CN101296780B - 铜/钌基板的化学机械抛光方法 - Google Patents

铜/钌基板的化学机械抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种化学机械抛光基板的方法。使包含钌及铜的基板与包含抛光组件、过氧化氢、有机酸、至少一种包含至少一个氮原子的杂环化合物及水的化学机械抛光系统接触。使该抛光组件相对于该基板移动，且研磨该基板的至少一部分以抛光该基板。该抛光系统的pH值为6至12，钌与铜电接触，且在该抛光系统中，铜的开路电位与钌的开路电位之差为50mV或更低。

Description

铜/钌基板的化学机械抛光方法
技术领域
本发明涉及化学机械抛光组合物及化学机械抛光的方法。 
背景技术
用于使基板表面平坦化或抛光的组合物及方法(尤其是用于化学机械抛光(CMP)的组合物及方法)是本领域公知的。用于CMP方法中的抛光组合物(也称为抛光浆料)通常含有在水溶液中的研磨材料，且通过使表面与充满该抛光组合物的抛光垫相接触来将该抛光组合物施加至该表面上。一般的研磨材料包括氧化铝、氧化铈、二氧化硅及氧化锆。抛光组合物通常与抛光垫(例如，抛光布或抛光盘)结合使用。该抛光垫可含有除抛光组合物中的研磨材料以外的研磨材料，或可含有代替抛光组合物中的研磨材料的研磨材料。 
用于基于二氧化硅的金属间介电层的抛光组合物在半导体工业中尤其发展地良好，且已相当透彻地理解抛光的化学和机械性质及基于二氧化硅的介电物质的磨耗。然而，基于二氧化硅的介电材料的问题在于其介电常数相对高，为约3.9或更高，其视诸如剩余水分含量的因素而定。因此，导电层间的电容也相对高，其限制电路可操作时所需的速度(频率)。为增加电路可操作时所需的频率，开发如下策略：包括(1)结合入具有更低电阻率值的金属(例如，铜)及(2)以相对于二氧化硅而言具有更低介电常数的绝缘材料来提供电绝缘。 
在介电基板上制造平面铜电路迹线的一种方法称为金属镶嵌法。按照该方法，通过常规的干式蚀刻方法使二氧化硅介电表面图案化，以在铜沉积至该表面上之前形成用于垂直和水平互联的洞(即，通道)及沟槽。铜具有作为快速扩散体的特性且可穿过下方的介质层迅速移动以使设备“中毒”。因此，在沉积铜之前，通常将扩散阻挡层施加至基板上。向该扩散阻挡层提供铜晶种层，且接着由铜镀浴在其上涂布铜层。利用化学机械抛光以减小该铜表层的厚度且减小扩散阻挡层的厚度，直至获得暴露介电表面的升高部分的平坦表面。这些通道及沟槽保持填充有形成电路互联的导电性铜。 
已发现工业上广泛接受钽及氮化钽作为阻挡层材料且通常通过物理气相沉积(PVD)将钽及氮化钽施加至基板上。然而，因为界定电路的线的尺寸被减小至65nm与45nm的等级，所以一个感兴趣之处在于避免降低铜线的载流容量。因为铜线的尺寸减小，所以从该线散射的电子变得显著且引起电阻率增加。一个解决方案为减小阻挡层的厚度且从而通过使用原子层沉积(ALD)的阻挡层来允许在给定沟槽内存在按比例更厚的铜线。随后通过常规的PVD方法来施加铜晶种层。然而，因需要提供精确厚度的铜晶种层以避免过厚层悬在沟槽的顶部且避免过薄层由大气氧导致的铜氧化，所以铜晶种层的形成是复杂的。 
所提出的一种解决方案为将铜直接镀在扩散阻挡物上。钌已尤其展示其在此应用中的前景。铜于钌中的不可溶性使得钌适合用作扩散阻挡物，且钌的导电性允许将铜直接镀至钌上，此免除对铜晶种层的需要。虽然用钌代替钽/氮化钽阻挡层的可能性仍为具有吸引力的可能性，但可能的发展过程似乎在于铜-钌-钽/氮化钽体系。 
已发展的用于钌及其他贵金属的抛光组合物通常含有强氧化剂，具有低pH值或两者。在这些抛光组合物中，铜趋向于极快速地氧化。另外，由于钌与铜的标准还原电位之差，因此，在常规的钌抛光组合物存在下，铜遭受钌的伽伐尼侵蚀(galvanic attack)。该伽伐尼侵蚀导致铜线的蚀刻且由此所得的电路效能降低。另外，常规的抛光组合物中的铜与钌的化学反应性的大的差异导致含两种金属的基板的化学机械抛光中移除速率相去甚远，此可导致铜过度抛光。 
最后，除钌及铜以外还包含钽或氮化钽的基板引起另外的问题：适合于钌或铜(它们自身为高度相异的材料)的抛光组合物通常不适合用于钽或氮化钽层的抛光。钌-铜-钽微电子技术的成功实施将需要适用于抛光所有三种材料的新抛光方法。 
