化學機械拋光用研磨劑的制作方法

專利名稱：化學機械拋光用研磨劑的制作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及化學機械拋光(CMP)領域，更具體地講，涉及金屬化學機械拋光所用的漿料與方法。
背景技術：
半導體制造技術的進展已導致多級互連集成電路的開發。在這樣的集成電路中，用比如二氧化硅材料膜，使一互連級上的模式導體材料同另一互連級上的模式導體材料電絕緣。這些導體材料一般是金屬或金屬合金。通過在絕緣層內開口并裝上一導電結構，可使不同互連級的導體材料之間形成連接，這樣便使不同互連級的模式導體材料彼此電連通。這些導電結構常常稱之為接點或通道。
半導體制造技術的進展還導致了百萬計晶體管的集成，第一晶體管可以高速開關。將如此之多的快速晶體管結合到一塊集成電路上；結果運作過程中電力消耗例增加。增加速度而同時降低電力消耗的一種方法是，以像銅那樣電阻較低的金屬，來代替集成電路上所見的傳統的鋁和鋁合金互連線。那些在電工領域的技術人員了解，憑借減小電阻，電信號可通過集成電路的互連通道更加迅速地傳播。此外，由于銅的電阻雙鋁的電阻小得多，與鋁互連線比較，銅互連線的截面可以做成更小而不因其互連線電阻引起信號傳播延遲的增加。此外，因為兩個電節點間的電容乃為該兩節點間重疊面積的函數，所以，使用較小的銅互連線導致寄生電容的減小。用這種方法，以銅互連線代替鋁互連線，就確保電阻的減小，電容的減小，或這兩者的減小，具體視所選用的尺寸而定。
誠如以上所指明的，銅有電學上的優點，諸如單位截面的電阻較低、能確保寄生電容減小并有較強的抗電遷移性。由于所有這些理由，集成電路的制造廠商發現，把銅包括到其產品中是合乎需要的。
盡管有電學上的優點，但將銅結合到制做集成電路的過程中去卻并非易事。正如在本領域中所知道的，如果允許銅遷移或擴散至集成電路的晶體管區，那么銅就能損害金屬氧化物半導體(MOS)場效應晶體管(FET)的性能。因此，必須利用銅擴散保護層把銅金屬與晶體管區隔開。另外，不像由除去刻蝕法制得的鋁基金屬互連系統，銅互連一般由鑲嵌金屬法制得。這樣的方法有時也稱之為金屬插入法。按銅鑲嵌法，在一介電層內形成溝道，在該介電層包括溝道上形成一擴散保護層，并在該擴散保護層上形成一銅層。然后多余的銅被拋光除去，留下溝道中專用的銅互連線。除去多余的銅一般用化學機械拋光(CMP)來完成。保護層殘留于介電層表面的部分一般也可用CMP來除去。盡管銅和部分銅擴散保護層可用CMP來除去，但這些材料一般都有不同的物理性質，它們傾向于形成適合拋光其中的一種材料而對拋光另一種材料并非最為合適的條件。
因此，欲拋光比如銅和銅擴散保護層的復合層，就需有CMP方法、材料及裝置。
附圖簡述

圖1為銅鑲嵌結構的截面示意圖。這結構表示制作件鍍覆后、拋光前的狀態。
圖2為以本發明的漿料拋光后圖1的銅鑲嵌結構的截面示意圖。
圖3為按照本發明拋光第一硬度的第一膜的處理操作流程圖，此第一膜乃配置于硬度較大的第二膜之上。
發明詳述簡單地說，一種用于拋光具有第一硬度的第一材料的漿料，其中第一材料覆蓋著具有第二硬度的第二材料，并且第二硬度大于第一硬度，該漿料包括一種硬度大于第一材料但小于第二材料的研磨劑。
這樣的一種漿料也可用于較軟材料覆蓋著的一硬材料膜、而該硬材料膜本身又覆蓋著一硬襯底的情況。如果本發明的研磨劑硬度策略對該硬襯底比對該硬材料膜提供更好的選擇性，那么以本發明的漿料可以成功地將兩種材料都從襯底除去。
聯系本發明的一個示范實施方案，對化學機械拋光銅的方法和漿料加以描述。在以下的描述中，列舉了很多具體細節，以利于對本發明的理解。然而，本發明可以不同于這里所指定的裝置與方法付諸實施，對于本領域中并從此公開內容中得益的那些技術人員來說，這將是顯而易見的。
