專利名稱：銅基材料表層的機(jī)械化學(xué)拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基材料表層的機(jī)械化學(xué)拋光方法，具體涉及形成集成電路的互連通道。
半導(dǎo)體互連通道一般通過(guò)平版印刷成大約1μm厚的鋁膜然后通過(guò)反應(yīng)性離子刻蝕來(lái)制備。隨后用介電薄層最常用氧化硅將其包封而得到，所述氧化硅例如通過(guò)原硅酸四乙酯(TEOS)的氣相分解得到。
每單位面積三極管數(shù)目的增加，也叫作集成密度，必須減少互連通道的寬度。這就導(dǎo)致增大這些互連通道以及電遷移電阻的現(xiàn)象。
銅覆蓋鋁的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電遷移得到良好的電阻。其比電阻比鋁的低。因此銅可以代替鋁作為集成電路的互連通道結(jié)構(gòu)。
目前，難于在銅內(nèi)通過(guò)反應(yīng)性離子刻蝕(RIE)來(lái)刻蝕互連通道。
在銅內(nèi)規(guī)劃互連通道的鑲嵌方法是目前公知最好的方法。鑲嵌方法由基體上沉積氧化硅介電層構(gòu)成。例如通過(guò)氣相沉積TEOS得到這種介電層。介電層一般有大約2μm厚度。然后通過(guò)照相平版印刷將設(shè)計(jì)的互連電路轉(zhuǎn)印在這種介電層上，再進(jìn)行反應(yīng)性離子刻蝕(RIE)。這種刻蝕一般要形成大約一個(gè)μm深度的溝槽。
隨后在介電層上一般沉積大約100nm厚的擴(kuò)散阻擋層。這種擴(kuò)散阻擋層可防止銅在介電材料內(nèi)擴(kuò)散。擴(kuò)散阻擋層通常包括鈦或氮化鈦(TiN)。之后沉積大約2μm厚的銅基材料表層。銅基材料可以是元素銅或銅合金，特別是Cu-Si，Cu-Al，Cu-Si-Al或Cu-Ag。
銅基材料必須用機(jī)械化學(xué)拋光，直至達(dá)到氧化硅介電層的表面。因此，銅基材料僅僅保留在溝槽內(nèi)。


圖1和圖2說(shuō)明鑲嵌方法。具體言之，圖1表示機(jī)械化學(xué)拋光前集成電路互連通道的截面部分。這種截面部分包括已刻蝕溝槽4的介電材料內(nèi)的表層1。在表層1上沉積擴(kuò)散阻擋層構(gòu)成的表層2，這種表層2自身被銅基材料的表層3覆蓋。圖2表示機(jī)械化學(xué)拋光后同樣的集成電路互連通道的截面部分，后者是以一種理想方式進(jìn)行的。
進(jìn)行銅基表層的機(jī)械化學(xué)拋光必須注意避免兩種現(xiàn)象-對(duì)下面氧化硅表層的破壞一般記作磨蝕現(xiàn)象。其結(jié)果是局部引入棱邊，它是不利于產(chǎn)生所要求平面化。
-溝槽內(nèi)互連通道的過(guò)分拋光一般記作“形成凹坑”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致引入棱邊，而且減少互連通道的厚度，其結(jié)果則降低它的傳導(dǎo)性。
圖3和圖4可說(shuō)明上述兩種現(xiàn)象。具體言之，圖3表示拋光后有磨蝕現(xiàn)象的圖1集成電路的互連通道截面部分。圖4表示拋光后有形成凹坑現(xiàn)象的圖1集成電路的互連通道截面部分。
磨蝕和形成凹坑兩種現(xiàn)象主要由于銅基材料不均勻拋光所至。事實(shí)上，拋光消除銅基表層必須要有一定的過(guò)分拋光，以便避免電子器件之間電連接的所有風(fēng)險(xiǎn)。這就導(dǎo)致一種互連通道和還未覆蓋介電區(qū)域的過(guò)分拋光。
在US5622525中，提供一種對(duì)銅或主要含銅合金的拋光方法，其中使用一種拋光組合物，包括一種膠體二氧化硅顆粒在堿性溶液中的懸浮液、去離子水和化學(xué)活性劑。二氧化硅顆粒的平均粒度在20-50nm之間。