因此，在现有技术中，仍存在对用于包含钌及铜且视情况包含钽或氮化钽的基板的化学机械抛光的改良抛光组合物及方法的需要。 
发明内容
本发明提供一种化学机械抛光基板的方法，该方法包含(i)使包含至少一个钌层和至少一个铜层的基板与化学机械抛光系统接触，该化学机械抛光系 统包含(a)选自抛光垫、研磨剂及其组合的抛光组件，(b)过氧化氢，(c)有机酸，(d)至少一种杂环化合物，其中该至少一种杂环化合物包含至少一个氮原子，以及(e)水；(ii)相对于该基板移动该抛光组件；及(iii)研磨该基板的至少一部分以抛光该基板。水与溶解或悬浮于其中的任何组分的pH值为6至12。该至少一个钌层和该至少一个铜层处于电接触状态，且在水及溶解或悬浮于其中的任何组分中的铜的开路电位与钌的开路电位之差为50mV或更低。 
具体实施方式
本发明提供一种化学机械抛光基板的方法。该抛光方法包括使包含至少一个钌层及至少一个铜层的基板与抛光系统相接触。该抛光系统包含(a)选自抛光垫、研磨剂及其组合的抛光组件，(b)过氧化氢，(c)有机酸，(d)至少一种杂环化合物，其中该至少一种杂环化合物包含至少一个氮原子，以及(e)水。使该抛光组件相对于该基板移动，且研磨该基板的至少一部分以抛光该基板。水及溶解或悬浮于其中的任何组分形成该抛光系统的抛光组合物。抛光组合物的pH值为6至12。该至少一个钌层和该至少一个铜层处于电接触状态，且在该抛光组合物中，铜的开路电位与钌的开路电位之差为50mV或更低。除非另有说明，否则本文所述的组分的量以抛光组合物的总重量(即，水及溶解或悬浮于其中的任何组分的重量)计。 
该基板包含至少一个钌层和至少一个铜层，其中该钌和该铜处于电接触状态。视情况，该基板还可进一步包含至少一个钽层。若该任选的至少一个钽层存在，则虽然其可位于该基板上的任何位置，但优选该至少一个钌层位于该至少一个钽层与该至少一个铜层之间。该钽层可包含钽金属，或可包含合适的含钽化合物(诸如氮化钽)或钽金属与含钽化合物的混合物。当该钽层包含氮化钽时，该氮化钽可包含化学计量的氮化钽(即TaN)或非化学计量的氮化钽(例如TaN0.5)。该钽层还可包含由式TaNxCy表示的钽与氮及碳的含钽化合物，其中x+y≤1。 
基板通常进一步包含绝缘层。该至少一个钌层优选位于该至少一个铜层与该绝缘层之间。当该至少一个钽层存在时，其位于该至少一个钌层与该绝缘层之间。该绝缘层可包含任何合适的介电材料。该绝缘层可为金属氧化物(例如，氧化硅)、多孔金属氧化物、玻璃、有机聚合物、氟化有机聚合物或任何其他具有高或低介电常数的合适的绝缘层。当该绝缘层包含氧化硅时， 氧化硅可来源于任何合适的前体。氧化硅优选源自硅烷前体，更优选源自经氧化的硅烷前体，诸如原硅酸四乙酯(TEOS)。 
抛光组件选自抛光垫、研磨剂及抛光垫与研磨剂的组合。若存在研磨剂，则研磨剂可以任何合适的形式(例如，研磨颗粒)存在。该研磨剂可固定于抛光垫上，及/或可以微粒形式存在及悬浮于水中。抛光垫可为任何合适的抛光垫，其中许多是本领域已知的。 
研磨剂可为任何合适的研磨剂，例如，该研磨剂可为天然的或合成的且可包含金属氧化物、碳化物、氮化物、金刚砂及其类似物。该研磨剂还可为聚合物颗粒或经涂覆的颗粒。理想地，该研磨剂包含金属氧化物。优选，该金属氧化物选自氧化铝、二氧化铈、二氧化硅、氧化锆、其共形成产物、及其组合。更优选，该研磨剂为氧化铝或二氧化硅。最优选，该金属氧化物包含α-氧化铝。当该研磨剂包含α-氧化铝时，该研磨剂还可包含其他形式的氧化铝，诸如热解氧化铝。研磨颗粒通常具有20nm至500nm的平均粒度(例如平均粒径)。优选，研磨颗粒具有30nm至400nm(例如，40nm至300nm、或50nm至250nm、或75nm至200nm)的平均粒度。 
当研磨剂包含α-氧化铝时，则α-氧化铝的至少一部分可用带负电的聚合物或共聚物处理。例如，5重量％或更多(例如，10重量％或更多，或50重量％或更多，或基本上全部，或全部)α-氧化铝可用带负电的聚合物或共聚物处理。该带负电的聚合物或共聚物可为任何合适的聚合物或共聚物。优选，带负电的聚合物或共聚物包含选自羧酸、磺酸及膦酸官能基团的重复单元。更优选，阴离子聚合物包含选自以下物质的重复单元：丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、顺丁烯二酸、顺丁烯二酸酐、乙烯基磺酸、2-(甲基丙烯酰氧基)乙烷磺酸、苯乙烯磺酸、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸、乙烯基膦酸、2-(甲基丙烯酰氧基)乙基磷酸盐及其组合。最优选，带负电的聚合物或共聚物选自聚(2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸)及聚苯乙烯磺酸。 