專用名詞專用名詞如芯片、集成電路、單片器件、半導體器件或元件、微電子器件或元件以及類似的術語和表達，常常可在本領域中交換地使用。本發明可應用于本領域中通常理解的所有上述的元器件。
專用名詞金屬線、金屬痕跡、金屬絲、導體、信號通道、信號發送介質全都是關聯的。上列的這些關聯專用名詞通常可互換，并按由具體至一般的順序出現。在本領域中，金屬線有時稱為痕跡、絲、互連線或簡單地稱為金屬。
專用名詞接點與通道均指不同互連級導體的電連接結構。本領域中有時這些專用名詞既用來描述絕緣層內的一個開孔，其中該結構尚待完成，又用來描述該完成的結構本身。為了這一公開內容，接點與通道系指已完成的結構。
低介電常數材料這一表達系指具有比二氧化硅要低的介電常數的一種材料。
這里所用的襯底系指有待借助CMP法來拋光的物體。襯底也可設想是圓片。圓片可由半導體、非半導體材料制得，或由半導體與非半導體材料的組合物制得。硅圓片可有不同材料在其上面形成的薄膜。這些薄膜可用CMP法加以拋光。其它的襯底材料諸如GaAs、藍寶石上外延硅或絕緣體襯底硅(SOI)也可用CMP法進行拋光。
圖1給出一種銅鑲嵌結構的截面圖。如該圖所示在一圓片表面上使介電夾層(IDL)按構圖形成IDL102。IDL 102的厚度由圖1的TIDLO表示。在該圓片暴露的表面以及IDL 102上形成銅擴散保護層104。可用不同材料作銅擴散保護層。銅擴散保護層的實例包括但不限于鉭和氮化鉭。一般說來，接著要在銅擴散保護層104上形成一銅籽晶層。然后，一般是借助鍍覆，在擴散保護層104上形成一完整的銅層106。
為集成電路制成而拋光銅的傳統方法包括使用基于剛玉或硅石的漿料，一般pH為等于或小于7.5。像剛玉和硅石這樣的研磨劑具有比銅大的硬度，其硬度也比鉭和氮化鉭這樣的銅擴散保護層的硬度大。
為銅的CMP而開發的漿料包含有兩種主要組分提供機械作用(與拋光臺和過程參數如壓力相結合)的研磨劑，以及維持該過程pH、確立其還原氧化勢、抑制腐蝕、改進選擇性等的化學試劑。該研磨劑也可能通過表面電荷和表面功能團與化學試劑發生反應。
眾所周知，拋光可由流體磨損或電磁刻痕而發生。在后一種拋光機理中，研磨劑顆粒被拉經拋光表面，起基本上類似刀具的作用。在CMP過程中，磨損和刻痕兼而有之。究竟那一種機理為主導端視膜的屬性、過程條件、化學組成以及拋光臺而定。然而，對于硬的和相對惰性的膜，顯然是以刻痕為主。
研磨劑顆粒要刻痕膜的表面，它就必須比該膜硬。莫氏硬度是礦物業主要使用的相對硬度標度。按這一標度，如果第一種材料刻痕第二種材料，那么第一種材料就比第二種材料硬。例如，因為金剛石會刻痕玻璃，所以金剛石比玻璃硬。莫氏標度是用于刻痕模型的理想標度。按照本發明，將用于一種選擇性漿料的研磨劑的硬度要比待拋光層的硬，但卻比其終止層的軟。從下面的表1可見，為拋光銅并終止于TaN、Ta或SiOF，應該使用一種莫氏硬度大于3.0和小于6.5的研磨劑。莫氏硬度乃為用于干材料的一種相對標度。CMP漿料為濕漿，因此漿料中的顆粒的硬度與其干值相比也許稍有不同。所以硬度為3.0-6.5只是一種近似。
許多CMP應用要求拋光第一層材料而終止于由不同材料制成的底下的第二層。這個第二層有時稱之為拋光終止層。為著這樣的應用起見，已開發出主要集中于調整化學組成以滿足這些要求的漿料。然而，本發明的實施方案實現這些目標的方法是，選擇硬度介于待拋光層與拋光終止層之間的一種研磨劑漿料，并調節該漿料的機械而不是化學屬性。
