[发明专利]稳定的、可浓缩的化学机械抛光组合物及其涉及的方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学机械抛光领域。具体来说，本发明涉及一种稳定可浓缩的化学机械抛光组合物；一种化学机械抛光组合物的制备方法以及一种对半导体材料进行化学机械抛光的方法，更具体地说，涉及对半导体晶片上的互连金属进行化学机械抛光的方法。

背景技术

典型地，半导体晶片是具有包括多个沟槽的介电层的硅晶片，这些沟槽设置在介电层内形成电路互连图案。这些图案排列通常具有波纹结构或双重波纹结构。阻挡层覆盖在图案化的介电层之上，金属层则覆盖在阻挡层之上。金属层的厚度至少足以填充图案化的沟槽，从而与金属形成电路互连。

化学机械抛光方法通常包括多个抛光步骤。例如，第一步以较高初始速率去除过量的互连金属，例如铜。第一步去除步骤之后，通过第二步抛光步骤去除残留在阻挡层上金属互连以外的金属。随后的抛光步骤则从半导体晶片下面的介电层上去除阻挡层，从而在介电层和金属互连上形成平坦的抛光表面。

半导体基片上沟槽或凹槽中的金属提供形成金属电路的金属线。一个需要解决的难题是，抛光操作通常容易从各个沟槽或凹槽去除金属，导致这些金属产生凹陷。凹陷是不希望出现的，它会导致金属电路临界尺寸发生变化。为了减少凹陷现象，抛光在较低的抛光压力下进行。然而，如果仅仅降低抛光压力，抛光过程将会持续更长时间。而且，在整个延长的抛光过程中会持续产生凹陷。

为了提高特殊顾客需求的可调节性和改善后勤方面的性质(例如，降低运输成本，减小体积吞吐量)，经常需要提供浓缩液形式的化学机械抛光配制液。用于去除过量互连金属的传统化学机械抛光配方制剂通常混有唑类抑制剂。当以较高浓度混入时，这些唑类抑制剂往往容易聚集并且从溶液中沉淀出来。

科美奥(Comeau)等公开了在加入抛光配制液之前将BTA进行过滤的方法。具体来说，科美奥等公开了一种用于形成抛光浆液的溶液，该溶液可以包括溶解在离子型表面活性剂例如烷基硫酸钠溶液以及或许是聚丙烯酸(PAA)溶液中的1H-苯并三唑(BTA)。溶液可以在过滤后用于抛光浆液。在浆液不添加外来组分或者不增加安全风险情况下，这种溶解BTA的方法导致抛光浆液中BTA浓度提高。另外，由于溶液非常稳定(例如，可以冷冻和解冻)，与传统方法相比体积更小，因此更容易运输。而且，通过去除掉可以导致擦痕的颗粒，抛光浆液的性能大幅提高。

科美奥等公开的上述溶液可以作为一种组分用于制备化学机械抛光配制液。然而，用来对半导体晶片进行抛光的传统化学机械抛光配制液还包含多种其它组分，从而使得配制液具有期望的抛光性质。这些其它组分也会在浓度方面影响最终配制液的稳定性。

例如，王(Wang)在美国专利7,086,935号描述了在制备图案化的晶片时使用了一种无磨料的铜配制液，含有甲基纤维素，丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物，苯并三唑(BTA)和可混溶的溶剂。该配制液能够去除和清理干净铜，并且产生很少铜凹陷，但是快速抛光时，在抛光垫和晶片上沉积上绿色的Cu-BTA化合物。这些沉积物需要对抛光垫进行后续抛光清理，防止这些胶状沉积物导致抛光去除速率降低；另外需要对晶片后续抛光清理，避免产生缺陷。这些清理步骤需要性能较强并且昂贵的清理溶液，同时延迟的晶片产量产生相关的“拥有成本”。

托马斯(Thomas)在美国专利申请公开2009/0215266号中公开了一种改善的配制液，减轻了绿色沉积物危害。托马斯等公开了一种使用抛光垫对含有铜互连金属的图案化的半导体晶片进行抛光的方法。该方法包括下列步骤：a)提供抛光水溶液，抛光溶液含有苯并三唑(BTA)抑制剂以及铜络合物和水；b)使用抛光水溶液和抛光垫对图案化的晶片进行抛光，其中铜溶解形成Cu⁺¹离子，Cu⁺¹离子和BTA抑制剂浓度满足下列条件，在水溶液不含有络合物情况下[BTA]*[Cu⁺¹]＞Cu-BTA沉淀的Ksp；以及c)氧化至少一部分铜离子，防止抛光溶液沉淀该Cu-BTA沉积物。

同托马斯等举例说明的那些抛光配制液一样，基于相关的环境和安全考虑，很多传统的化学机械抛光配制液在抛光配制液制备和使用过程中均包括铵。

因此，需要一种化学机械抛光组合物和对含有金属互连的图案化半导体晶片进行化学机械抛光的方法，其中化学机械抛光组合物含有唑类抑制剂，并且以稳定的浓缩液形式存在；而且，优选是无铵的(即＜0.001重量％)。

发明内容