α-氧化铝可用带负电的聚合物或共聚物以任何合适的时间处理。举例而言，α-氧化铝可用带负电的聚合物或共聚物在独立步骤中处理，以在向抛光系统中添加经预处理的α-氧化铝之前，制得经预处理的α-氧化铝。在另一实施方案中，可在向抛光系统中添加α-氧化铝之前、过程中或之后，将带负电的聚合物或共聚物单独添加至抛光系统中。 
当研磨剂悬浮于水中(即，当研磨剂为抛光系统的组件)时，则抛光系统 中可存在任何合适量的研磨剂。通常，抛光系统的抛光组合物中将存在0.001重量％或更多(例如，0.01重量％或更多)的研磨剂。更通常，抛光组合物中将存在0.1重量％或更多的研磨剂。抛光组合物中研磨剂的量通常将不超过20重量％，更通常将不超过10重量％(例如，将不超过5重量％)。优选，抛光组合物中研磨剂的量为0.05重量％至5重量％，且更优选为0.1重量％至2重量％。 
抛光系统可包含任何合适的抛光垫(例如，抛光表面)。此外，合适的抛光垫可包含任何合适的聚合物。合适的聚合物包括，例如聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龙、碳氟化合物、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨基甲酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、弹性体类、聚氨基甲酸酯类、聚烯烃类、聚碳酸酯类、聚乙烯醇类、尼龙类、天然及合成橡胶类、苯乙烯类聚合物、聚芳族类、含氟聚合物类、聚酰亚胺类、交联的聚氨基甲酸酯类、热固性聚氨基甲酸酯类、交联的聚烯烃类、聚醚类、聚酯类、聚丙烯酸酯类、弹性体聚乙烯类、其共聚物及嵌段共聚物，及其混合物及共混物、其共形成产物，及其混合物。 
抛光垫可具有任何合适的密度、硬度、厚度、压缩性、压缩回弹能力及压缩模量。该抛光垫可进一步由任何合适的方法生产。合适的方法包括将所选定的材料浇铸、切割、反应注射成型、注射吹塑、压缩成型、烧结、热成型或挤压成所需的形状。抛光垫可包含固体独石或可包含微孔。这些微孔可为开孔式的、闭孔式的或开孔与闭孔的混合物。 
抛光组合物包含过氧化氢。过氧化氢的功能在于氧化该基板的至少一部分。过氧化氢可由任何合适来源提供。过氧化氢可以包括35％(w/w)、50％(w/w)及70％(w/w)的各种浓度作为于水中的水溶液购得。过氧化氢的固体形式包括过碳酸钠、过氧化钙及过氧化镁，当其溶解于水中时释放游离的过氧化氢。优选地，以水溶液的形式提供过氧化氢。 
抛光组合物可包含任何合适量的过氧化氢。抛光组合物通常包含0.01重量％或更多(例如，0.1重量％或更多、或1重量％或更多)的过氧化氢。抛光组合物优选包含20重量％或更低(例如，10重量％或更低、或5重量％或更低)的过氧化氢。抛光组合物更优选包含0.5重量％至5重量％(例如，1重量％至5重量％)的过氧化氢。 
抛光组合物包含有机酸。适用于抛光组合物的有机酸包括羧酸类及磺酸 类。抛光组合物优选包含羧酸。合适的羧酸类的非限定性实例包括丙二酸、丁二酸、己二酸、乳酸、顺丁烯二酸、苹果酸、柠檬酸、甘氨酸、天冬氨酸、酒石酸、葡糖酸、亚氨基二乙酸及反丁烯二酸或任何羧基或氨基羧酸。有机酸优选为酒石酸。 
应了解上述羧酸类可以盐(例如，金属盐、铵盐或其类似物)、酸或其部分盐的形式存在。举例而言，酒石酸盐类包括酒石酸以及其单盐及二盐。此外，包括碱性官能基的羧酸类可以碱性官能基的酸式盐的形式存在。举例而言，甘氨酸类包括甘氨酸以及其酸式盐。此外，一些化合物可同时充当酸和螯合剂(例如，某些氨基酸及其类似物)。 
抛光组合物可包含任何合适量的有机酸。抛光组合物通常包含0.001重量％或更多(例如，0.01重量％或更多、或0.05重量％或更多、或0.1重量％)的有机酸。抛光组合物优选包含5重量％或更低(例如，4重量％或更低、或3重量％或更低、或甚至2重量％或更低)的有机酸。 
