CN101371339A - 用于步骤ⅱ的铜衬里和其他相关材料的化学机械抛光组合物及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于平坦化具有铜阻挡层部分的半导体晶片表面的CMP组合物和方法，所述组合物包括氧化剂、硼酸组分和研磨剂。

Description

用于步骤Ⅱ的铜衬里和其他相关材料的化学机械抛光组合物及其使用方法
发明领域
本发明涉及用于半导体晶片表面的化学机械抛光浆，更具体地，本发明涉及用于除去和抛光在半导体晶片表面上层叠的铜、阻挡层材料和介电材料的化学机械抛光浆和使用该浆的方法。
相关技术背景
半导体晶片用于形成集成电路。半导体晶片包括衬底如硅，其中对区域进行图案化处理以沉积具有绝缘、导电或半导电性质的不同材料。
为了得到准确的图案化处理，必须除去在衬底上形成层时所用的过量材料。另外，为了制作具有功能性和可靠性的电路，重要的是具有平坦的或平面的半导体晶片表面。因此，必须除去和/或抛光半导体晶片的某些表面。
化学机械抛光或平坦化(“CMP”)是指如下方法，其中从半导体晶片的表面除去材料，并通过将物理方法如磨损与化学方法如氧化或螯合相结合来抛光(平坦化)表面。在CMP的最基本形式中，CMP包括将浆—研磨剂和活性化学物的溶液涂敷到抛光垫，其抛光半导体晶片的表面以实现除去、平坦化和抛光处理。对于除去或抛光处理，不希望包括纯物理或化学作用，而是希望这两者的协同作用，以实现快速均匀的除去。在集成电路的制作中，CMP浆还应能够优先除去包括金属和其他材料的复合层的膜，从而可以制造高度平坦的表面用于后续的光刻法、或构图、蚀刻和薄膜处理。
近来，将铜用于集成电路中的金属连线。图1显示了在半导体制作步骤中铜的波形花纹装饰(damascene)处理步骤的示意图。必须被除去和平坦化的层包括在薄铜晶种层14(约0.05-0.15μm厚)上的铜层12(约1-1.5μm厚)。这些铜层通过阻挡层材料层18(约50-300
Figure A200480012929D0007155332QIETU
厚)与介电材料层分开，这阻止了铜向氧化物介电材料16的扩散。抛光后在整个晶片表面得到良好均匀性的关键是使用对各种材料具有准确的除去选择性的浆。如果不能保持合适的材料除去选择性，那么就可能发生不希望的铜的凹陷和/或介电材料的侵蚀。
当除去过多的铜而发生凹陷，使得相对半导体晶片的介电表面，部件的铜表面为凹陷的。主要是当铜和铜-阻挡层(也称为铜-衬里)材料的除去速度根本不同时发生凹陷。当介电材料的除去速度在局部远高于周围区域的材料时，就发生氧化物侵蚀。凹陷和氧化物侵蚀取决于面积、晶片图案和间距。
由于铜和阻挡层衬里材料之间的化学反应性差异，在铜CMP方法中经常使用两者在化学性质上不同的浆。第一步骤浆(步骤I)典型地用于快速平坦化外形，并均匀地除去过量的铜，在阻挡层处停止抛光。第二步骤浆(步骤II)典型地以高的除去速度除去铜衬里材料，并在介电层处停止，或者可选择地在已被涂覆以保护氧化物的罩层上停止。
美国专利申请序列号10/315,641的“用于铜薄膜平坦化的钝化化学机械抛光组合物(Passivative Chemical Mechanical PolishingComposition for Copper Film Planarization)”和“用于铜和相关材料的改进的化学机械抛光组合物及其使用方法(Improved Chemical MechanicalPolishing Compositions for Copper and Associated Materials and MethodUsing Same)”都在此同时提出并以其相应的全文引入本文以供参考，这两篇文献教导了新的步骤1的平坦化组合物，其用于除去和平坦化铜表面。
因此，本发明的一个目的提供步骤II的CMP组合物，其在用于除去过多铜的CMP方法的步骤I抛光步骤后，用于晶片表面的阻挡层或衬里的除去和平坦化。
本发明的另一个目的是提供步骤II的CMP组合物，其在使用上述美国专利申请中公开的除铜组合物进行的CMP方法的步骤I抛光步骤后，用于晶片表面的阻挡层或衬里的除去和平坦化。
