专利名称：Cmp方法
技术领域：
本发明涉及化学机械研磨(CMP)具有含铜金属层的基板的方法。
背景技术：
在某些环境下，导电材料的树枝晶体和/或纳米颗粒可在半导体器件的制造期间形成于金属或其他导电材料互连(interconnect)之间。举例而言，在铜线是由镶嵌过程形成的情况下，利用研磨步骤来平面化拥有镶嵌形成的线的层的表面。通常，该研磨步骤涉及掺入研磨化合物和/或化学物质的浆液或溶液。因此，该研磨过程将产生被研磨掉的材料的小颗粒，这些小颗粒仍将悬浮于该浆液中。因此，经研磨的互连将浸没于导电颗粒悬浮于其中的浆液中。在某些情况下，电压电位可横跨某些或所有互连上出现。此电压电位与浆液中与互连有关的化学活性一起可能引起在这些互连中的至少一个上形成导电材料的树枝晶体。 另外，此树枝晶体可朝向另一互连生长且最终与另一互连构成电接触。该树枝晶体朝向其生长的互连将具有与产生该树枝晶体的互连的电压电位相反的电压电位。在每一互连上驱动该树枝晶体生长的电压电位是由(例如)互连所连接至的器件的结构产生的，且可不必直接与在该组件的表面处的过程相关。一种树枝晶体生长控制电路公开于美国专利第7，109，584号中。该控制树枝晶体生长的解决方案需要在半导体器件中安装额外的电路。美国专利第6，218，290号通过在CMP之后以化学方法除去半导体器件的表面的一部分来提供树枝晶体形成的解决方案。
发明内容
本申请公开了一种研磨基板的方法，该方法包括以下步骤将具有至少一个含铜金属层的基板与化学机械研磨组合物接触。该CMP组合物包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、包括聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸在内的有机酸、腐蚀抑制剂及液体载体。磨耗(abrade) 该金属层中的铜的一部分以研磨该基板。第二 CMP组合物接触该经磨耗的基板，该第二组合物包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、腐蚀抑制剂及液体载体。该第二组合物无丙烯酸酯 (acrylates)。通过磨耗除去任何可能已形成在该基板上的树枝晶体。一种替代方法包括以下步骤将包括至少一个含铜金属层的基板与连续供应的化学机械研磨组合物接触及磨耗。该CMP组合物最初包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、包括聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的有机酸、腐蚀抑制剂及液体载体。在磨耗期间将有机酸的量降至零，由此减少在该基板上的树枝晶体的形成。设计本申请的说明性方面以解决本文描述的问题和/或其他未论述的问题。
根据以下对本申请的各种方面的详细描述，结合描绘本申请的各种实施方式的附图，将会更加容易理解本申请的这些及其他特征，附图中图1为用于阐明树枝晶体生长的半导体器件的图示。图2为用于实施本发明的装置的实施方式的示意图。图3(a)显示在常规CMP过程中的树枝晶体形成，且图3(b)显示在本发明的过程的实施方式中的树枝晶体形成。应注意，本申请的附图未按比例绘制。这些附图意欲仅描绘本申请的典型方面，因此不应视为限制本申请的范围。
具体实施例方式本发明的实施方式涉及(例如)一种在半导体制造期间用于最小化或防止互连之间的树枝晶体生长的方法。由镶嵌方法形成的铜(Cu)互连易发生电化学反应，该镶嵌方法包括化学机械研磨(CMP)过程。树枝晶体形成是Cf2离子在带负电荷的位置上的电化学再沉积。现代CMP浆液使用含有丙烯酸酯的有机酸来控制CMP速率及材料的选择性。聚合物以不同浓度吸附至不同材料，从而改变表面电位及与研磨颗粒的静电相互作用。图1为半导体器件100的图示且用于阐明树枝晶体生长的机制。半导体器件100 包括其中具有N-阱40的基板42。P+触点观形成于基板42中且N+触点32形成于N-阱 40及基板42中。诸如Ta或TaN的扩散阻挡层显示为50。半导体器件100包括通向互连 12的金属线22，金属线22连接至N+触点32。互连14经由金属线20连接至P+触点28。 