[发明专利]整合的化学机械抛光组合物及单台板处理方法

说明书

发明领域

本发明涉及用于半导体基板单台板(platen)抛光的化学机械抛光组合物及方法，所述半导体基板上具有铜图案，例如铜互连线、电极或其它的器件金属化布线，其可以包括作为其结构部分的阻挡层材料。

相关技术

铜在半导体制造中用来作为在晶片基板上的半导体器件结构部件(例如配线、电极、接合焊盘、导电过孔、触点、场发射器基层等)的结构材料，相对于铝及铝合金而言，由于其具有较高的电导率，且具有增大的抗电迁移能力，其迅速成为半导体制造中的首选互连金属。

通常情况下，在半导体制造中引入铜的工艺设计涉及镶嵌方法，其中是在介电材料中蚀刻出特征(features)，用覆盖的金属化物进行填充，去除表面的金属化物以分离出特征。在双镶嵌工艺中采用单次填充形成插头和连线。由于铜具有向介电材料中扩散的倾向，因而导致金属线之间的漏损和向晶体管结构中的迁移，使电子特性发生变化，因此通常使用通过各种沉积方法沉积的阻挡物/衬里层(例如Ta和/或TaN)来密封铜互连线。沉积阻挡层材料之后，通过物理或化学气相沉积方法在衬里材料上沉积薄铜籽层，接着进行铜的电沉积以填充图样。

随沉积的铜填充蚀刻的图样时，在整个层的表面处形成高度差异或形貌，具有凸起和凹陷区。随后必须去除在高区域上沉积的过载铜和阻挡材料，从而电隔离出独立的电路图样，并赋予其在成品半导体产品制造中适应后续工艺步骤的适当形式，这也是为了能在其所在的微电路中实现满意的运转。平坦化通常涉及化学机械抛光(CMP)，使用为此目的配制的CMP组合物。

化学机械抛光或平坦化是从半导体晶片的表面上去除材料的方法，通过将诸如磨耗的物理过程与诸如氧化或螯合的化学过程结合而使表面被抛光(平坦化)。在其最基本的形式中，CMP涉及对晶片表面或抛光垫施加浆料，具体而言施加磨料和活性化学物质的溶液，从而实现多余材料的去除和晶片表面的平坦化，所述的抛光垫用来对半导体晶片表面结构上的不同材料进行抛光。去除或抛光过程为纯粹的物理或纯粹化学过程均不可取，优选的是两者的协同组合，这是为了实现快速、均匀的去除，得到结构材料的平坦表面。

由于铜与例如Ta和/或TaN的阻挡层之间的化学活性不同，通常在铜CMP方法中使用化学和机械性能迥异的两种浆料。步骤I浆料用于迅速地使形貌平坦化并均匀地除去铜，步骤I抛光止于阻挡层。通常在步骤I期间铜去除速率与阻挡层去除速率之比大于100:1。步骤II浆料以高去除速率去除阻挡层材料，并止于介电层内或止于介电层，或者止于用来保护介电盖层(Cap Layer)或止于其内。通常情况下根据整合的要求选择在步骤II期间阻挡层去除速率与铜去除速率之比。

通常在CMP处理期间，步骤I与步骤II浆料组合物用在同一台板上是不相容的，这是由于以下的各种因素：例如pH值动荡、化学成分和/或磨料之间的不相容性、以及使抛光性能劣化的问题或造成缺陷的其它问题。例如一般来说，步骤I浆料包括阳离子性的氧化铝，步骤II浆料包括阴离子性的二氧化硅。因此，常规的CMP方法包括在一个或多个台板上使用步骤I浆料进行铜的去除，随后将基板转移到另一台板上，以使用步骤II浆料进行阻挡层材料的去除。

需要一种用于在单台板上对包括铜和阻挡层材料的微电子器件基板进行化学机械抛光的组合物及方法，从而步骤I抛光组合物及其工艺处理和步骤II抛光组合物及其工艺处理可在同一个台板上进行，即不用将微电子器件基板转移到第二台板上进行步骤II的处理。所述的单台板组合物及其方法应使平坦化效率、均匀性及去除速率最大化，同时随之最小化表面缺陷，例如凹陷和侵蚀以及底部形貌的破坏。

发明概述

本发明涉及对其上具有铜和阻挡层材料的微电子器件基板进行抛光的化学机械抛光组合物及其方法。具体而言，本发明涉及组合物及在单个台板上的步骤I和步骤II CMP处理的抛光方法，即不用将微电子器件基板转移到第二台板上进行步骤II处理。

一方面，本发明涉及一种CMP浆料组合物，其包含至少一种钝化剂、至少一种溶剂、至少一种磨料和任选的至少一种pH调节剂，其中所述组合物进一步的特征在于其包含至少一种以下的组分(I)或(II)：

(I)至少一种氧化剂和至少一种螯合剂，其中所述组合物适用于去除铜并使之平坦化；或

(II)至少一种阻挡层去除增强剂、至少一种选择性添加剂和任选的至少一种氧化剂，其中所述组合物适用于阻挡层材料的选择性去除与抛光。