專利名稱：用于金屬膜的cmp漿料、拋光方法以及制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的漿料、拋光方法以及制造半導(dǎo)體器件的方法。具體地說，本發(fā)明涉及用于金屬膜的CMP漿料、金屬膜的拋光方法以及利用鑲嵌布線制造半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
通過利用CMP已經(jīng)形成將要安裝在高性能LSI上的Cu鑲嵌布線。
在該CMP中，拋光以兩步進(jìn)行，即主要進(jìn)行Cu的研磨的第一拋光，和進(jìn)行過剩金屬和絕緣膜的研磨的第二拋光。在第一拋光中，在800nm/min或更大的速度下研磨Cu，同時基本上防止阻擋金屬如Ta和Ti被研磨。在該第一拋光中需要將Cu的表面凹陷抑制到20nm或更小。當(dāng)將要采用低k材料作為絕緣膜時，如果拋光摩擦很大，將發(fā)生膜的剝落或膜本身的破裂。因此，現(xiàn)在采用拋光摩擦固有地很大的常規(guī)CMP漿料變得很難。
同樣，對于第二拋光，希望與第一拋光一樣，在低摩擦下進(jìn)行拋光，以增強(qiáng)拋光表面和拋光墊之間的親合力，并減少Cu的劃痕、Cu的腐蝕以及絕緣膜的劃痕，從而抑制Cu的表面凹陷以及絕緣膜的侵蝕。因為常規(guī)基于聚硅氧烷的表面活性劑強(qiáng)烈地作用于采用的二氧化硅，即研磨顆粒，以產(chǎn)生其粗糙顆粒，所以很難抑制Cu或絕緣膜的劃痕的產(chǎn)生并穩(wěn)定拋光速度。
為了滿足上述第一拋光和第二拋光中的需求，已經(jīng)提出采用其中使用聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)的漿料。然而，無人成功獲得穩(wěn)定性優(yōu)異同時能夠抑制形成Cu鑲嵌布線時Cu的表面凹陷或腐蝕和絕緣膜的劃痕的漿料。因此，目前沒有能夠充分滿足下一代LSI需求的性能的漿料。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面的用于金屬膜的CMP漿料包括水；基于所述漿料的總量0.01至0.3wt％的重量平均分子量為20,000或更大的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化劑；保護(hù)膜形成劑，包含用于形成水不溶性絡(luò)合物的第一絡(luò)合劑和用于形成水溶性絡(luò)合物的第二絡(luò)合劑；以及初級顆粒直徑在5至50nm范圍內(nèi)的膠體二氧化硅。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面的拋光方法包括以下步驟將具有金屬膜的半導(dǎo)體襯底與粘附到轉(zhuǎn)臺的拋光墊接觸；以及將金屬膜CMP漿料供給到所述拋光墊上，以拋光所述金屬膜，所述金屬膜CMP漿料包括水；基于所述漿料的總量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化劑；保護(hù)膜形成劑，包含用于形成水不溶性絡(luò)合物的第一絡(luò)合劑和用于形成水溶性絡(luò)合物的第二絡(luò)合劑；以及初級顆粒直徑在5至50nm范圍內(nèi)的膠體二氧化硅。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面的制造半導(dǎo)體器件的方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成絕緣膜；在所述絕緣膜中形成凹槽；在所述凹槽內(nèi)部以及在所述絕緣膜上沉積金屬，以形成金屬膜；以及通過利用金屬膜CMP漿料的CMP，去除在所述絕緣膜上沉積的至少部分所述金屬，所述金屬膜CMP漿料包括水；基于所述漿料的總量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化劑；保護(hù)膜形成劑，包含用于形成水不溶性絡(luò)合物的第一絡(luò)合劑和用于形成水溶性絡(luò)合物的第二絡(luò)合劑；以及初級顆粒直徑在5至50nm范圍內(nèi)的膠體二氧化硅。


圖1是截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例制造半導(dǎo)體器件的方法的一個步驟；圖2是截面圖，示出了圖1所示的步驟之后的下一步驟；圖3是透視圖，示出了CMP的狀態(tài)；圖4是截面圖，示出了圖2所示的步驟之后的下一步驟；圖5是截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例制造半導(dǎo)體器件的方法的一個步驟；以及圖6是截面圖，示出了圖5所示的步驟之后的下一步驟。
具體實施例方式
下面，將說明本發(fā)明的實施例。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于金屬膜的CMP漿料包含聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，其具有20,000或更大的重量平均分子量。PVP的重量平均分子量可以通過例如含水凝膠滲透色譜(GPC)測量。重量平均分子量小于20,000的PVP不能減小拋光摩擦，從而很難抑制金屬膜的表面凹陷或金屬膜的腐蝕。此外，很難確保拋光的穩(wěn)定性。如下所述，只要可以保持漿料的粘度小于2mPa·sec，對PVP的重量平均分子量的上限沒有任何具體限制。然而，如果PVP的重量平均分子量增加，趨于很難獲得金屬膜的實用拋光速度。在一些情況下，重量平均分子量過大的PVP會引起漿料供給裝置內(nèi)部膠體二氧化硅的聚集，導(dǎo)致由該聚集二氧化硅引起的Cu的劃痕的產(chǎn)生。考慮到這些事實，希望確定PVP的重量平均分子量的上限。
漿料的粘度可以基于PVP的平均分子量和含量大致確定。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于金屬膜的CMP漿料中PVP的含量限定在基于CMP漿料的總量0.01至0.3wt％的范圍。如果PVP的含量小于0.01wt％，不能確保減小拋光摩擦的效果，從而導(dǎo)致拋光墊的溫度上升。結(jié)果，將更易于發(fā)生停止拋光(CMP停止)的現(xiàn)象。另外，將降低Cu的過鍍覆部分處漿料的Cu去除作用。另一方面，如果PVP的含量超過0.3wt％，很難抑制Cu的腐蝕。此外，漿料的粘度會大于2mPa·sec，因此很難以穩(wěn)定的方式將漿料供給到拋光墊。在這種情況下，會發(fā)生拋光墊溫度上升或拋光不均勻(面內(nèi)均勻性的降低)，從而引起Cu拋光速度或Cu的表面凹陷不均勻。另外，在研磨例如銅的布線金屬同時保留阻擋金屬的第一拋光中將要采用的漿料中，PVP的含量應(yīng)該優(yōu)選限定在基于漿料的總量0.03至0.3wt％的范圍內(nèi)。此外，在研磨阻擋金屬以暴露絕緣膜的第二拋光中將要采用的漿料中，PVP的含量應(yīng)該優(yōu)選限定在基于漿料的總量0.01至0.1wt％的范圍內(nèi)。
