抛光含铜的图案化晶片制造技术

本发明专利技术的一个方面提供了一种使用抛光垫对包含铜互连金属的图案化 半导体晶片进行抛光的方法。该方法包括以下步骤：a)提供一种水性抛光溶 液，所述抛光溶液包含苯并三唑(BTA)抑制剂和铜络合化合物以及水；b)使 用所述水性抛光溶液和抛光垫，通过一定的方式对图案化的晶片进行抛光， 从而溶解铜形成Cu+1离子，所述Cu+1离子和BTA抑制剂的浓度满足以下 关系式：[BTA]×[Cu+1]＞所述水性溶液不含络合化合物时Cu-BTA沉淀的Ksp； c)将至少一部分的铜离子氧化，以避免抛光过程中沉淀出Cu-BTA沉淀。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体晶片材料的化学机械抛光(CMP),更具体来说涉及 用来在介电材料或阻挡层材料的存在下对半导体晶片上的金属互连元件进 行抛光的CMP组合物和方法。
技术介绍
通常半导体晶片是具有介电层的硅晶片，所述介电层包括多个沟槽， 这些沟槽在介电层内设置形成用于电路互连的图案。所述图案设置通常具 有波纹结构或双重波纹结构。阻挡层覆盖着所述图案化的介电层，金属层 覆盖着所述阻挡层。所述金属层的厚度至少足以填充所述图案化的沟槽， 形成电路互连。CMP工艺经常包括多个抛光步骤。例如，第一步以初始高速率除去过 量的互连金属，例如铜。第一步去除之后，可以通过第二步抛光除去残留 在阻挡层之上、金属互连以外的金属。随后的抛光从半导体晶片的下面的 介电层除去阻挡层，在介电层和金属互连上提供平坦的抛光表面。半导体基片上的沟槽或凹槽中的金属提供形成金属电路的金属线。一 个有待克服的问题是，所述抛光操作会从各个沟槽或凹槽除去金属，导致 这些金属的凹陷。凹陷是不希望出现的，因为这会导致金属电路临界尺寸 的变化。为了减少凹陷现象，人们在较低的抛光压力下进行抛光。但是， 如果仅仅减小抛光压力，将会使得抛光需要持续更长的时间。但是，在整 个延长的抛光过程中会持续产生凹陷，从而对性能的增益极少。美国专利第7,086,935号(Wang)描述了将包含以下组分的无磨料铜配 剂用于图案化的晶片甲基纤维素，丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物，苯并三唑 (BTA)以及可混溶的溶剂。所述配剂能够除去铜并对铜进行清洁，同时产生 很低的铜凹陷，但是在迅速的抛光过程中，会在抛光垫和晶片上沉淀绿色 的Cu-BTA化合物。由于这些沉淀物的出现，需要对抛光垫进行抛光后清洁，以免由于这种胶状沉淀物导致抛光去除速率的降低；需要对晶片进行 抛光后清洁以免产生缺陷。这些清洁步骤需要强效而昂贵的清洗溶液，而 且会因为延迟了晶片产出而导致"拥有成本"。人们需要一种能够清洁铜，同时具有低缺陷率，低的铜凹陷，低腐蚀，而且不会造成Cu-BTA沉淀物的沉淀的抛光组合物。另外，人们需要用低划伤配剂得到这些抛光特性。
技术实现思路
本专利技术的一个方面提供了一种使用抛光垫对包含铜互连金属的图案化半导体晶片进行抛光的方法，该方法包括以下步骤:提供一种水性抛光溶液， 所述抛光溶液包含苯并三唑(BTA)抑制剂、下式所示的络合化合物，以及水:<formula>formula see original document page 4</formula>式中R是氢或含碳化合物，所述络合化合物能够与铜离子络合；使用 所述水性抛光溶液和抛光垫，通过一定方式抛光所述图案化的晶片，使得 铜溶解为Cu+1离子，Cu+1离子和BTA抑制剂的浓度满足关系式 x〉所述水性溶液不含所述络合化合物时Cu-BTA沉淀的Ksp; 将至少一部分CuW离子氧化为0!+2离子，以防抛光的时候在所述图案化的 晶片上和抛光垫上沉淀Cu-BTA沉淀。具体实施例方式所述组合物和方法提供了良好的金属去除速率，进行金属清洁，同时 金属互连的凹陷程度很低，其中使用抛光组合物对半导体晶片进行化学机 械抛光，所述抛光组合物包含络合化合物，以及结合使用的水溶性改性纤 维素，非糖类水溶性聚合物，氧化剂，抑制剂，以及余量的水。通过添加所 述络合化合物，提供了额外的优点，即减少由Cu-BTA(CuW)沉淀造成的绿 色污染。从抛光经验可以得知，当铜离子^"和BTA的产物的浓度超过其操作或抛光温度下的K^的时候，会形成不溶性Cu-BTA沉淀。出于本说明书 的目的，Cu-BTA沉淀包括非液态物质，例如固体、凝胶和聚合物，可以包 括Cu+2离子，尖晶石沉淀、类尖晶石沉淀和杂质；Ksp表示产物在其操作 温度或抛光温度下的溶解度。