低凹陷的铜化学机械抛光制造技术

本发明专利技术公开了铜化学机械抛光(CMP)制剂、方法和系统。CMP制剂包含颗粒材料、至少两种或更多种氨基酸、氧化剂、腐蚀抑制剂，并且其余为水。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求2015年4月27日提交的美国临时申请No.62/153,213的权益。该临时申请的公开内容通过引用合并于此。
本专利技术总体涉及半导体晶片的化学机械抛光(CMP)。更具体地，本专利技术涉及用于CMP含铜(Cu)-衬底的低凹陷(dishing)制剂。CMP抛光制剂、CMP抛光组合物或CMP抛光料浆在本专利技术中可互换使用。
技术介绍
铜由于其低电阻率、高可靠性和可扩展性是用于集成电子器件的制造中使用的互连金属的当前材料选择。铜化学机械抛光过程是从嵌入的沟槽结构除去铜覆盖层而同时以低金属损耗实现总体抛光所必须的。随着先进的技术节点，对于减少金属凹陷和金属损耗的需要变得越来越重要。任何新的抛光制剂也必须维持高去除速率、对屏障材料的高选择性和低缺陷率。用于铜CMP的CMP制剂已在现有技术中公开，例如，在US20040175942、US6773476和US8236695中。但是，公开的制剂不能满足高去除速率和低凹陷的性能需要，这对于先进的技术节点变得越来越具有挑战性。本专利技术公开了开发用于满足先进技术节点的低凹陷和高去除速率的挑战性需求的整体铜CMP抛光制剂。
技术实现思路
在一个方面，本专利技术提供了一种铜化学机械抛光(CMP)制剂，其包含：颗粒材料，至少两种氨基酸，氧化剂，腐蚀抑制剂，并且其余为水。在另一个方面，本专利技术提供了一种含铜半导体衬底的化学机械抛光方法，所述方法包括下列步骤：提供具有含铜表面的所述半导体衬底；提供抛光垫；提供化学机械抛光(CMP)制剂，其包含：颗粒材料，至少两种氨基酸，氧化剂，腐蚀抑制剂，并且其余为水；使所述半导体衬底的所述表面与所述抛光垫和所述化学机械抛光制剂接触；以及抛光所述半导体衬底的所述表面；其中所述含铜表面的至少一部分与所述抛光垫和所述化学机械抛光制剂二者接触。在又一个方面，本专利技术提供了一种化学机械抛光的系统，所述系统包括：具有含铜表面的半导体衬底；提供抛光垫；提供化学机械抛光(CMP)制剂，其包含：颗粒材料，至少两种氨基酸，氧化剂，腐蚀抑制剂，并且其余为水；其中所述含铜表面的至少一部分与所述抛光垫和所述化学机械抛光制剂二者接触。所述颗粒材料包括，但不限于，火成二氧化硅、胶体二氧化硅、火成氧化铝、胶体氧化铝、氧化铈、二氧化钛、氧化锆、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、云母、水合硅酸铝、及其混合物。所述颗粒材料的浓度范围可以是0.001至0.25重量％。包括衍生物的多种氨基酸为含有胺和羧酸官能团的有机化合物。其它官能团也可存在于氨基酸结构中。可用于组合物中的氨基酸包括，但不限于，氨基乙酸(也称为甘氨酸)、丝氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、L-丙氨酸、DL-丙氨酸、β-丙氨酸、亚氨乙酸、天冬酰胺、天冬氨酸、缬氨酸、肌氨酸、N-二(羟乙基)甘氨酸(bicine)、N-三(羟甲基)甲基甘氨酸(tricin)、脯氨酸及其混合物。氨基酸的优选组合包括甘氨酸(氨基乙酸)、丙氨酸、N-二(羟乙基)甘氨酸和肌氨酸。