US5575885敘述一種銅或銅合金薄膜的拋光溶液，包括一種選自氨基乙酸和氨基磺酸的有機(jī)酸、一種例如過(guò)氧化氫或次氯酸鈉的氧化劑和水。該拋光溶液還另外包括研磨顆粒，選自二氧化硅，二氧化鋯，鈰和鋁的氧化物。這些研磨顆粒的平均粒度在20-100nm之間。這些堿性溶液有中性pH或優(yōu)選在9-14之間的堿性pH。
EP-A-0747939敘述另一種銅或銅合金的拋光組合物。該拋光組合物包括能與銅形成配合物的水溶性有機(jī)酸，研磨拋光顆粒和水。該研磨顆粒選自二氧化硅，氧化鋯，鈰和鋁的氧化物；其平均粒度在20-100nm之間。
銅或銅合金的拋光方法通常造成低劣的拋光均勻性，特別是與堿性研磨劑使用時(shí)。
因此，本發(fā)明第一個(gè)目的是提供一種機(jī)械化學(xué)拋光方法，該方法可以均勻規(guī)則地消除銅基材料。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種在集成電路的銅基材料內(nèi)產(chǎn)生互連的方法，能避免磨蝕和形成凹坑的現(xiàn)象。
本發(fā)明還一個(gè)目的是提供一種用于拋光銅或銅合金材料的膠體二氧化硅基拋光組合物。
因此，本發(fā)明涉及一種使用拋光組合物的機(jī)械化學(xué)拋光銅基材料的方法，其特征在于所述拋光組合物包括彼此未以硅氧鍵連接的單個(gè)膠體二氧化硅顆粒的一種水懸浮液，其平均粒度在10-100nm優(yōu)選25-50nm之間，且水懸浮液的pH在1-5之間。
本發(fā)明人注意到，通過(guò)使用以下拋光組合物，即包括彼此未以硅氧鍵連接的單個(gè)膠體二氧化硅顆粒的一種水懸浮液，其平均粒度在10-100nm優(yōu)選25-50nm之間，且水懸浮液的pH在1-5之間的組合物，可以在銅表層拋光速度、拋光均勻性百分比和令人滿意的表面狀態(tài)之間得到一種優(yōu)異的均衡。
本發(fā)明方法使用的膠體二氧化硅酸性水懸浮液，既可從堿性硅酸鹽特別是硅酸鈉或硅酸鉀得到又可從硅酸乙酯得到。這種方法更具體詳述見(jiàn)K.K.Iler在“二氧化硅化學(xué)”一書(shū)第9章p331-343，WileyInterscience出版社，1979。按照該方法得到的膠體二氧化硅顆粒以彼此未以硅氧鍵連接的單個(gè)顆粒形式存在。
膠體二氧化硅顆粒懸浮液的pH優(yōu)選在2-3.5之間。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)越性的一個(gè)方面，膠體二氧化硅顆粒的平均粒度在10-100nm優(yōu)選25-50nm之間，最優(yōu)選35nm。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)越性的另一方面，膠體二氧化硅顆粒是“均勻分布”的。應(yīng)當(dāng)了解這個(gè)術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明范圍內(nèi)是指80％優(yōu)選90％的膠體二氧化硅顆粒具有相同的檢測(cè)粒度，誤差10％，優(yōu)選5％。舉例說(shuō)明，粒度35nm均勻分布的膠體二氧化硅顆粒由至少80％優(yōu)選90％的具有35±3.5nm優(yōu)選35±1.7nm粒度的顆粒構(gòu)成。
本發(fā)明范圍內(nèi)使用的拋光組合物包括多于20wt％優(yōu)選30-40wt％的膠體二氧化硅顆粒。
盡管通過(guò)水內(nèi)僅包括膠體二氧化硅懸浮的拋光組合物可得到非常良好的拋光效果，并未規(guī)定該組合物不能含有拋光銅基材料通常使用的其它化合物。這些化合物具體包括諸如過(guò)氧化氫的氧化劑或有機(jī)酸，特別是配合銅的有機(jī)酸，如US5575885和EP-A-747939所列舉的有機(jī)酸。
