屏障浆料去除速率改善制造技术

本发明专利技术提供了用于屏障层和层间介电(ILD)结构或图案化介电层应用的化学机械平面化抛光(CMP)组合物。所述CMP组合物含有磨料；化学添加剂，所述化学添加剂包括多元酸及其盐；腐蚀抑制剂；和水溶性溶剂；及任选地，第二速率增强剂、表面活性剂、pH调节剂、氧化剂和螯合剂。

Improvement of barrier slurry removal rate

【技术实现步骤摘要】
屏障浆料去除速率改善相关申请的交叉引用本专利申请是2018年9月28日提交的美国临时专利申请序列号62/738,427的非临时申请，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及在半导体器件生产中使用的屏障(barrier)化学机械平面化(“CMP”)抛光组合物(或浆料)，以及用于进行化学机械平面化的抛光方法。特别地，本专利技术涉及适合用于抛光图案化半导体晶片的屏障抛光组合物，该图案化半导体晶片由多种类型的膜构成，例如金属层、屏障膜和下层层间介电(ILD)结构或图案化介电层。
技术介绍
通常，屏障层覆盖图案化介电层，并且金属层覆盖屏障层。金属层具有至少足够的厚度以用金属填充图案化沟槽而形成电路互连。屏障层通常是金属、金属合金或金属间化合物，实例是含Ta或Ti的膜，例如Ta、TaN、Ti、TiN或TiW等。屏障形成阻止晶片内各层之间的迁移或扩散的层。例如，屏障阻止互连金属(例如铜或钴)扩散到相邻的电介质中。屏障材料必须对大多数酸的腐蚀有抗性，从而抵抗在用于CMP的流体抛光组合物中的溶解。此外，这些屏障材料可以表现出抵抗CMP组合物中的磨料颗粒和固定的研磨垫的磨损导致的去除的韧性。关于CMP，该技术的当前状态涉及使用多步(例如，两步)方法以实现局部和整体平面化。在典型CMP工艺的步骤一中，通常去除金属层(例如，负载过多的铜层)，同时在晶片上留下光滑平坦表面，具有金属填充的线、通孔和沟槽，其为抛光的表面提供电路互连。因此，步骤1倾向于去除过量的互连金属，例如铜。则随后是典型CMP工艺的步骤二，通常被称为屏障CMP过程，以去除图案化晶片的表面上的过量金属层及屏障层和其他膜，以实现介电层上的表面的局部和整体平面化。美国专利申请US7,491,252B2公开了用于去除钽屏障材料的化学机械平面化溶液。该溶液包含非铁金属和0至20的非铁金属的络合剂，0.01至12的选自甲脒、甲脒盐、甲脒衍生物、胍衍生物、胍盐及其混合物的钽去除剂，0至5的磨料，0至15的选自聚合物颗粒和聚合物涂覆的颗粒的总颗粒，其余为水。用小于20.7KPa的垂直于晶片的微孔聚氨酯抛光垫压力测量的，该溶液具有至少3:1的氮化钽:TEOS选择性。屏障层的化学机械平面化(CMP)是晶片镶嵌(waferdamascene)工艺的关键步骤。因此，需要制造具有更高去除速率的CMP浆料。
技术实现思路
本专利技术提供了具有较高屏障和ILD去除速率的稳定CMP浆料。本文描述和公开的是用于抛光的屏障CMP组合物、系统和方法。本文公开的组合物提供了改善的高屏障膜和ILD层去除速率。在一个实施方式中，本文描述了一种屏障化学机械平面化抛光组合物，其包含：≥1.5wt.％、≥2.4wt.％、≥5.0wt.％或≥10.wt.％的磨料；≤10重量％，优选≤5重量％，更优选≤1重量％的化学添加剂；腐蚀抑制剂；水溶性溶剂；和任选地第二速率增强剂(ratebooster)；表面活性剂；pH调节剂；氧化剂；和螯合剂；其中所述化学添加剂包括至少一种多元酸(polyproticacid)或其盐，所述多元酸或其盐具有超过一个pKa并且具有0至12、0.5至10、1至7或1至3的pKa1；所述第二速率增强剂在25℃水溶液中的分子摩尔电导率为≥75S·cm2/mol；和所述抛光组合物的pH为2至12、3至12、4至12、6至11或7至11。在另一个方面，本专利技术提供了一种用于半导体器件的化学机械平面化的抛光方法，所述半导体器件包括至少一个具有至少屏障层和介电层的表面，所述方法包括以下步骤：a.使所述至少一个表面与抛光垫接触；b.