可以有效地抑制銅線路的腐蝕。
可選擇地，本發(fā)明的漿料還可包含粒狀磨料。然而，應(yīng)該理解在一些應(yīng)用中在漿料中不包含粒狀磨料更佳，在這種情況下拋光襯墊的壓力提供機(jī)械拋光作用。當(dāng)存在有粒狀磨料時，粒狀磨料可進(jìn)一步輔助執(zhí)行機(jī)械研磨的功能。
用在本發(fā)明漿料中的粒狀磨料可以包括任何一種在化學(xué)-機(jī)械拋光漿料中被常規(guī)使用的粒狀磨料或多種粒狀磨料的混合物。合適的粒狀磨料的例子包括氧化鋁、氧化鈰、氧化銅、金剛石、氧化鐵、氧化鎳、氧化錳、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化錫、二氧化鈦、碳化鈦、氧化鎢、氧化鐿、氧化鋯及其組合物。目前，優(yōu)選的磨料是氧化硅、氧化鋁和氧化鈰，最優(yōu)選的是氧化鋁和氧化硅。
優(yōu)選地，粒狀磨料的平均大小是從約0.02到約1.0微米，最大尺寸是小于約10微米。應(yīng)該理解，雖然顆粒的大小本身不是決定性的，但是如果粒狀磨料太小，那么漿料的拋光速率將低至不可接受的地步。應(yīng)該理解，在另一方面，如果顆粒太大，那么在被拋光的物品表面上可能會產(chǎn)生不可接受的刮痕。在漿料中存在的粒狀磨料的量按漿料重量計為最高達(dá)約60％，更優(yōu)選按漿料重量計為從約0.5％至約30.0％，最理想的量是按漿料重量計在約3.0％至約10.0％的范圍內(nèi)。
優(yōu)選地，本發(fā)明的漿料還包括溶劑。用在本發(fā)明的漿料中的優(yōu)選溶劑是去離子水。用在化學(xué)-機(jī)械拋光漿料中的其他常規(guī)溶劑也可被使用。漿料也可包括可選擇的已知的表面活性劑、pH調(diào)節(jié)劑、pH緩沖劑、抗泡沫劑和分散劑。
通過在本發(fā)明的漿料中摻入非螯合自由基猝滅劑而引起的抗腐蝕作用不受pH值影響，換句話說，可在很廣的pH值范圍內(nèi)觀察到腐蝕抑制現(xiàn)象。然而，當(dāng)漿料的pH值被調(diào)至從約4.0至約7.0時，預(yù)定的銅的移除速率最佳。優(yōu)選地，通過加入硝酸、氫氧化鉀和/或氫氧化銨來調(diào)節(jié)漿料的pH值。
優(yōu)選地，本發(fā)明的漿料是在非螯合自由基猝滅劑被加入之前或之后在溶劑中分散氧化劑而制成的。如果在漿料中含有粒狀磨料，那么漿料可由許多方法制備，例如，漿料可以通過在氧化劑和/或非螯合自由基猝滅劑被加入之前或之后在溶劑中分散粒狀磨料來制備。漿料也可作為兩組分體系而制備(即分散在去離子水中的粒狀磨料組分及分散在去離子水中的氧化劑與非螯合自由基猝滅劑組分)。漿料也可以由濃縮的形式來制備，只需要添加去離子水以稀釋濃縮物(或在二元組分體系中的濃縮組分)至預(yù)定的水平。
另一種選擇是，本發(fā)明的漿料可通過將漿料組分的一部分摻入拋光襯墊中而制成。例如，粒狀磨料和非螯合自由基猝滅劑可直接摻進(jìn)或者含有或者不含有粒狀磨料的拋光襯墊中，然后去離子水和氧化劑被加進(jìn)襯墊或被拋光物品的表面以在原位形成拋光漿料。在另一個可選擇的實(shí)施例中，粒狀磨料被粘到襯墊上，同時氧化劑、非螯合自由基猝滅劑和去離子水也被單獨(dú)或者一起地加進(jìn)襯墊或者被拋光物品的表面以在原位形成拋光漿料。應(yīng)該理解，本發(fā)明的漿料組分也可由各種方法組合以在原位形成漿料。
也可能通過在拋光前或在拋光時組合化學(xué)前體而形成漿料組分。由此，用在說明書和所附的權(quán)利要求書中的術(shù)語“漿料”應(yīng)被理解為指在化學(xué)-機(jī)械拋光過程中存在于拋光襯墊和被拋光的物品的表面之間的界面上的組分，除非另有所指，術(shù)語“漿料”包括組合前體而在原位形成漿料組分的情況。
