專利名稱：用于銅的化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)漿液以及用于集成電路制造的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體的制造，更具體地說(shuō)，涉及一種用于拋光在集成電路(ICs)上的銅互連(copper interconnects)的一種漿液組合物，該組合物含有過(guò)氧化氫、檸檬酸、檸檬酸銨以及礬土磨料。
集成電路(IC)工業(yè)現(xiàn)在正在研究和開(kāi)發(fā)可用于集成電路(ICs)中的新的金屬互連材料和結(jié)構(gòu)。一種有發(fā)展前途的并將在未來(lái)用于集成電路(IC)互連的金屬材料是銅(Cu)。銅是集成電路工業(yè)中所希望的，因?yàn)殂~具有比現(xiàn)在在集成電路工業(yè)中使用的鋁和其它金屬材料更為改進(jìn)的電遷移阻力。另外，銅具有比其它通用金屬材料更低的電阻率，因此集成電路設(shè)備的性能可以通過(guò)使用銅互連而得到很大提高。
然而，目前還沒(méi)有可以有效地對(duì)銅材進(jìn)行等離子蝕刻或濕法蝕刻以使有用的銅互連在集成電路表面上充分形成的公知技術(shù)。為了克服這一局限，銅的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)被建議作為最具前途的替代方法，該方法可以在集成電路上適當(dāng)?shù)男纬摄~互連。因此工業(yè)上目前正在研究可用于在集成電路(IC)上形成銅互連的最佳的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)漿液。
在本工業(yè)中公知使用H2O2或H3PO4作為漿液中的氧化劑以進(jìn)行鋁拋光。在本領(lǐng)域中也已公知使用H2O2、KIO3、Ce(NO3)4、Fe(NO3)3和K3Fe(CN)6中的一種以拋光鎢材。還公知使用HNO3、HN4OH或KMnO4之一以進(jìn)行銅的拋光。因此，這些化合物已經(jīng)被CMP專家們廣泛地進(jìn)行了研究，目的是為了找到一種最佳的銅CMP工藝。然而，使用這些公知的化學(xué)藥品尚未能生產(chǎn)出最佳的銅拋光產(chǎn)品。
例如，使用上述公知的化學(xué)組成進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果為下列的一種或多種(1)清除速率差導(dǎo)致CMP產(chǎn)率不足；(2)銅材的過(guò)度點(diǎn)蝕和/或腐蝕導(dǎo)致設(shè)備性能和設(shè)備產(chǎn)量降低；(3)層的平面性缺陷；(4)IC電性能差；或(5)對(duì)銅和相鄰氧化物材料的低選擇性(“氧化物”是指“二氧化硅”并且這兩個(gè)詞在此可互換使用。)。
因此，工業(yè)上需要改進(jìn)的CMP漿液，該漿液可用于制造銅互連而同時(shí)減少或限制一種或多種上述常見(jiàn)的銅CMP缺陷。此種改進(jìn)的漿液應(yīng)具有良好的清除速率使得CMP產(chǎn)率得以提高，銅材的點(diǎn)蝕和腐蝕減少或受限使得設(shè)備性能和產(chǎn)量得以提高，銅層的平面性得以提高，集成電路的電性能得以提高，和/或銅相對(duì)于氧化物的選擇性改進(jìn)。


圖1-5以截面圖示出了使用根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)漿液在集成電路(IC)上形成銅互連的方法。
為簡(jiǎn)單和清楚起見(jiàn)在圖中所示的元件沒(méi)有按比例形式畫出。例如，為了清楚起見(jiàn)而將一些元件的尺寸相對(duì)于其它元件進(jìn)行了放大。另外，在認(rèn)為適當(dāng)?shù)牡胤絽⒖紨?shù)字在圖中重復(fù)標(biāo)出以說(shuō)明相應(yīng)的或類似的元件。