具體地，優(yōu)選在漿料中基于漿料的總量以0.01至0.1wt％的比率結(jié)合重量平均分子量為40,000或更大的PVP。在這種情況下，在第一拋光中可以實現(xiàn)低摩擦、高拋光速度和低阻擋金屬拋光速度。另外，可以抑制Cu的表面凹陷和絕緣膜的侵蝕，從而可以減小缺陷例如Cu的腐蝕和劃痕。而且，可以增強(qiáng)對Cu的過鍍覆部分的Cu拋光作用，從而可以提高拋光穩(wěn)定性和拋光速度的均勻性。同樣，在第二拋光中，可以實現(xiàn)低摩擦并抑制Cu的表面凹陷和絕緣膜的侵蝕。另外，可以減小缺陷例如Cu的腐蝕和劃痕，從而可以提高拋光穩(wěn)定性和拋光速度的均勻性。
只要可以滿足上述關(guān)于PVP的重量平均分子量和含量的條件，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在用于金屬膜的CMP漿料中可以結(jié)合重量平均分子量相互不同的兩種或多種PVP。
對于氧化劑，可以采用選自如下的至少一種過硫酸銨、過硫酸鉀、過氧化氫、硝酸鐵、硝酸二銨鈰、硫酸鐵、臭氧和高碘酸鉀?？紤]到氧化作用、與保護(hù)膜的兼容性和容易處理，優(yōu)選使用過硫酸銨、過硫酸鉀和過氧化氫。氧化劑的含量應(yīng)優(yōu)選限定在基于CMP漿料的總量0.05至5wt％的范圍內(nèi)。如果氧化劑的含量低于0.05wt％，很難確保足夠的拋光速度。另一方面，如果氧化劑的含量高于5wt％，則過分地增加金屬膜例如Cu膜的腐蝕和表面凹陷。更優(yōu)選地，氧化劑的含量應(yīng)限定在基于CMP漿料的總量0.08至3wt％的范圍內(nèi)。
保護(hù)膜形成劑由用于形成水不溶性絡(luò)合物的第一絡(luò)合劑和用于形成水溶性絡(luò)合物的第二絡(luò)合劑組成。另外，術(shù)語“水不溶性”表示材料基本上不溶于水，從而如果在絡(luò)合劑與氧化劑共存的條件下將濕法蝕刻速度限定到小于3nm/min，難溶于水的材料將包括在“水不溶性”的定義中。另一方面，術(shù)語“水溶性”表示濕法蝕刻速度不低于3nm/min。保護(hù)膜形成劑的含量應(yīng)該優(yōu)選限定在基于CMP漿料的總量0.001至3.0wt％的范圍內(nèi)。如果保護(hù)膜形成劑的含量低于0.001wt％，很難將Cu的表面凹陷抑制到20nm或更小。另一方面，如果保護(hù)膜形成劑的含量超過3.0wt％，則降低拋光速度。更優(yōu)選地，保護(hù)膜形成劑的含量應(yīng)該限定在基于CMP漿料的總量0.05至2.0wt％的范圍內(nèi)。
對于用于與金屬例如Cu一起形成不溶于水或難溶于水的絡(luò)合物的第一絡(luò)合劑，可以采用雜環(huán)化合物，其包括包含至少一個N原子的復(fù)合(complex)六元環(huán)或五元環(huán)。更具體地，可以采用喹哪啶酸、喹啉酸、苯并三唑、苯并咪唑、7-羥基-5-甲基-1，3，4-三氮吲哚利嗪、煙酸和吡啶甲酸。
此外，在陰離子表面活性劑中，其中的一些可以用作第一絡(luò)合劑。例如，可以采用烷基苯磺酸鹽，例如十二烷基苯磺酸鉀和十二烷基苯磺酸銨。
第一絡(luò)合劑的含量應(yīng)該優(yōu)選限定在基于CMP漿料的總量0.0005至2.0wt％的范圍內(nèi)。如果第一絡(luò)合劑的含量低于0.0005wt％，則過分地增加Cu的表面凹陷。另一方面，如果第一絡(luò)合劑的含量超過2.0wt％，不能確保足夠高的Cu拋光速度。更優(yōu)選地，第一絡(luò)合劑的含量應(yīng)該限定在基于CMP漿料的總量0.0075至1.5wt％的范圍內(nèi)。
另一方面，用于形成水溶性絡(luò)合物的第二絡(luò)合劑實現(xiàn)拋光加速劑的作用。第二絡(luò)合劑的實例包括氨基酸，例如甘氨酸、丙胺酸和色氨酸。此外，也可以采用能夠呈現(xiàn)與拋光加速劑相同效果的有機(jī)酸。該有機(jī)酸的實例包括蟻酸、乳酸、醋酸、酒石酸、富馬酸、乙二醇酸、鄰苯二甲酸、馬來酸、草酸、檸檬酸、蘋果酸、丙二酸、谷氨酸等。也可以采用堿式鹽如氨、乙二胺、四甲基氫氧化銨(TMAH)等。
第二絡(luò)合劑的含量應(yīng)該優(yōu)選限定在基于CMP漿料的總量0.0005至2.0wt％的范圍內(nèi)。如果第二絡(luò)合劑的含量低于0.0005wt％，不可能以足夠高的拋光速度拋光Cu。另一方面，如果第二絡(luò)合劑的含量超過2.0wt％，則過分地發(fā)生Cu的表面凹陷和Cu的腐蝕。更優(yōu)選地，第二絡(luò)合劑的含量應(yīng)該限定在基于CMP漿料的總量0.0075至1.5wt％的范圍內(nèi)。
第一和第二絡(luò)合劑可以單獨采用，或組合其兩種或多種。
在本發(fā)明的該實施例中，膠體二氧化硅的初級顆粒直徑限定在5至50nm的范圍內(nèi)。如果膠體二氧化硅的初級顆粒直徑小于5nm，則研磨作用將變得不均勻，因此很難均勻地研磨各種圖形。另外，由于膠體二氧化硅的分散穩(wěn)定性降低，使其很難持續(xù)使用。另一方面，如果膠體二氧化硅的初級顆粒直徑超過50nm，很難將拋光表面的表面粗糙度Ra控制到3nm或更低，并將導(dǎo)致表面凹陷或劃痕的增加。拋光表面的Ra限定在3nm或更小將是可以接受的，其可以通過原子力顯微鏡(AFM)確認(rèn)。
對于初級顆粒直徑在5至50nm范圍的膠體二氧化硅，可以采用初級顆粒直徑為5nm或更大以及締合度為5或更小的膠體二氧化硅。術(shù)語“締合度”表示通過使由初級顆粒的聚集體構(gòu)成的二級顆粒的直徑除以初級顆粒的直徑(二級顆粒直徑/初級顆粒直徑)獲得的值。這里，締合度的值為1表示系統(tǒng)僅由單分散的初級顆粒構(gòu)成。二級顆粒的直徑可以通過動態(tài)光散射方法、激光衍射方法或電子顯微鏡方法測量。當(dāng)顆粒的締合度超過5時，在使用包含該締合度的膠體二氧化硅作為拋光顆粒的漿料的拋光步驟中，在拋光表面上會產(chǎn)生劃痕或侵蝕。
初級顆粒直徑(d1)在5至20nm范圍(5≤d1≤20)的第一膠體二氧化硅可與初級顆粒直徑(d2)在大于20至50nm范圍(20＜d2≤50)的第二膠體二氧化硅結(jié)合，從而可以使用它們作為初級顆粒直徑在5至50nm范圍的膠體二氧化硅。在此情況下，在總的第一膠體二氧化硅和第二膠體二氧化硅中，第一膠體二氧化硅的重量比應(yīng)該優(yōu)選限定在0.6至0.9。如果第一膠體二氧化硅的重量比小于0.6，所得的膠體二氧化硅呈現(xiàn)僅僅第二膠體二氧化硅的CMP特性。結(jié)果，拋光表面的Ra超過3nm，導(dǎo)致產(chǎn)生粗糙表面。另外，也很難將表面凹陷抑制在20nm或更小。另一方面，如果第一膠體二氧化硅的重量比超過0.9，所得的膠體二氧化硅呈現(xiàn)僅僅第一膠體二氧化硅的CMP特性，導(dǎo)致拋光作用的降低。
膠體二氧化硅的含量應(yīng)該優(yōu)選限定在基于CMP漿料的總量0.05至10wt％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選限定在0.1至5wt％的范圍內(nèi)。如果膠體二氧化硅的含量小于0.05wt％，不能確保充分高的拋光作用。另一方面，如果膠體二氧化硅的含量超過10wt％，則增加Cu的劃痕或表面凹陷。
