用于鋁的化學機械拋光的漿液的制作方法

專利名稱：用于鋁的化學機械拋光的漿液的制作方法
技術領域：
本發明的實施方式涉及微電子器件制造領域。具體來說，本發明的一個實 施方式涉及用于鋁和鋁合金的化學機械拋光漿液。
背景技術：
化學機械拋光(CMP)技術被用于半導體工業，從半導體基材表面除去薄膜。 這些技術的一種常規應用是通過以下步驟形成金屬互連線路、通路或觸點(a) 在介電層中形成圖案(pattern)和蝕刻形成溝槽或孔，(b)沉積金屬覆蓋層，以及(c) 通過化學機械拋光除去置于介電層之上的金屬。圖la-lc說明了使用該方法形成 鋁互連線路。
圖la顯示了已經在介電層102中形成圖案和蝕刻出的兩個溝槽110的截面 圖。所述介電層102位于硅基材100上方。圖lb顯示了覆蓋沉積阻擋層104和鋁 層106之后的溝槽110。圖lc顯示了在CMP步驟完成之后，已經形成的兩條互連 線路112的截面圖。
圖2顯示了常規CMP工藝的設備。基材晶片200面朝下置于拋光墊212上， 該拋光墊212安裝于旋轉平臺214上。通過這種方式，待拋光的薄膜以與拋光墊 212直接接觸的方式放置。使用支架216對基材晶片200的背面施加向下的壓力 F。在拋光工藝過程中，支架以及平臺214和拋光墊212進行旋轉，同時將化學活 性物質和研磨溶液(統稱為"漿液"222)泵送到拋光墊212的表面上。
所述漿液222通過與所述薄膜發生化學反應以及在平臺214旋轉的同時提: 供磨料除去所述薄膜，從而促進所述拋光過程。漿液組成對于該加工過程的可 應用性來說是一個很重要的因素。
用于鋁拋光的現有技術的漿液組合物包含強氧化劑(例如過氧化氫(11202) 或過硫酸根離子(82082—))以及強的蝕刻劑(例如無機酸)或強的氧化性蝕刻劑(例 如氟化鉀(potassium fluorite)(KF))。需要用這些化學物質除去由強氧化劑產生的 厚的氧化鋁層。但是，這種化學物質的組合導致化學侵蝕，使得鋁103金屬線
路或通路凹陷至介電層表面以下，如圖lc所示。對于KF化學物質，還導致在介 電層102上造成化學侵蝕。這些凹陷產生了非平面結構，這些非平面結構擴散 到之后的層，影響了在這些層上印刷狹窄的高密度線路的能力。這些凹陷還會 影響在CMP步驟中形成的金屬線路或通路的整體性，帶來可靠性方面的問題。 對于用于前端用途的薄金屬厚度，這種高度的凹陷可能導致A1層被完全除去。 另外，通過氧化劑形成的氧化鋁(八1203)厚層增大了氧化鋁的濃度。這些氧化鋁 作為具有侵蝕性的磨料，為鋁103造成過多的表面粗糙結構和劃痕。當所述鋁 103互連線路的寬度越來越小的時候，凹陷、表面粗糙結構和劃痕的影響帶來的 問題越來越嚴重。


圖1A-1C說明了基材的橫截面圖，該基材包括用現有技術的化學機械拋光 漿液拋光的鋁。
圖2是顯示使用現有技術的漿液對包括鋁的基材進行拋光的現有技術的化 學機械拋光設備的三維圖。'
圖3A-3D說明了使用新穎的化學機械拋光漿液形成包括鋁的基材的截面圖。
具體實施例方式
描述了對用于制造集成電路的包括鋁的基材進行化學機械拋光(CMP)的化 學機械拋光漿液和方法。在以下描述中，列舉了大量具體的細節，例如具體的 機械、材料和厚度，以便完全理解本發明。但是，本領域技術人員可以顯而易 見地看出，本發明的實施方式不限于這些具體細節。在其它的情況下，對其它 眾所周知的方法和機械結構沒有具體描述，以避免對本發明造成不必要的混 淆。
本發明實施方式中新穎的漿液和CMP工藝可用于在生產線前端 (front-end-of-the-line)或生產線后端(back-end-of-the-line)工藝中對包括鋁或鋁 合金的基材進行拋光。在生產線前端工藝中，可以對與晶體管門電路連接的鋁 進行拋光。在生產線后端工藝中，可以對通過雙金屬鑲嵌法形成的鋁互連線路 和通路進行拋光。但是，本發明實施方式中講述的情況可用于集成電路制造中 的其它工藝，包括但不限于各種層的平面化。實際上，本發明講述的情況可應
