含钴衬底的化学机械抛光(CMP)制造技术

本发明专利技术提供了用于抛光钴或含钴衬底的化学机械抛光(CMP)组合物、方法和系统。所述CMP组合物包含α‑丙氨酸、磨料颗粒、磷酸盐或酯、腐蚀抑制剂、氧化剂和水。该钴化学机械抛光组合物提供高的Co去除速率以及Co薄膜相对于介电薄膜例如TEOS、SixNy(其中1.0<x<3.0，1.33<y<4.0)、低k和超低k薄膜的非常高的选择性。

Chemical mechanical polishing (CMP) with cobalt substrate

The present invention provides a chemical mechanical polishing (CMP) composition, method and system for polishing cobalt or cobalt containing substrates. The CMP composition contains alpha alanine, abrasive particles, or phosphate ester, corrosion inhibitor, oxidizing agent and water. The cobalt chemical mechanical polishing composition provides high Co removal rate and high selectivity for Co thin films relative to dielectric films such as TEOS and SixNy (1.0<, x<, 3, 1.33<, y<, 4), low k and ultra-low K films.

【技术实现步骤摘要】
含钴衬底的化学机械抛光(CMP)相关申请的交叉引用本专利申请要求2016年6月16日提交的美国临时专利申请序列号62/350,844的权益。
本专利技术总体涉及半导体衬底的化学机械抛光(CMP)。
技术介绍
由于行业标准倾向于更小的器件特征，故对于可用于在集成电路(IC)芯片制造和集成(尤其用于16nm技术节点及以上的应用)中作为新的导电互连材料替换钨(W)或铜(Cu)的新型金属材料存在着持续的开发需求。钴(Co)已被考虑并作为集成电路芯片集成中有希望的新型金属互连材料之一进行测试。钴互连的CMP要求以高去除速率(removalrate)抛光钴层并提供高度的平面性而不引入腐蚀缺陷。钴互连的抛光要求去除速率超过1000埃/分钟这要求对于钴是化学侵蚀性的但不引起任何腐蚀问题的浆料组合物。令人遗憾地，用于抛光铜或钨的现有浆料不能用于对钴互连结构提供满意的CMP性能。不局限于任何理论，这可能是由于钴与现有抛光浆料是化学反应性的，从而导致钴溶解，这又导致高的缺陷计数。关于钴CMP的大部分现有技术涉及抛光铜互连下面的薄的钴屏障内衬。钴屏障抛光的要求与钴互连抛光显著不同。钴屏障抛光通常需要钴去除速率小于500埃/分钟US专利申请2016108286、20130186850教导了用于钴互连或钴屏障层的化学机械抛光的浆料组合物。US专利申请20130140273教导了用于Co的化学机械抛光的浆料。所述浆料按重量计包含如下组分：抑制剂0.01-2％、氧化剂0-5％、磨料0.1-10％、络合剂0.001-10％和其余的水。通过pH值调节剂将浆料的pH值调节至3-5。抑制剂选自一种或多种包含S和N原子或者包含S或N原子的五元杂环化合物。氧化剂是选自H2O2、(NH4)2S2O8、KIO4和KClO5的一种或多种。磨料是选自SiO2、CeO2和Al2O3的一种或多种。络合剂是选自氨基酸和柠檬酸的一种或多种。该浆料可以有效防止Co的腐蚀并在抛光过程中降低Co的抛光速率。“FundamentalStudyofChemical-MechanicalPolishingSlurryofCobaltBarrierMetalforNext-GenerationInterconnectProcess,”HideakNishizawa等,Jpn.J.Appl.Phys.,第49卷,05FC03(2页),2010年表明在pH10的浆料中，钝化层在钴表面上形成且钴-铜电化腐蚀最小化。“TheEffectofH2O2and2-MTontheChemicalMechanicalPolishingofCobaltAdhesionLayerinAcidSlurry,”Hai-ShengLu等,Electrochem.andSolid-StateLetters,第15卷,第4期,第H97-H100页(2012年)表明H2O2极大地提高钴的静态蚀刻率(staticetchrate)(SER)和去除速率(RR)。