[发明专利]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

说明书

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。