專利名稱：：改進(jìn)的拋光漿料和其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及金屬、介電材料/金屬復(fù)合材料、半導(dǎo)體和集成電路的拋光。更具體地說，本發(fā)明涉及改進(jìn)的漿料，該漿料含有用于平整化半導(dǎo)體和集成電路板的磨料顆粒。常規(guī)拋光組合物或漿料通常由含有磨料顆粒的溶液構(gòu)成。將部件或基材浸在該漿料中或者用該漿料清洗，同時(shí)將彈性墊壓在基材上，使墊和基材相對(duì)移動(dòng)。這樣磨料顆粒就被加壓壓在基材上，并且墊的水平移動(dòng)使磨料顆粒移動(dòng)穿過基材表面，從而磨損并清除了基材表面的一部分體積。在許多情況下，表面的清除速度只取決于所用的壓力，墊轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和漿料顆粒的化學(xué)活性。提高拋光顆粒的化學(xué)活性是許多專利的根據(jù)，例如USP4959113(Roberts)和USP5382272(Cook等)都轉(zhuǎn)讓給Rodel，Inc.，Newark，Delaware。一種提高拋光速度的可選擇的方法是往漿料中加入本身可腐蝕基材的組分。當(dāng)同時(shí)采用磨料顆粒時(shí)，可以顯著提高拋光速度。這種方法通常被稱為化學(xué)-機(jī)械拋光(CMP)，它是用于對(duì)半導(dǎo)體和半導(dǎo)體裝置，特別是集成電路拋光的優(yōu)選技術(shù)。通常將添加劑加入到漿料中，這種添加劑在對(duì)拋光介電材料/金屬復(fù)合材料裝置，如集成電路裝置的內(nèi)連接的拋光中加快了金屬組分的溶解。這種方法和其它相關(guān)技術(shù)的目的是優(yōu)選地清除電路中的金屬部分，以便使生成的表面形成具有絕緣或介電特性的共平面，一般是由SiO2構(gòu)成的。該方法被稱為平面化法。通常將氧化劑，例如過氧化氫加入到用于CMP的漿料中，以便將金屬表面變成氧化物，這些氧化物再受到拋光漿料的化學(xué)和機(jī)械作用。F.Kaufman，等在J.Electrochem.Soc.，vol.138，p.3460，1991，中對(duì)該技術(shù)有一綜述，其在此結(jié)合作為參考。正如Kaufman所指出的，在漿料中通常用于金屬裝置結(jié)構(gòu)的CMP的磨料通常采用氧化鋁或二氧化硅顆粒來提供磨料活性。同時(shí)二氧化硅只能采用無定形狀態(tài)的來拋光，氧化鋁顆?？梢允枪I(yè)生產(chǎn)的被不同程度水合的無定形和晶體形態(tài)的。這些材料根據(jù)其水合程度被分成三類。第一類被稱為鋁的水合物，通式為Al(OH)3。這一類工業(yè)生產(chǎn)的化合物的例子是三水鋁石Bayerite(γ-氫氧化鋁)和三水鋁石Gibbsite(α-氫氧化鋁)。第二類被稱為鋁一氫氧化物，通式為AlOOH。這一類工業(yè)生產(chǎn)的化合物的例子是硬水鋁石(γ-氫氧化鋁)和勃姆石(α-氫氧化鋁)。第三類是固體氧化物(Al2O3)。這一類工業(yè)生產(chǎn)的化合物的例子是γ-氧化鋁和α-氧化鋁。所有這些晶體化合物通常在氧化鋁的脫水過程中出現(xiàn)，其最終產(chǎn)物是α-氧化鋁?，F(xiàn)有技術(shù)對(duì)這些種類的氧化鋁在拋光工藝中的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)沒有明確說明。例如，USP4944836(Beyer等)、USP4956313(Cote等)、USP5244534(Yu等)和USP5391258(Brancaleoni等)，所有專利都公開了現(xiàn)有的用于金屬半導(dǎo)體設(shè)備的CMP的漿料，簡(jiǎn)單說明了氧化鋁磨料顆粒的應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員一般認(rèn)為在金屬CMP中采用氧化鋁磨料顆粒的主要原因是它們?cè)谒嵝?