2-巯基噻唑啉(2-MT)非常有效地抑制钴腐蚀并降低在该酸性浆料中钴的SER和RR。在pH＝5的基于甘氨酸的浆料中，通过利用2-MT，Co和Cu之间的腐蚀电位差异可以降低至非常小的值。“CobaltPolishingwithReducedGalvanicCorrosionatCopper/CobaltInterfaceUsingHydrogenPeroxideasanOxidizerinColloidalSilica-BasedSlurries,”B.C.Peethala等,JournaloftheElectrochemicalSociety,第159卷,第6期,第H582-H588页(2012年)对于钴的CMP使用基于胶体二氧化硅的浆料，其具有1wt％H2O2作为氧化剂和0.5wt％精氨酸作为络合剂；该浆料在pH10时较之pH6和8显示优异性能(更好的抛光后表面质量和无凹陷形成)。在pH10下，不存在可测量的Co溶解，且Cu和Co之间的开路电位(Eoc)差异为约20mV，暗示电化腐蚀降低。结果也表明，在抛光期间，Co薄膜表面覆盖有钝化膜，可能是Co(III)氧化物的钝化膜。向该浆料添加5mMBTA抑制Cu溶解速率并产生大约1.2的Co/Cu去除速率比，同时将Cu和Co之间的Eoc差异进一步降低至大约10mV，这两者都是非常期望的特性。因此，强烈需要开发可以提供高的、可调的Co薄膜去除速率、低的Co薄膜静态蚀刻率、低的屏障薄膜和介电薄膜去除速率、高的和期望的Co相对屏障薄膜和Co相对介电薄膜的选择性，并最小化或消除Co/Cu界面处的可能电化腐蚀的新型的CoCMP抛光组合物。专利技术简述所述需要通过使用所公开的用于含钴衬底的CMP的组合物、方法和平面化系统来满足。一方面，提供了用于含钴衬底的CMP的CMP抛光组合物。所述CMP抛光组合物包含：磨料；包含α-氨基的丙氨酸；包含H2PO41-、HPO42-或PO43-的磷酸盐或酯(phosphate)化合物；腐蚀抑制剂；氧化剂；水；和任选地胺化合物；螯合剂；pH调节剂；杀生物剂；和表面活性剂；其中所述化学机械抛光(CMP)抛光组合物的pH为2.0-约12；优选6.0-10.0；更优选7.0-9.0；最优选7.5-8.5。另一方面，为含钴衬底的CMP提供了使用该CoCMP抛光组合物的方法。所述方法包括以下步骤：a)提供具有包含第一材料和至少一种第二材料的表面的半导体衬底；b)其中所述第一材料是Co，并且所述第二材料选自介电薄膜、低k和超低k薄膜以及屏障薄膜；c)提供抛光垫；d)提供化学机械抛光组合物，其包含：磨料；包含α-氨基的丙氨酸；包含H2PO41-、HPO42-或PO43-的磷酸盐或酯化合物；腐蚀抑制剂；氧化剂；水；和任选地胺化合物；螯合剂；pH调节剂；杀生物剂；和表面活性剂；其中所述化学机械抛光(CMP)抛光组合物的pH为2.0-约12；优选6.0-10.0；更优选7.0-9.0；最优选7.5-8.5；和e)抛光所述半导体衬底的表面以选择性地去除所述第一材料；其中至少一部分所述表面与所述抛光垫和所述化学机械抛光组合物两者接触；和所述第一材料的去除速率与所述第二材料的去除速率之比等于或大于1；优选等于或大于10，更优选大于50，和最优选大于100。又一方面，为含钴衬底的CMP提供了CMP系统。所述CMP系统包含：具有包含第一材料和至少一种第二材料的表面的半导体衬底；其中所述第一材料是Co，并且所述第二材料选自介电薄膜(例如TEOS、SixNy，其中1.0&lt;x&lt;3.0，1.33&lt;y&lt;4.0)、低k和超低k薄膜以及屏障薄膜(例如Ta、TaN、Ti和TiN薄膜)；抛光垫；和化学机械抛光组合物，其包含：磨料；包含α-氨基的丙氨酸；包含PO43-的磷酸盐或酯化合物；腐蚀抑制剂；氧化剂；水；和任选地胺化合物；螯合剂；pH调节剂；杀生物剂；和表面活性剂；其中所述化学机械抛光(CMP)抛光组合物的pH为2.0-约12；优选6.0-10.0；更优选7.0-9.0；最优选7.5-8.5；其中至少一部分所述表面与所述抛光垫和所述化学机械抛光组合物两者接触。所述化学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于含钴衬底的化学机械抛光(CMP)抛光组合物，所述组合物包含：0.005wt.％‑25wt.％的磨料；0.05wt.％‑5wt.％的α‑丙氨酸；2ppm‑100ppm的包含H2PO4

