DE602004012357T2 - Chemisch-mechanisch planarisierende Zusammensetzungen zur Korrosionsverminderung in Halbleiterwafer - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf die chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) von Halbleiterwafern und genauer auf CMP-Zusammensetzungen (Polier-Zusammensetzungen) und Verfahren zur Entfernung der Sperrmaterialien von Halbleiterwafern in Gegenwart untereinander liegender dielektrischer Schichten mit verminderter Erosion der dielektrischen Schicht.
  • Die Halbleiterindustrie ist bei der Bildung integrierter Schaltkreise auf Halbleiterwafern auf Leiterbahnmetalle angewiesen. Diese Leiterbahnmetalle wie Metalle der Aluminium-, Kupfer-, Gold-, Nickel- und Platingruppe, Silber, Wolfram und deren Legierungen verfügen über einen geringen elektrischen Widerstand. Kupfermetalleiterbahnen liefern hervorragende Leitfähigkeit bei geringen Kosten. Da Kupfer in vielen dielektrischen Materialen wie Siliciumdioxid oder dodierten Versionen von Siliciumdioxid in hohem Grade löslich ist, wenden Hersteller integrierter Schaltkreise typischerweise eine Diffusionssperrschicht an, um die Kupferdiffusion in die dielektrische Schicht zu verhindern. Beispielsweise umfassen Sperrschichten zum Schutz von Dielektrika Tantal, Tantalnitrid, Tantal-Silicium-Nitride, Titan, Titannitride, Titan-Silicium-Nitride, Titan-Titan-Nitride, Titan-Wolfram, Wolfram, Wolframnitride und Wolfram-Silicium-Nitride.
  • Die Chip-Herstellung nutzt CMP-Verfahren zur Planarisierung von Halbleitersubstraten nach der Abscheidung der Metalleiterbahnschichten. Typischerweise nutzt das Polierverfahren eine „Erstschritt"-Aufschlämmung, die speziell an die schnelle Entfernung der Metalleiterbahn angepaßt ist. Dann umfaßt das CMP-Verfahren eine „Zweitschritt"-Aufschlämmung zur Entfernung der Sperrschicht. Typischerweise ent fernen die Zweitschritt-Aufschlämmungen selektiv die Sperrschicht, ohne die physikalische Struktur oder die elektrischen Eigenschaften der Leitungsstruktur zu beeinträchtigen. Überdies sollte die Zweitschritt-Aufschlämmung über niedrige Erosionsraten für Dielektrika verfügen. Erosion bezieht sich auf unerwünschte Vertiefungen in der Oberfläche der dielektrischen Schichten, die aus der Entfernung eines Teils der dielektrischen Schicht im Verlauf des CMP-Verfahrens resultieren. Erosion, die neben dem Metall in Gräben stattfindet, verursacht dimensionale Defekte in den Schaltkreisleitungen. Diese Defekte tragen zur Schwächung elektrischer Signale, die von den Schaltkreisleitungen übertragen werden, bei und beeinträchtigen die anschließende Verarbeitung. Die Entfernungsrate der Sperre gegenüber der Entfernungsrate der Metalleiterbahn oder der dielektrischen Schicht ist als das Selektivitätsverhältnis bekannt. Für die Zwecke dieser Beschreibung bezieht sich Entfernungsrate auf eine Entfernungsrate als Veränderung der Dicke pro Zeiteinheit wie Angström pro Minute.
  • Typische CMP-Zusammensetzungen für die Sperrenentfernung erfordern eine hohe Konzentration an Abrasivum wie mindestens 7,5 Gew.-% in einer flüssigen CMP-Zusammensetzung zur Entfernung eines Sperrmaterials. Diese Aufschlämmungen mit einem hohen Gehalt an Abrasivum führen jedoch wahrscheinlich zu inakzeptablen Dielektrikum-Erosionsraten. Überdies können hohe Konzentrationen an Abrasivum zum Ablösen oder Delaminieren von Schichten aus Low-k-Dielektrikum von Halbleiterwafern führen. Ferner wird das Ablösen oder Delaminieren von Low-k-Dielektrika bei Drücken von 21,7 kPa (3 psi) und darüber ein größeres Problem.
  • EP1150341 von Uchida et al. lehrt eine CMP-Zusammensetzung zur Verwendung in CMP-Verfahren, umfassend ein Oxidationsmittel, ein oxidierendes Metallätzmittel, Abrasiva, ein Schutzfilmbildungsmittel, das ein Carbonsäurepolymer umfaßt, und einen Auflösungsbeschleuniger. Diese Zusammensetzung ist für die Erstschritt-Kupferentfernung vorgesehen; und sie entfernt eine Sperrschicht nicht effektiv, wohingegen sie gleichzeitig die Erosion verringert.