氨基酸的浓度在约0.01％至约8重量％范围内，优选0.05％至约5重量％，且更优选约0.25％至约2重量％。料浆中使用的一种氨基酸与另一种氨基酸的重量浓度比范围为从1:99到99:1，优选从10:90到90:10，更优选从25:75到75:25。腐蚀抑制剂包括，但不限于，含氮环状化合物，例如1,2,3-三唑、1,2,4-三唑、1,2,3-苯并三唑、5-甲基苯并三唑、苯并三唑、1-羟基苯并三唑、4-羟基苯并三唑、4-氨基-4H-1,2,4-三唑和苯并咪唑。也可以使用苯并噻唑，例如2,1,3-苯并噻二唑、三嗪硫醇、三嗪二硫醇、和三嗪三硫醇。优选的抑制剂是1,2,4-三唑、5-氨基三唑和异氰脲酸酯化合物，例如1,3,5-三(2-羟乙基)异氰脲酸酯。腐蚀抑制剂以如下范围的浓度水平引入：按重量计约0.1ppm至约20,000ppm，优选按重量计约20ppm至约10,000ppm，且更优选按重量计约50ppm至约1000ppm。氧化剂包括，但不限于，过氧化氢、重铬酸铵、高氯酸铵、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、溴酸盐、次氯酸钙、硫酸高铈、氯酸盐、三氧化铬、三氧化铁、氯化铁、碘酸盐、碘、高氯酸镁、二氧化镁、硝酸盐、高碘酸、高锰酸、重铬酸钾、铁氰化钾、高锰酸钾、过硫酸钾，铋酸钠、亚氯酸钠、重铬酸钠、亚硝酸钠、过硼酸钠、硫酸盐、过氧乙酸、脲-过氧化氢、高氯酸、二叔丁基过氧化物、单过硫酸盐、二过硫酸盐及其组合。所述氧化剂的浓度范围为约0.1至约20重量％，优选约0.25至约5重量％。所述CMP制剂还包含表面活性剂，所述表面活性剂包括，但不限于，苯基乙氧基化物表面活性剂、炔属二醇表面活性剂、硫酸盐或磺酸盐表面活性剂、甘油丙氧基化物、甘油乙氧基化物、聚山梨酯表面活性剂、非离子型烷基乙氧基化物表面活性剂、甘油丙氧基化物-嵌段-乙氧基化物、氧化胺表面活性剂、乙醇酸乙氧基化物油基醚、聚乙二醇、聚环氧乙烷、乙氧基化醇、乙氧基化物-丙氧基化物表面活性剂、聚醚消泡分散体及其组合。表面活性剂的浓度范围可以是0.001-0.5重量％，优选在0.01至0.25重量％之间。所述CMP制剂还包含选自pH调节剂、杀生物剂或生物防腐剂、分散剂和润湿剂中的至少一种。附图说明在形成本说明书的材料部分的附图中显示了：图1描绘了包含两种氨基酸的制剂I和包含仅一种氨基酸的制剂II的铜抛光速率。图2描述了包含两种氨基酸的制剂I和包含仅一种氨基酸的制剂II的凹陷性能。具体实施方式本专利技术公开了开发用于先进技术节点的整体铜CMP抛光组合物。该制剂显示改善的凹陷性能、较低的铜蚀刻速率。制剂包含颗粒材料、两种或更多种氨基酸、氧化剂、铜腐蚀抑制剂，且制剂的其余部分是液体载体。一般地，可以使用广泛的颗粒材料或颗粒。颗粒可以通过多种制造和加工技术获得，包括但不限于热处理、溶液生长处理、原矿的开采和研磨到适当尺寸、以及快速热分解。材料一般可以如制造商供应的加入组合物中。某些类型的颗粒材料作为研磨材料以更高浓度用于组合物中。但是，传统地不用作CMP料浆中的研磨剂的其它颗粒材料也可以用于提供有利的结果。代表性的颗粒材料包括在本专利技术料浆的使用条件下惰性的多种无机和有机材料。颗粒材料包括，但不限于火成二氧化硅、胶体二氧化硅、火成氧化铝、胶体氧化铝、氧化铈、二氧化钛、氧化锆、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、云母、水合硅酸铝及其混合物。