除上述膠體二氧化硅外，在漿料中還可以包括有機(jī)顆粒。對于有機(jī)顆粒，可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯等。有機(jī)顆粒可與上述膠體二氧化硅結(jié)合以形成復(fù)合顆粒。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于金屬膜的CMP漿料必要時可包括表面活性劑。對于表面活性劑，優(yōu)選使用平均分子量小于PVP的非離子表面活性劑。當(dāng)在漿料中包括不同于PVP的高分子化合物時，將發(fā)生各種不便。
例如，拋光速度將大幅降低或拋光表面的表面凹陷大量增加。對于在此情況下有用的表面活性劑，可以采用具有三鍵的非離子表面活性劑，其實例包括乙炔乙二醇(acetylene glycol)、乙炔乙二醇的氧化乙烯加合物、炔屬醇等。也可以采用基于聚硅氧烷表面活性劑、聚乙烯醇、環(huán)糊精、聚乙烯基甲基醚、羥乙基纖維素等。此外，可以結(jié)合陰離子表面活性劑或陽離子表面活性劑。對于陰離子表面活性劑，可以采用，例如，脂族皂、硫酸酯、磷酸酯等。對于陽離子表面活性劑，可以采用，例如，脂肪胺鹽、脂族銨鹽等。上述表面活性劑可以單獨采用，或組合兩種或多種。
表面活性劑的含量應(yīng)該優(yōu)選限定在基于CMP漿料的總量0.001至0.5wt％的范圍內(nèi)。如果表面活性劑的含量在這個范圍之外，很難充分抑制Cu的表面凹陷。更優(yōu)選地，表面活性劑的含量應(yīng)該限定在基于CMP漿料的總量0.05至0.3wt％的范圍內(nèi)。
對于根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的漿料的pH，沒有任何特別限制，因此可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，pH調(diào)節(jié)劑例如氫氧化鉀可以被添加到漿料中以調(diào)節(jié)堿度。
(實施例1)接下來，將參考圖1和圖2說明本實施例。
首先，如圖1所示，在其上形成有半導(dǎo)體元件(未示出)的半導(dǎo)體襯底10上形成SiO2絕緣膜11，并形成栓塞13，其中阻擋金屬12置于絕緣膜11和栓塞13之間。利用TiN形成阻擋金屬12，并利用W作為其材料形成栓塞13。然后，在該絕緣膜11和栓塞13上，依次沉積第一低介電常數(shù)絕緣膜14和第二低介電常數(shù)絕緣膜15，以形成層疊絕緣膜。該第一低介電常數(shù)絕緣膜14可以由相對介電常數(shù)小于2.5的低介電常數(shù)絕緣材料構(gòu)成。例如，該第一低介電常數(shù)絕緣膜14可以由選自如下的至少一種形成具有硅氧烷骨架，例如聚硅氧烷、氫硅倍半氧烷(hydrogen silsesquioxane)、聚甲基硅氧烷、甲基硅倍半氧烷(methyl silsesquioxane)等的膜；包含有機(jī)樹脂例如聚亞芳基醚、聚苯并唑、聚苯并環(huán)丁烯等作為主要成分的膜；以及多孔膜，例如多孔二氧化硅膜等。這里，利用LKD(可以從JSR Co.，Ltd.獲得)形成第一低介電常數(shù)絕緣膜14。
在第一低介電常數(shù)絕緣膜14上將要沉積的第二低介電常數(shù)絕緣膜15作為覆層絕緣膜，并可以利用相對介電常數(shù)大于第一低介電常數(shù)絕緣膜14的絕緣材料形成。例如，可以采用相對介電常數(shù)為2.5或更大并選自例如TEOS(四乙氧基硅烷)、SiC、SiCH、SiCN、SiOC和SiOCH的至少一種絕緣材料形成該第二低介電常數(shù)絕緣膜15。這里，利用SiOC形成第二低介電常數(shù)絕緣膜15。
然后，形成布線溝槽A作為凹槽，以穿入第二低介電常數(shù)絕緣膜15和第一低介電常數(shù)絕緣膜14。然后，根據(jù)常規(guī)方法在整個表面上依次沉積厚度為5nm的Ta膜作為阻擋金屬16和厚度為800nm的Cu膜17。在此情況下，金屬膜18由阻擋金屬16和Cu膜17構(gòu)成。利用寬度為60nm的細(xì)布線和寬度為75μm的寬布線形成布線溝槽“A”。細(xì)布線的密度設(shè)定在單個(loneness)到50％的覆蓋率的范圍，而寬布線的密度設(shè)定在單個到95％的覆蓋率的范圍。另外，術(shù)語“單個”是指在1mm2的區(qū)域中僅存在一個布線。然后，通過CMP去除構(gòu)成金屬膜18的部分的Cu膜17，從而保留在布線溝槽“A”中選擇性掩埋的Cu膜17，以暴露阻擋膜16的表面，如圖2所示。
如下進(jìn)行Cu膜17的CMP。也就是，首先，如圖3所示，在以100rpm的速度旋轉(zhuǎn)具有粘附到其上的拋光墊21的轉(zhuǎn)臺20的同時，使保持半導(dǎo)體襯底22的頂環(huán)23在200gf/cm2的拋光負(fù)荷下與轉(zhuǎn)臺20接觸。頂環(huán)23的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為105rpm，并且將漿料27從漿料供給管口25以200cc/min的流速供給到拋光墊21上。
另外，頂環(huán)23的拋光負(fù)荷可以選自10-1,000gf/cm2的范圍，其優(yōu)選范圍是30-500gf/cm2。此外，轉(zhuǎn)臺20和頂環(huán)23的旋轉(zhuǎn)速度可選地選自10到400rpm的范圍，其優(yōu)選范圍是30到150rmp。漿料27從漿料供給管口的供給速度可以選自10-1,000cc/min的范圍，其優(yōu)選范圍是50-400cc/min。
在該拋光中，可以采用如下所述的各種漿料，并且可以采用IC1000(Rodel Co.，Ltd.)作為拋光墊。另外，圖3也示出了水供給管口24和修整工具(dresser)26。
如下制備在拋光Cu膜時使用的漿料。首先，根據(jù)如下配方混合各成分和去離子水，以獲得漿料的原料液體。另外，各成分的含量表示基于漿料的總量的比率。
氧化劑過硫酸銨＝1.5wt％保護(hù)膜形成劑水不溶性(第一)絡(luò)合劑喹哪啶酸＝0.2wt％；喹啉酸＝0.3wt％；十二烷基苯磺酸鉀＝0.05wt％。
水溶性(第二)絡(luò)合劑甘氨酸＝0.3wt％；從過硫酸銨中解離的氨。
膠體二氧化硅0.4wt％的締合度為2并且初級顆粒直徑為20nm的膠體二氧化硅；以及0.1wt％的締合度為2并且初級顆粒直徑為38nm的膠體二氧化硅。
此外，通過使用氫氧化鉀，把漿料的pH調(diào)節(jié)為9。
對于水溶性聚合物化合物，制備基于炔屬二醇的非離子(ACD)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、纖維素(HEC)、聚乙基亞胺(PEI)、聚烷基醚(PAE)、和作為聚丙烯酸脂的聚丙烯酸鉀(PAK)。這些水溶性聚合物化合物的分子量都設(shè)定為45,000。
僅利用漿料的上述原料液體而沒有結(jié)合水溶性聚合物化合物制備漿料No.1。利用具有在下面的表1中示出的配方的水溶性聚合物化合物制備漿料No.2-15。
表1

通過利用表1中示出的15種漿料，在上述條件下進(jìn)行Cu膜17的CMP，從而研究Cu的拋光速度、CMP的停止、工作臺電動機(jī)的電流以及Cu的表面凹陷。
通過對厚度為2000nm的Cu固態(tài)膜拋光60秒之后測量Cu固態(tài)膜的表面電阻，計算Cu的拋光速度。呈現(xiàn)800nm/min或更大的Cu拋光速度的樣品標(biāo)記為符號“○”，以及呈現(xiàn)小于800nm/min的Cu拋光速度的樣品標(biāo)記為符號“×”。