  • Es besteht nach wie vor die unerfüllte Forderung nach wäßrigen CMP-Zusammensetzungen, die selektiv Tantalsperrschichten entfernen können, während sie gleichzeitig die Erosion dielektrischer Materialien verringern. Überdies besteht die Forde rung nach einer CMP-Zusammensetzung, die Sperrschichten aus gemusterten Wafern mit verringerten Fehlerhaftigkeitsraten entfernt.
  • Darlegung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung gestaltet sich in ihren verschiedenen Aspekten, wie in den anhängenden Ansprüchen dargestellt. Die Erfindung liefert eine wäßrige chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung, umfassend: ein Oxidationsmittel zum Fördern der Sperrentfernung; ein Abrasivum; einen Inhibitor zum Vermindern der Entfernung einer Metalleitung und ein wasserlösliches Carbonsäurepolymer mit mindestens einer wiederkehrenden Einheit des Polymers, umfassend mindestens zwei Carbonsäurefunktionalitäten, und wobei die chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung einen pH von weniger als 4, eingestellt mit einem anorganischen pH-Einstellungsmittel, und eine Tantalnitrid-Entfernungsrate von mindestens 80% der Kupfer-Entfernungsrate, bei einem Kissendruck von 13,8 kPa, aufweist.
  • Überdies umfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Planarisieren eines Halbleiterwafers, umfassend: das Aufbringen einer wäßrigen chemisch-mechanischen Planarisierungszusammensetzung auf den Wafer, wobei die Zusammensetzung ein Carbonsäurepolymer mit mindestens einer wiederkehrenden Einheit des Polymers, umfassend mindestens zwei Carbonsäurefunktionalitäten; ein Abrasivum und einen Korrosionsinhibitor zum Beschränken der Entfernung der Metalleitung umfaßt, wobei die chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung einen pH von weniger als oder gleich 4 aufweist; und das Polieren des Halbleiterwafers, wobei die chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung eine Tantalnitrid-Entfernungsrate von mindestens 80% der Kupfer-Entfernungsrate bei einem Kissendruck von 13,8 kPa aufweist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine graphische Darstellung der Entfernungsrate für die Sperre, die Metalleiterbahn und die dielektrischen Schichten gegen die Konzentration an Polymaleinsäure in Gewichtsprozent;
  • 2 ist eine graphische Darstellung der Erosion bei den Merkmalen 10 μm/10 μm, 0,25 μm/0,25 μm, 7 μm/3 μm und 9 μm/1 μm gegen die Konzentration an Polymaleinsäure in Gewichtsprozent und
  • 3 ist ein Vergleich der Fehlerhaftigkeit auf Kupferschichtwafern zwischen einer alkalischen Aufschlämmung und einer sauren Aufschlämmung, enthaltend ein Carbonsäurepolymer.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die CMP-Zusammensetzung ist zur Sperrentfernung bei der Herstellung einer breiten Vielzahl von Halbleiterwafern mit verringerten Erosionsraten für dielektrische Materialien geeignet. Die chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung umfaßt Carbonsäurepolymere, die bei einem sauren pH von weniger als 4 arbeiten und die Erosion für dielektrische Materialien verringern. Genauer gesagt, weist mindestens eine wiederkehrende Einheit des Polymers der Carbonsäurepolymere mindestens zwei Carbonsäurefunktionalitäten auf. Diese CMP-Zusammensetzung entfernt Sperrschichten mit verringerter Dielektrikum-Erosion und einer kontrollierten Kupfer-Entfernungsrate. Typische dielektrische Materialien, die in integrierten Schaltkreisen verwendet werden, umfassen: Siliciumdioxid-enthaltende Materialien, die von Silanen wie Tetraethylorthosilicat (TEOS) abgeleitet sind, organische Low-k- und/oder Ultra-Low-k-Materialien, CORAL® CVD SiOC, kommerziell erhältlich von Novellus, BLACK DIAMOND® CVD SiOC, kommerziell erhältlich von Applied Materials, das dichte SiLK®-Aufschleuder-Dielektrikum und das poröse SiLK®-Aufschleuder-Dielektrikum, kommerziell erhältlich von Dow Chemicals, poröses ZIRKON®-Aufschleuder-SiOC, kommerziell erhältlich von Shipley, AURORA® CVD SiOC, kommerziell erhältlich von ASML und TEFLON® Polytetrafluorethylen, kommerziell erhältlich von DuPont.