用于CMP工藝，用于除了集成電路制造以外的領域。
圖3A-3D顯示了使用本發明的槳液，通過CMP法，在生產線前端工藝中形 成鋁觸點。所述鋁觸點形成于基材300上方。所述基材優選是硅晶片，但是可以 是其它的半導體，例如砷化鎵或鍺，或者可以是一些其它的非半導體的材料， 例如陶瓷。介電層302設置于基材上方。可以使各種層置于所述基材300和介電 層302之間(圖中未顯示)。這些層可包括門電極、隔離區、電容器或其它特征。 介電層302通常是未摻雜的二氧化硅、磷硅酸鹽玻璃，或者通過化學氣相沉積 (CVD)形成的硼磷硅酸鹽玻璃。還可使用其它的介電層，例如氮化硅，或多層 復合電介質，其包括例如旋涂玻璃之類的物質。在一個具體的實施方式中，所 述介電層可以是低-k介電材料，例如碳摻雜的氧化物。所述介電層302的功能是 將隨后形成的互連線路與任意的下面的導電層電隔離開。所述介電層302可通 過本領域眾所周知的技術形成。
首先，在介電層302中形成開口310。在介電層302上形成了光刻膠層，然 后用本領域眾所周知的技術對其進行掩蔽、曝光、顯影，限定開口310的位置。 然后用本領域眾所周知的技術(例如活性離子蝕刻)蝕刻所述介電層302,形成所 述開口310。所述開口310的寬度可以約等于或小于1微米，以形成具有相同寬 度的鋁觸點。
接下來，將粘著層304覆蓋沉積在所述介電層302上。所述粘著層304的功能 是確保對沉積入開口310的鋁層306均勻覆蓋。所述粘著層304通過眾所周知的 方法(例如濺射法或CVD)形成，厚度約為40 A。可以用鈦、氮化鈦或其組合之 類的材料形成所述粘著層304。
接下來，使用眾所周知的方法(例如濺射或CVD)在粘著層304上覆蓋沉積鋁 層306。該沉積過程形成了厚度為1OOO-1OOOO A、但是優選約為2000 A的鋁層 306，以用鋁完全填充開口310。所述介電層302上方的鋁層306的厚度可約為 1500-2000 A。為了適當地填充開口310，將鋁加熱至至少350℃，但是優選低于 550℃。注意所述工藝步驟的組合與可用于形成末端互連的A1鑲嵌法相符。然 而，對于生產前端工藝，例如文獻中己經討論過的替換金屬門電路法 (replacement metal gate process),可以用粘著層沉積、鋁溝槽沉積和隨后的退火 完成金屬填充。對于生產線前端和生產線后端工藝，隨后的Al拋光工藝是相同 的。
接下來，對鋁層306和粘著層304進行化學機械拋光，形成寬度約小于或等于1微米的鋁觸點。在一個實施方式中，圖3C所示的設備可用來對包含鋁的基材 進行化學機械拋光。還可使用類似的設備，例如圖2所示的設備。
將基材300面朝下置于拋光組件327的拋光墊326上，拋光墊326與平臺324 的上表面固定連接。通過這種方式，包含鋁的待拋光的基材與拋光墊326的上 表面以直接接觸的方式放置。在拋光墊326圍繞固定點328沿軌道旋轉(orbit)、 基材300圍繞其中心338逆時針旋轉的同時，在所述基材/拋光墊界面上均勻分配 漿液，促進所述拋光過程。所述漿液的流速可約為100-300毫升/分鐘，更優選流 速約為120毫升/分鐘。漿液具有低流速的情況是有價值的，這是因為這樣可以 節約成本。通過這種方式持續進行拋光，直至除去了所需量的鋁。