，一般是pH1-6的環(huán)境中具有穩(wěn)定性，而二氧化硅顆粒在這種環(huán)境中的分散性是不穩(wěn)定的。如在USP5340370(Cadien)中所提到的，氧化鋁磨料顆粒的主要缺陷是有劃傷基材表面的可能。這就導(dǎo)致在過去使用了低磨耗的氧化鋁，特別是用于拋光的勃姆石和γ-氧化鋁(參見“Nanometersizedaluminapolishingslurry”，D.Rostoker，NortonMaterial，Worcester，MA1994)。一般這些低磨耗顆粒具有與二氧化硅的相似的拋光活性。盡管這些低磨耗漿料顆粒具有減少劃傷的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)采用它們時(shí)會(huì)出現(xiàn)其它嚴(yán)重缺陷。如Cadien(USP5340370)所指出的，主要缺點(diǎn)是低磨耗漿料顆粒對(duì)TiN和Ti結(jié)合層的拋光活性非常小，該層通常用于粘合接觸金屬。在CMP過程中該結(jié)合層必須要從所有水平表面上清除，以生成加工裝置。Rutten等(“PatternDensityEffectsinTungstenCMP”，Proc.VMIC1995，pp.491-7，1995)，最近回顧了金屬元件片材上的CMP結(jié)合層的去除效果。隨著集成電路部件腐蝕的增加，提高了結(jié)合層的選擇性(金屬與結(jié)合層清除速度的比例)。該比例理想的是應(yīng)該非常低，即1，同時(shí)保持對(duì)介電相(SiO2)的高度選擇性。如Cadian所提到的，采用低磨耗漿料顆粒的現(xiàn)有金屬CMP漿料通常對(duì)結(jié)合層的選擇性與對(duì)該介電層的選擇性相等，即它們過高。這就導(dǎo)致需要太長(zhǎng)的拋光時(shí)間來完全清除結(jié)合層(對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的漿料來說，結(jié)合層的清除可以占拋光總時(shí)間的30％)或者，如Cadien所提到的，可以采用附加的拋光步驟。從上述討論可明顯看出如果可以制備能夠同時(shí)高速清除金屬部分、對(duì)介電相選擇性高以及對(duì)結(jié)合層選擇性低的金屬CMP漿料，將代表著對(duì)本領(lǐng)域現(xiàn)狀下的重大改進(jìn)。本發(fā)明的一個(gè)方面是用于拋光或平整化含金屬的被加工件水基漿料，該漿料的固體部分包含約1～50％重量的亞微米α-氧化鋁，固體的剩余部分主要是低磨耗組合物。低磨耗固體主要選自鋁的水合物、鋁的氫氧化物、γ-氧化鋁、δ-氧化鋁、無定形氧化鋁和無定形二氧化硅中的一種或幾種。本發(fā)明的另一方面是一種拋光或平整化含金屬的被加工件表面的方法，它包括(a)將水基漿料施于要被拋光或平整化的被加工件表面，該水基漿料的固體部分含有約1到約50％完全結(jié)晶的α-氧化鋁，固體的剩余部分主要是低磨耗組合物，和(b)通過化學(xué)-機(jī)械拋光方法拋光或平整化該被加工件的表面。在本發(fā)明中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)水基漿料中所用固體含有約1～50％亞微米α-氧化鋁，作為第二種組分的固體的剩余部分是低磨耗相時(shí)，從被加工件上清除金屬具有出人意料的高速度。優(yōu)選地α-氧化鋁顆粒是漿料固體部分的約5～25％重量。