本发明的还一个目的是提供步骤II的铜CMP浆，其能够实现阻挡层材料的高除去速度，同时使不希望的铜凹陷和/或介电材料的侵蚀最小化。
本发明的又一目的是提供步骤II的CMP浆，其具有合适的材料选择性以使半导体晶片表面中的铜凹陷和/或氧化物侵蚀最小化，从而提供可行的CMP方法以进行先进的器件制造。
在阅读下面的详细描述并参照附图后，本发明的这些和其他目的和优点对本领域技术人员是显而易见的。
发明概述
本发明涉及设计用于平坦化阻挡层材料如氮化钨、钽、氮化钽、掺硅的氮化钽、氮化钛、和掺硅的氮化钛的CMP浆组合物和方法，其与铜CMP处理步骤相结合。如本文所广泛公开的，CMP浆组合物在用于铜的波形花纹装饰平坦化步骤中时，减少了铜凹陷和电介质或氧化物侵蚀的发生，同时控制电介质和阻挡层材料两者的除去速度。
在一个方面，本发明涉及用于平坦化具有铜-阻挡层部分的晶片表面的CMP组合物，其中CMP组合物包括氧化剂、硼酸组分和研磨剂。
在另一个方面，本发明涉及平坦化具有铜-阻挡层衬里部分、铜部分、和介电部分的晶片表面的方法，所述方法包括：在CMP条件下使晶片表面接触下述组合物，其具有对铜-阻挡层衬里的高除去速度、和对介电部分的除去速度，该除去速度基于CMP组合物中硼酸组分的浓度。
从随后的公开内容和所附的权利要求书，可更充分地理解本发明的其他方面、特征和实施方案。
附图简述
图1显示了在半导体制造步骤中铜的波形花纹装饰处理步骤的示意图。
图2(a)-2(d)显示了在铜的波形花纹装饰处理步骤后用于平坦化晶片表面的两步CMP方法。
图3显示了根据本发明的一个实施方案，对于二氧化硅研磨剂，ζ电势和电导率与pH的关系图。
图4显示了根据本发明的另一实施方案，从介电场区域制成铜线路阵列的梯段高度减少量的关系图。
图5显示了根据本发明的另一实施方案，关于晶片表面的Ta(衬里材料)和SiO2(介电材料)的除去速度的关系图。
发明详述及其优选实施方案
在CMP浆中，有利的是独立地控制要被抛光的图案的不同材料之间的相对抛光速度。例如，在铜抛光中，将实际抛光铜、衬里/阻挡层材料如Ta、TaN、Ti、TiN、TiW、WN和掺硅的氮化物，以及电介质如SiO2、TEOS、PSG、BPSG、或任何低K电介质。
图2(a)显示了在铜的波形花纹装饰处理步骤后，填充铜的部件的示意图，其中铜12、填充部件14通过波形花纹处理步骤预先蚀刻到介电材料16中。在铜填充前被沉积的阻挡层衬里18，阻止铜扩散到介电材料16中。在第一CMP处理步骤(通常称为步骤1)中，如图2(b)中所示，在阻挡层衬里处或刚好在其上面，主体铜外形被平坦化。在一些情况下，平坦化步骤I将进行直到阻挡层衬里暴露，对铜具有高选择性的步骤1制剂将使得铜材料轻微凹陷，低于阻挡层衬里18的外形，如图2(c)所示。在最后的平坦化步骤(通常称为步骤II方法)中，阻挡层衬里18必须被除去和平坦化，使得电介质、阻挡层和铜位于相同平面内，如图2(d)所示。为了完成步骤II方法，使用第二CMP处理步骤，其利用不同于步骤I的CMP组合物。典型地，步骤II方法除去阻挡层衬里18，并常常除去介电材料16的一薄层(例如300
Figure A200480012929D0007155332QIETU
)。在步骤II的CMP处理步骤中使用的组合物为本发明的主题。
本发明提供了用于除去和平坦化与步骤II的CMP方法相关的材料的新组合物。更具体地，本发明提供了用于平坦化晶片表面的新组合物，该晶片表面内具有铜、衬里和介电组分。新组合物包括硼酸组分，其浓度有利地影响了除去速度及相应的介电材料选择性。
本发明基于如下发现，向CMP组合物中添加硼酸和/或其衍生物可生成稳定的浆制剂，其对介电材料具有可调节的选择性。有利地，通过调整CMP组合物中硼酸组分的浓缩，可调节或控制介电材料的除去速度。
因此，在一个实施方案中，本发明涉及步骤II的CMP组合物，其用于在铜的波形花纹装饰—步骤I的CMP抛光步骤后平坦化晶片表面外形。包括研磨剂、硼酸组分和任选的氧化剂的组合物用于平坦化晶片外形，其可包括铜、衬里和介电材料中的任意一种。CMP组合物中的硼酸组分用于在CMP的步骤II方法中钝化介电材料。