  • Die in der CMP-Zusammensetzung verwendeten Carbonsäurepolymere sind wasserlöslich. Das Carbonsäurepolymer ist vorzugsweise das Polymerisationsprodukt von mindestens einem Carbonsäuremonomer mit ethylenischer Ungesättigtheit mit mindestens einer Carbonsäuregruppe in Form einer freien Säure oder eines Säuresalzes. Beispiel-Salze umfassen Erdalkalimetall- und Alkalimetallsalze.
  • In einer Ausführungsform besteht das Carbonsäurepolymer aus dem Polymerisationsprodukt von mindestens einem Carbonsäuremonomer mit mindestens zwei Carbonsäurefunktionalitäten ohne die Gegenwart anderer Comonomere, d. h., das Carbonsäurepolymer ist ein Homopolymer. In einer anderen Ausführungsform besteht das Carbonsäurepolymer aus dem Copolymerisationsprodukt von mindestens einem Carbonsäuremonomer mit mindestens zwei Carbosäurefunktionalitäten mit mindestens einem copolymerisierbaren Monomer oder copolymerisierbaren Polymer. Für die Zwecke dieser Beschreibung umfassen Copolymere Polymere, die aus zwei oder mehr Monomeren gebildet sind. Geeignete copolymerisierbare Monomere umfassen beispielsweise Olefinmonomere, Styrolmonomere, Vinylchloridmonomere, Vinylidenchloridmonomere, Acrylnitrilmonomere und Gemische, die mindestens eines der zuvor genannten copolymerisierbaren Monomere umfassen. Geeignete copolymerisierbare Polymere umfassen beispielsweise Polyester, Polycarbonate, Polyamide, Polyolefine, Polystyrole, Polyacetale, Polyacrylverbindungen, Polycarbonate, Polyamidimide, Polyarylate, Polyurethane, Polyarylsulfone, Polyethersulfone, Polyarylensulfide, Polyvinylchloride, Polysulfone, Polyetherimide, Polytetrafluorethylene, Polyetherketone, Polyetheretherketone und Gemische, die mindestens eines der zuvor genannten Polymere umfassen. Es ist anzumerken, daß, wenn das Carbonsäurepolymer das Copolymerisationsprodukt von mindestens einem Carbonsäuremonomer mit mindestens einem copolymerisierbaren Monomer oder copolymerisierbaren Polymer ist, die resultierende Carbonsäure noch immer wasserlöslich ist.
  • In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Carbonsäurepolymer neben den in der Hauptkette vorliegenden Carbonsäurefunktionalitäten mindestens eine Carbonsäure-funktionale Gruppe als einen Substituenten an der Polymerhauptkette aufweisen. Das Carbonsäurepolymer kann daher sowohl Carbonsäure-funktionale Gruppen in der Polymerhauptkette als auch einen Substituenten an der Polymerhauptkette aufweisen.
  • Wünschenswerterweise werden Carbonsäurepolymere mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht (Mn) von 200 bis 2.000.000 Gramm/mol (g/mol) verwendet. Innerhalb dieses Bereiches werden wünschenswerterweise Carbonsäurepolymere mit einem Mn von größer als oder gleich 400 g/mol verwendet. In diesem Bereich ebenso wünschenswert ist ein Mn von weniger als oder gleich 100.000 g/mol, vorzugsweise weniger als oder gleich 50.000 g/mol. Für die Zwecke dieser Beschreibung wird das Molekulargewicht durch Gelpermeationschromatographie bestimmt.
  • Wünschenswerterweise wird das Carbonsäurepolymer in einer Menge von 0,01 bis 5 Gewichtsprozent (Gew.-%) verwendet. Für die Zwecke dieser Beschreibung werden alle Gewichtsprozente bezogen auf das Gesamtgewicht der CMP-Zusammensetzung bestimmt, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Innerhalb dieses Bereiches wird wünschenswerterweise eine Menge von größer als oder gleich 0,05, vorzugsweise größer als oder gleich 0,1 Gew.-% verwendet wird. Auch wünschenswert in diesem Bereich ist eine Menge von weniger als oder gleich 3, vorzugsweise weniger als oder gleich 2 Gew.-%.