本發(fā)明也提供了一種在具有多個銅線路的銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的制作過程中移除覆蓋在鉭基阻擋層上的銅的方法。本發(fā)明的方法包括提供包括在化學(xué)-機(jī)械拋光中可釋放自由基的氧化劑和可有效抑制所述的銅線路腐蝕的非螯合自由基猝滅劑，和使用漿料拋光銅層直至暴露出鉭基阻擋層為止。
下面的實(shí)施例只用于說明本發(fā)明而不應(yīng)被認(rèn)為用來限制權(quán)利要求。
實(shí)施例漿料A通過由平均粒徑為340nm的按重量計為3.0％的氧化鋁顆粒分散在去離子水中而成，漿料J和K含有按重量計3.0％的過氧化氫和按重量計為1.0％的氨基乙酸。漿料B除了還包含按重量計為1.0％的抗壞血酸外按照和漿料A同樣的方法和同樣的成份形成。然后在每種漿料中加入足量的氫氧化鉀調(diào)節(jié)pH值至5.8。
利用Strasbaugh 6CA拋光機(jī)和Rodel IC1400 K-槽襯墊將相同的Sematech 926圖案晶片(每一晶片包括依次地涂在晶片上的3000nm厚蝕刻的TEOS CVD二氧化硅電介質(zhì)層、25nm厚的Ta/TaN阻擋層和1600nm厚的銅層)用上述的漿料A和漿料B分別拋光。拋光條件是4psi的向下壓力、0psi的向后壓力、40rpm的表速度、40rpm的主軸速度、20℃的溫度和200cc/min的漿料流速。
通過化學(xué)-機(jī)械拋光移除銅層暴露出Ta/TaN阻擋層后，使用光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)每一個晶片表面的銅線路腐蝕情況。用漿料A拋光的晶片有嚴(yán)重的銅線路腐蝕，而用包含非螯合自由基猝滅劑(即按重量計1.0％的抗壞血酸)的漿料B拋光的晶片沒有明顯的腐蝕。上述實(shí)施例的結(jié)果總結(jié)在下面的表1中。
表1

本領(lǐng)域的技術(shù)人員很易想到附加的優(yōu)點(diǎn)和變化。因此，本發(fā)明廣義地說不限于此處的說明和描述的具體細(xì)節(jié)和說明性的實(shí)施例。由此，可以在不脫離本發(fā)明所附的權(quán)利要求及其等價物所限定的概括發(fā)明概念的精神和范圍內(nèi)作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種在制作具有多個銅線路的銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的過程中用于移除覆蓋在鉭基阻擋層上的銅的化學(xué)-機(jī)械拋光所用的漿料，所述的漿料包括可釋放自由基的氧化劑；及在化學(xué)-機(jī)械拋光中可有效抑制所述的銅線路腐蝕的非螯合自由基猝滅劑。
2.如權(quán)利要求1所述的漿料，其中所述的非螯合自由基猝滅劑是從包括有抗壞血酸、硫胺素、2-丙醇、烷基乙二醇和前述物質(zhì)的組合物的組中選取的。
3.如權(quán)利要求2所述的漿料，其中所述的非螯合自由基猝滅劑按所述的漿料重量計為約0.01％至約5.0％。
4.如權(quán)利要求1所述的漿料，其中所述的可釋放自由基的氧化劑是從包括有過氧化物、過氧化二磷酸鹽、過硫酸鹽和前述物質(zhì)的組合物的組中選取的。
5.如權(quán)利要求4所述的漿料，其中所述的可釋放自由基的氧化劑是從包括有過氧化氫、過硫酸銨和過硫酸鉀的組中選取的。
6.如權(quán)利要求4所述的漿料，其中所述的可釋放自由基的氧化劑按所述的漿料重量計為約0.01％至約15.0％。
7.如權(quán)利要求1所述的漿料，進(jìn)一步包括粒狀磨料。
8.如權(quán)利要求7所述的漿料，其中所述的粒狀磨料是從包括有氧化硅、氧化鋁、氧化鈰和前述物質(zhì)的組合物的組中選取的。
9.如權(quán)利要求7所述的漿料，其中所述的粒狀磨料按所述的漿料重量計為從約0.1％至約60.0％。