本文使用的术语“硼酸组分”是指包括硼酸、其盐和衍生物，包括但不限于：烷基取代的硼酸盐，如四苯基硼酸铵(C6H5)4BNH4、苯基硼酸C6H5B(OH)2、和三甲基环硼氧烷(boroxine)C3H9B3O3、多硼酸盐如八水合五硼酸铵(NH4)2B10O16·8H2O、四水合四硼酸铵(NH4)2B4O7·4H2O、和四水合四硼酸钾K2B4O7·4H2O、氟取代的硼酸盐，如氟硼酸HBF4、四氟硼酸铵NH4BF4、硼酸酯如硼酸三甲酯(CH3O)3B、和硼酸三乙酯(C2H5O)3B、和硼酸的氧化和脱氢产物如一氧化硼(BO)X、硼酸酐B2O3、偏硼酸钾KBO2、和过硼酸钠NaBO3。
如从下面的讨论可明显看出的，稳定的步骤II的浆组合物和相应的方法提供了材料的除去和半导体晶片表面的抛光，而没有显著的凹陷或氧化物侵蚀，没有显著的表面缺陷，具有良好的平坦化效率。此外，由这种步骤II方法产生的铜表面具有最小的腐蚀倾向。
本发明提供了新的CMP组合物，当其用于步骤II的CMP方法中时，可提供对衬里层材料的高除去速度、和包括铜、衬里和介电材料的晶片表面的平坦化。
在另一个实施方案中，本发明涉及步骤II的CMP组合物，其用于在铜波形花纹装饰的步骤I的CMP抛光步骤之后平坦化晶片表面的外形，所述组合物包括研磨剂、氧化剂、和硼酸组分，基于组合物的总重量，上述组分的重量比范围如下：
研磨剂         0-30wt％；
氧化剂         0-30wt％；和
硼酸组分       0.01-20wt％。
分别基于氧化剂和硼酸组分的浓度，所述组合物对衬里和介电材料具有可调节的选择性。
包括研磨剂、氧化剂和硼酸组分的CMP组合物，对本文上述的介电材料和衬里材料都提供了可调节的选择性和除去速度。添加腐蚀抑制剂到组合物中提供了控制线路、通道和槽内的铜除去速度和选择性的手段。如同电介质和阻挡层的除去速度和选择性可分别通过改变硼酸组分和氧化剂的浓度来控制，铜材料的除去速度和选择性可通过改变腐蚀抑制剂的浓度来调节。因此，本发明有利地涉及具有铜、阻挡层和电介质的可调节性的CMP组合物。
在另一实施方案中，本发明涉及用于步骤II的CMP方法的步骤II的CMP组合物，所述组合物包括研磨剂、氧化剂、腐蚀抑制剂、和硼酸组分。这种组合物允许对铜、衬里和介电组分的除去速度的独立改变，而不影响任何其他组分的除去速度。通过这种改进，本发明提供了对铜、衬里和介电材料的选择性的过程控制。
包括研磨剂、氧化剂、腐蚀抑制剂和硼酸组分的CMP组合物，对铜、衬里、和介电材料提供了可调节的选择性和除去速度。介电材料的除去速度和选择性可通过改变硼酸组分的浓度来控制。衬里材料的除去速度和选择性可通过改变硼酸组分和/或氧化剂的浓度来调节，铜材料的除去速度可通过改变氧化剂和/或钝化剂的浓度来调节。这里，本发明广泛地涉及具有铜、衬里和电介质的选择性和可调节性的CMP组合物。
在一个优选实施方案中，本发明的CMP组合物为包括研磨剂、氧化剂、腐蚀抑制剂和硼酸组分的含水浆组合物，基于组合物的总重量，上述组分的重量比范围如下：
研磨剂          0-30wt％；
氧化剂          0-30wt％；
硼酸组分        0.01-20wt％；和
腐蚀抑制剂      0-10wt％。
在更优选的实施方案中，本发明的组合物包括二氧化硅研磨剂、作为氧化剂的过氧化氢(H2O2)、作为腐蚀抑制剂的苯并***(BTA)，基于组合物的总重量，上述组分的重量比范围如下：
二氧化硅研磨剂           0-30wt％；
H2O2                     1-30wt％；
BTA                     0.01-10wt％；和
硼酸           0.1-5wt％。
在还更优选的实施方案中，基于组合物的总重量，CMP组合物包括按重量计的下列组分：
二氧化硅研磨剂             约13wt％；
H2O2                       约5wt％；
BTA                       约0.4wt％；
硼酸                      约2.0wt％；