這種漿料的金屬拋光速度遠(yuǎn)大于當(dāng)水基漿料中所用固體是100％的相同粒度的α-氧化鋁時(shí)達(dá)到的速度，并且該速度是當(dāng)漿料中所用固體只含有低磨耗和/或非結(jié)晶(無定形)固體時(shí)達(dá)到速度的幾倍。要被拋光的被加工件基材一般含有一種或幾種金屬，如鎢、鋁、銅、鎳或鉭。其它金屬也可被單獨(dú)使用或者與前面所說的金屬一起使用。這些被加工件也可以是含有一種或幾種金屬和一種介電材料，如二氧化硅(SiO2)或其它本領(lǐng)域已知的一般介電材料的半導(dǎo)體元件的基材。當(dāng)被加工件中存在介電材料時(shí)，在能夠高速清除金屬的同時(shí)，本發(fā)明的漿料出乎意料地具有對(duì)介電材料的高選擇性和對(duì)將金屬粘合在介電材料的結(jié)合層極低的選擇性。一般的結(jié)合層由氮化鈦(TiN)制成。這些漿料的性質(zhì)比現(xiàn)有技術(shù)的有了很大提高。本發(fā)明漿料可以進(jìn)一步含有氧化劑，如Cadien(USP5340370)所描述的那些，以及抑制清除二氧化硅速度的化合物，如Brancaleoni(USP5391258)所描述的。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到也可加入其它通常用于本領(lǐng)域的添加劑，如表面活性劑、懸浮助劑等，而不偏離本發(fā)明的基本特征。用于本發(fā)明拋光組合物中的氧化劑可以是任何可溶于水介質(zhì)的氧化劑，前提是該氧化劑的氧化勢(shì)要大于被拋光的金屬的氧化勢(shì)。常用的氧化劑是氯酸鹽、高氯酸鹽、亞氯酸鹽、碘酸鹽、硝酸鹽、過硫酸鹽、過氧化物、臭氧水和充氧水。Brancaleoni(USP5391258)將抑制清除二氧化硅速度的化合物描述為含有至少兩個(gè)酸基的化合物，并且其一級(jí)解離酸的pKa不明顯大于用作拋光漿料的拋光組合物的pH。這類化合物的例子是鄰苯二甲酸氫鉀和鄰苯二甲酸氫銨。本發(fā)明漿料的一個(gè)特征是同時(shí)存在α-氧化鋁和低磨耗顆粒，它們都是亞微米級(jí)的，也就是說優(yōu)選為0.02微米到小于1微米的。α-氧化鋁的作用是提供高的清除速度和相對(duì)于結(jié)合層的較低的選擇性。低磨耗顆粒的同時(shí)存在在保持高速清除其它部分的同時(shí)，意想不到地減小了介電部分的清除速度。這就得到了所需要的相對(duì)于介電相的較高的選擇性。這種意想不到的效果在下面的實(shí)施例中進(jìn)行更詳細(xì)的說明。這種在本發(fā)明中用于與α-氧化鋁結(jié)合的低磨耗顆粒可以選自例如鋁的水合物、鋁的氫氧化物、γ-氧化鋁、δ-氧化鋁、無定形氧化鋁(非晶體的)和無定形二氧化硅(非晶體的)中的一種或幾種。第二種低磨耗固體部分的主要特征是它是低磨耗的。其作用被認(rèn)為是相對(duì)于純?chǔ)?氧化鋁降低了元件的介電成分的拋光速度，以提高金屬/介電材料拋光的選擇性。氧化鋁化合物由于它們具有上述酸的穩(wěn)定性和與α-氧化鋁組分高度的化學(xué)適應(yīng)性而是優(yōu)選的。無定形二氧化硅也可以用作低磨耗顆粒，但是這樣的組合長(zhǎng)時(shí)間貯存會(huì)發(fā)生結(jié)塊和沉降。盡管對(duì)漿料的作用不起消極作用，它不適合用于工業(yè)生產(chǎn)的漿料，除非漿料混合物在使用之前制備。這些低磨耗氧化鋁材料可以選自許多工業(yè)可用的化合物。它們包括例如三水鋁石Bayerite(γ-鋁水合物)、三水鋁石Gibbsite(α-氫氧化鋁)、硬水鋁(γ-氫氧化鋁)、勃姆石(α-鋁水合物)、γ-氧化鋁、δ-氧化鋁和無定形氧化鋁。它們?cè)诓捎眯∮?微米的顆粒時(shí)均是有效的。它們可以根據(jù)純度、材料成本或其它因素在所需的范圍內(nèi)組合。