通過連續(xù)拋光25個厚度為2000nm的Cu固態(tài)膜，確定CMP的停止。能夠完成25個Cu固態(tài)膜的拋光的樣品標(biāo)記為符號“○”，以及在該連續(xù)拋光期間停止拋光的樣品標(biāo)記為符號“×”。
在拋光期間工作臺電動機(jī)的電流反映拋光負(fù)荷，因此工作臺電動機(jī)的電流值越小，可以用于進(jìn)行拋光的拋光負(fù)荷越低。此外，即使在低拋光負(fù)荷下進(jìn)行拋光，當(dāng)拋光摩擦大時，工作臺電動機(jī)的電流將增加。如果工作臺電動機(jī)的電流超過8A，膜的剝落將急劇地增加。在本實施例中，在上述條件下對厚度為2000nm的Cu固態(tài)膜進(jìn)行CMP時獲得的最大值假定為工作臺電動機(jī)的電流。工作臺電動機(jī)的電流不高于8A的樣品標(biāo)記為符號“○”，以及工作臺電動機(jī)的電流高于8A的樣品標(biāo)記為符號“×”。
在Cu的表面凹陷的確定中，基于在去除Cu之后使阻擋金屬暴露所需的CMP的時間段，進(jìn)行50％的過拋光，并通過AFM確定所得臺階部分的高度。表面凹陷的量不大于20nm的樣品標(biāo)記為符號“○”，以及表面凹陷的量大于20nm的樣品標(biāo)記為符號“×”。
通過使用每種漿料獲得的結(jié)果總結(jié)在下面的表2中。
表2

因為漿料No.1不包括水溶性聚合物化合物，漿料在三個方面不良(NG)，即，CMP停止、工作臺電動機(jī)的電流和Cu的表面凹陷。從這個結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，為了提高這些特征有必要在漿料中結(jié)合水溶性聚合物化合物。在漿料No.2和No.3中采用的ACD是在常規(guī)漿料中采用的水溶性聚合物化合物。當(dāng)采用這樣的常規(guī)漿料時，CMP停止和工作臺電動機(jī)的電流發(fā)現(xiàn)是NG。對于Cu的表面凹陷，發(fā)現(xiàn)它依賴于ACD的含量，因此，在ACD的含量為0.1wt％的樣品中，發(fā)現(xiàn)結(jié)果是OK，但是在ACD的含量為0.3wt％的樣品中，發(fā)現(xiàn)結(jié)果是NG。在結(jié)合PVP的樣品No.4和No.5中，就本系統(tǒng)而言，發(fā)現(xiàn)所有項目均為OK并且不依賴于水溶性聚合物化合物的含量。然而，在結(jié)合其它種類的水溶性聚合物化合物的樣品No.6-15中，沒有樣品能夠滿足所有項目，包括Cu的拋光速度、CMP停止、工作臺電動機(jī)的電流、以及Cu的表面凹陷。從上述結(jié)果中已經(jīng)證實PVP具有優(yōu)良的作為水溶性聚合物化合物的特性。
然后，比較樣品No.2與樣品No.4，其中比較項目包括在Cu鍍覆中導(dǎo)致產(chǎn)生的過鍍覆部分處的Cu拋光作用、Cu拋光速度的面內(nèi)均勻性、阻擋金屬的拋光速度、以及絕緣膜的拋光速度。在大規(guī)模的細(xì)布線區(qū)域引起過鍍覆的產(chǎn)生。具體地說，在布線寬度為60nm、覆蓋率為50％以及面積為2mm2的區(qū)域引起過鍍覆的產(chǎn)生。通過AFM測量在Cu膜的拋光之后在該區(qū)域中產(chǎn)生的臺階部分的量，以評價Cu的拋光作用。以如下方式確定Cu拋光速度的面內(nèi)均勻性測量并通過3σ評價在直徑為300mm的晶片的半徑方向上以5mm的間隔互相隔開的59個點的表面電阻。對于阻擋金屬，采用Ta和Ti。對于絕緣膜，基于SiO2對其進(jìn)行研究。由此獲得的結(jié)果總結(jié)在下面的表3中。
表3

對于過鍍覆部分的Cu拋光作用，可以如下進(jìn)行說明。當(dāng)在布線寬度為0.1μm或更小的細(xì)布線區(qū)域進(jìn)行Cu鍍覆時，相對于場區(qū)域凸起地形成Cu膜。在本實施例中，在過鍍覆部分的凸起的高度約為250nm。當(dāng)通過AFM測量在利用漿料No.2的CMP之后形成的臺階部分時，發(fā)現(xiàn)殘留厚度為10-22nm的Cu薄膜。由于該殘留的Cu薄膜，鑲嵌布線在其上部通過Cu互相連接。在下一步的第二拋光(修整CMP)中需要除去該殘留的薄膜。然而，因為布線的深度淺，在第二拋光中的研磨量需要盡可能的小，以使不同寬度的布線的深度一致。因此，在采用常規(guī)漿料的情況下，即使在第二拋光中也不能完全去除殘留的Cu薄膜。即使可以除去殘留的Cu薄膜，也很難控制寬度為60nm的細(xì)布線和寬度為75μm的寬布線，以使它們具有期望深度。因為這個原因，當(dāng)?shù)谝粧伖馔瓿蓵r，在半導(dǎo)體襯底上的Cu膜的凹陷/凸出部分需要盡可能的小。然而，在采用漿料No.4的情況下，完成CMP之后的臺階部分(殘留Cu膜的厚度)為0nm，使之最終是希望的。
關(guān)于Cu拋光速度的面內(nèi)均勻性，漿料No.4也是優(yōu)良的。因為這個原因，可以使完成的布線均勻，因此可以縮短過拋光的時間段。因為過量的過拋光導(dǎo)致Cu腐蝕的發(fā)生，可以通過利用漿料No.4避免這種問題。
在第一拋光中，阻擋金屬和絕緣膜的拋光速度期望盡可能的小。因為，當(dāng)阻擋金屬和絕緣膜的拋光速度與Cu的拋光速度之間的比率(選擇性比率)增加時，可以抑制Cu的表面凹陷。漿料No.4在減小阻擋金屬(Ta、Ti)和絕緣膜(SiO2)的拋光速度方面是有效的。因此，可以通過采用該漿料，實現(xiàn)理想的第一拋光。
此外，只要在漿料中結(jié)合PVP，在樣品No.2、3、6-15中采用的水溶性聚合物化合物也可以在漿料中添加結(jié)合。例如，為進(jìn)一步降低拋光摩擦，在漿料中可以添加結(jié)合PVA、PAK或ACD。此外，為進(jìn)一步提高Cu的抗侵蝕性，在漿料中可以附加結(jié)合ACD或PVA。在任何情況下，不會劣化PVP的上述效果。
(實施例2)通過利用在上述實施例1中制備的原料液體和通過以在下面的表4中示出的混合比率混合重量平均分子量不同的PVP，制備漿料No.16-50。
表4

通過利用各漿料，在實施例1中所述的相同條件下進(jìn)行Cu膜的拋光，從而研究Cu的拋光速度、CMP的停止、工作臺電動機(jī)的電流、Cu的表面凹陷和Cu的腐蝕。
Cu的腐蝕可以這樣評價，每1cm2的Cu腐蝕不多于10個部分的樣品標(biāo)記為符號“○”，以及每1cm2的Cu腐蝕多于10個部分的樣品標(biāo)記為符號“×”。對于其它項目，以與實施例1中所述的相同方式評價。獲得的結(jié)果總結(jié)在下面的表5中，其中也示出了通過Brookfield粘度計測量的各漿料的粘度。
表5

該表示出了對于PVP的重量平均分子量和含量的優(yōu)選范圍。為全部滿足Cu的拋光速度、CMP的停止、工作臺電動機(jī)的電流、Cu的表面凹陷和Cu的腐蝕，PVP的重量平均分子量應(yīng)限定至20,000或更多。如果PVP的重量平均分子量小于20,000，不能適當(dāng)?shù)乜刂乒ぷ髋_電動機(jī)的電流、Cu的表面凹陷和Cu的腐蝕。另一方面，對于PVP的重量平均分子量的上限，已經(jīng)證實只要漿料的粘度限定至小于2mPa·sec，PVP的重量平均分子量限定至不大于200,000時可以獲得優(yōu)良的結(jié)果。