水                        约79.6wt％；和
KOH                       可忽略；
组合物中所有组分的总重量百分数合计为100wt％。在上述组合物中使用KOH作为碱以调节CMP组合物的pH至约6.0。
表1显示了对于Ta衬里材料和SiO2介电材料的除去速度的比较，其中在第二行显示的第二组合物包括约1wt％的硼酸。有利地，添加硼酸和/或其衍生物提供了调节阻挡层材料(Ta)与介电材料(SiO2)的选择性和除去速度的手段。
  表1：含1wt％硼酸的步骤-II铜抛光组合物的比较
Figure A200480012929D00131
表1证明了添加硼酸到CMP组合物中的优点，用于在铜平坦化步骤中进行步骤II的衬里材料除去，其中添加1％硼酸使电介质除去速度降低了一半。
表2：通过改变氧化剂的浓度比较步骤II的铜-衬里除去速度(CMP条件：3psi下压力，90rpm的工作台速度和轴(quill)速度)
Figure A200480012929D0014083023QIETU
表2显示了对于Ta衬里材料除去速度的比较，该除去速度为氧化剂(H2O2)浓度的函数。本发明CMP组合物的衬里除去速度可独立地通过改变氧化剂的浓度来控制，因为氧化剂用于在阻挡层抛光步骤中氧化阻挡层材料。
本发明所用的研磨剂组分可以是任意合适的类型，包括但不限于：氧化物、金属氧化物、氮化硅、碳化物等。具体例子包括：二氧化硅、氧化铝、碳化硅、氮化硅、氧化铁、铈土、氧化锆、氧化锡、二氧化钛、及两种或更多种这些组分的混合物，其为合适的形式如晶粒、细粒、粒子、或其他分离形式。或者，研磨剂可包括由两种或更多种材料形成的复合粒子，例如
Figure A200480012929D00141
涂有氧化铝的胶态二氧化硅(Nyacol Nano Technologies，Inc.，Ashland，MA)。氧化铝为优选的无机研磨剂，可以以软水铝石或过渡δ、θ、或γ相二氧化铝的形式使用。有机聚合物粒子例如包括热固性和/或热塑性树脂，可以用作研磨剂。在本发明的广泛实施中，所用的树脂包括：环氧树脂、氨基甲酸乙酯、聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、和(甲基)丙烯酸树酯。两种或更多种有机聚合物粒子的混合物可用作研磨介质，包括无机组分和有机组分两者的粒子也可用作研磨介质。在优选的实施方案中，本发明的研磨剂组分包括二氧化硅。更优选地，二氧化硅研磨剂为胶态或单分散类型，可以商品名如100CK/30％-TaHS3(由H.C.Starck GmbH，Leverkusen，Geb.G8，Germany制造)商购。
本发明CMP组合物的pH可以为对所用的具体抛光操作有效的任意合适的值。在一个实施方案中，CMP组合物的pH可以在约2至约11的范围内，更优选在约2至约7.0的范围内，最优选在约3至约6的范围内。
图3显示了对于平均粒度为约65nm并具有球形的二氧化硅单分散研磨剂，ζ电势和电导率与pH的关系图。粒子的ζ电势限定了在具体液体中粒子上的静电荷。在本发明的情况下，当溶液pH增加时，二氧化硅研磨剂的ζ电势降低。
而且，图3还鉴定了Ta2O5(Ta阻挡层材料被氧化剂氧化的副产物)，其在pH低于约6.5时具有正ζ电势。在pH为约6.0时具有约-30mV的负ζ电势的二氧化硅粒子可静电吸引具有正ζ电势的Ta2O5晶片表面。并且有利地，pH为约6.0的本发明浆组合物可提供使被氧化的钽溶解的最佳条件。
本文使用的术语“氧化剂”是指任意能除去金属电子并提高原子价的物质，包括但不限于：过氧化氢(H2O2)、硝酸铁(Fe(NO3)3)、碘酸钾(KIO3)、高锰酸钾(KMnO4)、硝酸(HNO3)、亚氯酸铵(NH4ClO2)、氯酸铵(NH4ClO3)、碘酸铵(NH4IO3)、过硼酸铵(NH4BO3)、高氯酸铵(NH4ClO4)、高碘酸铵(NH4IO4)、过硫酸铵((NH4)2S2O8)、四甲基亚氯酸铵((N(CH3)4)ClO2)、四甲基氯酸铵((N(CH3)4)ClO3)、四甲基碘酸铵((N(CH3)4)IO3)、四甲基过硼酸铵((N(CH3)4)BO3)、四甲基高氯酸铵((N(CH3)4)ClO4)、四甲基高碘酸铵((N(CH3)4)IO4)、四甲基过硫酸铵((N(CH3)4)S2O8)、和过氧化氢脲((CO(NH2)2)H2O2)。用于本发明的CMP浆组合物的优选氧化剂为过氧化氢。