無定形氧化鋁是通過火焰合成(通常叫做氣相法氧化鋁)制備的，勃姆石(α-鋁水合物)和γ-氧化鋁優(yōu)選作為低磨耗固體組分，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀滓缘统杀局瞥筛呒兌鹊膩單⒚撞牧?。本發(fā)明漿料可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員采用的任何方法制備，一般是一起混合所有的組分，它們可能是液體、可溶性固體化合物、不溶性固體或者不溶性固體的分散體。盡管下面的實(shí)施例說明在漿料中含有7％重量的不溶性固體以用于拋光，這種α-氧化鋁和低磨耗固體的混合物在磨料固體實(shí)際用于這類漿料的范圍中是有效的，即約0.5到約50％重量。通常所用的這類漿料的磨料固體含量為約3～12％重量。通常制備本發(fā)明漿料的濃縮物。接著將濃縮的漿料用水稀釋到用于拋光工藝所需的濃度。而且，盡管實(shí)施例表明可采用氧化劑(KIO3)和可有效抑制介電材料拋光速度的試劑(鄰苯二甲酸氫銨)，這兩類添加劑是任選的并且對(duì)本發(fā)明并不是必須的。下面的實(shí)施例說明漿料的制備方法，以及其在金屬鎢(W)的CMP中的用途。可用于其它通常用于微電子工業(yè)的金屬，如鋁、銅、鎳、鉭等的CMP的配方可以很容易地通過本發(fā)明公開的原則來進(jìn)行，同樣提高了現(xiàn)有技術(shù)漿料的結(jié)果。實(shí)施例通過在聚乙烯容器中采用常規(guī)電動(dòng)攪拌器混合下面以重量百分比計(jì)的組分，形成均勻漿料來制備1加侖的漿料化合物重量百分比水85.5％鄰苯二甲酸氫銨3.5％KIO33％亞微米磨料7％制備六批料漿料，其中每一批具有相同百分比的亞微米磨料，但是所說的亞微米磨料中的α-氧化鋁的比例從0％～100％變化。無定形氣相法氧化鋁用于作為剩余的磨耗材料。兩種材料具有約0.15微米的相似粒度。采用Westech372拋光設(shè)備和RodelIC1000/SubaIV拋光墊用這些批料的漿料拋光具有鎢、TiN和SiO2涂層的直徑為6英寸的硅片，條件如下壓力8psi載體速度30rpm工作臺(tái)速度50rpm載體背部壓力4psi墊片條件每轉(zhuǎn)之間吹掃3次通過測(cè)定拋光之前和之后的膜厚度來測(cè)定每個(gè)要被拋光的片的拋光速度，并除以拋光時(shí)間。選擇性是通過相應(yīng)材料的速度比例來計(jì)算的。結(jié)果列于下面的表1表1α-氧化鋁含量對(duì)CMP效果的影響</tables>n.a.＝?jīng)]有可用的數(shù)據(jù)已經(jīng)證明加入α-氧化鋁可顯著提高清除鎢的速度。即使采用最小量的α-氧化鋁(3％)也產(chǎn)生了與采用100％α-氧化鋁幾乎同樣高的速度。令人驚奇的是當(dāng)將α-氧化鋁含量進(jìn)一步提高到全部固體的5～50％時(shí)，清除鎢的速度明顯高于采用100％α-氧化鋁的速度。相反，鎢/SiO2的選擇性隨著α-氧化鋁含量的增大而減小，當(dāng)α-氧化鋁為100％時(shí)最低，α-氧化鋁為0％時(shí)為最高。但是，當(dāng)在漿料中同時(shí)存在α-氧化鋁和無定形氧化鋁時(shí)，該選擇性明顯高于100％α-氧化鋁的例子。同時(shí)這些混合的氧化鋁漿料提高了鎢的清除速度。鎢/TiN的選擇性基本上是恒定的，前提是在分散體中存在一定量的α-氧化鋁。當(dāng)只采用無定形氧化鋁顆粒時(shí)，可以忽略TiN的清除速度。這與Cadien的說明是一致的。由此可見漿料中同時(shí)含有亞微米α-氧化鋁和第二種低磨耗顆粒原料的混合物可以不僅具有高的清除金屬速度，而且具有高的金屬/SiO2選擇性以及低的金屬/結(jié)合層選擇性。