抛光组合物包含至少一种杂环化合物，其中该至少一种杂环化合物包含至少一个氮原子。该至少一种杂环化合物担当腐蚀抑制剂，优选铜腐蚀抑制剂。出于本发明的目的，腐蚀抑制剂为任何促进在正抛光的基板的表面的至少一部分上形成钝化层(即，溶解抑制层)的化合物或化合物的混合物。铜腐蚀抑制剂为任何促进在铜上形成钝化层的化合物。理想地，包含至少一个氮原子的杂环化合物包含一个或多个5或6元杂环含氮环。优选的腐蚀抑制剂包括，但不限于，1，2，3-三唑、1，2，4-三唑、苯并三唑、苯并咪唑、苯并噻唑及其衍生物，诸如其经羟基、氨基、亚氨基、羧基、巯基、硝基、脲、硫脲或烷基取代的衍生物。最优选，该至少一种杂环化合物选自苯并三唑、1，2，3-三唑、1，2，4-三唑及其混合物。本发明的抛光组合物可包含任何合适量的该至少一种杂环化合物。抛光组合物通常包含0.005重量％或更多(例如，0.01重量％或更多、或0.025重量％或更多、或0.05重量％或更多)的该至少一种杂环化合物。抛光组合物优选包含1重量％或更低(例如，0.5重量％或更低、或0.25重量％或更低、或甚至0.1重量％或更低)的该至少一种杂环化合物。 
在第一实施方案中，抛光系统包含苯并三唑或其衍生物作为单一杂环化合物。抛光系统优选包含苯并三唑作为单一杂环化合物。在该第一实施方案中，抛光系统的抛光组合物优选包含0.001重量％至0.5重量％的苯并三唑且更优选0.005重量％至0.1重量％的苯并三唑。 
在第二实施方案中，抛光系统包含至少第一和至少第二杂环化合物。在该第二实施方案中，第一杂环化合物优选包含苯并三唑或其衍生物，且该至少一种第二杂环化合物优选包含三唑或其衍生物且更优选包含1，2，4-三唑。最优选，该第一杂环化合物包含苯并三唑且该第二杂环化合物包含1，2，4-三唑。该第二实施方案的抛光系统的抛光组合物通常包含0.005重量％或更多(例如，0.01重量％或更多、或0.025重量％或更多、或0.05重量％或更多)的该第一杂环化合物和该至少第二杂环化合物的每一种。该第二实施方案的抛光系统的抛光组合物优选包含1重量％或更低(例如，0.5重量％或更低、或0.25重量％或更低、或甚至0.1重量％或更低)的该第一杂环化合物和该至少第二杂环化合物的每一种。换言之，该第二实施方案的抛光组合物包含0.01重量％至2重量％(例如，0.02重量％至1重量％、或0.05重量％至0.5重量％)的该第一杂环化合物与该至少第二杂环化合物的混合物。 
抛光组合物视情况包含膦酸。膦酸的功能在于至少部分地增加至少一个任选的钽或氮化钽层的抛光速率。在本发明的上下文中，适用的膦酸包括，但不限于，1-羟基亚乙基-1，1-二膦酸、氨基三(亚甲基膦酸)、N-羧基甲基氨基甲烷膦酸、1-羟基乙烷-1，1-二膦酸、膦酸二烷基酯、烷基膦酸二烷基酯及其混合物。若膦酸存在，则其可以任何合适的浓度存在于本发明的抛光组合物中，但抛光系统的抛光组合物通常将包含0.01重量％至5重量％(例如，0.1重量％至2.5重量％、或0.2重量％至1重量％)的膦酸。 
抛光组合物视情况包含含有醚基的二胺化合物。含有醚基的二胺化合物的功能在于至少部分地抑制至少一个任选的钽或氮化钽层的抛光速率。包含醚基的任何合适的二胺化合物可与本发明结合使用。如本文所使用的二胺化合物为提供两个胺基的任何包含两个氮原子的化合物。这些氮原子在该二胺化合物内可具有任何合适的空间排列。举例而言，这些氮原子可直接彼此键结或这些氮原子可由原子插入基分开。此外，这些氮原子可独立地为或一起成为非循环链的一部分或形成环结构的一部分。 
形成胺基的各氮原子可独立地未经取代(例如，-NH2或-NH3 +)或经取代(例如，具有一个或多个含碳或含杂原子基团)。视各氮原子所键结的原子的数目而定，这些氮原子可为带电或不带电的。当然，若氮原子呈四元构型(例如，键结至4个原子)，则氮原子带正电。因此，二胺化合物可以游离碱(例如，其中两个氮原子均未质子化)、酸的单加成盐(例如，其中仅一个氮原子 经质子化)或酸的双加成盐(例如，其中两个氮原子均经质子化)的形式存在。因此，该二胺化合物可在适当时进一步包含一个或多个抗衡离子。 