另一方面，本發(fā)明涉及在集成電路的銅基材料內(nèi)制備互連通道的方法，按照如下步驟進(jìn)行-在基體上沉積氧化硅介電層，-在介電層表面上刻蝕互連電路的溝槽，-如果需要，在介電層上沉積擴(kuò)散阻擋層，-在介電層或者如果需要在擴(kuò)散阻擋層上沉積銅基材料層，-通過(guò)機(jī)械化學(xué)拋光對(duì)基于含銅材料的表層拋光，該方法特征在于通過(guò)拋光組合物進(jìn)行銅基材料的機(jī)械化學(xué)拋光，組合物包括彼此未以硅氧鍵連接的單個(gè)膠體二氧化硅顆粒的一種懸浮液，所述顆粒平均粒度在10-100nm優(yōu)選25-50nm之間，且水懸浮液的pH在1-5優(yōu)選2-3.5之間。
本文詳述中，銅基材料由元素銅或選自如下一組的合金構(gòu)成Cu-Si，Cu-Al，Cu-Si-Al或Cu-Ag。
下面實(shí)施例的目的是簡(jiǎn)單說(shuō)明本發(fā)明。這些實(shí)施例中，使用的插件已沉積大約1μm厚的銅層。然后在PRESI M550型拋光機(jī)上按照如下條件拋光銅層施加壓力0.25daN/cm2(1 daN/cm2＝105Pa)盤(pán)速度 30rpm頭速度 30rpm溫度20℃研磨速率250cm3/mn織物IC 1400K帶皺紋的Rodel產(chǎn)品進(jìn)行以下三種類型的試驗(yàn)
a)拋光組合物對(duì)銅層的磨蝕速度試驗(yàn)。通過(guò)銅板拋光前和每分鐘拋光后不同厚度來(lái)測(cè)量其磨蝕速度，用/min表示。
b)拋光磨蝕均勻性試驗(yàn)(U)從試樣板不同位點(diǎn)的銅厚度差異測(cè)量磨蝕均勻性。根據(jù)同樣銅板拋光前后銅層的測(cè)量用下面公式計(jì)算U＝((最大厚度-最小厚度)/2×去除的平均厚度)×100該公式中，通過(guò)測(cè)量銅層在處理后49個(gè)不同位點(diǎn)厚度來(lái)決定最大和最小厚度。最大厚度相應(yīng)于測(cè)量的最大厚度，最小厚度相應(yīng)于測(cè)量的最小厚度。去除的平均厚度是拋光前后的平均厚度之差，這些平均值從49個(gè)位點(diǎn)測(cè)量值計(jì)算出。
c)肉眼觀察試驗(yàn)，光學(xué)顯微鏡下檢測(cè)銅板上可能的溝槽及其大小。
實(shí)施例1銅層置于板上然后在上述條件下用包括彼此未以硅氧鍵連接的單個(gè)膠體二氧化硅顆粒水懸浮液的拋光組合物進(jìn)行拋光，其特征如下水懸浮液的pH 2.5膠體二氧化硅顆粒的平均粒度35nm膠體二氧化硅的重量濃度30wt％該拋光組合物能夠得到以下結(jié)果-拋光速度1800/mn-均勻性百分?jǐn)?shù)8％-光學(xué)顯微鏡下未見(jiàn)溝槽。
實(shí)施例2前述同樣條件下用包括彼此未以硅氧鍵連接的個(gè)體膠體二氧化硅顆粒水懸浮液的拋光組合物拋光銅層，其特征如下水懸浮液的pH 2.5膠體二氧化硅顆粒的平均粒度 50nm膠體二氧化硅的重量濃度 30wt％得到以下結(jié)果
-拋光速度800/mn-均勻性百分?jǐn)?shù)11％-光學(xué)顯微鏡下見(jiàn)到一些輕微溝槽。
實(shí)施例3(對(duì)比)實(shí)施例1同樣條件下用包括具有以下特性的膠體二氧化硅顆粒水懸浮液的拋光組合物拋光銅層，其特征如下水懸浮液的pH11膠體二氧化硅顆粒的平均粒度 50nm膠體二氧化硅的重量濃度 30wt％用氫氧化銨調(diào)節(jié)水溶液的pH到所要求值。
得到以下結(jié)果-拋光速度700/mn-均勻性百分?jǐn)?shù)40％-肉眼觀察到多個(gè)微細(xì)溝槽。
實(shí)施例1-3使用的拋光組合物既不含有氧化劑又不含有配合銅或不配合銅的有機(jī)酸；它們也不含有表面活性劑。
本發(fā)明拋光組合物可均勻規(guī)則地消除銅并同時(shí)避免出現(xiàn)溝槽。使用這些拋光組合物時(shí)沒(méi)有觀察到磨蝕和形成凹坑現(xiàn)象。
與此相反，用對(duì)比實(shí)施例3的拋光組合物時(shí)，pH為堿性，并未造成銅層的均勻拋光。為了保證在介電層的較高區(qū)域沒(méi)有銅殘留物，有效整體拋光這種銅層的難題會(huì)導(dǎo)致加大銅通道形成凹坑現(xiàn)象以及介電層磨蝕現(xiàn)象。
