铝或铝合金导电材料层的机械化学抛光方法

专利名称：铝或铝合金导电材料层的机械化学抛光方法
技术领域：
本发明涉及铝或铝合金导电材料层的机械化学抛光方法，其中所述铝或铝合金在微电子半导体工业中用作构成互连线迹材料。
在硅切片上制作的电子器件必须采用互连线迹相互连接，以形成所需的电子电路。目前这些互连线迹主要是由铝基薄膜形成的。铝可以和少量硅或(和)铜结合以提高抵抗电迁移的能力。
通常按以下顺序形成半导体的互连线迹通过电子束或离子束(溅射)轰击铝或铝合金靶材来淀积约1微米厚的铝或铝合金膜；通过光刻然后采用反应离子刻蚀(RIE)将互连电路图案转移到膜上。这样形成的线迹必须相互绝缘，上面还覆盖一层介电材料，该介电材料通常是二氧化硅基的，一般是通过汽相四乙氧基硅烷(TEOS)的分解获得的。然后通过机械化学抛光对该层进行平面化。
镶嵌(damascene)工艺是另一选择，它能采用铝制成互连线迹，同时减少所需工艺步骤数目。该工艺为在衬底上淀积二氧化硅基介电层。在该介电层中，然后采用两次光刻和随后的反应离子刻蚀形成复制了互连电路图案的接触孔和沟槽。然后淀积铝或铝合金层，对其进行机械化学抛光直至露出介电层表面。因此，铝仅存在于接点和沟槽中。
镶嵌工艺避免了对铝进行反应离子刻蚀所带来的问题铝刻蚀时与其树脂对掩膜相比选择性差和难以控制铝线迹的外形。
对铝或铝合金层进行机械化学抛光必须避免两个问题-侵蚀次相邻的二氧化硅层，也称为腐蚀。这造成局部凸起，对平面化所期望的目的不利。
-沟槽中的互连线发生过度抛光，也称为“凹陷化或盘形化(dishing)”。该现象不仅形成凸起物，而且还减小了互连线的厚度，因而增大了其电阻。
这两个现象主要是因为铝或铝合金的抛光均匀性差的缘故。事实上，对金属层的去除不完全一般要求显著的过度抛光，以避免不同电子器件之间发生任何电连接的危险，这会造成互连线和已经露出的介电区的过度抛光。
因此，铝抛光步骤应不仅均匀而且应形成优良的表面状态。事实上，铝是柔软和可锻的金属，抛光时难于不形成划痕。
划痕主要以两种方式产生-氧化铝，在铝的表面自然形成，它是比铝更硬的材料。一旦被磨掉，该氧化铝层的粒子可聚集一起划伤铝的表面。因此，必须使用能使表面铝氧化物的形成最少和/或避免磨掉的铝氧化物粒子附聚的磨料组合物，-构成磨料组合物的粒子若其形状和粗糙度未得到适当控制也会划伤铝表面，这使得采用二氧化硅的胶体悬浮体比基于汽相法二氧化硅或铝氧化物的磨料更为有利。
EP-A-0 779 655公开了使用用于抛光铝或铝合金表面的包含汽相法二氧化硅的悬浮体的磨料组合物。
WO-A-97/13889描述采用包含氧化铝粒子悬浮体的研磨液抛光铝、铜、镍或钽薄膜的工艺。
在制造电子电路的一个非常上游的不同阶段，EP-A-0 520 109描述了使用一种组合物用于硅沟槽的初步抛光工艺，其中该组合物包括由氢氧化铵稳定的二氧化硅胶体溶液、一种季铵碱类杀菌剂和不超过0.1wt％亚氯酸盐或次氯酸钠。
在制造电子电路的另一不同阶段，EP-A-0853335描述采用改性浆液在二氧化硅层和氮化硅层之间进行选择性抛光的方法，该浆液是通过将四甲基铵盐、一种碱和过氧化氢与一种浆液(其中浆液与过氧化氢体积比高，尤其是200～500比1)混合而制得。
EP-A-0 896 042描述了一种机械化学抛光组合物，它包括一种能攻击钨的化合物如过氧化氢和至少一种钨攻击抑制剂如氢氧化四烷基铵，并且其pH小于7。
目前已知的用于抛光铝或铝合金的磨料，基本上是氧化铝或汽相法二氧化硅基磨料，不能获得满意的表面质量。
本申请人现已令人惊奇且出人意料地发现，使用由氢氧化四烷基铵稳定的且结合了一种氧化剂的胶体二氧化硅碱性水悬浮体可获得-增大的铝或铝合金板的抛光速度，-优异的铝表面质量。
因此，本发明的目的是提供机械化学抛光在微电子半导体工业中使用的铝或铝合金导电材料层的方法，其特征在于采用一种磨料组合物研磨所述材料的层，该组合物包含相互之间不以硅氧烷键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的碱性水悬浮体、一种氢氧化四烷基铵和一种氧化剂。
根据本申请人的研究工作，氧化剂对改进本发明磨料组合物的抛光性质起作用，而氢氧化四烷基铵用于稳定所述组合物。
根据本发明的磨料组合物，其pH为8-12，优选10.5-11。
例如可采用以钠稳定的二氧化硅胶体溶液制备这些磨料组合物。这样在离子交换树脂上处理该二氧化硅胶体溶液以去除存在的钠，然后用氢氧化四甲基铵处理以获得作为本发明主题的稳定的碱性水悬浮体。