【技术特征摘要】
2016.06.16 US 62/350,844;2017.06.06 US 15/615,2361.一种用于含钴衬底的化学机械抛光(CMP)抛光组合物，所述组合物包含：0.005wt.％-25wt.％的磨料；0.05wt.％-5wt.％的α-丙氨酸；2ppm-100ppm的包含H2PO41-、HPO42-或PO43-的磷酸盐或酯化合物；0.0005wt.％-0.25wt.％的腐蚀抑制剂；0.005wt.％-10wt.％的氧化剂；和水；其中所述化学机械抛光(CMP)抛光组合物的pH为2.0-12。2.如权利要求1所述的用于含钴衬底的化学机械抛光(CMP)抛光组合物，所述组合物进一步包含以下中的至少一种：0.0001wt.％-0.20wt.％的胺化合物；0.01wt.％-10wt.％的螯合剂；0.01wt.％-0.5wt.％的pH调节剂；0.00001wt.％-0.10wt.％的杀生物剂；和/或0.0005wt.％-0.15wt.％的表面活性剂。3.如权利要求1或2所述的用于含钴衬底的化学机械抛光(CMP)抛光组合物，其中所述磨料选自纳米尺寸的胶体二氧化硅或高纯度胶体二氧化硅颗粒；纳米尺寸的无机金属氧化物颗粒，其选自氧化铝、二氧化钛、氧化锆、二氧化铈及其组合；纳米尺寸的金刚石颗粒；纳米尺寸的氮化硅颗粒；单模态、双模态或多模态的胶体磨料颗粒；基于有机聚合物的软磨料；表面涂覆或改性的磨料；和其组合；和/或所述磨料的量为0.05wt.％-5wt.％；所述丙氨酸选自D-丙氨酸、L-丙氨酸、DL-丙氨酸及其组合，和/或所述丙氨酸的量为0.5wt.％-2wt.％；所述包含H2PO41-、HPO42-或PO43-的磷酸盐或酯化合物是选自磷酸根离子、磷酸氢根离子、磷酸二氢根、磷酸及其组合的形式；和/或所述磷酸盐或酯化合物的量是2ppm-50ppm；所述腐蚀抑制剂选自1,2,4-三唑及其衍生物、苯并三唑及其衍生物、1,2,3-三唑及其衍生物、吡唑及其衍生物、咪唑及其衍生物、苯并咪唑及其衍生物、苯并咪唑及其衍生物、异氰脲酸酯及其衍生物、和其组合；和/或所述腐蚀抑制剂的量为0.0025wt.％-0.25wt.％；所述氧化剂选自高碘酸、过氧化氢、碘酸钾、高锰酸钾、过硫酸铵、钼酸铵、硝酸铁、硝酸、硝酸钾及其混合物；和/或所述氧化剂的量为0.25wt.％-3wt.％；和/或所述化学机械抛光(CMP)抛光组合物的pH为6.0-10。4.如权利要求2或3所述的用于含钴衬底的化学机械抛光(CMP)抛光组合物，其中所述螯合剂以0.1wt.％-5wt.％的量存在，和/或选自甘氨酸、丝氨酸、脯氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸、精氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、鸟氨酸、吡啶甲酸、硒半胱氨酸、酪氨酸、肌氨酸、二羟乙基甘氨酸、三(羟甲基)甲基甘氨酸、乙酰谷酰胺、N-乙酰天冬氨酸、乙酰肉碱、乙酰半胱氨酸、N-乙酰谷氨酸、乙酰亮氨酸、阿西维辛、S-腺苷-L-同型半胱氨酸、伞菌氨酸、亚硝基羟基丙氨酸、氨基马尿酸、L-精氨酸乙酯、阿斯巴甜、天冬氨酰基氨基葡萄糖、苄基巯基尿酸、生物胞素、丙氨酸布立尼布、羧甲司坦、N(6)-羧甲基赖氨酸、卡哥鲁酸、西司他丁、西替沃酮、鬼伞素、二溴酪氨酸、二羟基苯基甘氨酸、依氟鸟氨酸、芬克洛宁、4-氟-L-苏氨酸、N-甲酰甲硫氨酸、γ-L-谷氨酰基-L-半胱氨酸、4-(γ-谷氨酰基氨基)丁酸、磺乙谷酰胺、胍基乙酸、氨乙钠、Hepapressin、赖诺普利、赖甲环素、N-甲基-D-天冬氨酸、N-甲基-L-谷氨酸、米拉醋胺、亚硝基脯氨酸、诺卡菌素A、胭脂氨酸、章鱼氨酸、奥瑞布林、冠瘿碱、邻氨基苯磺酸、奥沙西罗、聚赖氨酸、立马醋胺、水杨尿酸、丝氨基酸、Stampidine、野火菌毒素、四唑基甘氨酸、塞奥芬、百里酚N-乙酰基乙氧苯胺、硫普罗宁、色氨酸-色氨酰醌、伐昔洛韦、缬更昔洛韦及其组合；所述胺化合物以0.0010wt.％-0.10wt.％的量存在，和/或选自乙二胺、丙二胺、同一分子中包含多个氨基的有机胺化合物及其组合；所述pH调节剂以0.05wt.％-0.15wt.％的量存...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓波，J·罗斯，T·J·克洛尔，J·A·施吕特，M·格雷夫，M·L·奥尼尔，
申请(专利权)人：弗萨姆材料美国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US