该二胺化合物包含至少一个醚基，且可包含多于一个的醚基(例如，聚醚二胺)。而且，包含至少一个醚基(例如，两个或两个以上醚基)的二胺化合物可源自两个、三个或更多诸如氧化乙烯或氧化丙烯的单体单元的组合，以提供线性二胺聚醚。含有醚基的二胺化合物优选为聚醚二胺。含有醚基的二胺化合物更优选为三噁-十三烷二胺。三噁-十三烷二胺为包含13-原子直链的化合物，其中将3个氧原子及2个氮原子结合入该直链中。三噁-十三烷二胺可进一步在任何可用位置经一个或多个合适的取代基取代。适合与本发明结合使用的三噁-十三烷二胺的实例为4，7，10-三噁-1，13-十三烷二胺。 
抛光组合物可包含任何合适量的含有醚基的二胺化合物。若二胺化合物存在，则抛光组合物优选将包含0.01重量％至1重量％(例如，0.05重量％至0.5重量％)的含有醚基的二胺化合物。 
抛光组合物可包含分散剂。合适分散剂的实例包括磷酸、有机酸、氧化锡及膦酸盐化合物。分散剂优选为聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸且更优选为聚丙烯酸。若分散剂存在，则抛光系统的抛光组合物包含0.001重量％至0.5重量％(例如，0.01至0.1重量％)的分散剂。 
抛光组合物可具有任何合适的pH值。抛光组合物优选具有6至12、更优选7至9的pH值。抛光组合物的pH值可通过任何合适的方法达成及/或维持。更具体地说，抛光组合物可进一步包含pH值调节剂、pH值缓冲剂或其组合。pH值调节剂可为任何合适的pH值调节化合物。举例而言，pH值调节剂可为任何合适的足够强以产生所需最终pH值的酸或碱。合适酸的实例包括硝酸、乙酸、磷酸及其类似物。合适碱的实例包括氢氧化钾、氢氧化铵及四烷基氢氧化铵。pH值缓冲剂可为任何合适的缓冲剂，例如磷酸盐、乙酸盐、硼酸盐、铵盐及其类似物。抛光组合物可包含任何合适量的pH值调节剂及/或pH值缓冲剂，只要该量足以将抛光组合物的pH值达成及/或维持在本文前述范围内。 
抛光组合物视情况进一步包含一种或多种其他添加剂。这类添加剂包括任何合适的表面活性剂及/或流变控制剂。合适的表面活性剂包括，例如，阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阴离子聚电解质、非离子表面活性剂、两性表面活性剂、氟化表面活性剂、其混合物及其类似物。 
抛光组合物视情况进一步包含消泡剂。该消泡剂可为任何合适的消泡剂。合适的消泡剂包括，但不限于，基于硅的消泡剂和基于炔属二醇的消泡剂。存在于抛光组合物中的消泡剂的量通常为40ppm至140ppm。 
抛光组合物视情况进一步包含杀生物剂。该杀生物剂可为任何合适的杀生物剂，例如异噻唑啉酮杀生物剂。用于抛光组合物中的杀生物剂的量通常为1ppm至500ppm，且优选为10ppm至200ppm。 
抛光组合物可通过任何合适技术来制备，其中许多是本领域技术人员已知的。抛光组合物可以分批法或连续法来制备。抛光组合物通常可通过将其组分按任何顺序组合来制备。如本文所使用的术语″组分″包括单独的成份(例如，研磨剂、过氧化氢、有机酸等)以及各成份(例如，研磨剂、过氧化氢、有机酸、至少一种杂环化合物等)的任何组合。 
与本发明结合使用的任一组分均可以混合物或水溶液的形式提供。理想地，然后将两种或两种以上组分单独储存且随后混合以形成抛光系统的抛光组合物。就此而论，抛光组合物适合于先制备(例如，将所有组分混合在一起)且接着传送至基板的表面。抛光组合物还适合在基板的表面上通过自两个或两个以上不同来源传送抛光组合物的各组分，从而使抛光组合物的各组分在基板的表面(例如，在使用点处)相遇来制备。在两种情况的任一种下，抛光组合物的各组分传送至基板的表面的流率(即，抛光组合物的各具体组分的传送量)在抛光处理之前及/或在抛光处理期间可改变，以便抛光系统的抛光特性(例如抛光速率)改变。 
抛光组合物可作为一个包含过氧化氢、有机酸、至少一种杂环化合物及水的成套体系来提供。可选择地，有机酸、至少一种杂环化合物及水可在第一容器中提供，且过氧化氢可在第二容器中以在水中的溶液或以固体形式(例如，过碳酸钠)提供。虽然诸如研磨剂、膦酸及含有醚基的二胺化合物的任选组分通常不与过氧化氢及任何其他氧化剂处于同一容器中，但其可置放于该第一及/或该第二容器或第三容器中。此外，在第一容器中的组分可以干燥形式存在，而在第二容器中的组分可以含水分散液或溶液的形式存在。此外，在第一或第二容器中的组分可具有不同的pH值，或者可选择地具有基本上相似或甚至相等的pH值。若诸如研磨剂的任选组分为固体，则其可以干燥形式或以在水中的混合物形式提供。理想地，过氧化氢与抛光组合物的其他组分分开提供，且在使用前不久(例如，使用前1周或更短、使用前1 天或更短、使用前1小时或更短、使用前10分钟或更短、使用前1分钟或更短)或直接在使用时，例如，由最终使用者将其与抛光组合物的其他组分组合。抛光组合物的各组分的其他两个容器、或三个或三个以上容器、组合均在本领域技术人员的知识范围内。 