颗粒具有约4nm-约10,000nm范围、优选约4nm-约1,000nm、且更优选约4nm-约400nm的粒径。颗粒可以以多种物理形式存在，例如但不限于薄片、碎片聚集体和球形种类。优选的颗粒材料是胶体二氧化硅。更优选的是具有非常低水平的痕量金属杂质的胶体二氧化硅。可以使用的高纯度胶体二氧化硅的实例是从Fuso Chemical Company(日本)获得的Fuso PL-3、PL2、PL3H和PL3L高纯度胶体二氧化硅。不同粒径和类型的胶体二氧化硅颗粒的混合物也可以产生改善的性能。颗粒材料浓度可以在0.001-0.25重量％的范围内。制剂包含至少两种氨基酸或至少两种螯合剂(所述氨基酸是螯合剂)。多种氨基酸和衍生物(本专利技术中称为氨基酸)可以用于制备CMP制剂。氨基酸定义为包含胺和羧酸官能团的有机化合物。另外的官能团也可以存在于氨基酸结构中。氨基本文档来自技高网...

【技术保护点】
铜化学机械抛光(CMP)制剂，其包含：0.001至0.25重量％的颗粒材料，0.01至16重量％的至少两种氨基酸，0.25至5重量％的氧化剂，0.1ppm至2重量％的腐蚀抑制剂，并且其余为水；其中所述颗粒材料选自火成二氧化硅、胶体二氧化硅、火成氧化铝、胶体氧化铝、氧化铈、二氧化钛、氧化锆、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、云母、水合硅酸铝及其混合物；并且所述制剂的pH为2至12。

【技术特征摘要】
2015.04.27 US 62/153,213;2016.01.20 US 15/001,8461.铜化学机械抛光(CMP)制剂，其包含：0.001至0.25重量％的颗粒材料，0.01至16重量％的至少两种氨基酸，0.25至5重量％的氧化剂，0.1ppm至2重量％的腐蚀抑制剂，并且其余为水；其中所述颗粒材料选自火成二氧化硅、胶体二氧化硅、火成氧化铝、胶体氧化铝、氧化铈、二氧化钛、氧化锆、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、云母、水合硅酸铝及其混合物；并且所述制剂的pH为2至12。2.根据权利要求1所述的化学机械抛光(CMP)制剂，其中所述氨基酸独立地选自：氨基乙酸(甘氨酸)、丝氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、L-丙氨酸、DL-丙氨酸、β-丙氨酸、亚氨乙酸、天冬酰胺、天冬氨酸、缬氨酸、肌氨酸、N-二(羟乙基)甘氨酸、N-三(羟甲基)甲基甘氨酸、脯氨酸及其混合物；并且料浆中使用的一种氨基酸与另一种氨基酸的重量浓度比率范围为从1:99到99:1。3.根据权利要求1所述的化学机械抛光(CMP)制剂，其中所述氧化剂选自：过氧化氢、重铬酸铵、高氯酸铵、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、溴酸盐、次氯酸钙、硫酸高铈、氯酸盐、三氧化铬、三氧化铁、氯化铁、碘酸盐、碘、高氯酸镁、二氧化镁、硝酸盐、高碘酸、高锰酸、重铬酸钾、铁氰化钾、高锰酸钾、过硫酸钾，铋酸钠、亚氯酸钠、重铬酸钠、亚硝酸钠、过硼酸钠、硫酸盐、过氧乙酸、脲-过氧化氢、高氯酸、二叔丁基过氧化物、单过硫酸盐、二过硫酸盐及其组合。4.