銅拋光漿料所希望有的屬性為高拋光率、低(或零)銅侵蝕率以及銅層與銅擴散保護層間的高選擇性。另一方面，如果漿料對一般是位于銅之下面的擴散保護層有適當的拋光率，那么該漿料對一般是位于擴散保護層之下面的介電夾層(ILD)就有高的選擇性，以允許繼續通過擴散保護層進行拋光并終止于該ILD層。銅與銅擴散保護層間的選擇性高，意味著用于以該漿料拋光除去銅的漿料，會除去銅而不大拋光底下的銅擴散保護層。按照本發明的一種銅拋光漿料，滿足銅拋光漿料希望有的這些要求。特別是本發明的漿料包括選擇一種其硬度介于銅與銅擴散保護層之間的研磨劑。
圖2是以按照本發明的一種漿料拋光后，圖1的銅鑲嵌結構的截面示意圖。
下面的表1給出各種材料在莫氏硬度標度中的相對硬度，凡有可能還給出其在顯微硬度標度中的顯微硬度。
表1材料 莫氏硬度 顯微硬度(kgmm2)金剛石 10 10000剛 92000硅石(石英) 71200水合硅石400-500鉭 6.5 230氧化鐵(紅粉) 6鈦酸鍶 5-6磷灰石 5透視石 5鐵 4-5黃銅 4氟石 4水合氧化鐵(黃粉)石青 3.5-4銅 380鋁 3金 2-3銀 2-2.5鉛 1.5石墨 1漿料實施例根據本發明，供化學機械拋光配置于一諸如鉭或氮化鉭保護層上的銅的示范漿料，包括2-4重量％的過氧化氫、一種緩蝕劑如0.015-0.045M苯并三唑、一維持pH在3.5-7.0的緩沖體系以及0.5-10重量％的一種研磨劑。為達到高的銅與銅擴散層間的選擇性，該研磨劑的硬度必須大于銅的硬度和小于鉭或氮化鉭的硬度。滿足本發明硬度要求的研磨劑包括但不限于氧化鐵(有時稱為紅粉)、鈦酸鍶、磷灰石、透視石、鐵、黃銅、氟石、水合氧化鐵(有時稱為黃粉)和石青。按照本發明的一種漿料可包括一種或多種上列的研磨劑，并可包括一種或多種滿足這里所述的硬度要求的研磨劑。本領域中的技術人員將認識到，水也是大多數漿料的一個成分，并且也是本示范漿料的一個成分。
可用來作為苯并三唑的一種替代的緩蝕劑包括其它形式的苯并三唑，如5-甲基苯并三唑或1-甲基苯并三唑，然而這一單子并非意在限制，因此其它適合的緩蝕劑還可以使用。
pH緩沖體系的實例包括但不限于檸檬酸和檸檬酸鉀、乙酸和檸檬酸鉀以及磷酸和磷酸鉀。
在本發明的一個實施方案中，一種漿料包括2重量％的研磨劑、3重量％的H2O2、0.03M的苯并三唑、3.0克/升的檸檬酸、3.0克/升的檸檬酸鉀，并具有為3.85的pH值。更具體地說該研磨劑是水合Fe2O3，顆粒大小為1-5微米，可從大西洋設備工程師公司(13福斯特街，博根費爾德，新澤西07621)以成品FE-605黃的形式直接購買。
提供這一實例只不過是對本發明加以說明。本領域中的技術人員會理解，按本發明所配制的一種漿料也可能包括一些其不同組分的反應產物。
方法參照圖3，對按照本發明的一種通用的方法作了描述，其中覆蓋第二層更硬材料的第一層材料用拋光除去。更具體地是，給一拋光裝置的拋光臺提供一種漿料(方塊302)。這樣的拋光裝置一般為眾所周知的CMP裝置。該漿料含有一種比第一種材料硬且比第二種材料軟的研磨劑。使其上有第一層和第二底層的一種襯底與拋光臺(方塊304)接觸。第一層材料比該漿料中的研磨劑要軟，而第二層材料則比研磨劑要硬。然后，按照典型的CMP操作，在向拋光臺輸送漿料并維持一個向下的力的同時轉動拋光臺和襯底，對第一層進行拋光(方塊306)；之所以要維持一個向下的力是為了使襯底和拋光臺保持接觸并達到希望有的拋光速率。由于第二層系由比研磨劑要硬的材料制成，并且漿料的配制主要是依賴其研磨劑的機械性質而并非是該漿料的化學性質，所以當第一層除去后，拋光基本上便在第二層(方塊308)終止。