或者，氧化剂可包括具有下式(R1R2R3N→O)的胺-N-氧化物，其中R1R2R3独立地选自：H、芳基和C1-C8烷基。胺-N-氧化物的具体例子包括但不限于：4-甲基吗啉N-氧化物(C5H11NO2)和吡啶-N-氧化物(C5H5NO)。
本文使用的术语“腐蚀抑制剂”是指任何能与铜和/或被氧化的铜薄膜反应以在CMP方法中钝化铜层和阻止铜表面被过度蚀刻的物质。优选地，本发明的CMP组合物的静态金属蚀刻速度小于
Figure A200480012929D00161
更优选小于
Figure A200480012929D00162
最优选小于
Figure A200480012929D00163
本发明CMP组合物中的腐蚀抑制剂组分可包括一种或多种抑制剂组分，包括：例如咪唑、氨基四唑、苯并***、苯并咪唑、氨基、亚氨基、羧基、巯基、硝基、烷基、脲和硫脲化合物及衍生物等。二羧酸如甘氨酸、草酸、丙二酸、丁二酸、氨三乙酸、亚氨基二乙酸及其组合也是有用的腐蚀抑制剂。优选的抑制剂包括四唑及其衍生物。在具体实施方案中，腐蚀抑制剂为5-氨基四唑(ATA)或苯并***(BTA)。
在本发明CMP组合物中使用的溶剂可以是单组分溶剂或多组分溶剂，这取决于具体的应用。在本发明的一个实施方案中，CMP组合物中的溶剂是水。在另一个实施方案中，溶剂包括有机溶剂如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、甘油等。在还一个实施分案中，溶剂包括水-醇溶液。各种溶剂类型和特定的溶剂介质可用于本发明的一般实施中，以提供溶剂化/悬浮介质，其中分散有研磨剂且包括其他组分，以提供具有合适特性如浆形式的组合物，用于涂敷到CMP单元的台板上，以在晶片衬底上提供所需水平的铜抛光。
可任选地利用碱来进行本发明组合物中的pH调节。例如，说明性的碱包括：氢氧化钾、氢氧化铵、四甲基氢氧化铵(TMAH)、四乙基氢氧化铵、三甲基羟乙基氢氧化铵、甲基三(羟乙基)氢氧化铵、四(羟乙基)氢氧化铵、和苄基三甲基氢氧化铵。
还可任选地利用酸来进行本发明组合物中的pH调节和缓冲。所用的酸可以为任意合适的类型，包括：例如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、乳酸、盐酸、硝酸、磷酸、硫酸、氢氟酸、苹果酸、富马酸、丙二酸、戊二酸、羟基乙酸、水杨酸、1，2，3-苯三甲酸、酒石酸、葡糖酸、柠檬酸、苯二甲酸、焦尔茶酸(pyrocatechoic acid)、焦棓酚羧酸、五倍子酸、单宁酸，及包括两种或更多种前述或其他类型酸的混合物。在优选的实施方案中，本发明的CMP组合物包括磷酸。
当有鳌合剂存在时，其是指在含水溶液的存在下可溶解或蚀刻被氧化的铜材料的任何物质。可用于本发明的铜鳌合剂包括但不限于：矿物酸(如盐酸、硝酸)、无机酸(如磷酸)、和有机酸和氨基酸(如甘氨酸、柠檬酸、乙酸和马来酸)。优选的鳌合剂是甘氨酸。
当有胺存在时，其可为任意合适的类型，包括：例如羟胺、单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、二乙二醇胺、N-羟基乙基哌嗪、N-甲基乙醇胺、N，N-二甲基乙醇胺、N-乙基乙醇胺、N，N-一二乙基乙醇胺、丙醇胺、N，N-二甲基丙醇胺、N-乙基丙醇胺、N，N-二乙基丙醇胺、4-(2-羟乙基)吗啉、氨基乙基哌嗪，和包括两种或更多种上述或其他胺种类的混合物。
当在本发明的CMP组合物中任选地使用表面活性剂时，其可为任意合适的类型，包括：非离子型、阴离子型、阳离子型、和两性表面活性剂及聚合电解质，包括例如：有机酸盐；链烷硫酸盐(例如十二烷基硫酸钠)；链烷磺酸盐；取代的胺盐(例如十六烷基溴化吡啶鎓)；甜菜碱；聚环氧乙烷；聚乙烯醇；聚乙酸乙烯酯；聚丙烯酸；聚乙烯砒络烷酮；聚乙烯亚胺；和失水山梨糖醇的酯，如以商品名