根据权利要求1所述的化学机械抛光(CMP)制剂，其中所述腐蚀抑制剂选自：含氮环状化合物，所述含氮环状化合物选自1,2,3-三唑、1,2,4-三唑、1,2,3-苯并三唑、5-甲基苯并三唑、苯并三唑、1-羟基苯并三唑、4-羟基苯并三唑、4-氨基-4H-1,2,4-三唑、苯并咪唑；5-氨基三唑、苯并噻唑、三嗪硫醇、三嗪二硫醇和三嗪三硫醇；异氰脲酸酯及其组合。5.根据权利要求1所述的化学机械抛光(CMP)制剂，其还包含表面活性剂，所述表面活性剂选自：苯基乙氧基化物表面活性剂、炔属二醇表面活性剂、硫酸盐或磺酸盐表面活性剂、甘油丙氧基化物、甘油乙氧基化物、聚山梨酯表面活性剂、非离子型烷基乙氧基化物表面活性剂、甘油丙氧基化物-嵌段-乙氧基化物、氧化胺表面活性剂、乙醇酸乙氧基化物油基醚、聚乙二醇、聚环氧乙烷、乙氧基化醇、乙氧基化物-丙氧基化物表面活性剂、聚醚消泡分散体及其组合。6.根据权利要求5所述的化学机械抛光(CMP)制剂，其中所述颗粒材料为胶体二氧化硅；所述氨基酸选自氨基乙酸(甘氨酸)、丙氨酸、N-二(羟乙基)甘氨酸和肌氨酸；所述氧化剂为过氧化氢；所述腐蚀抑制剂选自1,2,4-三唑和5-氨基三唑；所述表面活性剂选自苯基乙氧基化物表面活性剂、炔属二醇表面活性剂、乙氧基化物-丙氧基化物表面活性剂、聚醚分散体；所述水是去离子水；并且pH为6至8。7.根据权利要求1所述的化学机械抛光(CMP)制剂，其还包含选自pH调节剂、杀生物剂、分散剂和润湿剂中的至少一种。8.含铜半导体衬底的化学机械抛光方法，所述方法包括下列步骤：提供具有含铜表面的所述半导体衬底；提供抛光垫；提供化学机械抛光(CMP)制剂，其包含：0.001至0.25重量％的颗粒材料，0.01至16重量％的至少两种氨基酸，0.25至5重量％的氧化剂，0.1ppm至2重量％的腐蚀抑制剂，并且其余为水；其中所述颗粒材料选自火成二氧化硅、胶体二氧化硅、火成氧化铝、胶体氧化铝、氧化铈、二氧化钛、氧化锆、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、云母、水合硅酸铝及其混合物；并且所述制剂的pH为2至12；使所述半导体衬底的所述表面与所述抛光垫和所述化学机械抛光制剂接触；以及抛光所述半导体衬底的所述表面；其中所述含铜表面的至少一部分与所述抛光垫和所述化学机械抛光制剂二者接触。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述氨基酸独立地选自：氨基乙酸(甘氨酸)、丝氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、L-丙氨酸、DL-丙氨酸、β-丙氨酸、亚氨乙酸、天冬酰胺、天冬氨酸、缬氨酸、肌氨酸、N-二(羟乙基)甘氨酸、N-三(羟甲基)甲基甘氨酸、脯氨酸及其混合物；并且料浆中使用的一种氨基酸与另一种氨基酸的重量浓度比率范围为从1:99到99:1。10.根据权利要求8所述的方法，其中所述氧化剂选自：过氧化氢、重铬酸铵、高氯酸铵、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、溴酸盐、次氯酸钙、硫酸高铈、氯酸盐、三氧化铬、三氧化铁、氯化铁、碘酸盐、碘、高氯酸镁、二氧化镁、硝酸盐、高碘酸、高锰酸、重铬酸钾、铁氰化钾、高锰酸钾...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓波，J·A·施吕特，J·罗斯，M·L·奥尼尔，M·格雷夫，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US