使用磺化两性试剂的铜化学机械抛光溶液制造技术

一种用于平整适于制造半导体器件的晶片表面的浆料，该浆料包括：　　　　ａ．磺化两性离子，　　　　ｂ．氧化剂，　　　　ｃ．液态载体，　　　　ｄ．任选的无机抛光颗粒，　　　　ｅ．任选的螯合剂，　　　　ｆ．任选的次级缓冲剂，　　　　ｇ．任选的钝化剂，　　　　ｈ．任选的表面活性剂、粘性调节剂、润湿剂、润滑剂、皂和类似物，和　　　　ｉ．任选的阻止剂。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请参考本申请要求2002年11月12日提交的美国在先申请60/425690的优选权。
技术介绍
专利
本专利技术涉及改进的浆料组合物、用于化学机械抛光或平化半导体晶片的方法、和按照上述方法制得的半导体晶片。现有技术说明在集成电路制造中，用于半导体制造的半导体晶片通常要经过无数加工步骤，包括沉积，布图和蚀刻步骤。这些制造半导体晶片的具体步骤如Tonshoff等人，“Abrasive Machining of Silicon”(硅的研磨加工)，出版在Annalsof the International Institution for Production Engineering Research.(卷39/2/1990)，第621-635页中。在每个制造步骤中，通常需要或者最好能改善或细化晶片的露出表面，使晶片能用于随后的装配或制造步骤中。在传统的半导体器件装配方案中，硅晶片经过多次加工步骤，沉积两种或多种独立材料的均匀层，共同形成多层结构的单一层。在该过程中，通常要将第一种材料的均匀层应用于晶片本身，或者应用于通过本领域常用的任何手段构成的中间体的现有层上，要在层上蚀刻图案，然后在图案中充填第二种材料。或者，可以在晶片上或者在晶片中预先装配的层上，透过掩模沉积由第一种材料组成的大致均匀厚度的图案，然后可以在这些图案的相邻区域中充填第二种材料完成对该层的加工。沉积步骤之后，晶片表面上沉积的材料或层在进行另外的沉积或随后加工步骤之前，通常需要进一步加工。完成之后，外表面是基本完全平坦的，平行于硅晶片的底面。这种过程的一个具体实例是金属镶嵌过程。在金属镶嵌过程种，在氧化物介电层(比如SiO2)中蚀刻图案。然后，在氧化物表面上沉积任选的粘性层和/或阻挡层。典型的阻挡层可以包括钽，氮化钽，氮化钛或钛，或钨。接着，在粘性层和/或阻挡层上方或顶部沉积金属(比如铜)。然后清除下方介电表面上的铜金属以及粘性层和/或阻挡层区域，对铜金属层进行改善，细化或抛光。通常，清除足够多的表面金属，使晶片暴露出的外表面由金属和氧化物介电材料构成。从晶片的露出表面上方观察，能够发现铜金属对应于蚀刻图案，而且阻挡层或介电材料与铜金属相邻的平坦表面。位于晶片改善表面上的铜(或其他金属)和氧化物介电材料本身具有不同的硬度，容易产生受控腐蚀。改善半导体表面的方法中结合了物理和化学过程。这种过程被称为化学机械平化(CMP)。用于改善通过金属镶嵌过程所制得晶片的研磨CMP过程必须能同时改善金属(比如铜)和阻挡层或介电材料，而不会在任何材料的表面中产生缺陷。研磨过程必须能在具有金属暴露区域和介电材料暴露区域的晶片上形成平坦的暴露外表面。化学机械抛光(或平化)(CMP)是半导体加工中经历迅速变化的领域。CMP能在晶片表面上提供完全(毫米尺寸)和局部(微米到纳米尺寸)平化。这种平化作用改善了晶片上介电材料和金属(比如铜)的覆盖范围，并增加了平版印刷，蚀刻和沉积过程的范围。许多设备公司都通过CMP工程方面的进步推动了CMP技术的发展，而化学公司关注于消耗品，比如浆料和抛光垫。比如，改善或细化构成晶片露出表面的传统CMP方法使用含水介质中分散着大量松散研磨颗粒的浆料来抛光晶片表面的技术。