这些部件全部使用在本领域中熟知的标准制造过程来形成，因而理解和实施本发明无需该制造过程的详细论述。在这些及其他实例中，该半导体结具有等于互连14与互连12间的电位差的驱动力。因此，在界面41的N-阱40侧上产生负电荷及在界面41的基板42侧上产生正电荷， 形成了电荷。负电荷可将其自身沿着电流路径分布，该电流路径通过N-阱40、N+触点32、 第二金属线20至第二互连14。另外，可允许正电荷将其自身沿着电流路径分布，该电流路径沿着基板42、P+触点观、第一金属线22及第一互连12。随着在半导体结41处产生电荷， 且允许电荷沿着这些电流路径自由移动，分别在第一互连12及第二互连14处收集到相反的电荷。随着在第一互连12及第二互连14处收集到电荷，当正在研磨该半导体器件时可在互连12上形成树枝晶体10。树枝晶体10是由CMP溶液在带负电荷的互连12处沉淀出 Cu+2离子而形成的。本发明的实施方式提供控制此事件的一种方法。以下成分用于CMP溶液氧化剂、研磨剂、表面活性剂、诸如聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的有机酸及腐蚀抑制剂。将这些成分分散于液体载体中。已发现，在电化学驱动力存在的情况下，该有机酸的聚丙烯酸酯促进树枝晶体在金属/介电表面上形成。不应受理论所局限，据认为CMP组合物提供含有Cu+2离子的聚合层(这些离子在该层的表面上积聚) 且提供用于树枝晶体沉积及生长的来源。此过程通过在该表面上吸引Cf2离子的负电位来加速且此吸引在聚丙烯酸存在的情况下更强烈。本发明的实施方式包括一种研磨基板的方法，该方法包括以下步骤将具有至少一个含铜金属层的基板与化学机械研磨组合物接触。该CMP组合物包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、包括聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的有机酸、腐蚀抑制剂及液体载体。该金属层中的铜的一部分经磨耗以研磨该基板。第二 CMP组合物接触该经磨耗的基板，该第二组合物包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、腐蚀抑制剂及无有机酸的液体载体。任何可能已形成在该基板上的树枝晶体经由磨耗来加以移除。在一个优选实施方式中，第二 CMP组合物将在总CMP过程的10%与20%之间被使用。最优选的实施方式将是基于总CMP过程时间的15% 使用第二 CMP组合物。本发明的一个替代方法包括以下步骤将包括至少一个含铜的金属层的基板与连续供应的化学机械研磨组合物接触并磨耗。图2为实施此方法的方式的示意图。该CMP组合物包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、包括聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的有机酸、腐蚀抑制剂及液体载体。此组合物由如图所示的组件20储存或供应。包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、腐蚀抑制剂及无丙烯酸酯的液体载体的第二 CMP组合物由组件22储存或供应。在磨耗期间使用阀门25将有机酸的量降至零，阀门25自供应20切换至供应22来将浆液输送至压板27以用于研磨基板或晶片(wafer) 28。若有需要，用于提供额外水的水输送管线显示于四中。使用此方法来减少树枝晶体在基板上的形成。本发明的CMP溶液的实施方式包括研磨剂。该研磨剂可为任何适合的形式(例如， 研磨颗粒)。该研磨剂通常为微粒形式且悬浮于液体载体中。研磨剂以及悬浮于液体载体中的任何其他成分形成CMP系统的研磨组合物。研磨剂通常具有约IOOnm或更大(例如，约105nm或更大、约IlOnm或更大、或甚至约120nm或更大)的平均初级粒径(mean primary particle size)。通常，该研磨剂具有约500nm或更小(例如，约250nm或更小或甚至约200nm或更小)的平均初级粒径。优选地，该研磨剂具有约IOOnm至约250nm(例如，约105nm至约180nm)的平均初级粒径。该研磨剂可基本上无聚集的研磨颗粒以使得平均粒径大约与平均初级粒径相同。