  • Geeignete Carbonsäurepolymere umfassen beispielsweise Polyasparaginsäure, Polyglutaminsäure, Polylysin, Polyäpfelsäure, Polymethacrylsäure, Ammoniumpolymethacrylat, Natriumpolymethacrylat, Polyamidsäure, Polymaleinsäure, Polyitaconsäure, Polyfumarsäure, Poly(p-styrolcarbonsäure), Polyacrylsäure, Polyacrylamid, Aminopolyacrylamid, Ammoniumpolyacrylat, Natriumpolyacrylat, Polyamidsäure, Ammoniumpolyamid, Natriumpolyamid, Polyglyoxylsäure und Gemische, die mindestens eines der zuvor genannten Polymere umfassen.
  • Das bevorzugte Carbonsäurepolymer ist Polymaleinsäure mit der in Formel (I) nachstehend gezeigten Struktur.
  • Figure 00060001
  • Eine bevorzugte kommerziell erhältliche Polymaleinsäure ist Optidose 4210, kommerziell erhältlich von Rohm and Haas. Polymaleinsäure ist bei allen pH-Werten stabil und fällt während der Formulierung nicht aus. Gegebenenfalls kann die Polymaleinsäure teilweise oder vollständig neutralisiert sein. Geeignete Ionen für die Neutra lisation sind Ammoniumionen, Erdalkalimetalle oder Alkalimetalle, die beispielsweise Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Magnesium, Calcium umfassen, und Gemische, die mindestens eines der zuvor genannten Ionen umfassen. Die CMP-Zusammensetzungen, die diese Carbonsäurepolymere umfassen, verringern die Erosionsraten des dielektrischen Materials, während sie gleichzeitig die Sperrentfernungsrate aufrechterhalten.
  • Die CMP-Zusammensetzung umfaßt ein Abrasivum zum „mechanischen" Entfernen von Sperrschichten. Das Abrasivum ist vorzugsweise ein kolloides Abrasivum. Beispiel-Abrasiva umfassen die folgenden: anorganisches Oxid, Metallborid, Metallcarbid, Metallnitrid oder eine Kombination, die mindestens eines der zuvor genannten Abrasiva umfaßt. Geeignete anorganische Oxide umfassen beispielsweise Siliciumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumdioxid (ZrO2), Cerdioxid (CeO2), Manganoxid (MnO2) und Gemische, die mindestens eines der zuvor genannten Abrasivum-Oxide umfassen. Modifizierte Formen dieser anorganischen Oxide wie Polymer-beschichtete anorganische Oxidteilchen können nach Bedarf auch genutzt werden. Geeignete Metallcarbide, -boride und -nitride umfassen beispielsweise Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbonitrid (SiCN), Borcarbid, Wolframcarbid, Zirconiumcarbid, Aluminiumborid, Tantalcarbid, Titancarbid und Gemische, die mindestens eines der zuvor genannten Metallcarbide, -boride und -nitride umfaßt. Nach Bedarf kann auch Diamant als ein Abrasivum verwendet werden. Alternative Abrasiva umfassen auch polymere Teilchen und beschichtete polymere Teilchen. Das bevorzugte Abrasivum ist Siliciumdioxid.
  • Wünschenswerterweise wird das Abrasivum in einer Menge von 0,05 Gew.-% bis 15 Gew.-% verwendet. Innerhalb dieses Bereiches liegt das Abrasivum wünschenswerterweise in einer Menge von größer als oder gleich 0,1 und vorzugsweise größer als oder gleich 0,5 Gew.-% vor. Ebenso wünschenswert in diesem Bereich ist eine Menge von weniger als oder gleich 10 und vorzugsweise weniger als oder gleich 5 Gew.-%.
  • Das Abrasivum hat zur Verhinderung von übermäßigem Metall-Dishing und Dielektrikumerosion eine mittlere Teilchengröße von weniger als oder gleich 150 Nano metern (nm). Für die Zwecke dieser Beschreibung bezieht sich Teilchengröße auf eine mittlere Teilchengröße des Abrasivums. Wünschenswerterweise wird ein Abrasivum mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als oder gleich 100 nm, vorzugsweise weniger als oder gleich 75 nm und vorzugsweise weniger als oder gleich 50 nm verwendet. Die geringste Dielektrikumerosion und das geringste Metall-Dishing findet vorteilhafterweise mit Siliciumdioxid mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als oder gleich 50 nm statt. Überdies kann das bevorzugte Abrasivum zur Verbesserung der Stabilität des Abrasivums in sauren pH-Bereichen Additive wie Dispergiermittel umfassen. Ein solches Abrasivum ist kolloides Siliciumdioxid von Clariant S. A., Puteaux, Frankreich.