Figure A200480012929D00171
和
Figure A200480012929D00172
商购的那些，以及包括两种或更多种上述或其他表面活性剂种类的混合物。
在另一个实施方案中，本发明提供了一种平坦化晶片表面的方法，所述晶片表面具有铜-阻挡层衬里部分、铜部分和介电部分，所述方法包括：在CMP条件下，使晶片表面接触下述组合物，其具有对铜-阻挡层衬里的高除去速度和对介电部分的除去速度，该除去速度基于CMP组合物中硼酸组分的浓度。
在还一个实施方案中，本发明提供了一种平坦化晶片表面的方法，所述晶片表面具有铜-阻挡层衬里部分、铜部分和介电部分，所述方法包括：在CMP条件下，使晶片表面接触下述组合物，该组合物具有对铜-阻挡层衬里的高除去速度和对铜-阻挡层衬里、铜和介电部分的除去速度，该除去速度基于CMP组合物中至少一种组分的浓度。
优选地，本发明的CMP组合物提供了Cu:Ta:氧化物的选择性为至少1:10:10，阻挡层衬里的除去速度为至少
Figure A200480012929D00181
更优选至少
Figure A200480012929D00182
最优选至少
Figure A200480012929D00183
本发明的CMP组合物可容易地在所谓的“日槽”或“贮槽”中配制，或者CMP组合物可被提供为两部分制剂或多部分制剂，其在即将使用时混合。多部分制剂的各个部分可以在抛光台、抛光带等处混合，或在即将到达抛光台前的合适容器内混合。
在一个实施方案中，本发明的CMP组合物在即将到达抛光台前被配制为单包装，工艺步骤如下：
(a)在剧烈混合下，使去离子水和酸组分与研磨剂组分混合，直至pH为约2.5；
(b)添加硼酸组分到步骤(a)中；
(c)添加腐蚀抑制剂组分到步骤(b)中；
(d)将步骤(c)混合至少1小时的时间；
(e)添加碱或碱性物质到步骤(d)中，直至pH为约6.0；
(f)添加氧化剂到步骤(e)中；和
(g)在用于CMP方法之前，使(f)老化约1小时。
在更优选的实施方案中，本发明的CMP组合物被配制为单包装，工艺步骤如下：
(a)在剧烈混合下，使去离子水和硝酸与二氧化硅研磨剂混合，直至pH为约2.5；
(b)添加硼酸组分到步骤(a)中；
(c)添加苯并***到步骤(b)中；
(d)将步骤(c)混合至少1小时的时间；
(e)添加KOH到步骤(d)中，直至pH为约6.0；
(f)添加H2O2到步骤(e)中；和
(g)在用于CMP方法之前，使(f)老化约1小时。
在所有这些实施方案中，混合成分或部分以形成最终组合物，这一步骤在即将到达抛光台前的合适容器内发生，在即将使用前发生，或与抛光台、抛光带等处的混合一起发生
通过以常规方式将本发明的CMP组合物涂覆到晶片表面，可以常规方式在CMP操作中使用该CMP组合物，可使用常规抛光元件如抛光垫、抛光带等进行表面抛光。
通常，将步骤II的CMP铜浆涂覆到包含在抛光设备上的垫上。抛光设备的参数如下压力(DF)、流速(FR)、工作台速度(TS)、轴速度(QS)、和衬垫类型可被调节以影响CMP浆的结果。这些参数对于获得有效的平坦化结果和限制凹陷和侵蚀是很重要的。尽管这些参数可被改变，但是当它们用于本发明的CMP浆时，所用的标准条件为：3psi的DF、200ml/min的FR、90rpm的TS、90rpm的QS、和IC1000的衬垫类型。
可以有利地使用本发明的CMP组合物来抛光半导体衬底的阻挡层、金属和电介质表面，而不会在被抛光的晶片表面内引起凹陷或其他不利的平坦化缺陷。
本发明的CMP浆组合物可高度有效地用于半导体晶片衬底的步骤II的铜抛光，如图案化铜晶片的抛光。本发明的CMP组合物可以容易地通过混合在所需单包装或多部分制剂中的成分而制得，这与本文上述讨论的单包装和多部分制剂一致。在实施本发明时，在CMP组合物的具体制剂中，各种成分的浓度可以广泛地变化，可理解本发明的CMP组合物可不同地和可选择地包括与本文公开内容一致的成分的任意组合，或者本发明的CMP组合物由这些成分的任意组合构成，或基本由这些成分的任意组合构成。
通过下面讨论的实验性实施例和结果可更充分地显示本发明的特征和优点。
