用于步骤Ⅱ的铜衬里和其他相关材料的化学机械抛光组合物及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种用于平坦化具有铜阻挡层部分的半导体晶片表面的ＣＭＰ组合物和方法，所述组合物包括氧化剂、硼酸组分和研磨剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于除去和抛光在半导体晶片表面上层叠的铜、阻挡层材 料和介电材料的化学机械抛光浆和使用该浆的方法。相关
技术介绍
半导体晶片用于形成集成电路。半导体晶片包括衬底如硅，其中 对区域进行图案化处理以沉积具有绝缘、导电或半导电性质的不同材 料。为了得到准确的图案化处理，必须除去在衬底上形成层时所用的 过量材料。另外，为了制作具有功能性和可靠性的电路，重要的是具 有平坦的或平面的半导体晶片表面。因此，必须除去和/或抛光半导体 晶片的某些表面。化学机械抛光或平坦化(CMP)是指如下方法，其中从半导体 晶片的表面除去材料，并通过将物理方法如磨损与化学方法如氧化或 螯合相结合来抛光(平坦化)表面。在CMP的最基本形式中，CMP包括 将浆一研磨剂和活性化学物的溶液涂敷到抛光垫，其抛光半导体晶片 的表面以实现除去、平坦化和抛光处理。对于除去或抛光处理，不希 望包括纯物理或化学作用，而是希望这两者的协同作用，以实现快速 均匀的除去。在集成电路的制作中，CMP浆还应能够优先除去包括金 属和其他材料的复合层的膜，从而可以制造高度平坦的表面用于后续 的光刻法、或构图、蚀刻和薄膜处理。近来，将铜用于集成电路中的金属连线。附图说明图1显示了在半导体制作步骤中铜的波形花纹装饰(damascene)处理步骤的示意图。必须被除 去和平坦化的层包括在薄铜晶种层14(约0.05-0.15/mi厚)上的铜层 12(约l-1.5/mi厚)。这些铜层通过阻挡层材料层18(约50-300A厚)与介 电材料层分开，这阻止了铜向氧化物介电材料16的扩散。抛光后在整 个晶片表面得到良好均匀性的关键是使用对各种材料具有准确的除去 选择性的浆。如果不能保持合适的材料除去选择性，那么就可能发生 不希望的铜的凹陷和/或介电材料的侵蚀。当除去过多的铜而发生凹陷，使得相对半导体晶片的介电表面， 部件的铜表面为凹陷的。主要是当铜和铜-阻挡层(也称为铜-衬里)材料 的除去速度根本不同时发生凹陷。当介电材料的除去速度在局部远高 于周围区域的材料时，就发生氧化物侵蚀。凹陷和氧化物侵蚀取决于 面积、晶片图案和间距。由于铜和阻挡层衬里材料之间的化学反应性差异，在铜CMP方法 中经常使用两者在化学性质上不同的浆。第一步骤浆(步骤I)典型地用 于快速平坦化外形，并均匀地除去过量的铜，在阻挡层处停止抛光。 第二步骤浆(步骤II)典型地以高的除去速度除去铜衬里材料，并在介电 层处停止，或者可选择地在已被涂覆以保护氧化物的罩层上停止。美国专利申请序列号10/315,641的用于铜薄膜平坦化的钝化化 学机械抛光组合物(Passivative Chemical Mechanical Polishing Composition for Copper Film Planarization)和用于铜和相关材料的改 进的化学机械抛光组合物及其使用方法(Improved Chemical Mechanical Polishing Compositions for Copper and Associated Materials and Method Using Same)都在此同时提出并以其相应的全文引入本文以供参考， 这两篇文献教导了新的步骤1的平坦化组合物，其用于除去和平坦化 铜表面。因此，本专利技术的一个目的提供步骤II的CMP组合物，其在用于 除去过多铜的CMP方法的步骤I抛光步骤后，用于晶片表面的阻挡层 或衬里的除去和平坦化。本专利技术的另一个目的是提供步骤II的CMP组合物，其在使用上 述美国专利申请中公开的除铜组合物进行的CMP方法的步骤I抛光步 骤后，用于晶片表面的阻挡层或衬里的除去和平坦化。本专利技术的还一个目的是提供步骤II的铜CMP浆，其能够实现阻 挡层材料的高除去速度，同时使不希望的铜凹陷和/或介电材料的侵蚀 最小化。本专利技术的又一目的是提供步骤II的CMP浆，其具有合适的材料 选择性以使半导体晶片表面中的铜凹陷和/或氧化物侵蚀最小化，从而 提供可行的CMP方法以进行先进的器件制造。在阅读下面的详细描述并参照附图后，本专利技术的这些和其他目的 和优点对本领域技术人员是显而易见的。专利技术概述本专利技术涉及设计用于平坦化阻挡层材料如氮化钨、钽、氮化钽、 掺硅的氮化钽、氮化钛、和掺硅的氮化钛的CMP浆组合物和方法，其 与铜CMP处理步骤相结合。如本文所广泛公开的，CMP浆组合物在用 于铜的波形花纹装饰平坦化步骤中时，减少了铜凹陷和电介质或氧化 物侵蚀的发生，同时控制电介质和阻挡层材料两者的除去速度。在一个方面，本专利技术涉及用于平坦化具有铜-阻挡层部分的晶片表 面的CMP组合物，其中CMP组合物包括氧化剂、硼酸组分和研磨剂。在另一个方面，本专利技术涉及平坦化具有铜-阻挡层衬里部分、铜部分、和介电部分的晶片表面的方法，所述方法包括在CMP条件下使 晶片表面接触下述组合物，其具有对铜-阻挡层衬里的高除去速度、和对介电部分的除去速度，该除去速度基于CMP组合物中硼酸组分的浓度。从随后的公开内容和所附的权利要求书，可更充分地理解本专利技术 的其他方面、特征和实施方案。附图简述图1显示了在半导体制造步骤中铜的波形花纹装饰处理步骤的示 意图。图2(a)-2(d)显示了在铜的波形花纹装饰处理步骤后用于平坦化晶 片表面的两步CMP方法。