  • Es ist entdeckt worden, daß, wenn die Teilchengröße des Abrasivums kleiner oder gleich 50 nm ist, die CMP-Zusammensetzung die Sperrschicht vorteilhafterweise bei einer hohen Rate entfernen kann, während sie gleichzeitig die Erosion an den Low-k- und Ultra-low-k-Dielektrikumschichten verringert. Die CMP-Zusammensetzungen zeigen auch, daß eine Verringerung der Teilchengrößen in der Zusammensetzung eine wesentliche Verringerung sowohl des Dishings als auch der Erosion der Dielektrikumschichten zur Folge hat. In einer anderen Ausführungsform kann für CMP-Zusammensetzungen, in denen das Abrasivum mittlere Teilchengrößen kleiner oder gleich 50 nm hat, die Teilchengrößenverteilung zumindest eingipfelig sein. Die Teilchengrößenverteilung kann nach Bedarf auch zweigipfelig oder dreigipfelig sein.
  • Enthält die CMP-Zusammensetzung keine Abrasiva, wird die Kissenwahl und -konditionierung für das chemisch-mechanische Planarisierungsverfahren (CMP-Verfahren) noch wichtiger. Beispielsweise verbessert ein fixiertes Schleifkissen bei einigen Siliciumdioxid-freien Zusammensetzungen das Polierverhalten.
  • Die Entfernungsrate von Sperrschichten wie Tantal und Tantalnitrid wird durch die Verwendung des Oxidationsmittels vorteilhaft optimiert. Geeignete Oxidationsmittel umfassen beispielsweise Wasserstoffperoxid, Monopersulfate, Iodate, Magnesiumperphthalat, Peressigsäure und andere Persäuren, Persulfate, Bromate, Periodate, Nitrate, Eisensalze, Cersalze, Mangan-(Mn)(III)-, Mn(IV)- und Mn(VI)-Salze, Silber salze, Kupfersalze, Chromsalze, Kobaltsalze, Halogene, Hypochlorite und Gemische, die mindestens eines der zuvor genannten Oxidationsmittel umfassen. Das bevorzugte Oxidationsmittel ist Wasserstoffperoxid. Es ist anzumerken, daß das Oxidationsmittel gelegentlich kurz vor der Verwendung zu der CMP-Zusammensetzung gegeben wird und in solchen Fällen das Oxidationsmittel in einer separaten Verpackung enthalten ist. Die Oxidationsmittelzugabe beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10 Gew.-%. Innerhalb dieses Bereiches wird am stärksten bevorzugt eine Menge von 0,2 bis 5 Gew.-% verwendet.
  • Die CMP-Zusammensetzung hat zur Erzeugung einer hohen Sperrentfernungsrate bei gleichzeitiger Verringerung der Erosion der Dielektrikumschicht einen sauren pH. Geeignete Metalle, die für die Leiterbahn verwendet werden, umfassen beispielsweise Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, Gold, Goldlegierungen, Nickel, Nickellegierungen, Platingruppemetalle, Platingruppelegierungen, Silberlegierungen, Wolfram und Wolframlegierungen oder Kombinationen, die mindestens eines der zuvor genannten Metalle umfassen. Das bevorzugte Leiterbahnmetall ist Kupfer. In sauren CMP-Zusammensetzungen und -Aufschlämmungen, die Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid nutzen, ist sowohl die Kupfer-Entfernungsrate als auch die statische Ätzrate aufgrund der Oxidation des Kupfers sehr hoch. Zur Verringerung der Entfernungsrate des Leiterbahnmetalls nutzt die CMP-Zusammensetzung einen ersten Korrosionsinhibitor und einen optionalen zweiten Korrosionsinhibitor. Die Korrosionsinhibitoren verringern die Oxidation des Leiterbahnmetalls durch das Oxidationsmittel. Dies erleichtert ein verbessertes Polierverhalten durch die Verringerung des Dishings des Leiterbahnmetalls.
