[发明专利]用于电－化学－机械抛光的方法和组合物

说明书

技术领域

本发明涉及可用于硅片互连材料(例如铜)的电-化学-机械抛光(e-CMP)的方法和化学组合物。具体而言，本发明涉及可用于实现硅片互连材料改进的平面化的e-CMP方法和组合物。

背景技术

用于硅片互连的铜的电沉积被认为是现代微电子工艺的重要部分。通常通过将铜沉积到覆盖导电衬里的种晶层上、沉积到光刻生成的线条和通孔中来提供这类互连，过量铜--被称作“过载的”--沉积在这些起伏(features)的顶部和整个开阔区(field)，通常达大约0.5微米至大约1.5微米的厚度。通常，这种过载层不是非常平。其通常在高纵横比(相对深度而言较窄)的起伏上含有隆起，而低纵横比的起伏容易被一致性地填补，并因此相对于开阔区凹陷。隆起和凹陷与开阔区铜之间的高度差与总过载厚度相比通常相当大：通常为0.1至0.5微米。必须去除过载层和衬垫以使线材彼此绝缘。在为下一互连级的沉积作准备时，去除工艺必须留下顶部大体彼此平齐的铜起伏；即平面化必须……

提出的一种去除刚电沉积的铜膜过多厚度的方法涉及反转极性，也就是在化学性与电镀化学不同的溶液中使镀覆的晶片为阳极。但是，高导电表面(例如铜)的常规电抛光通常不产生亚微米级高度差的有效平面化；相反，金属的电解溶解趋于一致。在这方面，在沿表面不同位置的势差和浓度梯度差通常太小而不能实现有效平面化法。因此，为此通常使用化学-机械抛光(CMP)。但是，CMP施加在晶片表面上的向下力和剪切力可能会损害新生成的低k电介质，它们往往相当脆。为了补偿，CMP可以以低得多的向下力和剪切力使用，但这些力通常导致抛光速率的显著降低。考虑到CMP法预计在工厂占地面积和消耗品方面相对较昂贵，较低的抛光速率通常被认为是不理想的。

与CMP不同，e-CMP可以以非常低的向下力和剪切力使用。此外，通过外部电参数(电流、电位)的瞬时调节，可以更容易和精确地控制e-CMP法。

发明概要

本发明提供了用于芯片互连材料的电-化学-机械抛光(e-CMP)的组合物。这些组合物包含：第一组分，此前称为“溶剂”，是水或水与一种或多种有机溶剂(例如丙二醇、甘油或乙醇)的混合物；和第二组分，此前称为“电解质”，选自：无机酸和有机酸，包括膦酸、磺酸和羧酸，例如磷酸、硫酸、1-羟基乙烷-1，1-二膦酸(HEDP)、肌醇六磷酸、3-(4-吗啉基)丙烷磺酸(MOPS)和乙酸，和前述酸的混合物，及其与钠、钾、铵、和质子化的胺或吡咯离子(例如乙铵、乙醇铵和N-甲基咪唑鎓)的盐，包括酸式盐。这些组合物进一步包含至少一种附加组分，此前称为“抑制剂”，选自：阴离子表面活性剂，例如具有4至16个碳原子的长链烷基磺酸盐，非离子表面活性剂，例如聚(乙二醇)，阳离子表面活性剂，例如在烷基链中具有4至18个碳原子的硫酸氢长链烷基三甲铵，和含有氮或硫的表面活性有机化合物，例如：具有1至8个碳原子的烷基的烷基咪唑、苯并三唑(BTA)、BTA衍生物、3-巯基丙酸、2-巯基-1-甲基咪唑。任选地，这些组合物还可以含有要去除的金属的可溶盐，例如当要去除的金属是铜时，可以含有硫酸铜。

本发明进一步提供了使用上述组合物的用于芯片互连材料的电-化学-机械抛光(e-CMP)的方法。此外，本发明提供了涉及使用垫的方法，该垫使电流可在阴极与待抛光的芯片互连材料之间通过。这种垫可以，例如，选自多孔垫、电活性垫、穿孔垫、固定研磨垫、和至少一个具有小于阴极的表面积的垫。

附图简述

在结合附图阅读本发明的下列详述时，本发明的这些和其它特征变得显而易见。

图1显示了通过e-CMP平面化的示意图；

图2以顶视图和截面图显示了顶部带有用于e-CMP的穿孔垫的反电极的示意图；

图3以顶视图和截面图显示了仅部分被垫覆盖的对电极的示意图；

图4显示了在85％磷酸和85％磷酸+壬烷磺酸盐中铜溶解的动电位曲线(随扫描电位而变化的电流密度)；

图5显示了在60％羟基乙烷二膦酸(HEDP)和在60％HEDP+壬烷磺酸盐中铜溶解的动电位曲线；

图6显示了在60％HEDP和在60％HEDP+苯并三唑(BTA)中铜溶解的动电位曲线；

图7显示了在60％HEDP和在69％HEDP+N-甲基咪唑(NMI)中铜溶解的动电位曲线；

图8A显示了在三种不同的pH值下，在添加或不添加浓氨的60％HEDP+2克/升BTA中的铜溶解的动电位曲线；