向所述至少一个表面递送本文所述的抛光组合物；和c.用所述抛光组合物抛光所述至少一个表面；其中所述屏障层包括选自钽、氮化钽、碳硅化钽钨(tantalumtungstensiliconcarbide)、钛、氮化钛、钛钨、氮化钛钨及其组合的含钽或钛的膜；并且所述介电层选自氧化物膜、低K材料及其组合。在又一个方面，本专利技术提供了一种用于化学机械平面化的系统，其包括：半导体器件，其包括至少一个具有至少屏障层和介电层的表面；抛光垫；和本文所述的抛光组合物；其中所述屏障层包括选自钽、氮化钽、碳硅化钽钨、钛、氮化钛、钛钨、氮化钛钨及其组合的含钽或钛的膜；并且所述介电层选自氧化物膜、低K材料及其组合；和所述至少一个表面与所述抛光垫和所述抛光组合物接触。磨料的实例包括但不限于胶体二氧化硅、氧化铝、二氧化铈、氧化锗、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、晶格中氧化铝掺杂胶体二氧化硅、有机聚合物颗粒、无机和有机颗粒的复合颗粒(例如二氧化铈涂覆的硅颗粒)、表面改性的无机/有机颗粒及其组合。化学添加剂包括但不限于多元酸及其盐；二元酸、其衍生物及其盐；三元酸、其衍生物及其盐；及其组合。多元酸是在解离过程中每分子可以贡献超过一个质子或氢原子到水溶液的酸。二元酸是可以贡献两个质子或氢原子的酸，三元酸是可以贡献三个质子或氢原子的酸。二元酸和三元酸是多元酸。化学添加剂包括至少一种多元酸或其盐，所述多元酸或其盐具有超过一个pKa并且其pKa1为但不限于0至12、0.5至10、1至7或1至3。pKa1是其中多元酸失去质子或氢原子的第一阶段的酸度常数的负对数。更具体地，化学添加剂的实例包括但不限于膦酰乙酸、其衍生物及其盐；膦酸、其衍生物及其盐；苯基膦酸、其衍生物及其盐；钼二酸、其衍生物及其盐；草酸、其衍生物及其盐；亚硫酸、其衍生物及其盐；砷酸、其衍生物及其盐；硝基苯甲酸、其衍生物及其盐；丙二酸、其衍生物及其盐；邻苯二甲酸、其衍生物及其盐；硅酸、其衍生物及其盐；碳酸、其衍生物及其盐；及其组合。化学添加剂以约0.001重量％至约10重量％；约0.01重量％至约5重量％；约0.025重量％至约3重量％，或约0.05重量％至约1重量％范围的量使用。水溶性溶剂的实例包括但不限于去离子水、极性溶剂和去离子水与极性溶剂的混合物。极性溶剂可以是任何醇、醚、酮或其他极性试剂。极性溶剂的实例包括醇类，例如异丙醇；醚类，例如四氢呋喃和二乙醚；和酮类，例如丙酮。腐蚀抑制剂的实例包括但不限于苯并三唑或苯并三唑衍生物、3-氨基-1,2,4-三唑、3,5-二胺-1,2,4-三唑及其组合；且其量的范围为0.001重量％至1.0重量％；0.0025重量％至0.75重量％；0.005重量％至0.5重量％；0.0075重量％至0.25重量％；或0.01重量％至0.1重量％。表面活性剂的实例包括但不限于a)非离子表面润湿剂；b)阴离子表面润湿剂；c)阳离子表面润湿剂；d)两性表面润湿剂；及其组合，且其量的范围为约0.0重量％至约10重量％；0.0005重量％至约5重量％；0.001重量％至约1.0重量％；或0.005至0.25重量％。更具体地，表面活性剂的实例包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种屏障化学机械平面化抛光组合物，其包含：/n≥2.4重量％的磨料；/n≤5重量％的化学添加剂；/n腐蚀抑制剂；/n水溶性溶剂；和/n任选地/n第二速率增强剂，其选自硝酸盐及其衍生物；氯化物盐及其衍生物；乙酸盐及其衍生物；及其组合；/n表面活性剂，其选自非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂及其组合；/npH调节剂；/n氧化剂；/n螯合剂；/n其中/n所述化学添加剂包括至少一种多元酸或其盐，所述多元酸或其盐具有超过一个pKa并且具有0.5至10的pKa1；/n所述水溶性溶剂选自去离子水、极性溶剂和去离子水与极性溶剂的混合物；其中所述极性溶剂选自醇、醚、酮或其他极性试剂；和/n所述抛光组合物的pH为4至12。/n