  • Der bevorzugte Korrosionsinhibitor ist Benzotriazol (BTA). In einer Ausführungsform kann die CMP-Zusammensetzung zur Verringerung der Leitungs-Entfernungsrate eine relativ große Menge an BTA-Inhibitor enthalten. Der Inhibitor ist in einer Menge von 0,0025 bis 6 Gew.-% vorhanden. Innerhalb dieses Bereiches ist eine Menge an Inhibitor von mehr als oder gleich 0,025, vorzugsweise mehr als oder gleich 0,25 Gew.-% wünschenswert. Auch wünschenswert in diesem Bereich ist eine Menge von weniger als oder gleich 4, vorzugsweise weniger als oder gleich 1 Gew.-%. Bei der Verwendung von BTA kann dies bis zur Grenze der Löslichkeitskonzentrati on in der CMP-Zusammensetzung, die bis zu etwa 2 Gew.-% beträgt, oder der Sättigungsgrenze in der CMP-Zusammensetzung verwendet werden. Die bevorzugte Konzentration an BTA ist eine Menge von 0,0025 bis 2 Gew.-%. Gegebenenfalls kann der CMP-Zusammensetzung ein zusätzlicher Korrosionsinhibitor zugegeben werden. Zusätzliche Korrosionsinhibitoren sind oberflächenaktive Mittel wie zum Beispiel anionische oberflächenaktive Mittel, nicht-ionische oberflächenaktive Mittel, amphotere oberflächenaktive Mittel und Polymere oder organische Verbindungen wie Azole. Beispielsweise kann der zusätzliche Inhibitor ein Imidazol, Tolyltriazol oder ein Gemisch davon in Kombination mit BTA umfassen. Der am stärksten bevorzugte zusätzliche Korrosionsinhibitor ist Tolyltriazol in Kombination mit BTA.
  • Die CMP-Zusammensetzung umfaßt zur Verringerung des pH der CMP-Zusammensetzung auf einen sauren pH kleiner als 4 auch ein anorganisches Einstellungsmittel. Geeignete anorganische pH-Einstellungsmittel umfassen zum Beispiel Salpetersäure, Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure und Gemische, die mindestens eines der zuvor genannten anorganischen pH-Einstellungsmittel umfassen. Das bevorzugte pH-Einstellungsmittel ist Salpetersäure (HNO3).
  • Wünschenswerterweise hat die CMP-Zusammensetzung einen pH von weniger oder gleich 4. Innerhalb dieses Bereiches ist ein pH von größer oder gleich 1, vorzugsweise größer oder gleich 1,5 wünschenswert. Auch wünschenswert in diesem Bereich ist ein pH von weniger als oder gleich 3,5, vorzugsweise weniger als oder gleich 3. Der bevorzugte pH-Bereich für die CMP-Zusammensetzung beträgt 1 bis 4; und der am stärksten bevorzugte pH für die CMP-Zusammensetzung beträgt 2 bis 3.
  • Bei einem pH unter 3 kann die CMP-Zusammensetzung selbst mit einem relativ niedrigen Gewichtsprozentsatz an Abrasivum in der CMP-Zusammensetzung eine hohe Sperrmetall-Entfernungsrate verbunden mit einer verringerten Erosionsrate liefern. Diese geringe Konzentration an Abrasivum kann die Polierleistung eines CMP-Verfahrens durch Verringern unerwünschter durch das Abrasivum induzierter Defekte wie Kratzern verbessern. Beispielsweise liefert eine Teilchengröße von ungefähr nur 10 nm noch immer eine akzeptable Sperrschicht-Entfernungsrate, während gleichzeitig die Erosion der Dielektrikumschicht verringert wird. Durch den Ein satz eines Abrasivums mit einer relativ kleinen Teilchengröße und Formulieren der CMP-Zusammensetzung bei einer geringen Konzentration an Abrasivum kann die Erosion der Dielektrikumschicht weiter verringert werden.
  • Gegebenenfalls kann die CMP-Zusammensetzung zur Einstellung der Kupfer-Entfernungsrate bezogen auf die Sperrmetall-Entfernungsrate einen Chelat- oder Komplexbildner enthalten. Der Chelat- oder Komplexbildner verbessert die Kupfer-Entfernungsrate durch das Bilden eines chelatgebundenen Metallkomplexes mit Kupfer. Geeignete Chelatbildner umfassen zum Beispiel Carbonsäure, eine Aminocarbonsäure und Derivate davon und Gemische, die mindestens einen der zuvor genannten Chelatbildner umfassen. Vorzugsweise liegt der Chelatbildner in der CMP-Zusammensetzung in einer Menge von weniger als oder gleich 2 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der CMP-Zusammensetzung, vor. Gegebenenfalls kann die CMP-Zusammensetzung auch Puffer wie verschiedene organische und anorganische Säuren und Aminosäuren oder deren Salze mit einem pKa im pH-Bereich von 1,5 bis weniger als 3 umfassen. Gegebenenfalls kann die CMP-Zusammensetzung ferner Entschäumer wie nicht-ionische oberflächenaktive Mittel, einschließlich Estern, Ethylenoxiden, Alkoholen, Ethoxylat, Siliciumverbindungen, Fluorverbindungen, Ethern, Glycosiden und deren Derivaten und Gemische, die mindestens eines der zuvor genannten oberflächenaktiv Mittel umfassen, umfassen. Der Entschäumer kann auch ein amphoteres oberflächenaktives Mittel sein. Die chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung kann gegebenenfalls auch pH-Puffer, Biozide und Entschäumer umfassen.