该研磨剂可为任何适合的研磨剂，例如，无机金属氧化物研磨剂，其选自由以下组成的组氧化铝(例如， α -氧化铝、Y -氧化铝、δ -氧化铝及熔融氧化铝(fumed alumina))、二氧化硅(例如，胶状分散型缩聚二氧化硅、沉淀二氧化硅、火成二氧化硅)、二氧化铈、二氧化钛、氧化锆、氧化锗、氧化镁、其共同形成的产物及其组合。该金属氧化物研磨剂可静电涂布带相反电荷的聚电解质。该研磨剂也可包含交联的聚合物研磨剂。优选地，该研磨剂为二氧化硅研磨剂或涂覆聚电解质的氧化铝研磨剂(例如，涂覆聚苯乙烯磺酸的氧化铝研磨剂)。当研磨诸如铜的软金属层时尤其需要二氧化硅研磨剂及涂覆聚合物的氧化铝研磨剂，这些软金属层易于受到诸如氧化铝研磨剂的硬研磨剂刮擦。该研磨剂通常具有约 20nm或更大(例如，约30nm或更大或甚至约50nm或更大)的平均初级粒径。该平均原始粒径优选为约1微米或更小(例如，约500nm或更小)。第二实施方式中的研磨剂另外可具有第一实施方式中的研磨剂的特性，且第一实施方式中的研磨剂另外可具有第二实施方式中的研磨剂的特性。本文描述的研磨剂是胶体稳定的。CMP组合物通常包含基于液体载体及溶解或悬浮于其中的任何成分重量的约0. 1重量％至约20重量％ (例如，约0. 5重量％至约15重量％或约1重量％至约10重量％ )的研磨剂。本发明的实施方式中的CMP组合物或溶液中的表面活性剂用于促进润湿。为达成本发明的目的，表面活性剂可为辛基硫酸钠、月桂基硫酸铵或月桂基硫酸钠。研磨系统通常包含基于液体载体及溶解或悬浮于其中的任何化合物重量的约0.1重量％或更少的表面活性剂。优选地，该研磨系统包含基于液体载体及溶解或悬浮于其中的任何化合物重量的约0.001重量％至约0.06重量％ (例如，约0.01重量％至约0.04重量％)的表面活性剂。化学氧化剂可为任何适合的氧化剂。适合的氧化剂包括无机过化合物及有机过化合物、溴酸盐、硝酸盐、氯酸盐、铬酸盐、碘酸盐、铁盐及铜盐(例如，硝酸盐、硫酸盐、乙二胺四乙酸(EDTA)及柠檬酸盐)、稀土及过渡金属氧化物(例如，四氧化锇)、铁氰化钾、重铬酸钾、碘酸等等。过化合物(如由Hawley' s Condensed Chemical Dictionary所定义)为含有至少一个过氧基(-0-0-)的化合物或含有处于其最高氧化态的元素的化合物。含有至少一个过氧基的化合物的实例包括但不限于过氧化氢及其加成物，诸如，尿素过氧化氢及过碳酸盐，有机过氧化物，诸如，过氧化苯甲酰、过乙酸及二叔丁基过氧化物、单过氧硫酸盐 (SO52-)、二过氧硫酸盐(S2O82-)及过氧化钠。含有处于其最高氧化态的元素的化合物的实例包括但不限于过碘酸、过碘酸盐、过溴酸、过溴酸盐、过氯酸、过氯酸盐、过硼酸、过硼酸盐及过锰酸盐。氧化剂优选地包括过氧化氢。CMP组合物通常包含基于液体载体及溶解或悬浮于其中的任何化合物重量的约0. 1重量％至约15重量％ (例如，约0. 2重量％至约10 重量％、约0. 5重量％至约8重量％或约1重量％至约5重量％ )的氧化剂。在初始CMP组合物中的有机酸包括聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸。用于研磨系统中的有机酸的量通常为约0. 01重量％至约5重量％，优选为约0. 05重量％至约3重量％。腐蚀抑制剂(即，成膜剂)或钝化剂可为任何适合的腐蚀抑制剂。通常，该腐蚀抑制剂为含有含杂原子的官能团的有机化合物。举例而言，腐蚀抑制剂可包括具有作为活性官能团的至少一个5元或6元杂环的杂环有机化合物，其中该杂环含有至少一个氮原子，例如，唑化合物。优选地，该腐蚀抑制剂包括三唑；更优选地，该腐蚀抑制剂包括1，2，4_三唑、 1，2，3-三唑或苯并三唑。用于研磨系统中的腐蚀抑制剂的量通常为约0. 0001重量％至约 3重量％，优选为约0. 001重量％至约2重量％。液体载体用于促进将研磨剂及溶解或悬浮于其中的任何成分涂覆于待研磨(例如，平面化)的适合基板的表面。该液体载体通常为含水载体且可以是单独的水，可包含水及适合的水混溶性溶剂，或可为乳液。适合的水混溶性溶剂包括诸如甲醇、乙醇等醇类。优选地，该含水载体由水组成，更优选地由去离子水组成。研磨组合物可具有任何适合的pH值，例如，研磨组合物可具有约2至约12的pH 值。