Cu-BTA的沉淀会在抛光溶液中，根据以下平 衡表达式(l)发生(1) BTAH + Cu十—(慢)(快广Cu-BTA + H+尽管一些胺能够有效地从晶片和抛光垫上溶解掉绿色的"污泥状"沉 淀物，但是特殊的络合化合物能够减少或消除有害量的所述Cu-BTA沉淀。 具体来说，所述络合化合物具有以下所示的结构<formula>formula see original document page 5</formula>式中R是氢或含碳化合物。这些络合化合物能够与包括一价(+l)和二 价(+2)铜离子在内的铜离子络合。在抛光过程中，络合剂似乎能够络合足够 的铜离子，减少Cu-BTA沉淀的生成，控制下式(2)所示Cu + 2离子的生成 速率(2) 2Cu十—Cu0 + Cu十2所述方法通过一定方式促进了用水性抛光溶液和抛光垫对图案化晶片 的抛光溶解铜生成Cu+1离子，其中Cu+1离子和BTA抑制剂的浓度满足 以下关系x〉所述水性溶液不含所述络合化合物时Cu-BTA沉 淀的Ksp。通过加入酸化合物，将抛光方法从会形成Cu-BTA沉淀的工艺 转化为能够避免Cu-BTA沉淀问题的工艺。所述方法将至少一部分01+1离 子氧化为01+2离子，以防抛光过程中在图案化晶片和抛光垫上沉淀出 Cu-BTA沉淀。该方法还可以在存在另外的铜络合剂的条件下操作。例如， 可以将第一酸络合剂与第二络合剂(例如有机酸)结合使用，以降低或消除 抛光溶液形成Cu-BTA沉淀的趋势。浓度为0.05-20重量％的络合化合物能 够减少Cu-BTA沉淀的生成。例如，浓度为0.1-10重量％的络合化合物可 以减少Cu-BTA沉淀。较佳的是，所述配剂的络合化合物浓度至少为0.4重量％，例如0.4-5重量％，以控制Cu-BTA沉淀。当络合化合物浓度约高 于0.4重量％的时候，随着络合化合物浓度的增大，可以提高或加快铜除去 速率；当络合化合物的浓度为0-0.4重量％的时候，增大络合化合物的浓度 会减小铜除去速率。具体来说，亚氨基二乙酸("IDA"或二甘氨酸 (diglycine))和乙二胺四乙酸("EDTA")中的至少 一 种能够有效地减少 Cu-BTA沉淀。IDA似乎代表了能够减少Cu-BTA沉淀的最有效的络合剂。本专利技术的组合物使用0.001-15重量％的用羧酸官能团改性的水溶性纤 维素以及醇和酮之类的水混溶性有机溶剂。较佳的是，所述组合物包含 0.005-5重量％的水溶性纤维素。最佳的是，所述组合物包含0.01-3重量％ 的水溶性纤维素。示例性的改性的纤维素是阴离子性树胶，例如以下的至 少一种琼脂胶，阿拉伯胶，茄替胶，刺梧桐树胶，瓜耳胶，果胶，刺槐豆 胶，黄芪胶，罗望子胶，鹿角菜胶以及黄原胶；改性淀粉；褐藻酸；甘露糖 醛酸；古洛糖酸(guluronicacid),以及它们的衍生物和共聚物。优选的水溶 性纤维素，羧甲基纤维素(CMC)的取代度为0.1-3.0，重均分子量为1K至 1000K。出于本说明书的目的，分子量表示纤维素的重均分子量。更优选地， CMC的取代度为0.7-1.2，重均分子量为40-250K。 CMC的取代度是纤维素 分子中每个葡萄糖残基上的乙酸酯醚化羟基的平均数。可以看作是CMC中 羧酸基团的"密度"的度量。本专利技术的非糖类水溶性聚合物包括丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物、 以及使用丙烯酸单体或甲基丙烯酸单体合成的共聚物。出于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用抛光垫对包含铜互连金属的图案化半导体晶片进行抛光的方法，其包括以下步骤：　ａ．提供一种水性抛光溶液，所述抛光溶液包含苯并三唑（ＢＴＡ）抑制剂、下式所示的络合化合物，以及水：　＊＊＊　式中Ｒ是氢或含碳化合物，所述络合 化合物能够与铜离子络合；　ｂ．用所述水性抛光溶液和抛光垫，通过一定方式对图案化晶片进行抛光，从而溶解铜生成Ｃｕ↑［＋１］离子，其中Ｃｕ↑［＋１］离子和ＢＴＡ抑制剂的浓度满足以下关系：［ＢＴＡ］×［Ｃｕ↑［＋１］］＞所述水性溶液不含所述 络合化合物时Ｃｕ－ＢＴＡ沉淀的Ｋｓｐ；　ｃ．将至少一部分Ｃｕ↑［＋１］离子氧化为Ｃｕ↑［＋２］离子，以防抛光过程中在图案化晶片和抛光垫上沉淀出Ｃｕ－ＢＴＡ沉淀。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：T·M·托马斯，王红雨，
申请(专利权)人：罗门哈斯电子材料CMP控股股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US