通常，浆料被应用于抛光垫上，晶片表面靠着抛光垫旋转，从晶片表面上清除要求的材料。该浆料中通常还可以含由能与晶片表面反应的化学试剂，以提高金属去除速率。比较新的CMP浆料替代方法使用研磨垫平化半导体表面，从而不需要使用上述含由抛光颗粒的浆料。替代的CMP过程报告在1997年3月27日公布的世界专利WO 97/11484中。研磨垫具有织构化研磨表面，包括分散在粘合剂中的研磨颗粒。在抛光过程中，研磨垫接触半导体晶片表面，通常存在不含附加研磨颗粒的工作浆料。含水浆料被应用于晶片表面上，化学改善或提高从晶片表面通过研磨体的运动清除材料的效率。适用于上述过程的浆料以及上述浆料或研磨垫通常都是各种添加剂的水溶液，包括金属络合剂，氧化剂，钝化剂，表面活性剂，润湿剂，缓冲剂，粘性调节剂或这些添加剂的混合。添加剂还可以包括能与第二种材料反映的试剂，比如晶片表面上的金属或金属合金导体，比如氧化剂，还原剂，钝化剂或络合剂。这些工作浆料的实例可以在1998粘6月24日提交的美国专利申请09/091932中找到。可能影响晶片CMP加工的变量包括对晶片表面和研磨体之间接触压力的选择，抛光垫组成，使用低级抛光垫，抛光垫中凹槽的形状，浆料介质种类，晶片表面和研磨体之间的相对速度和相对运动，以及浆料介质的流速。这些变量是互相牵制的，根据要抛光的各个金属表面进行选择。CMP过程能改善沉积的金属层，直到阻挡层或氧化物介电材料暴露在晶片外表面上，这种过程几乎不会出问题，因为晶片表面上的金属图案是亚微米级的。沉积金属的去除速率应当比较快，才能使额外昂贵CMP工具的需求最小化，而且必须从没有蚀刻的区域中完全清除金属。残留在蚀刻区域中的金属必须被限制在分立区域中，在这些区域中是连续的，从而保证适当的传导性。因此，CMP过程必须是均匀的，受控的，能够在亚微米到纳米级尺寸上重现。在上述CMP过程中，成盘状凹陷性能，刮擦或缺陷以及金属的去除速率是CMP性能的衡量标准。这些性能衡量标准可能取决于上述工作浆料和机械加工过程的使用。成盘状凹陷是在半成品晶片表面下方的连接块或线迹中被清除的铜等金属量的衡量标准，由清除了表面铜或镀铜阻挡层之后，铜和阻挡层或介电层顶布之间的高度差表示。去除速率是指单位时间内被清除的材料量。优选的去除速率大于至少约1000埃/分。更低的去除速率，比如每分钟几百埃或以下是不利的，因为这样会导致晶片的总体制造成本(所有权价格)增加。为了降低成盘状凹陷的可能性并增加半导体器件的金属去除速率，很重要的一点是，浆料中的组分具有非常窄的浓度范围和pH值。抛光半导体器件中所用浆料的pH取决于待抛光表面层的组成。在大多数情况下，必须使浆料具有适当的pH，从而以机械研磨清除金属氧化物相对的速率形成氧化物层表面。比如，在抛光SiO2等介电材料时，浆料的pH通常大于10，有助于形成硅醇键pH＜9pH＞9SiO(OH)3→多核物质pH＞10.5SiO2抛光浆料的pH必须大于10，才能保证在机械抛光表面之后迅速形成二氧化硅。对于铜抛光浆料，美国专利6117783表现出pH大约为6.0的重要性，能形成氧化亚铜(I)，Cu2O。氧化亚铜只能在接近中性到略微碱性的介质中形成。在低pH浆料中，可能不会在铜表面形成保护性氧化物，从而增加了氧化剂对铜金属的侵蚀性攻击倾向。在高pH浆料中，被清除下来的铜会从溶液中沉淀，形成附着在晶片表面上不需要的颗粒物质。因此，所配制的铜抛光浆料必须具有很窄的pH范围，才能保证CMP之后的高产率。另一个重要方面是通过控制pH来调节浆料的Z电势。Z电势是阴离子的双电荷层离子与包围浆料中无机抛光颗粒的阳离子之间相互作用的静电势衡量标准。Z电势取决于抛光体(比如Al2O3，CeO2，SiO2等)的性质和浆料的pH。