為了促進拋光，可以用與支架330相連的桿336對基材300的背面施加向下 的作用力F,。在一個實施方式中，所述向下的壓力是約為0.1-2.0psi、更優選約 為1.0-1.5psi的低壓力。使用低的向下壓力來減少除去的氧化鋁的量，從而減少 劃痕。所述低的壓力還可與本發明漿液的實施方式相結合，用來減少粗糙、侵 蝕和碟陷(dishing)。所述基材300的背面可以通過真空或者簡單地通過濕表面張 力保持與支架330接觸。優選用插入的墊331在基材300和支架330之間作為緩沖 襯墊。可以使用常規的扣環3'34防止在處理的過程中，基材300從支架330下面 橫向滑脫。
為了促進拋光的均勻性，平臺324和墊426的中心340圍繞固定的點328順時 針沿軌道旋轉，旋轉半徑小于基材300的半徑。所述基材300的中心338與墊326 的中心324和旋轉軸328相偏離。可采用足夠的轉速，以產生在上述范圍內的低 的向下壓力。例如，對于12英寸的拋光墊，轉速可約為20-50rpm,更優選約為 30rpm。
為了使得漿液以足夠的量均勻地輸送到基材/拋光墊表面上，通過形成在 拋光墊326中的多個等間距的孔342加入所述漿液。所述拋光墊326可以是硬的 或軟的。在一個實施方式中，使用RodelTMIC IOOO聚氨酯基硬拋光墊。在另一 個實施方式中，可使用軟的氈基微孔性人造革(porometric)拋光墊，例如PolitexTM拋光墊。
在本發明的實施方式中，'要獲得良好的、可行的CMP結果，關鍵是用于拋光鋁和鋁合金的新穎的漿液。用來拋光鋁層306的獎液包含以下組分粒徑小 于或等于100納米的沉淀二氧化硅磨料，以及包含檸檬酸和草酸的螯合緩沖體系，使得漿液的pH值約為1.5-4.0。
在漿液中包含具有小粒徑的沉淀二氧化硅磨料，這是因為其是較軟的磨 料，而且具有更均勻的粒度和形狀。二氧化硅顆粒的密度小于氧化鋁，比氧化 鋁軟。另外，由于含水，而且是低溫處理，所以沉淀的二氧化硅比較不容易包 含能夠產生劃痕的硬聚集體，這些聚集體在熱解法二氧化硅或氧化鋁顆粒中是 常見的。由于沉淀的二氧化硅顆粒具有均勻的形狀，它們在溶液中更趨于穩定， 比較不易聚集形成會造成劃痕的大的、硬的顆粒。這些性質有利于防止被拋光 的表面產生劃痕和粗糙結構。小粒徑的磨料是很有價值的，這是因為其能夠減 少鋁表面的劃痕，還可減少所得的粗糙結構，從而提供平滑的拋光表面。沉淀的二氧化硅的粒徑可小于100納米，或者為3-100納米，或者更優選約為10-50納 米。在一個實施方式中，所述沉淀的二氧化硅的粒徑可約為35納米。沉淀的二 氧化硅的價值還在于其表面是活性的，能夠從包含鋁的基材表面吸取氧化鋁， 使得鋁離開表面，使其不會在該表面上造成裂紋和碟陷。所述槳液中沉淀的二 氧化硅的含量可約為1.0-10.0重量％，但是優選約為2-5重量％。
所述螯合緩沖劑體系是檸檬酸與草酸的組合。該組合物將pH值保持在大約 1.5-4.0的狹窄范圍內，更優選約為1.8-2.1。低的pH值是有價值的，這是因為其 有助于將鋁層306表面上氧化的鋁層保持在較薄(小于100 A)的水平，這是因為 形成了較少的氧化鋁。形成的氧化鋁越少，則由于除去的氧化鋁在表面上產生 的劃痕越少，所以表面越平整。另外，當氧化的鋁層較薄的時候，鋁層306的拋 光更快。該組合在對寬度小于l微米的鋁結構(feature)(例如觸點或互連線路)進 行拋光的時候特別有益。加入漿液中的檸檬酸的量約為0.1-1.0重量％,更優選 約為0.2-0.5重量％。加入漿液中的草酸的量可約為0.1-1.0重量％，但是更優選 約為0.2-0.5重量％。
之所以形成氧化鋁薄層，是由于在漿液中使用了草酸。草酸是溫和的氧化 劑，因此不會形成厚的氧化鋁層。草酸還宜用于本發明所述漿液的實施方式， 這是因為其為螯合劑，能夠從鋁層306的表面除去氧化鋁，以利于防止在鋁的 表面產生劃痕。可使用與草酸類似的酸代替草酸，例如可使用其它弱有機酸， 如抗壞血酸。