在公開的方案代表現(xiàn)有技術(shù)水平的明顯提高的同時(shí)，在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了前面的說明書和下面的權(quán)利要求書之后，其他改進(jìn)和應(yīng)用是顯而易見的。權(quán)利要求書按照條約第19條的修改1.一種水基漿料，可用于含有金屬的被加工件的化學(xué)-機(jī)械拋光，它含有水、亞微米α-氧化鋁顆粒和一種或多種選自鋁的氫氧化物、γ-氧化鋁、δ-氧化鋁、無定形氧化鋁和無定形二氧化硅的低磨耗的亞微米固體顆粒，其中在所說漿料中所說α-氧化鋁構(gòu)成全部固體的約1～50％重量。2.權(quán)利要求1的水基漿料，其中在所說漿料中所說α-氧化鋁構(gòu)成全部固體的約5～25％重量。3.權(quán)利要求1的水基漿料，進(jìn)一步含有一種氧化劑。4.權(quán)利要求2的水基漿料，進(jìn)一步含有一種氧化劑。5.權(quán)利要求3的水基漿料，其中被加工件進(jìn)一步含有介電材料，該漿料進(jìn)一步含有一種抑制該介電材料清除速度的試劑。6.權(quán)利要求4的水基漿料，其中被加工件進(jìn)一步含有介電材料，該漿料進(jìn)一步含有一種抑制該介電材料清除速度的試劑。7.權(quán)利要求1、2、3、4、5或6的水基漿料，其中所說的α-氧化鋁與γ-氧化鋁的亞微米顆粒一起使用。8.權(quán)利要求1、2、3、4、5或6的水基漿料，其中所說的α-氧化鋁與無定形氧化鋁的亞微米顆粒一起使用。9.權(quán)利要求1、2、3、4、5或6的水基漿料，其中所說的α-氧化鋁與無定形氧化鋁的亞微米顆粒一起使用。10.一種用于拋光或平整化含有金屬的被加工件表面的方法，包括(a)將一種水基漿料施于所說的被加工件表面，該水基漿料含有水、亞微米α-氧化鋁顆粒和一種或多種低磨耗的亞微米固體顆粒，所說的固體顆粒選自鋁的氫氧化物、γ-氧化鋁、δ-氧化鋁、無定形氧化鋁和無定形二氧化硅，其中在所說漿料中所說α-氧化鋁構(gòu)成全部固體的約1～50％重量，(b)通過化學(xué)-機(jī)械拋光方法拋光或平整化所說被加工件的表面。11.權(quán)利要求10的方法，其中在所說的漿料中，所說α-氧化鋁構(gòu)成全部固體的約5～25％重量。12.權(quán)利要求10的方法，其中所說的漿料進(jìn)一步含有一種氧化劑。13.權(quán)利要求11的方法，其中所說的漿料進(jìn)一步含有一種氧化劑。14.權(quán)利要求12的方法，其中被加工件進(jìn)一步含有介電材料，該漿料進(jìn)一步含有一種抑制該介電材料清除速度的試劑。15.權(quán)利要求13的方法，其中被加工件進(jìn)一步含有介電材料，該漿料進(jìn)一步含有一種抑制該介電材料清除速度的試劑。16.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說被加工件中含有的金屬是鎢。17.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說被加工件中含有的金屬是鋁。18.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說被加工件中含有的金屬是銅。19.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說的被加工件中含有的金屬是鎳。20.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說的被加工件中含有的金屬是鉭。權(quán)利要求1.一種水基漿料，可用于含有一種金屬的被加工件的化學(xué)-機(jī)械拋光，它含有水、亞微米α-氧化鋁顆粒和一種或多種選自鋁水合物、鋁的氫氧化物、γ-氧化鋁、δ-氧化鋁、無定形氧化鋁和無定形二氧化硅的低磨耗的亞微米固體顆粒，其中在所說漿料中所說α-氧化鋁構(gòu)成全部固體的約1～50％重量。