這些實(shí)施例表明，包括彼此未以硅氧鍵連接的單個(gè)膠體二氧化硅顆粒的一種水懸浮液，其粒度在10-100優(yōu)選25-50nm之間，且水懸浮液的pH低于5拋光組合物，能得到銅基材料表層的高質(zhì)量拋光。綜合這些因素，就在拋光速度、均勻性百分?jǐn)?shù)和令人滿意的銅板處理狀態(tài)之間得到了良好均衡，特別是在集成電路的銅基材料內(nèi)產(chǎn)生了互連通道。
權(quán)利要求
1.一種銅基材料表層的機(jī)械化學(xué)拋光方法，該材料在半導(dǎo)體電子工業(yè)用作構(gòu)成集成電路互連通道的材料，其特征在于所述拋光組合物包括彼此未以硅氧鍵連接的單個(gè)膠體二氧化硅顆粒的一種水懸浮液，其平均粒度在10-100nm之間，且水懸浮液的pH在1-5之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述pH在2-3.5之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于膠體二氧化硅顆粒的平均粒度在25-50nm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一項(xiàng)的方法，其特征在于單個(gè)膠體二氧化硅顆粒的平均粒度是大約35nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的任一項(xiàng)的方法，其特征在于膠體二氧化硅顆粒是均勻分散的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的任一項(xiàng)的方法，其特征在于懸浮液包括大于20wt％的膠體二氧化硅顆粒，優(yōu)選30-40wt％的膠體二氧化硅顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的任一項(xiàng)的方法，其特征在于銅基材料由元素銅構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7的任一項(xiàng)的方法，其特征在于銅基材料是一種銅合金，選自Cu-Si，Cu-Al，Cu-Si-Al和Cu-Ag。
9.一種在集成電路的銅基材料內(nèi)按照以下步驟制備互連通道的方法-在基體上沉積氧化硅介電層，-在介電層表面上刻蝕互連電路的溝槽，-如果需要，在介電層上沉積擴(kuò)散阻擋層，-在介電層或者如果需要在擴(kuò)散阻擋層上沉積銅基材料層，-通過(guò)機(jī)械化學(xué)拋光對(duì)基于含銅材料的表層拋光，該方法特征在于通過(guò)拋光組合物進(jìn)行銅基材料的機(jī)械化學(xué)拋光，該組合物包括彼此未以硅氧鍵連接的單個(gè)膠體二氧化硅顆粒的一種懸浮液，所述顆粒平均粒度在10-100nm之間，且水懸浮液的pH在1-5之間。
10.一種拋光組合物在拋光銅基材料中的用途，該組合物包括彼此未以硅氧鍵連接的單個(gè)膠體二氧化硅顆粒的一種水懸浮液，所述顆粒平均粒度在10-100nm之間，且水懸浮液的pH在1-5之間。
全文摘要
一種使用拋光組合物對(duì)銅基材料表層的機(jī)械化學(xué)拋光方法,其特征在于所述拋光組合物包括彼此未以硅氧鏈連接的單個(gè)膠體二氧化硅顆粒的一種水懸浮液,其平均粒度在10—100nm之間,且水懸浮液的pH在1—5之間。
文檔編號(hào)B24B37/04GK1244033SQ9911190
公開(kāi)日2000年2月9日 申請(qǐng)日期1999年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月31日
發(fā)明者E·扎奎諾特, P·萊托爾尼尤, M·瑞沃里 申請(qǐng)人:科萊恩(法國(guó))公司