抛光系统的抛光组合物还可作为在使用前用适当量的水稀释的浓缩物提供。过氧化氢优选单独提供且不作为浓缩物的组分提供。在这样的实施方案中，抛光组合物浓缩物可包含适当量的任选的研磨剂、有机酸、至少一种杂环化合物及水，以便用适当量的水稀释该浓缩物之后，抛光组合物的各组分将以在各组分的前述适当范围内的量存在于抛光组合物中。举例而言，任选的研磨剂、有机酸及至少一种杂环化合物可各自以是各组分的上述浓度的2倍(例如，3倍、4倍或5倍)的量存在于该浓缩物中，以便当用等体积的水(例如，分别以2倍等体积的水、3倍等体积的水或4倍等体积的水)稀释该浓缩物时，各组分将以各组分的前述范围内的量存在于该抛光组合物中。此外，本领域技术人员应理解，浓缩物可含有适当比例的存在于最终抛光组合物中的水，以确保有机酸、至少一种杂环化合物及其他合适的添加剂至少部分地或完全溶解于该浓缩物中。 
理想地，抛光组合物中铜的开路电位与钌的开路电位之差为50mV或更低(例如，40mV或更低)。众所周知，当两种处于电接触状态的异种金属浸没于电解质中或与电解质相接触时，形成伽伐尼电池(galvanic cell)。在伽伐尼电池中，第一金属(阳极)将以比不存在第二金属的情况下更快的速率腐蚀(例如，氧化)。因此，该第二金属(阴极)将以比在不存在该第一金属的情况下更慢的速率腐蚀。腐蚀过程的驱动力为该两种金属之间的电位差，该电位差为该两种金属在特定电解质中的开路电位之差。电解质中金属的开路电位为电解质的特性的函数，其至少部分地视电解质的各组分的浓度、pH值、及包含金属及电解质的系统的温度而定。因此，当这两种金属与电解质相接触时，包含伽伐尼电池的两种金属的电位差将导致产生伽伐尼电流。伽伐尼电流的数值直接与由伽伐尼电池的阳极组分导致的腐蚀速率相关，在此情况下阳极组分为铜。有利地，若铜与钌的开路电位差小于50mV，则由铜与钌的伽伐尼耦合引起的铜的腐蚀速率充分减小以允许对铜的抛光速率进行有效控制且减少抛光组合物对铜的蚀刻。 
可使用任何合适的方法量测抛光组合物中铜的开路电位与钌的开路电 位。尤其适用于测定金属的电化学特性的方法为动电位极化。 
根据本发明，可以本文所述的抛光系统通过任何适合的技术来抛光基板。本发明的方法尤其适合与化学机械抛光(CMP)装置结合使用。该装置通常包含压板，其在使用时处于运动状态且其具有由回转运动、线性运动或圆周运动引起的速度；与该压板相接触的抛光垫，且其运动时与该压板一起移动；及固持基板的载体，通过使该基板与该抛光垫的表面接触且相对于该抛光垫的表面移动该基板来抛光该基板。基板的抛光通过将与本发明的抛光系统接触置放的基板及通过抛光组件(通常为相对于基板移动的抛光垫)与位于其间的抛光系统的其他组分来进行，以便研磨和移除基板的一部分且从而抛光基板的至少一部分。 
有利地，本发明方法允许控制包含至少一个钌层、至少一个铜层及任选的至少一个钽层的基板的抛光的选择率。本文将选择率定义为一层的抛光速率与第二不同层的抛光速率的比。在包含钌层及铜层的基板中，该钌层及该铜层将以不同速率抛光。通常，铜层将涂布在钌层上，以便抛光过程将首先移除大部分上覆铜层，且接着在抛光系统仍可获得铜的情况下将开始移除下方的钌层。当抛光系统可获得铜与钌时，若铜抛光的速率显著大于钌抛光的速率，则铜层可能被过度抛光，这导致铜层的凹陷及/或腐蚀。 
类似地，在包含至少一个钌层、至少一个铜层及至少一个钽或氮化钽层的基板中，该钌层、该铜层及该钽或氮化钽层将以不同速率抛光。通常，该钌层位于该铜层与该钽或氮化钽层之间，且因此该钽或氮化钽层将为暴露于抛光系统的最后层。在一个实施方案中，钽或氮化钽的抛光速率与铜及钌的抛光速率相似，以致钽或氮化钽可在铜层及/或钌层不经受过度抛光的情况下移除。在另一实施方案中，钽或氮化钽的抛光速率比铜及钌的抛光速率小得多，以致钽或氮化钽层可担当停止层。在铜及钌层抛光后，可改变抛光系统，以提供钽或氮化钽的合适的移除速率。 