如果漿料的粘度限定至小于2mPa·sec，漿料的粘度幾乎和水的一樣，從而漿料的粘度可以被認(rèn)為近似恒定而不依賴于漿料的剪切(shearing)速度。低粘度的漿料可以穩(wěn)定的方式供給到拋光墊，從而避免在金屬膜的或絕緣膜的表面上產(chǎn)生缺陷的任何可能性。結(jié)果，可以低摩擦地穩(wěn)定和均勻地拋光金屬膜。在漿料呈現(xiàn)2mPa·sec或更高的粘度的情況下，不能獲得這些效果。因為隨著漿料的粘度降低，金屬膜的表面將變得良好，因此漿料的粘度應(yīng)該優(yōu)選為1.5mPa·sec或更小。另外，盡管對于漿料的粘度的下限沒有任何特定限制，因為采用去離子水作為分散媒介，漿料的粘度通常將變?yōu)?mPa·sec或更大。
另一方面，PVP的含量的最佳范圍將依賴于其重量平均分子量而略微不同。例如，當(dāng)PVP的重量平均分子量為20,000時，PVP的含量的最佳范圍可以從0.05至0.3wt％。當(dāng)PVP的重量平均分子量為40,000時，PVP的含量的最佳范圍可以從0.01至0.3wt％。此外，即使當(dāng)PVP的重量平均分子量為100,000或200,000時，PVP的含量的最佳范圍可以從0.01至0.3wt％。也就是，隨著漿料的重量平均分子量變大，PVP的含量的最佳范圍趨向于減小。
當(dāng)在漿料中以范圍從基于漿料的總量0.01至0.1wt％的量結(jié)合重量平均分子量為40,000或更大的PVP時，可以滿足漿料的所有期望特性。此外，漿料的粘度可限定在1.5mPa·sec或更小的優(yōu)選范圍。更具體地，在這種情況下，在第一拋光中可以實現(xiàn)低摩擦、高拋光速度和低阻擋金屬拋光速度。另外，可以抑制Cu的表面凹陷和絕緣膜的侵蝕，因而可以使缺陷例如Cu的腐蝕和劃痕最小化。此外，可以增強(qiáng)在Cu的過鍍覆部分處Cu的拋光作用，因而可以提高拋光穩(wěn)定性和拋光速度的均勻性。同樣在第二拋光中，可以實現(xiàn)低摩擦和抑制Cu的表面凹陷以及絕緣膜的侵蝕。關(guān)于阻擋金屬的拋光速度，PVP的上述范圍是實用的，因而不會產(chǎn)生任何問題。另外，可以使缺陷例如Cu的腐蝕和劃痕最小化，因而可以提高拋光穩(wěn)定性和拋光速度的均勻性。
只要滿足這樣的條件，即漿料包括以范圍從基于漿料的總量0.01至0.3wt％的量、其重量平均分子量為20,000或更大的至少一種PVP，則在漿料中可以結(jié)合重量平均分子量相互不同的兩種或多種PVP。在這種情況下，也可以獲得與上述幾乎相同的效果。如果由于漿料的pH或強(qiáng)電解質(zhì)的添加的影響很難保持漿料的低粘度，可以通過在漿料中結(jié)合約為10,000的低分子量的PVP進(jìn)行調(diào)節(jié)。
為了進(jìn)行比較，漿料如下制備并用于在上述相同條件下拋光Cu膜，從而研究漿料的特性。更具體地，根據(jù)與漿料No.33相同的配方制備漿料No.51，但是漿料中不結(jié)合膠體二氧化硅。此外，根據(jù)與漿料No.33相同的配方制備三種漿料，但是采用初級顆粒尺寸不同的0.5wt％的膠體二氧化硅。更具體地，通過利用初級顆粒直徑為3nm的膠體二氧化硅，制備漿料No.52，通過利用初級顆粒直徑為60nm的膠體二氧化硅，制備漿料No.53，以及通過利用初級顆粒直徑為100nm的膠體二氧化硅，制備No.54。
在不含有膠體二氧化硅的漿料(No.51)的情況下，拋光作用變得不均勻，因此不能均勻地研磨各種寬度的圖形。同樣在膠體二氧化硅的初級顆粒直徑小的漿料(No.52)的情況下，獲得與樣品No.51幾乎相同的結(jié)果。在其初級顆粒直徑為60nm的漿料(No.53)的情況下，表面凹陷和劃痕變得突出，超過了其實用范圍。如果膠體二氧化硅的初級顆粒直徑進(jìn)一步增加(No.54)，很難將拋光表面的Ra減小至3nm或更小，同時，表面凹陷和劃痕的量也顯著增加，超過可接受的范圍。
在上述實施例1和2中，在Cu-CMP中需要的條件假定如下，并且注意可以滿足這些條件的漿料。也就是，需要這樣的漿料，以使Cu的拋光速度不低于800nm/min、在拋光期間CMP不停止、在拋光期間工作臺電動機(jī)的電流為8A或更小，以及可以將Cu的表面凹陷抑制到20nm或更小。
在Cu-CMP中需要的條件并不限于上述情況。也就是，根據(jù)期望的條件，可確定漿料的成分。例如，即使Cu的拋光速度低于800nm/min，如果Cu的表面凹陷需要進(jìn)一步減小到不大于10nm，膠體二氧化硅的總含量可以從0.5減小至0.1wt％?？蛇x地，在此情況下，采用將膠體二氧化硅的初級顆粒直徑減小至約5-10nm的方法也是有效的。例如，可以互相結(jié)合利用兩種膠體二氧化硅，即，締合度為1.5、初級顆粒直徑為5nm的0.4wt％的膠體二氧化硅，和締合度為1.5、初級顆粒直徑為25nm的0.1wt％的膠體二氧化硅?？蛇x地，可以降低拋光負(fù)荷。在任意一種情況下，即使Cu的拋光速度可以減小到約550nm/min，因為超過需要的機(jī)械作用不影響拋光表面，這些條件適合形成100nm或更淺的Cu鑲嵌布線。
另一方面，如果需要在即使Cu的表面凹陷超過20nm的情況下提高Cu的拋光速度，采用改變保護(hù)膜形成劑含量的方法可以是有效的。在不含有PVP的常規(guī)漿料的情況下，例如，包含0.5wt％的喹啉酸和0.05wt％的十二烷基苯磺酸鉀作為水不溶性絡(luò)合劑，以及包含0.3wt％的丙胺酸作為水溶性絡(luò)合劑。此外，結(jié)合作為氧化劑的過硫酸銨在pH超過8的堿性區(qū)域產(chǎn)生氨，因此能夠用它作為水溶性絡(luò)合劑。在具有該成分的常規(guī)漿料的情況下，即使Cu的拋光速度變?yōu)?200nm/min，Cu的表面凹陷將增加到55nm。當(dāng)以0.1wt％的量將重量平均分子量為40,000的PVP結(jié)合到該常規(guī)漿料中時，Cu的表面凹陷可以抑制到30nm。此外，Cu的拋光速度可以提高到1300nm/min。
如上所述，通過利用根據(jù)本發(fā)明的實施例的含有PVP的漿料，可以滿足最新的半導(dǎo)體器件的標(biāo)準(zhǔn)。此外，即使在漿料用于制造現(xiàn)代或上一代半導(dǎo)體器件的情況下，通過在其中結(jié)合PVP，可以改善這些漿料的特性。
(實施例3)接下來，將參考圖2和4說明本實施例。
首先，通過利用與上述實施例1中采用的相同材料，沉積各具有與實施例1中相同的厚度的絕緣膜等，以獲得如圖1所示的結(jié)構(gòu)。然后，在實施例2中規(guī)定的條件下利用漿料No.33進(jìn)行第一拋光，以暴露阻擋金屬16的表面，如圖2所示。此外，進(jìn)行第二拋光(修整CMP)，以暴露第二低介電常數(shù)絕緣膜15的表面，如圖4所示。
如下進(jìn)行修整CMP。也就是，首先，如圖3所示，當(dāng)以100rpm的速度旋轉(zhuǎn)具有粘附到在其上的拋光墊21的轉(zhuǎn)臺20時，使保持半導(dǎo)體襯底22的頂環(huán)23以200gf/cm2的拋光負(fù)荷接觸轉(zhuǎn)臺20。頂環(huán)23的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為105rpm，并且將漿料27以200cc/min的流速從漿料供給管口25供給到拋光墊21上。利用如下面所述的各種漿料并且利用IC1000(RodelCo.，Ltd.)作為拋光墊，進(jìn)行90秒的拋光。