通常，研磨组合物具有约3或更高(例如，约5或更高，或约7或更高)的pH值且具有约12或更小(例如，约10或更小)的pH值。CMP系统任选地可进一步包含其他成分。这些其他成分可包括(例如)络合剂或螯合剂、杀生物剂、消泡剂等等。该络合剂或螯合剂是任何适合的化学添加剂，其可增强被移除的基板层的移除速率。适合的螯合剂或络合剂可包括(例如)羰基化合物(例如，乙酰丙酮化物等等)、二元醇、三元醇或多元醇(例如，乙二醇、邻苯二酚、邻苯三酚、鞣酸等等)及含胺化合物(例如， 氨、氨基酸、氨基醇、二胺、三胺及多元胺等等)。螯合剂或络合剂的选择将取决于在利用研磨组合物来研磨基板的过程中被移除的基板层的类型。用于研磨系统中的络合剂的量通常为约0. 1重量％至约10重量％，优选为约1重量％至约5重量％。杀生物剂可为任何适合的杀生物剂，例如，异噻唑啉酮杀生物剂。用于研磨系统中的杀生物剂的量通常为约Ippm至约50ppm，优选为约IOppm至约20ppm。消泡剂可为任何适合的消泡剂。举例而言，该消泡剂可为聚二甲基硅氧烷聚合物。存在于研磨系统中的消泡剂的量通常为约40ppm至约140ppm。CMP组合物任选地可进一步包含一种或多种成分，诸如pH调整剂、调节剂或缓冲剂等等。适合的PH调整剂、调节剂或缓冲剂可包括(例如)氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、 碳酸钠、碳酸钾、硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、柠檬酸、磷酸钾、其混合物等等。在常规CMP过程中，将含有苯并三唑的腐蚀抑制剂或钝化剂、表面活性剂、氧化剂、包括液体载体的研磨剂及聚丙烯酸的丙烯酸酯的CMP组合物用于研磨基板。如图3(a) 中清楚地所示，树枝晶体或纳米颗粒将是清晰可见的。在利用初始CMP组合物研磨之后，使用无丙烯酸酯的第二 CMP组合物。图3(b)显示使用所述的两步过程研磨的相同基板，很明显在该基板上无树枝晶体。本文中使用的术语仅为描述特定实施方式且不是意在限制本申请。如本文中所使用，除非本文清楚地说明不是这样，否则单数形式“一”及“该”意欲也包括复数形式。应进一步理解，当术语“包含”和/或“包括”用于本说明书时，这些术语具体说明所述特征、整数、步骤、操作、组件和/或成分的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、 组件、成分和/或其组的存在或添加。在以下权利要求中的所有手段或步骤加功能组件的相应结构、材料、动作及等效物意欲包括用于与具体请求保护的其他组件组合行使功能的任何结构、材料或动作。本申请的描述已为了说明及描述的目的而呈现，但不意欲穷举或限于公开形式的公开内容。在不脱离本申请的范围及精神的情况下，许多修改及变化对于本领域普通技术人员而言将是显然的。该实施方式经选择及描述以最佳地阐明本申请的原理及实际应用，且使本领域其他普通技术人员能够理解用于具有适合于预期的特定应用的各种修改的各种实施方式的公开内容。
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权利要求
1.一种研磨基板的方法，其包括以下步骤(i)将包含至少一个含铜的金属层的基板与第一化学机械研磨组合物接触，该组合物包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、包括聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的有机酸、腐蚀抑制剂及液体载体；( )磨耗该含铜金属层的至少一部分以研磨该基板；(iii)用第二无丙烯酸酯的化学机械研磨组合物接触来自步骤(ii)的经磨耗的基板， 该第二化学机械研磨组合物包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、腐蚀抑制剂及液体载体； 及(iv)通过磨耗除去可能已形成在该基板上的树枝晶体。
2.如权利要求1的方法，其中在所述第一组合物及所述第二组合物中的所述研磨剂选自由以下组成的组氧化铝、二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛、氧化锆、氧化锗、氧化镁及其组合。
