用于铜和硅通孔(TSV)的化学机械平面化(CMP)的制作方法

本发明一般地涉及半导体晶片的化学机械平面化或化学机械抛光(cmp)。更具体地，本发明涉及用于广泛或先进节点铜和/或硅通孔(tsv)cmp应用的高和可调的cu膜去除速率及低cu静态蚀刻速率。

背景技术：

1、由于其低电阻率、高可靠性和可扩展性，铜是用于制造集成电子器件的互连金属的当前选择材料。铜化学机械平面化工艺是从嵌入的沟槽结构去除铜覆盖层同时以低金属损失实现整体平面化所必需的。

2、随着技术节点的发展，减少金属损失的需要变得越来越重要。任何新的抛光制剂需要保持高去除速率、对阻挡材料的高选择性和低缺陷率，以及低cu静态蚀刻速率。

3、us8,586,481；us8,859,429；us8,877,644；us8,889,555；us20,080,254,628报道了提供高cu去除速率的cu cmp抛光组合物。

4、然而，所公开的抛光组合物不能满足性能要求。

5、因此，对于可提供较高移除速率，同时实现低cu静态蚀刻速率以满足先进技术节点的挑战性要求的cmp组合物、方法及系统存在着迫切需求。

技术实现思路

1、本文描述了为满足先进技术节点中的挑战性要求而开发的cmp抛光组合物、方法和系统。

2、cmp抛光组合物、cmp抛光制剂或cmp抛光浆料在本发明中是可互换的。

3、更具体地说，cmp抛光组合物是基于双重螯合剂的，从而为cu和tsv cmp应用提供高cu去除速率和低cu静态蚀刻速率(static etching rate)。