一般地，本發(fā)明涉及一種用于集成電路(IC)工業(yè)中的新漿液以形成化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的銅互連。更具體地說(shuō)，此處所指的漿液含有一種氧化劑(例如，過(guò)氧化氫H2O2)、一種檸檬酸鹽(例如，檸檬酸銨或檸檬酸鉀)、一種磨料漿液(例如，礬土磨料或二氧化硅磨料)以及一種平衡溶劑例如去離子水或一種醇。另外，化合物1,2,4-三唑或三唑衍生物如苯并三唑可以包含在該漿液中以改進(jìn)銅拋光的平面性。
實(shí)驗(yàn)顯示使用此種新的銅漿液其結(jié)果是提高了銅的清除速率，因此通過(guò)使用CMP加工工具可以提高產(chǎn)量。觀察到清除速率大于5000埃/分鐘。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示銅材的點(diǎn)蝕和腐蝕減少，因此集成電路的速度提高并且集成電路的產(chǎn)量也比現(xiàn)有技術(shù)的銅漿液高。此外，當(dāng)使用此處的漿液時(shí)，可以獲得良好的平面性。良好的平面性導(dǎo)致增強(qiáng)的銅互連的橫截面因此電性能通過(guò)減少互連電阻而提高。再者，當(dāng)使用此種漿液時(shí)，在進(jìn)行銅的雙嵌或單嵌時(shí)，銅相對(duì)于二氧化硅的選擇性高則便于拋光終止。此外，此處的CMP漿液與在集成電路(IC)工業(yè)中使用的其它漿液相比對(duì)環(huán)境更為安全可靠。
參照附圖1-5可以進(jìn)一步理解本發(fā)明。
圖1-5所示為形成用于集成電路(IC)的銅互連的方法。圖1所示為具有基體12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)10。在圖1中，基體12具有一基/底區(qū)域，該區(qū)域一般為一單晶硅片。然而，也可以使用其它半導(dǎo)體基體如鍺、砷化鎵、鍺硅、硅-絕緣體(SOI)基體、碳化硅基體、外延層、聚硅基體等。
盡管在圖1中并未特別提及，常規(guī)集成電路工藝用于在初始基材表面上形成絕緣區(qū)和有源電氣設(shè)備(如，電容器、MOSFETs、雙極設(shè)備、二極管、邏輯門等)。這些層固有地集中地作為基/底層12示于圖1中。在基體上形成的這些有源設(shè)備通過(guò)半導(dǎo)體層如聚硅、非晶硅或硅化物(salicided)區(qū)互連。在供選擇的比較方案中，這些有源電路也可通過(guò)金屬互連或某些半導(dǎo)體互連和金屬互連的結(jié)合而互連。圖1所示層14代表這些半導(dǎo)體或金屬互連結(jié)構(gòu)中的至少一種。如果層14被選擇為一種金屬互連，則通常選擇下列材料，如鎢、鋁和鋁合金、銅、金、銀、耐火金屬、導(dǎo)電氧化物及其復(fù)合材料，或其類似物。
圖1示出電介層16在互連結(jié)構(gòu)14的頂部形成。在一種形式中，圖1的層16為一爐法原硅酸四乙酯(TEOS)層和/或臭氧TEOS層。在其它形式中，層16可以為一種低K電介質(zhì)(low-k dielectric)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、氟化TEOS(FTEOS)聚合物材料、等離子增強(qiáng)TEOS(PE TEOS)及其復(fù)合物等。層16的典型厚度大約在2000埃-8000埃之間且該電介質(zhì)層一般由某種形式的化學(xué)氣相沉積(CVD)而形成。
而后在層16的頂部形成浸蝕終止層18。層18通常由一種等離子增強(qiáng)氮化物(PEN)、氧氮化硅(SiON)材料、其復(fù)合物以及當(dāng)暴露于氧化浸蝕物質(zhì)中時(shí)具有與氧化物不同的浸蝕速率的類似層所構(gòu)成。層18的典型厚度大約為100埃-300埃。重要的是需要注意，當(dāng)無(wú)需使用圖1結(jié)構(gòu)中的任何浸蝕終止層時(shí)，可以用定時(shí)浸蝕。因此浸蝕終止層18是任意的。
當(dāng)形成浸蝕終止層18后，在該浸蝕終止層18上形成電介質(zhì)層20。層20的材料組成與層16相同，該組成已在前述討論過(guò)了。另外，層20的厚度與前述討論過(guò)的層16的厚度相應(yīng)或者層16的厚度最多為層20厚度的兩倍。而后用公知的光刻工藝和常規(guī)的浸蝕技術(shù)以穿過(guò)層16形成一個(gè)通道開(kāi)口(via opening)和穿過(guò)層20形成一個(gè)溝槽互連開(kāi)口。這些穿過(guò)層16和20的開(kāi)口可以用雙嵌工藝中公知的通道(via)第一方式或者溝槽第一方式來(lái)形成。此外，盡管此處講述的雙嵌工藝示于圖1-5中，此處的拋光漿液和工藝可以用來(lái)形成單嵌結(jié)構(gòu)或銅塞區(qū)域。