3.如权利要求1的方法，其中在所述第一组合物及所述第二组合物中的所述研磨剂具有约105nm至约180nm的平均粒径。
4.如权利要求1的方法，其中在所述第一组合物及所述第二组合物中的所述表面活性剂包括辛基硫酸钠、月桂基硫酸铵或月桂基硫酸钠。
5.如权利要求1的方法，其中在所述第一组合物及所述第二组合物中的所述氧化剂选自由以下组成的组无机过化合物、有机过化合物、溴酸盐、硝酸盐、氯酸盐、铬酸盐、碘酸盐、铁盐、铜盐、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物、铁氰化钾、重铬酸钾及碘酸。
6.如权利要求1的方法，其中所述第一组合物及所述第二组合物的所述液体载体包含水。
7.如权利要求1的方法，其中在所述第一组合物及所述第二组合物中的所述腐蚀抑制剂选自由以下组成的组苯并三唑、5-甲基苯并三氮唑、1，2，3-三唑、1，2，4-三唑及其组合。
8.如权利要求1的方法，其中所述第一组合物具有约3或更高的pH值。
9.如权利要求1的方法，其中用第二无丙烯酸酯的化学机械研磨组合物接触来自步骤 ( )的经磨耗的基板的步骤占该方法的总时间的10%与20%之间。
10.一种研磨基板的原位方法，该方法包括以下步骤将包含至少一个含铜的金属层的基板与连续供应的化学机械研磨组合物接触，该化学机械研磨组合物磨耗该金属层的至少一部分，其中该化学机械研磨组合物最初包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、包括聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的有机酸、腐蚀抑制剂及液体载体； 及将该组合物中的有机酸的量降至零，由此减少在该基板上树枝晶体的形成。
11.如权利要求10的方法，其中所述研磨剂选自由以下组成的组氧化铝、二氧化硅、 二氧化铈、二氧化钛、氧化锆、氧化锗、氧化镁及其组合。
12.如权利要求10的方法，其中所述研磨剂选自由以下组成的组氧化铝、二氧化硅、 二氧化铈、二氧化钛、氧化锆、氧化锗、氧化镁及其组合。
13.如权利要求10的方法，其中所述研磨剂具有约105nm至约180nm的平均粒径。
14.如权利要求10的方法，其中所述表面活性剂包括辛基硫酸钠、月桂基硫酸铵或月桂基硫酸钠。
15.如权利要求10的方法，其中所述氧化剂选自由以下组成的组无机过化合物、有机过化合物、溴酸盐、硝酸盐、氯酸盐、铬酸盐、碘酸盐、铁盐、铜盐、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物、铁氰化钾、重铬酸钾及碘酸。
16.如权利要求10的方法，其中所述液体载体包含水。
17.如权利要求10的方法，其中所述腐蚀抑制剂选自由以下组成的组苯并三唑、5-甲基苯并三氮唑、1，2，3-三唑、1，2，4-三唑及其组合。
18.如权利要求10的方法，其中所述组合物具有约3或更高的pH值。
19.如权利要求10的方法，其中所述组合物进一步包含螯合剂、杀生物剂及消泡剂。
20.如权利要求10的方法，其中所述组合物进一步包含pH调整剂、调节剂或缓冲剂。
全文摘要
本发明为一种研磨基板的方法，该方法包括以下步骤将具有至少一个含铜金属层的基板与化学机械研磨组合物接触。该CMP组合物包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、包括聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸在内的有机酸、腐蚀抑制剂及液体载体。磨耗该金属层中的铜的一部分以研磨该基板。第二CMP组合物接触该经磨耗的基板，该第二无丙烯酸酯的组合物包含研磨剂、表面活性剂、氧化剂、腐蚀抑制剂及液体载体。通过磨耗除去任何可能已形成在该基板上的树枝晶体。
文档编号C09G1/02GK102341896SQ201080010689
公开日2012年2月1日 申请日期2010年2月19日 优先权日2009年3月31日
发明者E·J·怀特, E·沙, G·M·巴斯, M·T·蒂尔奇, T·L·麦克德维特 申请人:国际商业机器公司