  • Durch die CMP-Zusammensetzung kann der CMP-Apparat mit einem niedrigen Druck von weniger als 21,7 kPa (3 psi) arbeiten. Der bevorzugte Kissendruck beträgt 3,5 bis 21,7 kPa (0,5 bis 3 (psi)). Innerhalb dieses Bereiches kann vorteilhafterweise ein Druck von weniger als oder gleich 13,8 kPa (2 psi), stärker bevorzugt weniger als oder gleich 10,3 kPa (1,5 psi) und am stärksten bevorzugt weniger als oder gleich etwa 6,9 kPa (1 psi) verwendet werden. Der niedrige CMP-Kissendruck verbessert die Polierleistung durch Verringern des Kratzens und anderer unerwünschter Polierdefekte und verringert die Schädigung zerbrechlicher Materialien. Beispielsweise brechen und delaminieren Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, wenn sie hohen Belastungen ausgesetzt sind. Die CMP-Zusammensetzungen, die die multifunktionalen sauren Carbonsäurepolymere umfassen, ermöglichen vorteilhafterweise hohe Sperr- und Kupfer-Entfernungsraten, während gleichzeitig die Erosion an den Low-k- und Ultra-low-k-Dielektrikumschichten, die von organischen Materialien stammen, verringert wird. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die CMP-Zusammensetzung so eingestellt oder abgestimmt werden, daß eine vorteilhaft hohe Sperr-Entfernungsrate ohne wesentliche Schädigung der Low-k- oder Ultra-low-k-Dielektrikumschicht erreicht wird. Die CMP-Zusammensetzungen können vorteilhaft zur Verringerung der Erosion in gemusterten Wafern mit einer Vielzahl von Leiterzugbreiten verwendet werden.
  • Die CMP-Zusammensetzung hat eine Tantalnitrid-Entfernungsrate von mindestens 80% der Kupfer-Entfernungsrate bei einem Kissendruck von 13,8 kPa, gemessen mit einem Polierkissendruck, der normal für einen integrierten Schaltkreis gemessen wird, und unter Verwendung eines porösen gefüllten Polyurethan-Polierkissens. Ein spezielles Polierkissen, das zur Bestimmung der Selektivität verwendbar ist, ist das poröse gefüllte IC1010TM Polyurethan-Polierkissen. Vorzugsweise hat die CMP-Zusammensetzung eine Tantalnitrid-Entfernungsrate von mindestens 80% der Kupfer-Entfernungsrate bei einem Kissendruck von 13,78 kPa, gemessen mit einem Polierkissendruck, der normal für einen integrierten Schaltkreis gemessen wird, und unter Verwendung eines porösen gefüllten Polyurethan-Polierkissens. Ferner kann die CMP-Zusammensetzung Tantalnitrid-Entfernungsraten aufweisen, die drei- oder fünfmal höher sind als die Kupfer-Entfernungsrate.
  • Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun in den folgenden Beispielen ausführlich beschrieben.
  • Beispiel 1
  • Die Nomenklatur für die Materialien, die in den CMP-Zusammensetzungen für die folgenden Beispiele verwendet wurden, wird in Tabelle 1 nachstehend gezeigt. Klebosol PL150H25 ist ein Siliciumdioxid, erhältlich von Clariant, mit 30 Gew.-% Siliciumdioxid-Teilchen mit einer Durchschnittsgröße von 25 nm und einem pH von 2 bis 3. Die Probe wurde unter Verwendung von Wasser auf 4 Gew.-% Siliciumdioxid-Teilchen verdünnt. Tabelle 1
    Nomenklatur Name
    BTA Benzotriazol
    Klebosol PL150H25 kolloides Siliciumdioxid
    H2O2 Wasserstoffperoxid
    Polymaleinsäure Carbonsäurepolymer mit zwei Carbonsäure-Funktionalitäten pro wiederkehrender Einheit
  • Dieses Experiment wurde zur Bestimmung der Polierleistung der CMP-Zusammensetzung bei variierenden Komponentenkonzentrationen durchgeführt. Die Polierexperimente wurden unter Verwendung einer Polierausrüstung, Modell 6EC, geliefert von Strasbaugh, durchgeführt. Das Polierkissen war ein IC1010TM, geliefert von Rodel, Inc. Das Kissen wurde vor jedem Durchlauf konditioniert. Das Polierverfahren wurde bei einem Druck von 6,9 kPa (1 psi), einer Tischgeschwindigkeit von 120 Umdrehungen pro Minute (U/min) und einer Trägergeschwindigkeit von 114 U/min durchgeführt. Die Zulaufrate für die CMP-Zusammensetzung (Aufschlämmungsflußrate) betrug 200 Milliliter/Minute (ml/min).