根据本发明可有利地使用的磨料组合物，是采用相互之间不以硅氧烷键连接的分立粒子形式的胶体二氧化硅制备的，所述粒子的平均粒径为12-100纳米，优选为35-50纳米，并尤其具体为约50纳米。
在所有根据本发明使用的组合物中，有利的是磨料粒子的重量浓度为5％-50％，优选为25％-35％，尤其具体为约30％的浓度。
用于稳定根据本发明的磨料组合物的氢氧化四烷基铵选自氢氧化四甲基铵、氢氧化四乙基铵、氢氧化四丙基铵和尤其是氢氧化四甲基铵。
氢氧化四烷基铵使用的优选浓度为相对于初始二氧化硅的0.1wt％-1wt％，尤其是相对于初始二氧化硅的约0.4wt％的浓度。
本发明中使用的磨料组合物优选含0.5-10％体积的氧化剂。它可选自氯酸盐、高氯酸盐、亚氯酸盐、碘酸盐、硝酸盐、硫酸盐、过硫酸盐、过氧化物、臭氧处理水和过氧化氢。
氧化剂优选是过氧化氢。上述一个优选的组合物的特征是稀释至30％的过氧化氢存在于所述组合物中的量相对于所述磨料组合物的总量为0.5-10％体积，尤其是相对于所述磨料组合物总量的约7.5％体积。
在本发明中使用的组合物具有明显的性质，以确保其在抛光铝或铝合金基导电材料(例如铝-铜合金或铝-硅-铜合金)的层时的应用。
本申请另一目的是用于对在微电子半电体工业中使用的铝或铝合金导电材料层机械化学抛光的磨料，其特征在于它含一种磨料组合物，该组合物包括相互之间不以硅氧烷键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的碱性水悬浮体、氢氧化四烷基铵和一种氧化剂。
最后，本申请的一个目的是一种磨料组合物在机械化学抛光在微电子半导体工业中使用的铝或铝合金导电材料中的用途，该组合物包括相互之间不以硅氧烷键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的碱性水悬浮体、一种氢氧化四烷基铵和一种氧化剂。
使用上述抛光方法的优选条件也适用于上述本发明的其它目的。
通过参考以下旨在解释本发明优点的实施例可更好地理解本发明的范围。实施例1磨料组合物将7.5％体积的稀释至30％的过氧化氢添加到由0.4wt％的氢氧化四甲基铵(Clariant France SA制造的样品PL 1509)稳定的胶体二氧化硅悬浮体中，该悬浮体的特征为-水悬浮体的pH11-比表面积55m2/g-胶体二氧化硅单个粒子平均直径50nm-胶体二氧化硅的重量浓度 30％
由此获得本发明的磨料组合物。实施例2机械化学抛光的实施例在每个所研究的板上，在1600埃的二氧化硅层上淀积10000埃厚的铝。
然后，在下列抛光条件下，在PRESI E460抛光机上抛光所述切片-施加压力 0.2daN/cm2-转盘速度 30rpm-磨头速度(head spped)30rpm-磨料温度 20℃-磨削速率 100cm3/分钟-织物 由Rodel Products购得的IC1000沟纹。
使用实施例1中得到的磨料。
该磨料组合物可获得以下结果-对铝的抛光速度为1700埃/分钟，-优良的表面状态(光学显微镜下观察不到划痕)-抛光不均匀性等于8％。对比例1不添加过氧化氢，采用与实施例1相同磨料的机械化学抛光的例子。
采用与实施例2相同的切片，在与实施例2相同的操作条件下，采用由0.4wt％氢氧化四甲基铵稳定的胶体二氧化硅的碱性水悬浮体，并且该悬浮体特征如下-水悬浮体的pH 11-比表面积 55m2/g-胶体二氧化硅单个粒子平均直径 50nm-胶体二氧化硅的重量浓度 30％获得以下结果-对铝的抛光速度1450埃/分钟，
-抛光不均匀性等于15％。
此外，该悬浮体在铝的表面产生无数划痕。
这样差的表面质量使得不能采用镶嵌方法使用本工艺在铝上制造互连线迹。对比例2使用包含由1.2wt％NH3稳定的胶体二氧化硅的碱性水悬浮体(来自Clariant France SA的Klebosol30N 50PHN)并包含7.5％体积的稀释至30％的过氧化氢的磨料，进行机械化学抛光的例子。
使用与实施例2相同的切片，并在与实施例2相同的操作条件下，采用由1.2wt％的NH3稳定的胶体二氧化硅的碱性水悬浮体，该悬浮体的特征为-水悬浮体的pH 11-比表面积 57m2/g-胶体二氧化硅单个粒子平均直径 50nm-胶体二氧化硅的重量浓度30％向其中添加7.5％体积的稀释至30％的过氧化氢，获得以下结果-对铝的抛光速度为1600埃/分钟，-抛光不均匀性等于10％。
然而，它在铝表面上产生无数划痕。