实施例1
使用步骤I的浆组合物进行主体铜除去，从Sematech，Inc.制造的854 Reticle(854 CMP025)晶片上除去主体铜过载。使用上述表1第2行中概述的步骤II的浆组合物来抛光铜线路。用光学显微镜仔细检查，显示所有的衬里在30s内被平坦和均匀地除去。为了保证Cu线路是电绝缘的和消除短路的，还除去一薄层
Figure A200480012929D00201
图4显示了用表1第2行中概述的CMP浆组合物进行预先衬里抛光和后衬里抛光，从介电场区域制得铜线路阵列的梯段高度减少量的关系图。除了除去Ta衬里外，步骤II的CMP组合物还平坦化晶片表面。凹陷和腐蚀测量了从芯片的场区域、未图案化的敞开区域到铜线路阵列的梯段高度。对于具有各种线路和间距宽度的线路阵列，从预先衬里抛光到后衬里抛光的梯段高度减少了高达
Figure A200480012929D00202
实施例2
图5显示了在Si晶片表面上存在的Ta(衬里材料)和SiO2(介电材料)薄膜的除去速度作为CMP组合物中硼酸组分的重量百分比浓度的函数的关系图。该组合物包括13wt.％二氧化硅、10wt％过氧化氢、0.1wt％BTA、具有pH6.0和可变wt％的硼酸。在低硼酸浓度下，所示的物质除去速度相当低，过于低而不能保证在IC芯片制造中的高晶片生产量。添加硼酸到浆中可增加两种除去速度。然而，随着硼酸浓度的增加，Ta除去速度显示了较强增加。在0.4wt％硼酸时，SiO2除去速度达到饱和，但Ta除去速度仍在增加。这表明，对于目前的含硼酸的步骤2制剂，通过硼酸组分可高度调节抛光过程。这样，根据具体集成过程的具体需要，Ta和SiO2的除去速度可被相应地调整。
尽管本发明主要根据具体实施方案进行了公开和讨论，但本发明不限于此。对本领域技术人员来说，其他修改和实施方案是显而易见的。

Claims (29)

1.一种用于平坦化具有铜阻挡层部分的晶片表面的CMP组合物，所述组合物包括氧化剂、硼酸组分和研磨剂。
2.如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述晶片表面还包括铜和介电材料。
3.如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述阻挡层部分包括选自Ta、TaN、Ti、TiN、TiW、WN和掺硅的氮化物中的材料。
4.如权利要求2所述的CMP组合物，还包括腐蚀抑制剂。
5.如权利要求4所述的CMP组合物，其中基于组合物的总重量，所述研磨剂、氧化剂、硼酸组分和腐蚀抑制剂以下列重量比组成范围存在：
研磨剂           0.01-30wt％；
氧化剂           1-30wt％；
腐蚀抑制剂       0.01-10wt％；和
硼酸组分         0.01-10wt％。
6.如权利要求5所述的CMP组合物，其中所述硼酸组分钝化介电材料。
7.如权利要求1所述的CMP组合物，其是稳定的。
8.如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述硼酸组分选自：
9.如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述硼酸组分为硼酸。
10.如权利要求5所述的CMP组合物，其对介电材料和阻挡层材料都提供了可调节的选择性和除去速度。
11.如权利要求10所述的CMP组合物，其中电介质的除去速度和选择性可通过改变硼酸组分的浓度来控制。
12.如权利要求10所述的CMP组合物，其中阻挡层材料的除去速度和选择性可通过改变氧化剂的浓度来调节。
13.如权利要求5所述的CMP组合物，其包括按组合物总重量计为下列重量比范围的组分：
二氧化硅研磨剂      0-30wt％；
H2O2                1-30wt％；
BTA                 0.01-10wt％；和
硼酸                0.01-10wt％。
14.如权利要求5所述的CMP组合物，包括按组合物总重量计为下列重量比范围的组分：