图3显示了根据本专利技术的一个实施方案，对于二氧化硅研磨剂，f 电势和电导率与pH的关系图。图4显示了根据本专利技术的另一实施方案，从介电场区域制成铜线 路阵列的梯段高度减少量的关系图。图5显示了根据本专利技术的另一实施方案，关于晶片表面的Ta(衬里材料)和Si02(介电材料)的除去速度的关系图。专利技术详述及其优选实施方案在CMP浆中，有利的是独立地控制要被抛光的图案的不同材料之 间的相对抛光速度。例如，在铜抛光中，将实际抛光铜、衬里/阻挡层 材料如Ta、 TaN、 Ti、 TiN、 TiW、 WN和掺硅的氮化物，以及电介质 如Si02、 TEOS、 PSG、 BPSG、或任何低K电介质。图2(a)显示了在铜的波形花纹装饰处理步骤后，填充铜的部件的 示意图，其中铜12、填充部件14通过波形花纹处理步骤预先蚀刻到介 电材料16中。在铜填充前被沉积的阻挡层衬里18，阻止铜扩散到介电 材料16中。在第一CMP处理步骤(通常称为步骤l)中，如图2(b)中所示，在阻挡层衬里处或刚好在其上面，主体铜外形被平坦化。在一些 情况下，平坦化步骤I将进行直到阻挡层衬里暴露，对铜具有高选择性的步骤l制剂将使得铜材料轻微凹陷，低于阻挡层衬里18的外形，如图2(c)所示。在最后的平坦化步骤(通常称为步骤n方法)中，阻挡层衬里18必须被除去和平坦化，使得电介质、阻挡层和铜位于相同平面内， 如图2(d)所示。为了完成步骤II方法，使用第二CMP处理步骤，其利 用不同于步骤I的CMP组合物。典型地，步骤II方法除去阻挡层衬里 18，并常常除去介电材料16的一薄层(例如300A)。在步骤II的CMP 处理步骤中使用的组合物为本专利技术的主题。本专利技术提供了用于除去和平坦化与步骤II的CMP方法相关的材 料的新组合物。更具体地，本专利技术提供了用于平坦化晶片表面的新组 合物，该晶片表面内具有铜、衬里和介电组分。新组合物包括硼酸组 分，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于平坦化具有铜阻挡层部分的晶片表面的ＣＭＰ组合物，所述组合物包括氧化剂、硼酸组分和研磨剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-5-12 60/469,6831.一种用于平坦化具有铜阻挡层部分的晶片表面的CMP组合物，所述组合物包括氧化剂、硼酸组分和研磨剂。2. 如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述晶片表面还包括 铜和介电材料。3. 如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述阻挡层部分包括 选自Ta、 TaN、 Ti、 TiN、 TiW、 WN和掺硅的氮化物中的材料。4. 如权利要求2所述的CMP组合物，还包括腐蚀抑制剂。5. 如权利要求4所述的CMP组合物，其中基于组合物的总重量， 所述研磨剂、氧化剂、硼酸组分和腐蚀抑制剂以下列重量比组成范围 存在研磨剂 0.01-30wt%;氧化剂 l-30wt%;腐蚀抑制剂 0.01-10wt%;和 硼酸组分 0.01-10wt%。6. 如权利要求5所述的CMP组合物，其中所述硼酸组分钝化介 电材料。7. 如权利要求1所述的CMP组合物，其是稳定的。8. 如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述硼酸组分选自9. 如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述硼酸组分为硼酸。10. 如权利要求5所述的CMP组合物，其对介电材料和阻挡层材 料都提供了可调节的选择性和除去速度。11. 如权利要求IO所述的CMP组合物，其中电介质的除去速度 和选择性可通过改变硼酸组分的浓度来控制。12. 如权利要求IO所述的CMP组合物，其中阻挡层材料的除去 速度和选择性可通过改变氧化剂的浓度来调节。13. 如权利要求5所述的CMP组合物，其包括按组合物总重量计 为下列重量比范围的组分二氧化硅研磨剂 0-30wt%;H202 l-30wt%;BTA 0.01-10wt%;和硼酸 0.01-10wt%。14. 如权利要求5所述的CMP组合物，包括按组合物总重量计为 下列重量比范围的组分二氧化硅研磨剂 约13wt%;H202 约5wt%;BTA 约0.4wt%;硼酸 约2.0wtM;和水 约79.6wt%;组合物中所有组分的总重量百分比合计为100wt%。15. 如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述研磨剂组分选自氧化物、金属氧化物、氮化硅、和碳化物。16. 如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述研磨剂组分为二 氧化硅单分散研磨剂，其具有约65nm的平均尺寸和球形。17. 如权利要求1所述的CMP组合物，其pH范围为约2至约7。18. 如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述氧化剂选自过 氧化氢(11202)、硝酸铁(Fe(N03)3)、碘酸钾(KI03)、高锰酸钾(KMn04)、 硝酸(HN03)、亚氯酸铵(NH4C102)、氯酸铵(NH4C103)、碘酸铵(1^114103)、 过硼酸铵(NH4BO...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得弗施卡，大卫伯恩哈德，卡尔博格斯，迈克尔达西罗，
申请(专利权)人：高级技术材料公司，
类型：发明
国别省市：US[]