漿液中包含的檸檬酸作為緩沖劑體系的一部分，但是之所以包含檸檬酸， 也是因為其為氧化鋁的有效的螯合劑。檸檬酸在水溶液中是氧化鋁的極佳的絡 合劑，因此可以從鋁層306表面上除去氧化鋁。檸檬酸的價值還在于其能夠在 氧化鋁顆粒從鋁層306表面離開之后，立刻穩定氧化鋁顆粒上的負電荷。在pH＜8的條件下，氧化鋁顆粒的電荷從正電荷變為負電荷。在pH〉2的時候，二氧化硅 顆粒上的電荷是負的，在pH〈的時候，電荷是中性至極弱的正電荷。在pH》 的范圍內，檸檬酸可以防止沉淀的二氧化硅磨料與氧化鋁顆粒的聚集體的形 成。這是因為氧化鋁具有很強的負電荷，使其與具有負電荷的二氧化硅顆粒相 斥。據推測，由于形成聚集體，會產生大量的劃痕。因此，通過向本文所述的 拋光氧化鋁的漿液中加入檸樣酸，可以得到改進的表面，取得這種效果在很大 程度上可能是由于防止了二氧化硅和氧化鋁的聚集體的形成。
所述漿液還可包含干擾劑(interference agent)，例如原硅酸四乙酯(TEOS)。 TEOS是一種活性特別高的硅垸醇試劑，但是應當理解，還可將其它的活性硅垸 醇試劑用于所述漿液中。所述干擾劑是一種添加劑，其在任意氧化鋁顆粒聚集 體的形成過程中與這些聚集體結合，以防止氧化鋁顆粒聚集生長成較大的尺 寸。較小的氧化鋁顆粒聚集體比較不容易在包含鋁的表面上產生劃痕。所述干 擾劑還可影響氧化鋁膜在被拋光的鋁表面上的生長。因此，所述氧化鋁膜可以 保持較薄(遠小于100 A)，這會產生較少的可以形成聚集體的氧化鋁。總之， TEOS或其它硅烷醇試劑可以通過減少劃痕的數量，改進拋光后的鋁表面的質 量。所述槳液中TEOS的量約為0.1-1.0重量X,更優選約為0.0.2-0.0.5重量％。 將漿液的組分與水混合，形成漿料溶液。
通過將粒徑小于100納米的沉淀二氧化硅磨料與檸檬酸/草酸螯合緩沖劑體 系以及TEOS干擾劑組合起來，制得了一種用于拋光鋁的漿液，該漿液能夠在 不產生顯著的劃痕或凹陷的情況下得到高質量的拋光的鋁表面。所述漿液與軟 拋光墊的向下作用力的進一步結合，進一步改進了經過拋光的表面的質量。所 述的鋁漿液為前述沒有解決的問題提供了解決方案，這些問題是寬度小于l微 米的鋁結構的過分劃痕、粗糙結構和凹陷。
在一個具體實施方式
中，所述漿液可包含粒徑約為10-50納米的沉淀的二 氧化硅磨料，所述漿液中沉淀的二氧化硅磨料的含量約為2.0-5.0重量％。所述 螯合緩沖劑體系由檸檬酸和草酸形成，使得漿液的pH值約為1.8-2.1。加入漿液 中的檸檬酸的量約為0.2-0.5重量％。加入漿液中的草酸的量約為0.2-0.5重量％。 所述漿液還包含濃度約為0.01-0.1重量X的TEOS。
所述新穎的鋁漿液的優選組合物表現出許多的品質，使得CMP具有極佳的 可應用性。在不造成過多劃痕:、凹陷或碟陷的前提下，獲得了大約1000-1500 A /秒的鋁去除速率。所述去除速率是足夠的，因此無需過度拋光(overpolish)。注意，結果的再現性除了取決于漿液組成以外，還可能取決于其它的因素，例如 拋光墊種類、拋光壓力和拋光墊繞軌道旋轉的轉速。
上文描述的所述化學機械拋光方法可以使用單個平臺進行，這是因為待除 去的鋁層很薄。但是，在另一個實施方式中，可以使用兩個平臺。在此實施方
式中，可以使用第一平臺除去鋁層306的本體層(bulklayer)，可以用第二平臺清 潔所述鋁層306。在另一個實施方式中，可以用另外的平臺對包含鋁的基材的 表面進行磨光。
應當理解，本發明新穎的漿液和方法可用來形成除了互連線路以外的特 征。例如，可以用本發明來形成通路、互連線路或其它電氣連接。
在之前的說明書中，包括了漿液化學物質、膜組成和設備參數之類的具體 細節，以便能夠最好地描述優選的實施方式。但是本發明不限于這些細節，可 以在本發明范圍之內對這些細節進行各種改變。說明書和附圖必須看作用來說 明本發明，而不是限制。本發明的范圍由所附的權利要求書所限定。因此，已 經描述了本發明的一些實施方式。但是，本領域技術人員能夠理解，本發明不 限于所述的實施方式，而且可以在所附權利要求書的范圍和精神之內對其進行 改良和替代。