二氧化硅研磨剂        约13wt％；
H2O2                   约5wt％；
BTA                   约0.4wt％；
硼酸                  约2.0wt％；和
水                    约79.6wt％；
组合物中所有组分的总重量百分比合计为100wt％。
15.如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述研磨剂组分选自：氧化物、金属氧化物、氮化硅、和碳化物。
16.如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述研磨剂组分为二氧化硅单分散研磨剂，其具有约65nm的平均尺寸和球形。
17.如权利要求1所述的CMP组合物，其pH范围为约2至约7。
18.如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述氧化剂选自：过氧化氢(H2O2)、硝酸铁(Fe(NO3)3)、碘酸钾(KIO3)、高锰酸钾(KMnO4)、硝酸(HNO3)、亚氯酸铵(NH4ClO2)、氯酸铵(NH4ClO3)、碘酸铵(NH4IO3)、过硼酸铵(NH4BO3)、高氯酸铵(NH4ClO4)、高碘酸铵(NH4IO4)、过硫酸铵((NH4)2S2O8)、四甲基亚氯酸铵((N(CH3)4)ClO2)、四甲基氯酸铵((N(CH3)4)ClO3)、四甲基碘酸铵((N(CH3)4)IO3)、四甲基过硼酸铵((N(CH3)4)BO3)、四甲基高氯酸铵((N(CH3)4)ClO4)、四甲基高碘酸铵((N(CH3)4)IO4)、四甲基过硫酸铵((N(CH3)4)S2O8)、和过氧化氢脲((CO(NH2)2)H2O2)。
19.如权利要求1所述的CMP组合物，其中所述氧化剂为过氧化氢。
20.如权利要求5所述的CMP组合物，其中所述腐蚀抑制剂选自：四唑如咪唑、氨基四唑、苯并***、苯并咪唑、氨基、亚氨基、羧基、巯基、硝基、烷基、脲和硫脲的化合物和衍生物，二羧酸如甘氨酸、草酸、丙二酸、丁二酸、氨三乙酸、亚氨基二乙酸、及其组合。
21.如权利要求5所述的CMP组合物，其中所述腐蚀抑制剂为苯并***。
22.如权利要求1所述的CMP组合物，还包括溶剂。
23.如权利要求22所述的CMP组合物，其中所述溶剂选自：水、有机溶剂、及其组合。
24.如权利要求5所述的CMP组合物，还包括用于pH调节的碱，其中所述碱选自：氢氧化钾、氢氧化铵、四甲基氢氧化铵(TMAH)、四乙基氢氧化铵、三甲基羟乙基氢氧化铵、甲基三(羟乙基)氢氧化铵、四(羟乙基)氢氧化铵、和苄基三甲基氢氧化铵。
25.如权利要求24所述的CMP组合物，其中所述碱为KOH。
26.如权利要求5所述的CMP组合物，还包括用于pH调节的酸，其中所述酸选自：甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、乳酸、盐酸、硝酸、磷酸、硫酸、氢氟酸、苹果酸、富马酸、丙二酸、戊二酸、羟基乙酸、水杨酸、1，2，3-苯三甲酸、酒石酸、葡糖酸、柠檬酸、苯二甲酸、焦尔茶酸、焦棓酚羧酸、五倍子酸、单宁酸、及包括两种或更多种前述酸的混合物。
27.如权利要求26所述的CMP组合物，其中所述酸为硝酸。
28.一种用于平坦化具有铜阻挡层部分的晶片表面的方法，所述方法包括：在CMP条件下使铜阻挡层材料接触可有效除去和平坦化阻挡层材料的组合物，其中该CMP组合物包括氧化剂、硼酸组分和研磨剂。
29.一种合成CMP浆组合物的方法，包括以下步骤：
(a)在剧烈混合下，使去离子水和酸组分与研磨剂组分混合，直至pH为约2.5；
(b)添加硼酸组分到步骤(a)中；
(c)添加腐蚀抑制剂组分到步骤(b)中；
(d)将步骤(c)混合至少1小时的时间；
(e)添加碱或碱性物质到步骤(d)中，直至pH为约6.0；
(f)添加氧化剂到步骤(e)中；和
(g)在用于CMP方法之前，使(f)老化约1小时。
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