4、在一个方面，本文中本发明提供了用于铜本体和硅通孔(tsv)的化学机械抛光(cmp)组合物，其包含：

5、a)磨料；

6、b)至少两种螯合剂；和

7、c)氧化剂；

8、d)水；

9、e)至少一种cu静态蚀刻速率降低剂；

10、任选地

11、f)腐蚀抑制剂；

12、g)有机季铵盐；

13、h)杀生物剂；以及

14、i)ph调节剂；

15、其中

16、所述至少两种螯合剂是不同的并且独立地选自氨基酸、氨基酸衍生物及其组合；且

17、所述组合物的ph为3.0至12.0；4.0至9.0；5.0至9.0，或6.0至8.5。

18、在另一方面，本发明提供一种化学机械抛光包含至少一个铜或含铜表面的半导体衬底的方法，其包括以下步骤：

19、1)提供半导体衬底；

20、2)提供抛光垫；

21、3)提供化学机械抛光组合物，其包含

22、a)磨料；

23、b)氧化剂；

24、c)至少两种螯合剂；

25、d)至少一种cu静态蚀刻速率降低剂；和

26、e)水；

27、任选地

28、f)腐蚀抑制剂；

29、g)有机季铵盐；

30、h)杀生物剂；和

31、i)ph调节剂；

32、其中

33、至少两种螯合剂是不同的并且独立地选自氨基酸、氨基酸衍生物及其组合；

34、并且组合物的ph为3.0至12.0；4.0至9.0；5.0至9.0；或6.0至8.5；

35、使半导体衬底与抛光垫和化学机械抛光组合物接触；以及

36、4)抛光半导体衬底；

37、其中该至少一个铜或含铜表面的至少一部分与抛光垫和化学机械抛光组合物两者接触。

38、在又一方面，本发明提供了一种选择性化学机械抛光的方法，其包括以下步骤：

39、1)提供具有至少一个包含第一材料和至少一种第二材料的表面的半导体衬底；

40、2)提供抛光垫；

41、3)提供化学机械抛光组合物，其包含：

42、4)抛光半导体衬底以选择性地去除第一材料；

43、a)磨料；

44、b)氧化剂；

45、c)至少两种螯合剂；

46、d)至少一种cu静态蚀刻速率降低剂；和

47、e)水；

48、任选地

49、f)腐蚀抑制剂；

50、g)有机季铵盐；

51、h)杀生物剂；和

52、i)ph调节剂；

53、其中

54、至少两种螯合剂是不同的并且独立地选自氨基酸、氨基酸衍生物及其组合；并且组合物的ph为3.0至12.0；4.0至9.0；5.0至9.0；或6.0至8.5；

55、抛光半导体衬底以选择性地去除第一材料；

56、其中第一材料的去除速率比第二材料的去除速率等于或大于500:1；1000:1；或3000:1；以及

57、第一材料是铜或含铜材料，和第二材料选自阻挡层材料如ta、tan、ti、tin和sin膜，或介电层材料如teos、低k和超低k膜。

58、在又一方面，本发明提供一种化学机械抛光包含至少一个铜或含铜表面的半导体衬底的系统，其包含：

59、1)半导体衬底；

60、2)抛光垫；和

61、3)化学机械抛光组合物，其包含：

62、a)磨料；

63、b)氧化剂；

64、c)至少两种螯合剂；

65、d)至少一种cu静态蚀刻速率降低剂；和

66、e)水；

67、任选地

68、f)腐蚀抑制剂；

69、g)有机季铵盐；

70、h)杀生物剂；和

71、i)ph调节剂；

72、其中

73、至少两种螯合剂是不同的并且独立地选自氨基酸、氨基酸衍生物及其组合；并且组合物的ph为3.0至12.0；4.0至9.0；5.0至9.0；6.0至8.5；或6.0至8.5；

74、其中至少一个铜或含铜表面的至少一部分与抛光垫和化学机械抛光组合物两者接触。

75、使用的磨料颗粒包括但不限于胶体二氧化硅或高纯度胶体二氧化硅；在胶体二氧化硅的晶格内掺杂其它无机氧化物的胶体二氧化硅颗粒，如氧化铝掺杂的二氧化硅颗粒；胶体氧化铝，包括α-、β-和γ-型氧化铝；胶体和光活性二氧化钛、氧化铈、胶体氧化铈、纳米尺寸的无机金属氧化物颗粒如氧化铝、二氧化钛、氧化锆、二氧化铈等；纳米尺寸的金刚石颗粒、纳米尺寸的氮化硅颗粒；单峰、双峰、多峰胶体磨料颗粒；基于有机聚合物的软磨料、表面涂覆或改性磨料或其它复合颗粒，及其混合物。

76、腐蚀抑制剂包括但不限于在其芳族环中含有氮原子的杂芳族化合物家族，例如1,2,4-三唑、3-氨基-1,2,4-三唑(或称为氨基三唑)、3,5-二氨基-1,2,4-三唑、1,2,3-三唑、苯并三唑和苯并三唑衍生物、四唑和四唑衍生物、咪唑和咪唑衍生物、苯并咪唑和苯并咪唑衍生物、吡唑和吡唑衍生物及四唑和四唑衍生物。

77、杀生物剂包括但不限于来自dow-dupont的kathontm、kathontm cg/icp ii、neolone、bioban。它们具有5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮和/或2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮的活性成分。

78、cu静态蚀刻降低剂包括但不限于具有直链或支链烷基链的有机烷基磺酸，或它们的有机烷基磺酸的铵盐、钠盐或钾盐表面润湿剂。例如，十二烷基磺酸、十二烷基磺酸盐、十二烷基磺酸的铵盐(十二烷基磺酸铵)、十二烷基磺酸的钾盐(十二烷基磺酸钾)、十二烷基磺酸的钠盐(十二烷基磺酸钠)、7-乙基-2-甲基-4-十一烷基硫酸钠盐(如4)或2-乙基己基硫酸钠(如08)。

79、氧化剂包括但不限于高碘酸、过氧化氢、碘酸钾、高锰酸钾、过硫酸铵、钼酸铵、硝酸铁、硝酸、硝酸钾及其混合物。过氧化氢是优选的氧化剂。

80、至少两种螯合剂可以是至少两种氨基酸的组合、至少两种氨基酸衍生物的组合、至少一种氨基酸与至少一种氨基酸衍生物的组合。

81、氨基酸和氨基酸衍生物包括但不限于甘氨酸、d-丙氨酸、l-丙氨酸、dl-丙氨酸、n,n-二羟乙基甘氨酸(bicine)、三(羟甲基)甲基甘氨酸(tricine)、肌氨酸、β-丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯胺、脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、谷氨酸、天冬氨酸、色氨酸、组氨酸、精氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、亚氨基二乙酸及其组合。

82、有机季铵盐包括但不限于胆碱盐，如胆碱碳酸氢盐，或在胆碱和其它阴离子抗衡离子之间形成的所有其它盐。

83、胆碱盐可具有如下所示的一般分子结构：

84、

85、其中阴离子y-可以是碳酸氢根、氢氧根、对甲苯磺酸根、酒石酸根和其它合适的阴离子抗衡离子。