具有不利Z电势的浆料通常都是不稳定的，结果是颗粒会从浆料或附聚物中沉降。这对CMP抛光过程中的性能是非常有害的。Z电势的另一种衡量标准是抛光颗粒的等电点(IEP)。IEP是Z电势值为零的pH。颗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于平整适于制造半导体器件的晶片表面的浆料，该浆料包括a.磺化两性离子，b.氧化剂，c.液态载体，d.任选的无机抛光颗粒，e.任选的螯合剂，f.任选的次级缓冲剂，g.任选的钝化剂，h.任选的表面活性剂、粘性调节剂、润湿剂、润滑剂、皂和类似物，和i.任选的阻止剂。2.如权利要求1所述的浆料，其特征在于磺化两性离子试剂具有以下结构R1R2-N-(CR3R4)xSO3M其中R1和R2可以是烷基、芳基、氢氧化物、氢、杂原子环、芳环或烷基环结构，R3和R4可以是卤素、烷基、芳基、氢氧化物、氢、杂原子环、芳环或烷基环结构，x可以是2到4，M可以是氢、碱金属或碱土金属、胺或铵离子。3.如权利要求1所述的浆料，其特征在于磺化两性离子选自2-(N-吗啉代)乙磺酸、(3-[N-吗啉代])丙磺酸、2-[(2-氨基-2-氧乙基)氨基]乙磺酸、哌嗪-N，N′-双(2-乙磺酸)、3-(N-吗啉代)-2-羟基丙磺酸、N，N-双(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸、3-(N-吗啉代)丙磺酸、N-(2-羟乙基)哌嗪-N′-(2-乙磺酸)、N-三(羟甲基)甲基-2-氨基乙磺酸、3-[N，N-双(2-羟乙基)氨基]-2-羟基丙磺酸、3-[N-三(羟甲基)甲氨基]-2-羟基丙磺酸、N-(2-羟乙基)哌嗪-N′-(2-羟基丙磺酸)、哌嗪-N，N′-双(2-羟基丙磺酸)、N-(2-羟乙基)哌嗪-N′-(3-丙磺酸)、N-三(羟甲基)甲基-3-氨基丙磺酸、3-[(1、1-二甲基-1、2-羟乙基)氨基]-2-羟基丙磺酸、2-(N-环己基氨基)乙磺酸、3-(环己基氨基)-2-羟基-1-丙磺酸、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、3-(环己基氨基)-1-丙磺酸或它们的混合物。4.如权利要求1所述的浆料，其特征在于磺化两性离子的浓度是0.1到大约100克/升。5.如权利要求1所述的浆料，其特征在于pH自2变化到11。6.如权利要求1所述的浆料，其特征在于氧化剂选自过氧化氢、二氯化铜、过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾、三氯化铁、铁氰化钾、硝酸、硝酸钾、钼酸铵、碘酸钾、羟胺、二乙基羟胺、OXONE、氰化铁、EDTA铵铁、柠檬酸铵铁、柠檬酸铁和草酸铵铁、尿素-过氧化氢、过氧化钠、苄基过氧化物、二-叔-丁基过氧化物、过乙酸、单过硫酸、二过硫酸、碘酸及其盐或它们的混合物。7.如权利要求1所述的浆料，其特征在于氧化剂的浓度在大约0.5到15％范围内。8.如权利要求1所述的浆料，其特征在于它含有无机研磨颗粒。9.如权利要求8所述的浆料，其特征在于无机研磨颗粒选自SiO2、Al2O3、CeO2、氧化锆、碳酸钙、石榴石、硅酸盐或二氧化钛。10.如权利要求1所述的浆料，其特征在于浆料中没有使用无机抛光颗粒。11.如权利要求1所述的浆料，其特征在于缓冲剂至少是0.1到100克/升。12.如权利要求1所述的浆料，其特征在于次级缓冲剂是铵的酸，单、二或三羧酸的碱金属或碱土金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·M·马特亚克，G·卡罗尔，
申请(专利权)人：阿科玛股份有限公司，
类型：发明
国别省市：