而后在層20的頂表面上，在層16的通道開(kāi)口內(nèi)，并且在層20的互連開(kāi)口內(nèi)沉積導(dǎo)電層22。圖1所示的層22是由薄阻擋層的形成開(kāi)始的。典型的阻擋層包括氮化鉭、氮化鈦、鈦鎢、鉭、鈦、氮化鉭硅、氮化鎢、這些材料的合金，及其組合物，等等。該阻擋層的典型厚度在約20埃至幾百埃之間。該阻擋層需要確保在其后的金屬化區(qū)域中含有適量的銅。只要形成充分的阻擋層，含有銅原子的連續(xù)的銅區(qū)域?qū)⒉粫?huì)對(duì)周圍的含硅區(qū)域(如，SiO2)造成不利污染。
在阻擋層形成后，使用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝以在阻擋層上形成銅層。該銅層的典型厚度為1000-3000埃。此銅材或者為一純銅層(即，沒(méi)有有意摻入另一種原子或另一組原子)或?yàn)橐汇~合金(有意與另一種除銅以外的原子相摻雜)。另外，該CVD銅層也可與前述沉積的阻擋層進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以在圖1所示的層22中形成至少一層界面/底合金材料。該CVD銅層可以用一種銅的離子化金屬等離子(IMP)層或一種銅合金的IMP層代替。同樣，晶種層可以用準(zhǔn)直物理氣相沉積(PVD)工藝形成。典型地，在圖1中沉積的該銅材其銅的濃度大于80％。
當(dāng)IMP和/或CVD銅層形成后，使用電鍍工藝以在該CVD或IMP銅基上形成外加的銅材。典型地，直至層22的總厚度達(dá)到約7000-15000埃時(shí)開(kāi)始進(jìn)行電鍍銅。該電鍍銅可以為純銅或?yàn)橐汇~復(fù)合材料。
圖2所示為圖1的結(jié)構(gòu)10被設(shè)置于化學(xué)機(jī)械工藝(CMP)工具中。如圖2所示，圖1的銅層22與化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)漿液24相互接觸?；瘜W(xué)機(jī)械拋光墊26與漿液24相互接觸并且進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)并對(duì)其施加壓力以得到對(duì)層22頂部的有效的化學(xué)/機(jī)械清除。
圖2示出了一種氧化層22a，該層是由層22形成的。層22a為氧化銅層，該層是由于層22暴露于圖2所示的漿液24中造成的。實(shí)質(zhì)上，層24含有一種氧化性物質(zhì)該物質(zhì)使層22頂部的薄層發(fā)生氧化以形成如圖2所示的層22a。在漿液24中的其它化學(xué)物質(zhì)將化學(xué)侵蝕層22a以使層22a溶解于漿液24中。另外，漿液24中的各種顆粒或磨料漿液物質(zhì)與拋光墊26的機(jī)械運(yùn)動(dòng)一起導(dǎo)致對(duì)層22a進(jìn)行機(jī)械研磨以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從層22上清除層22a。通過(guò)對(duì)層22a進(jìn)行漸進(jìn)的氧化和清除以及其后形成氧化的Cu層，層22a的頂部表面被清除以便能夠進(jìn)行有效的銅化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。