如下制備在修整拋光中利用的漿料。首先，根據(jù)如下配方混合各成分和去離子水，以獲得漿料的原料液體。另外，各成分的含量表示基于漿料的總量的比率。
氧化劑過氧化氫＝0.1wt％。
保護(hù)膜形成劑喹啉酸＝0.3wt％；馬來酸＝0.3wt％。
膠體二氧化硅3.5wt％的締合度為2并且初級顆粒直徑為30nm的膠體二氧化硅。
此外，通過利用氫氧化鉀，將漿料的pH值調(diào)節(jié)為10.5。
作為水溶性聚合物化合物，制備PVP(40,000的重量平均分子量)以及HLB值為13的非離子聚硅氧烷。利用GPC由表面活性劑的洗提體積(eluted volume)計算HLB值。僅僅利用沒有結(jié)合水溶性聚合物化合物的漿料的上述原料液體制備漿料No.55。根據(jù)如下面表6所示的配方制備漿料No.56-71。
表6

在本實施例中PVP的含量限定在基于漿料的總量0.005至0.7wt％的范圍內(nèi)，如表6所示。該含量范圍對應(yīng)于膠體二氧化硅的重量的1.43至20wt％的范圍。只要PVP的含量限定在基于漿料的總量0.01至0.3wt％的范圍內(nèi)，可以適當(dāng)?shù)馗淖働VP與膠體二氧化硅的重量的比率。
通過使用如表6所示的17種漿料，在上述條件下進(jìn)行修整CMP，從而研究工作臺電動機(jī)的電流、Cu的表面凹陷、絕緣膜的侵蝕、Cu的缺陷和絕緣膜的缺陷。
判斷絕緣膜的侵蝕，從而當(dāng)侵蝕的量不大于20nm時，樣品標(biāo)記為符號“○”，以及當(dāng)侵蝕的量大于20nm時，樣品標(biāo)記為符號“×”。通過利用儀器(KLA-Tenchol Co.，Ltd.)觀察1cm×1cm的區(qū)域，確定Cu的缺陷，其中呈現(xiàn)Cu的侵蝕和劃痕的總量不多于10部分的樣品標(biāo)記為符號“○”，以及呈現(xiàn)Cu的侵蝕和劃痕的總量多于10部分的樣品標(biāo)記為符號“×”。利用儀器(KLA-Tenchol Co.，Ltd.)觀察1cm×1cm的區(qū)域，確定絕緣膜的缺陷，其中其上的沉積物和劃痕的總量不多于10部分的樣品標(biāo)記為符號“○”，以及其上的沉積物和劃痕的總量多于10部分的樣品標(biāo)記為符號“×”。另外，術(shù)語“在絕緣膜上的沉積物”是指在絕緣膜上削下的沉積物等。對于工作臺電動機(jī)的電流和Cu的表面凹陷，以與上述相同的方式評價。
使用各漿料獲得的結(jié)果總結(jié)在下面的表7中。
表7

在修整CMP中，也可以證實本發(fā)明實施例中的漿料的效果。在漿料No.55的情況下，僅可以將Cu的表面凹陷抑制到不大于20nm，但是，對于其它項目，漿料No.55不能滿足它們的需要。因為本實施例中構(gòu)成第二低介電常數(shù)絕緣膜15的SiOC是疏水性膜，認(rèn)為很難在液體潤滑的條件下穩(wěn)定地進(jìn)行CMP。在其中結(jié)合聚硅氧烷樹脂的樣品No.64-71的情況下，工作臺電動機(jī)的電流增加，因而可抑制絕緣膜的侵蝕的范圍變窄。其原因歸結(jié)于聚硅氧烷樹脂的存在容易聚集膠體二氧化硅。
另一方面，在結(jié)合PVP的樣品(即漿料No.57-61)中，只要其含量限定在0.01至0.3wt％的范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)每一個項目都是OK。特別地，對于降低SiOC的拋光速度的效果以及增強(qiáng)在Cu和SiOC之間侵蝕的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)有顯著的提高。在PVP的含量不大于0.005wt％的樣品No.56中，因為PVP的含量太少，不能充分得到改善工作臺電動機(jī)的電流和侵蝕的效果。另一方面，在PVP的含量為0.5wt％或更多的樣品No.62和No.63的情況下，增加了Cu的表面凹陷和缺陷，也增加了侵蝕。當(dāng)與拋光特性一起考慮漿料的粘度時，重量平均分子量為40,000的PVP的含量應(yīng)優(yōu)選限定在基于漿料的總量0.01至0.1wt％的范圍。
在本實施例的修整CMP中，盡管采用SiOC作為在該CMP中將要暴露的第二低介電常數(shù)絕緣膜，可以采用其它結(jié)構(gòu)。也就是，在這樣的結(jié)構(gòu)中可以期望幾乎相同的效果，其中研磨SiO2或研磨SiO2/SiOC疊層中的SiO2，并利用SiOC停止其研磨。已經(jīng)證實，當(dāng)在漿料中結(jié)合重量平均分子量為20,000的PVP時，與不含有PVP的漿料相比，SiO2的拋光速度可以減小到1/3至2/3的范圍，并且SiOC的拋光速度可以減小到1/10或更小。根據(jù)絕緣膜的需要的拋光速度，PVP的含量可以調(diào)節(jié)到實用的范圍之內(nèi)。
如果在控制Cu、阻擋金屬和絕緣膜的拋光速度的同時進(jìn)行修整CMP，調(diào)節(jié)漿料的pH值到酸性區(qū)域也是有效的。此外，采用7-羥基-5-甲基-1，3，4-三氮吲哚利嗪作為水不溶性(第一)絡(luò)合劑，以及采用選自鄰苯二甲酸、草酸、檸檬酸、乳酸、醋酸、TMAH以及乙二胺的至少一種作為水溶性(第二)絡(luò)合劑也是有效的。
為了比較，如下制備漿料，并將其用于在與上述相同的條件下進(jìn)行修整CMP，從而研究漿料的特性。更具體地，根據(jù)與漿料No.59相同的配方制備漿料No.72，但是在漿料中不結(jié)合膠體二氧化硅。此外，根據(jù)與漿料No.59相同的配方制備三種漿料，但是采用初級顆粒尺寸不同的3.5wt％的膠體二氧化硅。更具體地，通過使用初級顆粒直徑為3nm的膠體二氧化硅制備漿料No.73，通過使用初級顆粒直徑為60nm的膠體二氧化硅制備漿料No.74，以及通過使用初級顆粒直徑為100nm的膠體二氧化硅制備漿料No.75。
在不包含膠體二氧化硅的漿料(No.72)中，拋光作用變得不均勻，從而不能均勻地研磨各種寬度的圖形。在膠體二氧化硅的初級顆粒直徑小的漿料(No.73)中，獲得與樣品No.72幾乎相同的結(jié)果，特別是導(dǎo)致對阻擋金屬和SiO2的拋光作用的劣化。在其初級顆粒直徑為60nm的漿料(No.74)中，表面凹陷和劃痕變得顯著，超過了其實用范圍。如果進(jìn)一步增大膠體二氧化硅的初級顆粒直徑(No.75)，很難將拋光表面的Ra減小至3nm或更小，同時表面凹陷和劃痕的量也顯著增加，超過可接受的范圍。
因為根據(jù)本發(fā)明的實施例的漿料含有重量平均分子量不小于20,000的、其量在基于漿料的總重量0.01至0.3wt％范圍的PVP，它們可以穩(wěn)定地被供給到拋光墊上，并且金屬膜的拋光可以在低摩擦下穩(wěn)定均勻地進(jìn)行。
在金屬膜或絕緣膜中不可能產(chǎn)生缺陷。此外，可以證實因為在漿料中結(jié)合的膠體二氧化硅的初級顆粒直徑限定在5至50nm的范圍，通過采用根據(jù)本發(fā)明的實施例的漿料，可以穩(wěn)定拋光金屬膜并將拋光表面的Ra限定在3nm或更小。除非完全滿足包括PVP的重量平均分子量和含量以及膠體二氧化硅的初級顆粒直徑的所有條件，否則不可能實現(xiàn)上述效果。
(實施例4)參考圖5和6說明本實施例。