按照本發明，形成銅互連的一種方法包括在一襯底上形成一介電層，該介電層內有溝道；于溝道內和介電層的外表面上形成銅擴散保護層；在銅擴散保護層上淀積銅以及以一種包括一種比銅硬且比銅擴散保護層軟的研磨劑的漿料對銅進行拋光。在本發明的一個實施方案中，研磨劑或研磨劑的混合物也比下面的介電層軟。更具體地說，在本發明的這一解說性的實施方案中，介電層主要為硅的氧化物，而溝道則用傳統的光刻技術仿造。然而，任何適合于形成溝道的方法都可以使用。銅擴散保護層可以是基本上或完全地防止銅擴散至介電層的任何合適的材料。既有導電的又有絕緣的各種材料已被用來作為銅擴散保護層。典型的實施方案包括導體材料，但并不限于導體材料，如作為銅擴散保護層的鉭和氮化鉭。在擴散保護層形成后，一般要在該保護層上形成銅籽晶層，然后再鍍上銅。鍍層后，可使在其銅保護層上鍍有銅金屬的襯底在一化學機械拋光(CMP)裝置里經受拋光。這樣的CMP裝置是本領域中大家都知曉的。其上有銅金屬的襯底在拋光前可以或者不必進行退化處理。按照本發明，為了的希望的拋光作業，要給CMP裝置提供一種具有特定范圍內的機械或研磨性質(諸如上面所述)的漿料。該漿料尤其要含有硬度大于銅的硬度但小于銅擴散保護層的硬度的一種研磨劑。示范的拋光條件可包括約為3.75磅每平方英(psi)的拋光壓力、約為0.3psi的壓力增量、拋光臺每分鐘轉數(rpm)約為400、主軸每分鐘轉數約為9、漿料流速約為100立方厘米每分鐘(cmm)和一種麻省Lowell的Freudenberg制的FX-9，80mil拋光臺。
這樣的一種漿料的方法可用來拋光除去銅和TaN保擴層，并終止于下面的介電夾層。例如水合氧化鐵(黃粉)研磨劑比銅硬，但比TaN和SiOF都軟(盡管TaN比SiOF軟)，而由于TaN的除去速率較之于銅雖然低，卻比SiOF的除去速率大，所以能夠除去銅和TaN。
按照本發明的方法和漿料可同各種夾層介電材料一道使用。例如，雖然SiO2向來都是集成電路互連級間所用的介電材料，但各種低k值的介電材料都可使用，并非有什么限制。SiOF也可以用于本發明的實施方案。據信SiOF比SiO2要軟。同樣，據信TaN比Ta要軟。一般用作銅擴散保護層的TaN實際上可以認為是一種鉭和氮的混合物，氮的含量在30原子％數量級。這類鉭的氮化物常常通過反沖濺射作用而形成。
結論本發明的實施方案提供多層膜的化學機械拋光的漿料，其中第一層膜覆蓋著其硬度大于第一層膜的第二層膜。
本發明的實施方案的一個優點在于利用研磨劑的特性來確保高的選擇性。
本發明的實施方案的另一個優點是，可通過在拋光漿料中選擇使用一種硬度介于待拋光材料之間的研磨劑來調整材料的拋光速率。
對于本領域中的技術人員說來，上述的說明性的實施方案顯然還可做很多的更動或改進。例如，不同的結合、漿料的pH、漿料的輸送速率、拋光臺的轉速、拋光臺的溫度，等等，都可在本發明的范圍之內加以使用。
對本領域中以及從這一公開內容中得益的技術人員來說，不難就逐一描述的裝置、漿料及方法做其它的改進。因此，企望所有的這些改進和更動均被認為仍在由其追加權利要求所界定的本發明的精神和范圍之內。
權利要求
1.一種形成互連的方法，包括在一襯底上形成一介電層，該介電層中有溝道；在介電層的溝道內和外表面上形成一保護層；于該保護層上淀積金屬；以一種包括比該金屬硬但比該保護層軟的研磨劑的漿料對該金屬進行拋光。
2.權利要求1的方法，其中該介電層包含一種硅的氧化物，而該保護層則是導電的。
3.權利要求1的方法，其中介電層包含一種硅的氟化氧化物，而保護層則選自鉭和氮化鉭。
4.權利要求1的方法，其中研磨劑具有約為3.5-6的莫氏硬度。
5.權利要求4的方法，其中漿料的pH約為3.5-7。
6.權利要求4的方法，其中漿料含有約為0.5-10重量％的研磨劑。
7.權利要求1的方法，其中漿料含有一種包括H2O2的氧化劑。
8.權利要求1的方法，其中拋光包括化學機械拋光。