圖2中的漿液24含有一種氧化劑、一種羧酸鹽(如檸檬酸鹽)、一種磨料漿液、一種溶劑，以及一種可選擇使用的三唑或三唑衍生物。特別地，可以在漿液中使用的氧化劑為過(guò)氧化氫(H2O2)。能有效的清除銅的羧酸鹽包括許多檸檬酸鹽中的一種，如檸檬酸銨或檸檬酸鉀中的一種或多種。實(shí)驗(yàn)顯示具有良好的銅清除能力和平面化性能(planarization)的一種典型的磨料為氧化鋁磨料，但是可以用二氧化硅磨料代替氧化鋁磨料或二氧化硅磨料外加氧化鋁磨料一起使用。另外，可選擇的三唑衍生物或三唑溶液可以加入到漿液中。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，例如，向銅CMP漿液中加入1,2,4-三唑，通過(guò)減少凹入氧化溝槽開(kāi)口的銅的量而提高了銅的平面化。圖2中漿液24所用典型溶劑是一種或多種去離子水(H2O)或一種醇。
一般地，漿液24的氧化劑(H2O2)可以是約0.2重量百分?jǐn)?shù)(wt％)至5.0重量百分?jǐn)?shù)(wt％)范圍內(nèi)的任何值。該羧酸鹽或檸檬酸鹽可以在約0.2重量百分?jǐn)?shù)至20重量百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)。該磨料漿液(氧化鋁磨料)占漿液24的約1.0重量百分?jǐn)?shù)至12.0重量百分?jǐn)?shù)。另外，可以包含在漿液24中的一種可選擇的三唑或三唑衍生物占漿液24的約0.05重量百分?jǐn)?shù)至2.0重量百分?jǐn)?shù)。漿液24的余量典型地為去離子水和/或一種醇溶液。
在一種優(yōu)選的形式中，實(shí)驗(yàn)顯示，使用范圍在1.0重量和1.5重量百分?jǐn)?shù)之間的過(guò)氧化氫，濃度在0.8重量百分?jǐn)?shù)和1.3重量百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的檸檬酸鹽，濃度范圍在2.0重量百分?jǐn)?shù)和4.0重量百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的礬土磨料，濃度在約0.1重量百分?jǐn)?shù)和0.2重量百分?jǐn)?shù)之間的三唑，以及一種余量的溶劑時(shí)，可得到充分的銅(Cu)拋光。在此范圍內(nèi)使用的一種優(yōu)選溶液含有1.2重量百分?jǐn)?shù)的過(guò)氧化氫，1.1重量百分?jǐn)?shù)的檸檬酸銨，3.0重量百分?jǐn)?shù)的礬土漿液，0.12重量百分?jǐn)?shù)的1,2,4-三唑，以及余量的去離子水(H2O)。
圖3所示為前述層22a在漿液24和拋光墊26的機(jī)械運(yùn)動(dòng)共同作用下而被清除。當(dāng)拋光工藝和氧化物被清除時(shí)，連續(xù)形成氧化層22b。這些氧化層22b隨時(shí)間(over time)連續(xù)形成并且新的Cu原子暴露于漿液中，這些層不斷地被漿液24的化學(xué)作用和拋光墊26的機(jī)械相互作用的共同作用下而清除。因此，如圖3所示，當(dāng)層22的總平面性隨時(shí)間逐漸提高時(shí)，電介質(zhì)20上所覆蓋的層22的總厚度減少。
圖4所示為使用漿液24化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)連續(xù)進(jìn)行直至形成如圖4所示的銅互連28。在一種優(yōu)選的形式中，應(yīng)使所形成的該互連28與層20的頂表面共面。然而，在大多數(shù)CMP系統(tǒng)中可能發(fā)生銅層22上形成一些溝槽/表面凹陷，導(dǎo)致如圖4所示的凹陷互連28。值得注意的是，在CMP漿液中所存在的三唑或三唑衍生物，實(shí)驗(yàn)顯示可以減少該不利的銅互連28的凹陷。然而，不是在所有應(yīng)用中都能夠完全限制層28的凹陷。圖4也示出了薄銅氧化物層22c可殘留在互連層28的頂表面上。
圖5所示為圖4所示的銅凹陷缺陷可以通過(guò)在如圖2-4所示的銅拋光后再進(jìn)行隨后的氧化物拋光而彌補(bǔ)。為了進(jìn)行氧化物拋光，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)10的頂部提供第二漿液30和第二拋光墊32以進(jìn)行第二CMP操作。圖5中的拋光墊32和圖3中的拋光墊26可以是同一CMP工具上的同一塊墊，墊26和32也可是大為不同的CMP工具上的不同的拋光墊。漿液30和24優(yōu)選為不同的，其中漿液30優(yōu)選為選擇銅而清除氧化物的，而漿液24優(yōu)選為選擇氧化物而用于清除銅。在圖5中，漿液30典型地為含有KOH和去離子水的二氧化硅磨料。該漿液30與拋光墊32一起將能夠有效地清除層20的薄頂部，其中再次使層20與銅互連28的頂表面共面。