首先，如圖5所示，在其上形成有半導(dǎo)體元件(未示出)的半導(dǎo)體襯底10上形成SiO2的絕緣膜11，并且形成孔B作為凹槽?？譈的直徑設(shè)定為0.1μm以及其覆蓋率設(shè)定為25％。此外，沉積栓塞材料膜13a，其中阻擋膜12介于絕緣膜11和栓塞絕緣膜13a之間。阻擋金屬12利用厚度為15nm的TiN膜形成，以及栓塞材料膜13a通過沉積厚度為150nm的W膜形成。隨后，通過CMP選擇性地去除包括栓塞材料膜和13a和阻擋金屬12的金屬膜19，從而在孔B中掩埋栓塞13，其中阻擋金屬12介于其間，如圖6所示。
如下進(jìn)行金屬膜19的CMP。也就是，首先，如圖3所示，在以70rpm的速度旋轉(zhuǎn)具有粘附到其上的拋光墊21的轉(zhuǎn)臺20的同時，使保持半導(dǎo)體襯底22的頂環(huán)23在200gf/cm2的拋光負(fù)荷下與轉(zhuǎn)臺20接觸。頂環(huán)23的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為75rpm，并且將漿料27以200cc/min的流速從漿料供給管口25供給到拋光墊21上。利用如下所述的各種漿料和IC1000(RodelCo.，Ltd.)作為拋光墊進(jìn)行拋光。如此進(jìn)行拋光，以在除了用于其中去除用作栓塞材料膜13a的W膜并且暴露用作阻擋金屬12的TiN膜的CMP需要的時間段之外，獲得+50％的過拋光。
如下制備在拋光金屬膜19中使用的漿料。首先，根據(jù)如下配方混合各成分和去離子水以獲得漿料的原料液體。另外，各成分的含量表示基于漿料的總量的比率。
氧化劑硝酸鐵＝3wt％保護(hù)膜形成劑苯并三唑＝0.025wt％；丙二酸＝0.3wt％。
膠體二氧化硅2.5wt％的締合度為2并且初級顆粒直徑為15nm的膠體二氧化硅；以及0.5wt％的締合度為2并且初級顆粒直徑為50nm的膠體二氧化硅。
此外，調(diào)節(jié)漿料的pH為2.2。
僅使用漿料的上述原料液體制備漿料No.76，以及通過在漿料中結(jié)合基于漿料的總量0.05wt％的PVP(重量平均分子量100,000)作為水溶性聚合物制備漿料No.77。
通過使用這兩種漿料，在上述條件下進(jìn)行栓塞材料膜13a和阻擋金屬12的CMP。然后，在以25％的覆蓋率設(shè)置直徑為0.1μm的栓塞的300μm×300μm的陣列部分的區(qū)域中，通過AFM進(jìn)行對臺階部分的測量。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在不含有PVP的漿料No.76的情況下，發(fā)現(xiàn)高度為52nm的臺階部分。然而，在含有PVP的漿料No.77的情況下，臺階部分的高度為18nm，表明臺階部分的高度明顯降低。只要臺階部分的高度限定為不高于20nm，不會對布線特性帶來任何實質(zhì)不利的影響，因此認(rèn)為是可接受的。
(實施例5)通過與上述實施例4中所述相同的步驟，除了阻擋金屬12改變?yōu)楹穸葹?0nm的Nb膜，以及栓塞材料膜13a改變?yōu)楹穸葹?50nm的Al膜，形成如圖5所示的結(jié)構(gòu)。隨后，通過CMP選擇性地去除包括栓塞材料膜13a和阻擋金屬12的金屬膜19，從而在孔B中掩埋栓塞13，如圖6所示。
如下進(jìn)行金屬膜19的CMP。也就是，首先，如圖3所示，在以115rpm的速度旋轉(zhuǎn)具有粘附到其上的拋光墊21的轉(zhuǎn)臺20的同時，使保持半導(dǎo)體襯底22的頂環(huán)23在150gf/cm2的拋光負(fù)荷下與轉(zhuǎn)臺20接觸。頂環(huán)23的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為120rpm，并且將漿料27從漿料供給管口25以300cc/min的流速供給到拋光墊21上。利用如下所述的各種漿料和IC1000(RodelCo.，Ltd.)作為拋光墊進(jìn)行拋光。如此進(jìn)行拋光，以在除了用于其中去除用作栓塞材料膜13a的Al膜并且暴露用作阻擋金屬12的Nb膜的CMP需要的時間段之外，獲得+50％的過拋光。
如下制備在拋光金屬膜19中使用的漿料。首先，根據(jù)如下配方混合各成分和去離子水，以獲得漿料的原料液體。另外，各成分的含量表示基于漿料的總量的比率。
氧化劑過硫酸銨＝1wt％。
保護(hù)膜形成劑喹啉酸＝0.75wt％；十二苯基磺酸鉀＝0.075wt％；甘氨酸＝1wt％。
膠體二氧化硅5wt％的初級顆粒直徑為10nm的膠體二氧化硅(以0.5wt％的比率結(jié)合初級顆粒直徑為100nm的有機(jī)顆粒(PMMA)的復(fù)合顆粒)。
漿料的pH約為5。
僅使用漿料的上述原料液體制備漿料No.78，以及通過在漿料中結(jié)合基于漿料的總量0.05wt％的PVP(重量平均分子量90,000)作為水溶性聚合物制備漿料No.79。
通過使用這兩種漿料，在上述條件下進(jìn)行栓塞材料膜13a和阻擋金屬12的CMP。然后，在以25％的覆蓋率設(shè)置直徑為0.1μm的栓塞的300μm×300μm的陣列部分的區(qū)域中，通過AFM進(jìn)行對臺階部分的測量。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在不含有PVP的漿料No.78的情況下，發(fā)現(xiàn)高度為35nm的臺階部分。然而，在含有PVP的漿料No.79的情況下，臺階部分的高度為20nm，表明臺階部分的高度明顯降低。如上所述，只要臺階部分的高度限定為不高于20nm，不會對布線特性帶來任何實質(zhì)不利的影響，因此認(rèn)為是可接受的。
在前述實施例中，采用Cu作為布線材料，采用W和Al作為栓塞材料，以及采用Ta、TiN和Nb作為阻擋金屬。然而應(yīng)該注意，根據(jù)本發(fā)明實施例的能夠呈現(xiàn)漿料的效果的各種金屬不限定為這些金屬。
根據(jù)本發(fā)明實施例的漿料對于如下結(jié)構(gòu)也是有效的，該結(jié)構(gòu)包括Cu、Al、W、Ti、Ta、V、Mo、Ru、Zr、Mn、Ni、Fe、Ag、Mg、Si，以及包含任何這些元素的疊層，或甚至基本上不包括阻擋金屬的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明實施例的漿料期望在拋光幾乎任何金屬時呈現(xiàn)幾乎相同的效果。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，可以提供一種用于金屬膜的CMP漿料，其能夠低摩擦地均勻并且穩(wěn)定地拋光金屬膜，而不引起金屬膜或絕緣膜中的缺陷問題。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以提供一種能夠低摩擦地均勻并且穩(wěn)定地拋光金屬膜，而不引起金屬膜或絕緣膜中的缺陷問題的方法。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，可以提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述半導(dǎo)體器件具有鑲嵌布線并呈現(xiàn)優(yōu)良的可靠性。