9.權利要求1的方法，其中介電層包含有SiOF，保護層包含有鉭，淀積作用包括電鍍，而研磨劑則包括一種或多種選自鐵的氧化物、鈦酸鍶、磷灰石、透視石、鐵、黃銅、氟石、水合氧化鐵如石青的材料。
10.權利要求9的方法，其中漿料的pH為3.5-。
11.拋光覆蓋在第二種膜上的第一種膜的方法，其中第二種膜比第一種膜硬，包括以包含有一種硬度大于第一種膜并小于第二種膜的研磨劑的一種漿料對第一種膜進行拋光。
12.權利要求11的方法，其中第一種膜包含有銅，而第二種膜包含有選自鉭和氮化鉭的一種材料。
13.權利要求12的方法，其中研磨劑包含有選自鐵的氧化物、鈦酸鍶、磷灰石、透視石、鐵、黃銅、氟石、水合氧化鐵、石青及其組合的一種材料。
14.權利要求13的方法，其中研磨劑約占該漿料的0.5-10重量％。
15.一種漿料包括一種氧化劑；一種緩蝕劑；一種緩沖體系；一種研磨劑；其中，該漿料的特征在于，當用于化學機械拋光時，提供高的銅拋光速率，低的銅刻蝕率以及對銅擴散保護層的高選擇性。
16.權利要求15的漿料，其中銅擴散保護層包含有Ta。
17.權利要求15的漿料，其中銅擴散保護層含有TaN。
18.權利要求15的漿料，其中研磨劑比銅硬而比銅擴散保護層軟。
19.一種漿料，包含有氧化劑；緩蝕劑，緩沖體系以及研磨劑；其中研磨劑比銅擴散保護層硬，而比介電材料軟。
20.權利要求19的漿料，其中銅擴散保護層包含有一種選自Ta和TaN的材料，而介電層包含有一種選自SiO2和SiOF的材料。
21.一種漿料，其包含有一種氧化劑、一種緩蝕劑、一個緩沖體系以及一種研磨劑的一種漿料，其中研磨劑比銅硬，但比銅擴散保護層和介電材料軟。
22.權利要求21的漿料，其中銅擴散保護層包含有選自Ta和TaN的一種材料，而介電層則包含有選自SiO2和SiOF的一種材料。
23.權利要求22的漿料，其中的研磨劑含有水合氧化鐵。
24.一種形成鑲嵌結構的方法，包括在配置于襯底上的絕緣層內形成溝道，該溝道具有底表面和側表面；在該絕緣層的外表面以及溝道的底、側表面上形成一保護層，該保護層具有第一硬度；于保護層上形成一金屬層；除去覆蓋該絕緣層外表面的那部分保護層上的金屬層；其中，除去此金屬層包括以一種有比該金屬硬但比該保護層軟的研磨劑的漿料對該金屬進行拋光。
25.權利要求24的方法，其中金屬包括銅，保護層包括氮化鉭，而介電層包括一種硅的氟化氧化物；此外還包括以漿料拋光除去保護層。
26.權利要求25的方法，其中研磨劑包括選自鐵的氧化物、鈦酸鍶、磷灰石、透視石、鐵、黃銅、氟石、水合氧化鐵和石青的一種材料。
27.一種拋光覆蓋在保護層上的銅的漿料，包括水；過氧化氫；緩蝕劑；pH緩沖劑和研磨劑，其中該研磨劑的硬度介于銅與該保護層的硬度之間。
28.權利要求27的漿料，其中過氧化氫占該漿料的2-4重量％，而研磨劑占該漿料的0.5-10重量％。
29.權利要求28的漿料，其中緩蝕劑包含有0.015～0.045M的苯并三唑。
30.權利要求29的漿料，其中該漿料具有約為3.5-7的pH值。
全文摘要
一種用于拋光具有第一硬度的第一材料的漿料，其中該第一材料覆蓋著一種具有第二硬度的第二材料并且第二硬度大于第一硬度，包括一種其硬度大于第一材料但小于第二材料的研磨劑。在本發明的一個具體實施方案中，以一種有硬度大于銅但小于銅擴散保護層的研磨劑的漿料對覆蓋著銅保護層的銅進行拋光。氧化鐵、鈦酸鍶、磷灰石、鐵、黃銅、氟石、水合氧化鐵和石青便是這些材料的例子，均它們比銅硬，但卻比集成電路中一般用作銅保護層的材料要軟。
文檔編號C09G1/02GK1437763SQ00819223
公開日2003年8月20日 申請日期2000年11月20日 優先權日1999年12月28日
發明者K·C·卡迪恩, A·D·菲勒 申請人:英特爾公司