10.如權(quán)利要求1所述的漿料，進(jìn)一步包括去離子水。
11.如權(quán)利要求1所述的漿料，進(jìn)一步包括pH調(diào)節(jié)劑和/或pH緩沖劑。
12.如權(quán)利要求11所述的漿料，其中pH值被調(diào)節(jié)至小于7.0左右。
13.一種在具有多個銅線路的銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的制作過程中用于移除覆蓋在鉭基阻擋層上的銅的化學(xué)-機(jī)械拋光所用的漿料，所述的漿料包括按重量計從約3％至約10％的粒狀磨料；按重量計從約0.5％至約5.0％的可釋放自由基的氧化劑；及按重量計從約0.1％至約1％的在化學(xué)-機(jī)械拋光中可抑制所述的銅線路腐蝕的非螯合自由基猝滅劑。
14.如權(quán)利要求13所述的漿料，其中所述的粒狀磨料從包括有氧化鋁、氧化硅和前述物質(zhì)的組合物的組中選取的。
15.如權(quán)利要求13所述的漿料，其中所述的可釋放自由基的氧化劑是從包括有過氧化氫、過硫酸銨和前述物質(zhì)的組合物的組中選取的。
16.如權(quán)利要求13所述的漿料，其中所述的非螯合自由基猝滅劑是從包括有抗壞血酸、硫胺素、2-丙醇、烷基乙二醇和前述物質(zhì)的組合物的組中選取的。
17.如權(quán)利要求14所述的漿料，其中所述的可釋放自由基的氧化劑是從包括有過氧化氫和過硫酸銨，所述的非螯合自由基猝滅劑包括抗壞血酸的組中選取的。
18.如權(quán)利要求17所述的漿料，其pH值為從約4.0至約7.0。
19.一種在具有多個銅線路的銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的制作過程中移除覆蓋在鉭基阻擋層上的銅的方法，所述的方法包括提供化學(xué)-機(jī)械拋光所用的漿料，其包括可釋放自由基的氧化劑；在化學(xué)-機(jī)械拋光中可有效抑制所述的銅線路腐蝕的非螯合自由基猝滅劑；及可選擇的粒狀磨料；及使用所述的漿料拋光所述的銅層直至暴露出所述的鉭基阻擋層為止。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述的可選擇的粒狀磨料選自氧化鋁和氧化硅，所述的可釋放自由基的氧化劑是從包括有過氧化氫和過硫酸銨，所述的非螯合自由基猝滅劑選自抗壞血酸、硫胺素、2-丙醇、烷基乙二醇和前述物質(zhì)的組合物的組中選取的。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述的非螯合自由基猝滅劑是抗壞血酸，其中所述的漿料其pH值從約4.0至約7.0。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的制作過程中用于移除覆蓋在鉭基阻擋層上的銅的化學(xué)－機(jī)械拋光所用的漿料和一種使用該漿料在銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的化學(xué)－機(jī)械拋光過程中抑制銅線路腐蝕的方法。本發(fā)明的漿料包括在化學(xué)－機(jī)械拋光中可釋放自由基的氧化劑和可有效抑制所述的銅線路腐蝕的非螯合自由基猝滅劑。用在本發(fā)明漿料中的可釋放自由基的優(yōu)選氧化劑包括過氧化物、過氧化二磷酸鹽和過硫酸鹽。用在本發(fā)明漿料中的優(yōu)選非螯合自由基猝滅劑包括抗壞血酸、硫胺素、2－丙醇和烷基乙二醇，最優(yōu)選的是抗壞血酸。
文檔編號B24B37/00GK1705733SQ01817653
公開日2005年12月7日 申請日期2001年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月19日
發(fā)明者李玉琢, 詹森·凱利荷 申請人:福祿有限公司