【技术特征摘要】
20180928 US 62/738,427;20190920 US 16/577,5801.一种屏障化学机械平面化抛光组合物，其包含：
≥2.4重量％的磨料；
≤5重量％的化学添加剂；
腐蚀抑制剂；
水溶性溶剂；和
任选地
第二速率增强剂，其选自硝酸盐及其衍生物；氯化物盐及其衍生物；乙酸盐及其衍生物；及其组合；
表面活性剂，其选自非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂及其组合；
pH调节剂；
氧化剂；
螯合剂；
其中
所述化学添加剂包括至少一种多元酸或其盐，所述多元酸或其盐具有超过一个pKa并且具有0.5至10的pKa1；
所述水溶性溶剂选自去离子水、极性溶剂和去离子水与极性溶剂的混合物；其中所述极性溶剂选自醇、醚、酮或其他极性试剂；和
所述抛光组合物的pH为4至12。


2.根据权利要求1所述的屏障化学机械平面化抛光组合物，其中所述磨料选自高纯度胶体二氧化硅、纳米尺寸胶体二氧化硅、氧化铝、二氧化铈、氧化锗、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、晶格中氧化铝掺杂胶体二氧化硅及其组合；并且所述磨料的平均粒径为10nm至300nm。


3.根据权利要求1或2所述的屏障化学机械平面化抛光组合物，其中所述化学添加剂选自膦酰乙酸、其衍生物及其盐；膦酸、其衍生物及其盐；苯基膦酸、其衍生物及其盐；钼二酸、其衍生物及其盐；草酸、其衍生物及其盐；亚硫酸、其衍生物及其盐；砷酸、其衍生物及其盐；硝基苯甲酸、其衍生物及其盐；丙二酸、其衍生物及其盐；邻苯二甲酸、其衍生物及其盐；硅酸、其衍生物及其盐；碳酸、其衍生物及其盐；及其组合。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的屏障化学机械平面化抛光组合物，其中所述腐蚀抑制剂选自苯并三唑、3-氨基-1,2,4-三唑、3,5-二胺-1,2,4-三唑及其组合；并且所述腐蚀抑制剂以0.005重量％至0.5重量％的量存在。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的屏障化学机械平面化抛光组合物，其中所述组合物还包含以下中的至少一种：
所述表面活性剂，其选自炔二醇表面活性剂、醇乙氧基化物表面活性剂及其组合；并且所述表面活性剂以0.001重量％至1.0重量％的量存在；
所述第二速率增强剂，其选自硝酸盐及其衍生物；氯化物盐及其衍生物；乙酸盐及其衍生物；及其组合；并且所述第二速率增强剂以0.05重量％至5重量％的量使用；
所述pH调节剂，其选自a)降低所述抛光组合物的pH的硝酸、硫酸、酒石酸、琥珀酸、柠檬酸、苹果酸、丙二酸、各种脂肪酸、各种多羧酸及其组合；和(b)提高所述抛光组合物的pH的氢氧化钾、氢氧化钠、氨、四乙基氢氧化铵、乙二胺、哌嗪、聚乙烯亚胺、改性聚乙烯亚胺及其组合；并且所述pH调节剂以0.001重量％至1重量％的量使用；
所述氧化剂，其选自过氧化氢、高碘酸、碘酸钾、高锰酸钾、过硫酸铵、钼酸铵、硝酸铁、硝酸、硝酸钾、氨、胺化合物及其组合；并且所述氧化剂以约0.05重量％至约5.0重量％的量使用；和
所述螯合剂，其选自有机酸及其盐；聚合酸及其盐；水溶性共聚物及其盐；在共聚物的同一分子中含有选自羧酸基团、磺酸基团、磷酸基团和吡啶酸基团的至少两种不同类型的酸基团的共聚物及其盐；聚乙烯酸及其盐；聚环氧乙烷；聚环氧丙烷；吡啶、吡啶衍生物、联吡啶、联吡啶衍生物，及其组合；并且所述螯合剂以0.05重量％至约5重量％的量使用。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的屏障化学机械平面化抛光组合物，其中所述组合物包含平均粒径为15nm至200nm的硅磨料颗粒；0.025重量％至4重量％的选自丙二酸、亚硫酸钾、钼酸钾、硅酸钾、草酸钾一水合物、膦酰乙酸及其组合的化学添加剂；炔二醇表面活性剂或醇乙氧基化物表面活性剂；和水；其中所述组合物的pH为6至11。

【专利技术属性】
技术研发人员：甘露，J·A·施吕特，
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