權利要求
1.一種化學機械拋光漿液，該漿液包含粒徑小于或等于100納米的沉淀的二氧化硅磨料；以及包含檸檬酸和草酸以使得漿液pH值約為1.5-4.0的螯合緩沖劑體系。
2. 如權利要求l所述的化學機械拋光漿液，其特征在于，所述漿液配制用來拋光鋁。
3. 如權利要求l所述的化學機械拋光漿液，其特征在于，所述漿液中存在 的沉淀的二氧化硅磨料的含量約為1.0-10.0重量％。
4. 如權利要求l所述的化學機械拋光漿液，其特征在于，所述漿液中檸檬 酸的加入量約為0.1-1.0重量％。
5. 如權利要求l所述的化學機械拋光漿液，其特征在于，所述漿液中草酸 的加入量約為0.1-1.0重量％。
6. —種用來拋光鋁的化學機械拋光漿液，其包含 粒徑約為10-50納米的沉淀的二氧化硅磨料； 包含檸檬酸和草酸以提供約1.8-2.1的pH值的螯合緩沖劑體系； 水；以及它們的反應產物。
7. 如權利要求6所述的用來拋光鋁的化學機械拋光漿液，該漿液還包含干 擾劑，所述干擾劑包括原硅酸四乙酯，-即TEOS。
8. 如權利要求7所述的用來拋光鋁的化學機械拋光漿液，其特征在于，所 述漿液中TEOS的量約為0.1-1.0重量X。
9. 如權利要求6所述的用來拋光鋁的化學機械拋光漿液，其特征在于，所 述磨料包含粒徑約為35納米的沉淀的二氧化硅。
10. —種拋光基材的方法，該方法包括將漿液分散在包含鋁結構的基材上，所述槳液包含沉淀的二氧化硅磨料，其粒徑小于或等于100納米；包含檸檬酸和草酸的螯合緩沖劑體系，該體系使 得漿液的pH值約為1.5-4.0;以及通過化學機械拋光，用所述漿液對包含鋁結構的基材進行拋光。
11. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述包含鋁結構的基材包括 寬度小于或等于l微米的鋁結構。
12. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，通過化學機械拋光、用所述 漿液對包括鋁結構的基材進行的拋光操作包括從介電層上除去鋁層，其中，所述鋁層的厚度約為1500-2000 A。
13. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述包含鋁結構的基材包含 生產線末端工藝中的鋁金屬鑲嵌觸點。
14. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述包含鋁結構的基材包括 生產線前端工藝中的與晶體管門電路相連的鋁觸點。
15. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，通過化學機械拋光對包含鋁 結構的基材進行的拋光包括以約0.1-2.0psi的壓力將拋光墊應用于基材。
16. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，通過化學機械拋光、用所述 漿液對包括鋁結構的基材進行的拋光操作包括用軟拋光墊對基材進行拋光。
全文摘要
本文描述了用于對基材進行化學機械拋光的漿液的實施方式，所述基材包含寬度小于1微米的鋁或鋁合金特征。所述漿液包含粒徑小于或等于100納米的沉淀二氧化硅磨料，以及螯合緩沖劑體系，該體系包含檸檬酸和草酸，用來使得所述漿液的pH值約為1.5-4.0。
文檔編號C09G1/02GK101208399SQ200680023153
公開日2008年6月25日 申請日期2006年6月29日 優先權日2005年6月29日
發明者A·D·費勒, A·E·米勒 申請人:英特爾公司