在圖5中，通過(guò)使用在此講述的銅CMP漿液而完成銅雙嵌互連。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照具體實(shí)施方案進(jìn)行了描述和說(shuō)明，但是不應(yīng)認(rèn)為那些用于說(shuō)明的實(shí)施方案是對(duì)本發(fā)明的限制。那些本領(lǐng)域的熟練人員應(yīng)能認(rèn)識(shí)到在不超出本發(fā)明的精神和范圍的條件下可以進(jìn)行改進(jìn)和變化。例如，此處所討論的厚度很可能隨時(shí)間發(fā)生收縮正如石印片尺寸收縮和技術(shù)進(jìn)步。也可使用其它沉積方法如低壓CVD(LPCVD)、等離子增強(qiáng)CVD(PECVD)、物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)鍍、濺射等以形成此處的各種層。除H2O2以外的其它氧化劑也可使用，此處的氧化劑可以是任何能氧化銅的化學(xué)藥品。因此，本發(fā)明包括所有權(quán)利要求范圍內(nèi)的變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1．一種化學(xué)機(jī)械拋光漿液(24)，其特征在于，一種氧化劑在0.2wt％至5wt％；一種羧酸鹽在0.2wt％至20wt％；以及一種磨料漿液在1.0wt％至12wt％。
2．一種拋光在集成電路(10)上的銅層(22)的方法，其特征在于，包括下列步驟形成一層具有頂表面的電介質(zhì)層(20)；形成在該電介質(zhì)層(20)上的開(kāi)口；形成一層其特征在于銅(22)在開(kāi)口內(nèi)并覆蓋該電介質(zhì)層的頂表面的層；以及用漿液(24)拋光其特征在于銅(22)的該層，該漿液的特征在于一種氧化劑、一種檸檬酸鹽、一種磨料漿液以及一種溶劑，其中其特征在于銅覆蓋該電介質(zhì)層頂表面的該層的一部分被清除并且該層的一部分的特征在于銅殘留在該開(kāi)口處。
3．一種拋光在集成電路(10)上的銅層(22)的方法，其特征在于，包括下列步驟形成第一電介質(zhì)層(16)；在該第一電介質(zhì)層上形成浸蝕終止層(18)；在該浸蝕終止層上形成第二電介質(zhì)層(20)，其中第二電介質(zhì)層具有一層頂表面；穿過(guò)該第一電介質(zhì)層形成一個(gè)通道(via)；穿過(guò)該第二電介質(zhì)層形成互連溝槽，其中該通道(via)在該互連溝槽的下面；在該互連溝槽和該通道(via)內(nèi)形成一層阻擋層；形成一層其特征在于銅(22)在該互連溝槽內(nèi)、在該通道(via)內(nèi)、在該第二電介質(zhì)層頂表面上、以及在該阻擋層上的層；以及用漿液(24)拋光其特征在于銅的該層，該漿液的特征在于一種氧化劑、一種檸檬酸鹽、一種磨料漿液、一種三唑衍生物、以及一種溶劑，其特征在于銅的該層的一部分殘留在該通道(via)和該互連溝槽中，而其特征在于銅覆蓋該第二電介質(zhì)層頂表面的該層的一部分被清除。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)一層銅層(22)的方法,開(kāi)始于形成該銅層(22)。而后將該銅層(22)暴露于一種漿液(24)。該漿液(24)含有一種氧化劑如H
文檔編號(hào)C09K3/14GK1223308SQ9812098
公開(kāi)日1999年7月21日 申請(qǐng)日期1998年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月20日
發(fā)明者D·瓦茨, R·巴加吉, S·達(dá)斯, J·法卡斯, C·丹格, M·福里曼, J·A·薩拉維亞, J·戈邁茲, L·B·庫(kù)克 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司