不希望受任何特定理论的限制，在其中抛光系统包含至少一种杂环化合物(包含苯并三唑)且基本上不包含三唑的实施方案中，相信苯并三唑有助于在铜上形成高度钝化的薄膜，从而减小铜的抛光速率。在这些实施方案中，与该至少一个钌层相比，铜的抛光选择率减小且优选为4或更小(例如，3或更小、或2或更小)。在其他实施方案中，其中抛光系统包含至少两种包含苯并三唑及三唑(优选1，2，4-三唑)的杂环化合物，该至少两种杂环化合物之间 对铜的表面位点的竞争导致铜上形成钝化度较小的薄膜。在这些其他实施方案中，抛光系统展示增加的铜抛光速率，从而，相对于无三唑的实施方案，铜相对于钌的抛光选择率增加。因此，通过选择存在于抛光系统的抛光组合物中的杂环化合物的类型及浓度，可控制本发明的抛光系统中相比于钌的抛光的铜的抛光的选择率。 
如上所述，抛光组合物视情况包含膦酸及/或含有醚基的二胺化合物。若抛光组合物包含膦酸且基本上无含有醚基的二胺化合物，则与不包含该两种化合物的相似的抛光系统相比，该抛光系统展示增加的钽的移除速率。若抛光组合物包含含有醚基的二胺化合物且基本上无膦酸，则与不包含该两种化合物的相似的抛光系统相比，该抛光系统展示减小的钽的移除速率。因此，在抛光组合物中包含膦酸或含有醚基的二胺化合物允许调整抛光系统所展示的钽相对于铜及钌的选择率。 
下列实施例进一步说明本发明，但当然，无论如何不应理解为限制本发明的范围。 
实施例中显示的抛光实验通常包括在基板对抛光垫的13.8kPa(2psi)的向下压力、90rpm的压板速度及93rpm的载体速度的条件下使用市售的抛光装置。 
实施例1 
该实施例证明可由本发明的方法达成的包含铜、钌、钽及由原硅酸四乙酯产生的氧化硅介电材料的独立基板的抛光的移除速率。本文将氧化硅介电材料称为″TEOS″。 
5个4块基板的相似组，用5种不同抛光组合物(抛光组合物A、B、C、D及E)抛光分别包含铜、钌、钽及TEOS的基板中的每一个。组合物中的每个包含在水中的0.7重量％的用带负电的聚合物处理的α-氧化铝、0.8重量％的酒石酸、3重量％的过氧化氢及0.05重量％的Alcosperse 630聚丙烯酸分散剂，pH值为8.4。抛光组合物A另外含有0.0278重量％的苯并三唑(BTA)、0.048重量％的1，2，4-三唑(TAZ)及0.08重量％的4，7，10-三噁-1，13-十三烷二胺(TTD)。抛光组合物B另外含有0.0278重量％的苯并三唑及0.048重量％的1，2，4-三唑。抛光组合物C另外含有0.5重量％的氨基三(亚甲基膦酸)(ATMPA)、0.0303重量％的苯并三唑及0.048重量％的1，2，4-三唑。抛光组 合物D另外含有0.6重量％的氨基三(亚甲基膦酸)、0.0303重量％的苯并三唑及0.048重量％的1，2，4-三唑。抛光组合物E另外含有0.6重量％的氨基三(亚甲基膦酸)及0.0303重量％的苯并三唑。所使用的抛光垫为闭孔式热固性聚氨基甲酸酯垫。 
抛光之后，测定各抛光组合物的铜、钌、钽及TEOS的移除速率(RR)，且结果概述于表1中。 
表1 
Figure S2006800397842D00131
由表1中所述的结果易见，在所观察到的适用的钌移除速率下，抛光组合物A-E展示铜相对于钌的抛光选择率为1.4∶1至3.0∶1。同时含有苯并三唑及1，2，4-三唑的抛光组合物A、B、C及D展示铜相对于钌的抛光选择率为大约2.6∶1至3∶1，而包含苯并三唑但无1，2，4-三唑的抛光组合物E展示铜相对于钌的抛光选择率为1.4∶1。包含0.08重量％的4，7，10-三噁-1，13-十三烷二胺(TTD)的抛光组合物A展示铜相对于钽的抛光速率和钌相对于钽的抛光速率分别为约15.4∶1与5.2∶1。抛光组合物A所展示的钽抛光速率大约为不包含TTD的抛光组合物B所展示的钽抛光速率的0.37倍。含有氨基三(亚甲基膦酸)的抛光组合物C、D及E展示比不包含氨基三(亚甲基膦酸)的抛光组合物B高大约1.3至1.6倍的钽的移除速率。最后，包含TTD或氨基三(亚甲基膦酸)的抛光组合物A及抛光组合物C-E分别展示为不包含TTD及氨基三(亚甲基膦酸)的抛光组合物B中所观察到的TEOS移除速率的31％至78％的TEOS移除速率。 
因此，该实施例的结果证明本发明的抛光系统具有下列能力：(a)在可控制的选择率下，以基本上相似的速率抛光包含铜的基板及包含钌的基板，和 (b)以可变的钽抛光速率抛光另外包含钽的基板。 