其它優(yōu)點和修改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見。因此，本發(fā)明在其更寬的方面不限于這里示出和描述的具體細(xì)節(jié)和示例性實施例。由此，只要不脫離通過所附權(quán)利要求及其等同物限定的總發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍，可以進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于金屬膜的CMP漿料，包括水；基于所述漿料的總量0.01至0.3wt％的重量平均分子量為20,000或更大的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化劑；保護(hù)膜形成劑，包含用于形成水不溶性絡(luò)合物的第一絡(luò)合劑和用于形成水溶性絡(luò)合物的第二絡(luò)合劑；以及初級顆粒直徑在5至50nm范圍內(nèi)的膠體二氧化硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中以基于所述CMP漿料的總量0.01至0.1wt％的范圍，在所述漿料中結(jié)合重量平均分子量不小于40,000的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中所述漿料具有小于2mPa·sec的粘度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中氧化劑選自過硫酸銨、過硫酸鉀、過氧化氫、硝酸鐵、硝酸二銨鈰、硫酸鐵、臭氧和高碘酸鉀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMP漿料，其中所述氧化劑的含量限定在基于所述CMP漿料的總量0.05至5wt％的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中所述保護(hù)膜形成劑的含量限定在基于所述CMP漿料的總量0.001至3.0wt％的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中所述第一絡(luò)合劑包括具有至少一個N原子的雜環(huán)化合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中所述第一絡(luò)合劑的含量限定在基于所述CMP漿料的總量0.0005至2.0wt％的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中所述第二絡(luò)合劑選自氨基酸、有機(jī)酸和堿式鹽。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中所述第二絡(luò)合劑的含量限定在基于所述CMP漿料的總量0.0005至2.0wt％的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中所述膠體二氧化硅包括初級顆粒直徑在5至20nm范圍內(nèi)的第一膠體二氧化硅，以及初級顆粒直徑在大于20至50nm范圍內(nèi)的第二膠體二氧化硅。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，其中所述膠體二氧化硅的含量限定在基于所述CMP漿料的總量0.05至10wt％的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的CMP漿料，還包括至少一種水溶性聚合物化合物，其選自基于炔屬二醇的非離子、聚乙烯醇、纖維素、聚乙基亞胺、聚烷基醚和聚丙烯酸脂。
14.一種拋光方法，包括以下步驟將具有金屬膜的半導(dǎo)體襯底與粘附到轉(zhuǎn)臺的拋光墊接觸；以及將金屬膜CMP漿料供給到所述拋光墊上，以拋光所述金屬膜，所述金屬膜CMP漿料包括水；基于所述漿料的總量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化劑；保護(hù)膜形成劑，包含用于形成水不溶性絡(luò)合物的第一絡(luò)合劑和用于形成水溶性絡(luò)合物的第二絡(luò)合劑；以及初級顆粒直徑在5至50nm范圍內(nèi)的膠體二氧化硅。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中利用布線金屬形成所述金屬膜，以及在所述漿料中結(jié)合基于所述CMP漿料的總量0.03至0.3wt％范圍的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中利用阻擋金屬形成所述金屬膜，以及在所述漿料中結(jié)合基于所述CMP漿料的總量0.01至0.1wt％范圍的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
17.一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成絕緣膜；在所述絕緣膜中形成凹槽；在所述凹槽內(nèi)部以及在所述絕緣膜上沉積金屬，以形成金屬膜；以及通過利用金屬膜CMP漿料的CMP，去除在所述絕緣膜上沉積的至少部分所述金屬，所述金屬膜CMP漿料包括水；基于所述漿料的總量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化劑；保護(hù)膜形成劑，包含用于形成水不溶性絡(luò)合物的第一絡(luò)合劑和用于形成水溶性絡(luò)合物的第二絡(luò)合劑；以及初級顆粒直徑在5至50nm范圍內(nèi)的膠體二氧化硅。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中通過在所述絕緣膜上形成阻擋金屬以及在所述阻擋金屬上形成布線金屬，形成所述金屬膜。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中通過所述CMP將要去除的所述金屬是所述布線金屬，以及在所述漿料中結(jié)合基于所述CMP漿料的總量0.03至0.3wt％范圍的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中通過所述CMP將要去除的所述金屬是所述阻擋金屬，以及在所述漿料中結(jié)合基于所述CMP漿料的總量0.01至0.1wt％范圍的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于金屬膜的CMP漿料，包括水；基于所述漿料的總量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化劑；保護(hù)膜形成劑，包含用于形成水不溶性絡(luò)合物的第一絡(luò)合劑和用于形成水溶性絡(luò)合物的第二絡(luò)合劑；以及初級顆粒直徑在5至50nm范圍內(nèi)的膠體二氧化硅。
文檔編號B82Y99/00GK1854225SQ20061007609
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者南幅學(xué), 福島大, 倉嶋延行, 山本進(jìn), 矢野博之 申請人:株式會社東芝