这样因表面状态差，就不能使用利用镶嵌法在铝上制造互连线迹的本工艺。对比例3采用包含胶体二氧化硅的酸性水悬浮体(来自Clariant France SA的Klebosol30H 50)和7.5％体积的稀释至30％的过氧化氢的磨料进行机械化学抛光的例子。
使用与实施例2相同的切片，在与实施例2相同的操作条件下，采用胶体二氧化硅的酸性水悬浮体，并且该悬浮体的特征为-该水悬浮体的pH 2.2-比表面积54m2/g
-胶体二氧化硅单个粒子平均直径50nm-胶体二氧化硅的重量浓度 30％向其中加入7.5％体积的稀释至30％的过氧化氢，在铝表面上产生无数划痕。
这样因表面状态差，故而不能采用利用镶嵌法在铝上制造互连线迹的本工艺。
权利要求
1.在微电子半导体工业中使用的铝或铝合金导电材料层的机械化学抛光方法，其特征在于使用一种磨料组合物抛光所述铝或铝合金层，其中该磨料组合物包含相互之间不以硅氧烷键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的碱性水悬浮体、一种氢氧化四烷基铵和一种氧化剂。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述的相互之间不以硅氧键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的碱性水悬浮体的pH为8～12。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述的相互之间不以硅氧烷键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的碱性水悬浮体的pH为10.5～11。
4.根据权利要求1-3中之一项的方法，其特征在于所述组合物中分立的胶体二氧化硅研磨粒子平均粒径为12-100纳米。
5.根据权利要求1-4中之一项的方法，其特征在于所述组合物中胶体二氧化硅研磨粒子的平均粒径为35-50纳米。
6.根据权利要求1-5中之一项的方法，其特征在于所述组合物中磨料粒子的重量浓度为5％-50％。
7.根据权利要求1-6中之一项的方法，其特征在于所述组合物中磨料粒子的重量浓度为25％-35％。
8.根据权利要求1-7中之一项的方法，其特征在于用于相互之间不以硅氧烷键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的稳定剂是氢氧化四甲基铵、氢氧化四乙基铵或氢氧化四丙基铵。
9.根据权利要求1-8中之一项的方法，其特征在于氢氧化四烷基铵的量相对于起始二氧化硅为0.1wt％-1wt％。
10.根据权利要求1-9中之一项的方法，其特征在于氢氧化四烷基铵的量相对于起始二氧化硅为约0.4wt％。
11.根据权利要求1-10中之一项的方法，其特征在于所述氧化剂选自氯酸盐、高氯酸盐、亚氯酸盐、碘酸盐、硝酸盐、硫酸盐、过硫酸盐、过氧化物、臭氧处理水和过氧化氢。
12.根据权利要求1-11中之一项的方法，其特征在于所述氧化剂是过氧化氢。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于稀释至30％的过氧化氢在所述磨料组合物中的量为所述磨料组合物总量的0.5％-10％体积。
14.根据权利要求12和13的方法，其特征在于稀释至30％的过氧化氢在所述磨料组合物中的量为所述磨料组合物总量的约7.5％体积。
15.机械化学抛光在微电子半导体工业中使用的铝或铝合金导电材料的磨料，其特征在于它含有一种磨料组合物，该组合物包含相互之间不以硅氧烷键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的碱性水悬浮体、一种氢氧化四烷基铵和一种氧化剂。
16.一种磨料组合物用于机械化学抛光在微电子半导体工业中使用的铝或铝合金导电材料的用途，该组合物包含相互之间不以硅氧烷键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的碱性水悬浮体、一种氢氧化四烷基铵和一种氧化剂。
全文摘要
本发明涉及在微电子半导体工业中使用的铝或铝合金导电材料层的机械化学抛光方法,其中使用一种磨料组合物研磨所述铝或铝合金层,该磨料组合物包括相互之间不以硅烷键连接的分立的胶体二氧化硅粒子的碱性水悬浮体、氢氧化四烷基铵和氧化剂。
文档编号B24B37/00GK1264636SQ00102240
公开日2000年8月30日 申请日期2000年2月18日 优先权日1999年2月18日
发明者E·杰克奎恩特, P·莱托尼奥, M·里瓦尔 申请人:科莱恩(法国)公司