实施例2 
用包含pH值为8.4的在水中的0.7重量％的用带负电的聚合物处理的α-氧化铝、0.8重量％的酒石酸、3重量％的过氧化氢、0.05重量％的Alcosperse630聚丙烯酸分散剂、0.6重量％的氨基三(亚甲基膦酸)及0.0303重量％的苯并三唑的抛光组合物抛光4块独立的包含铜、钌、钽及TEOS的基板。所使用的抛光垫为包含闭孔与开孔的混合物的热塑性聚氨基甲酸酯垫。 
抛光之后，测定铜、钌、钽及TEOS的移除速率且结果陈述于表2中。 
表2 
由表2中所述的结果易见，就本发明的抛光系统所展示的抛光选择率而言，铜相对于钌为1.23∶1，铜相对于钽为2.05∶1且钌相对于钽为1.67∶1。 

Claims (25)

1.一种化学机械抛光基板的方法，该方法包括：
(i)使包含至少一个钌层和至少一个铜层的基板与化学机械抛光系统接触，该化学机械抛光系统包含：
(a)选自抛光垫、研磨剂及其组合的抛光组件，
(b)过氧化氢，
(c)有机酸，
(d)至少一种杂环化合物，其中该至少一种杂环化合物包含至少一个氮原子，及
(e)水；
(ii)使该抛光组件相对于该基板移动；及
(iii)研磨该基板的至少一部分以抛光该基板；
其中该水与溶解或悬浮于该水中的该化学机械抛光系统中除该水以外的组分的pH值为6至12，其中该至少一个钌层与至少一个铜层电接触且该至少一个钌层和至少一个铜层与包含该水及溶解或悬浮于该水中的该化学机械抛光系统中除该水以外的组分的抛光组合物接触，其中在该水及溶解或悬浮于该水中的该化学机械抛光系统中除该水以外的组分中，铜的开路电位与钌的开路电位之差为50mV或更低，且其中铜相对于钌的抛光选择率为2或更低。
2.权利要求1的方法，其中该抛光系统包含研磨剂，其中该研磨剂悬浮于该水中。
3.权利要求2的方法，其中该抛光组合物包含0.01重量％至5重量％的研磨剂。
4.权利要求2的方法，其中该研磨剂选自氧化铝及二氧化硅。
5.权利要求4的方法，其中该研磨剂为α-氧化铝。
6.权利要求5的方法，其中该α-氧化铝用带负电的聚合物或共聚物处理。
7.权利要求6的方法，其中该带负电的聚合物或共聚物选自聚(2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸)及聚苯乙烯磺酸。
8.权利要求1的方法，其中该抛光系统包含抛光垫及研磨剂，其中该研磨剂固定于该抛光垫上。
9.权利要求5的方法，其中该抛光组合物包含0.1重量％至5重量％的过氧化氢。
10.权利要求1的方法，其中该有机酸选自丙二酸、丁二酸、己二酸、乳酸、苹果酸、柠檬酸、甘氨酸、天冬氨酸、酒石酸、葡糖酸、亚氨基二乙酸及反丁烯二酸。
11.权利要求10的方法，其中该有机酸为酒石酸。
12.权利要求1的方法，其中该抛光组合物包含至少一种选自1，2，3-三唑、1，2，4-三唑、苯并三唑、苯并咪唑、苯并噻唑及其组合的杂环化合物。
13.权利要求12的方法，其中该抛光组合物包含苯并三唑。
14.权利要求13的方法，其中该抛光组合物包含0.005重量％至0.1重量％的苯并三唑。
15.权利要求13的方法，其中该抛光组合物进一步包含1，2，4-三唑。
16.权利要求1的方法，其中该抛光组合物进一步包含分散剂。
17.权利要求16的方法，其中该分散剂为聚丙烯酸。
18.权利要求1的方法，其中该抛光组合物进一步包含膦酸。
19.权利要求18的方法，其中该膦酸选自1-羟基亚乙基-1，1-二膦酸、氨基三(亚甲基膦酸)、N-羧基甲基氨基甲烷膦酸、1-羟基乙烷-1，1-二膦酸、膦酸二烷基酯、烷基膦酸二烷基酯及其混合物。
20.权利要求1的方法，其中该抛光组合物进一步包含含有醚基的二胺化合物。
21.权利要求20的方法，其中该含有醚基的二胺化合物为聚醚二胺。
22.权利要求1的方法，其中该基板进一步包含至少一个钽层。
23.权利要求22的方法，其中该基板包含至少一个钌层，该钌层位于该至少一个钽层与该至少一个铜层之间。
24.权利要求22的方法，其中该基板进一步包含非铜或钌的材料，且相对于该不包含铜或钌的材料，铜或钌的抛光选择率为2或更低。
25.权利要求1的方法，其中该pH值为7至9。
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