2.權(quán)利要求1的水基漿料，其中在所說漿料中所說α-氧化鋁構(gòu)成全部固體的約5～25％重量。3.權(quán)利要求1的水基漿料，進(jìn)一步含有一種氧化劑。4.權(quán)利要求2的水基漿料，進(jìn)一步含有一種氧化劑。5.權(quán)利要求3的水基漿料，其中被加工件進(jìn)一步含有介電材料，該漿料進(jìn)一步含有一種抑制該介電材料清除速度的試劑。6.權(quán)利要求4的水基漿料，其中被加工件進(jìn)一步含有介電材料，該漿料進(jìn)一步含有一種抑制該介電材料清除速度的試劑。7.權(quán)利要求1、2、3、4、5或6的水基漿料，其中所說的α-氧化鋁與γ-氧化鋁的亞微米顆粒一起使用。8.權(quán)利要求1、2、3、4、5或6的水基漿料，其中所說的α-氧化鋁與無定形氧化鋁的亞微米顆粒一起使用。9.權(quán)利要求1、2、3、4、5或6記載的水基漿料，其中所說的α-氧化鋁與勃姆石(α-鋁水合物)的亞微米顆粒一起使用。10.一種用于拋光或平整化含有金屬的被加工件表面的方法，包括(a)將一種水基漿料施于所說的被加工件表面，該水基漿料含有水、亞微米α-氧化鋁顆粒和一種或多種低磨耗的亞微米固體顆粒，所說的固體顆粒選自鋁水合物、鋁的氫氧化物、γ-氧化鋁、δ-氧化鋁、無定形氧化鋁和無定形二氧化硅，其中在所說漿料中所說α-氧化鋁構(gòu)成全部固體的約1～50％重量，(b)通過化學(xué)-機(jī)械拋光方法拋光或平整化所說被加工件的表面。11.權(quán)利要求10的方法，其中在所說的漿料中，所說α-氧化鋁構(gòu)成全部固體的約5～25％重量。12.權(quán)利要求10的方法，其中所說的漿料進(jìn)一步含有一種氧化劑。13.權(quán)利要求11的方法，其中所說的漿料進(jìn)一步含有一種氧化劑。14.權(quán)利要求12的方法，其中被加工件進(jìn)一步含有介電材料，該漿料進(jìn)一步含有一種抑制該介電材料清除速度的試劑。15.權(quán)利要求13的方法，其中被加工件進(jìn)一步含有介電材料，該漿料進(jìn)一步含有一種抑制該介電材料清除速度的試劑。16.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說被加工件中含有的金屬是鎢。17.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說被加工件中含有的金屬是鋁。18.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說被加工件中含有的金屬是銅。19.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說的被加工件中含有的金屬是鎳。20.權(quán)利要求10、11、12、13、14或15的方法，其中在所說的被加工件中含有的金屬是鉭。全文摘要本發(fā)明提供一種水基漿料,用于拋光或平整化含有金屬的被加工件,該漿料的固體含量包括約1～50%重量的亞微米α－氧化鋁,固體的剩余部分是低磨耗的組分,其選自一種或多種選自鋁的水合物、鋁的氫氧化物、γ－氧化鋁、δ－氧化鋁、無定形氧化鋁和無定形二氧化硅。本發(fā)明還提供了一種用于拋光含金屬的被加工件表面的方法,其中所說的水基漿料在化學(xué)—機(jī)械拋光過程中用作拋光組合物。文檔編號(hào)C09K3/14GK1199429SQ96197567公開日1998年11月18日申請(qǐng)日期1996年10月4日優(yōu)先權(quán)日1995年10月10日發(fā)明者王君芳,A·塞蘇拉曼,王惠明,L·M·庫克申請(qǐng)人:羅德爾公司