  • In diesem Beispiel wurden mehrere Aufschlämmungen mit unterschiedlichen Polymaleinsäurekonzentrationen, wie in Tabelle 1 gezeigt, hergestellt. Alle der obigen Zusammensetzungen enthielten 4 Gew.-% Klebosol PL150H25, 0,6 Gew.-% BTA, 0,5 Gew.-% H2O2 und hatten einen Lösungs-pH von 2,5. Vergleichsbeispiele sind mit Buchstaben gekennzeichnet, während die Beispiele für die CMP-Zusammensetzung mit Zahlen gekennzeichnet sind. Tabelle 2 zeigt die Entfernungsraten (RR) für Tantalnitrid (TaN), Kupfer (Cu), TEOS, CDO und SiCN in Angström/Minute. Tabelle 2
    Zusammensetzung Polymaleinsäure (Gew.-%) TaN-RR Cu-RR TEOS-RR CDO-RR SiCN-RR
    A 0 1853 66 120 246 1108
    1 0,015 1592 99 123 247 889
    2 0,03 1803 109 123 202 751
    3 0,05 1745 107 76 182 682
    4 0,1 1840 100 104 113 463
    5 0,25 1487 94 105 123 361
    6 0,5 1236 100 111 100 303
  • Die Ergebnisse aus Tabelle 2 sind in 1 dargestellt. Die 1 ist eine graphische Darstellung der Entfernungsrate von Sperr- und Dielektrikumschichten gegen die Konzentration an Polymaleinsäure in Gewichtsprozent und zeigt, daß Polymaleinsäure die TaN-, Kupfer- und TEOS-Entfernungsraten bei Konzentrationen von weniger oder gleich 0,1 Gew.-% nicht signifikant beeinflußt. Sie verringert jedoch die CDO- und SiCN-Entfernungsraten bei Konzentrationen von weniger als oder gleich 0,1 Gew.-%.
  • Zur Bestimmung der Polierleistung auf einem Musterwafer mit Mustern verschiedenster Leitungsbahnbreiten und -dichten (als Strukturen bezeichnet), wie in Tabelle 3 nachstehend zu sehen, wurden die CMP-Zusammensetzungen aus Tabelle 2 verwendet. Tabelle 3 spiegelt die Leitungsbahnbreiten und Abstände zwischen Leitungsbahnen auf einem 854 TEOS-Musterwafer wieder. Tabelle 3
    Nomenklatur für Strukturen (Leitungsbahnbreite/Abstand) Dichte
    100 μm/100 μm 50%
    50 μm/50 μm 50%
    10 μm/10 μm 50%
    7 μm/3 μm 70%
    0,25 μm/0,25 μm 50%
    9 μm/1 μm 90%
  • Beispiel 2
  • In Tabelle 4 wurde die Vergleichszusammensetzung A aus Tabelle 2 zum Polieren eines gemusterten 854-TEOS-Wafers mit den in Tabelle 3 beschriebenen Breiten und Abständen der gemusterten Leitungsbahnen verwendet. Abgelesen wurde im Zentrum des Musters (Zentrum-Die), der Mitte des Musters (Mittel-Die) und am Rand des Musters (Rand-Die). Die Ablesungen am Zentrum, der Mitte und am Rand wurden dann gemittelt und in Tabelle 4 aufgezeichnet. Die Daten für die 100 μm/100 μm-, 50 μm/50 μm- und 10 μm/10 μm-Strukturen spiegeln das Dishing wider, während die Daten für die 7 μm/3 μm-, 9 μm/1 μm- und 0,25 μm/0,25 μm-Strukturen die Erosion der dielektrischen Zwischenschicht widerspiegeln. Dieses Experiment wurde zur Bestimmung der Polierleistung der CMP-Zusammensetzung bei variierenden Komponentenkonzentrationen durchgeführt. Die Polierexperimente wurden unter Verwendung einer Mirra-Poliervorrichtung, geliefert von Applied Materials, durchgeführt. Das Polierkissen war ein IC1010TM, geliefert von Rodel, Inc. Das Kissen wurde vor jedem Durchlauf konditioniert. Das Polierverfahren wurde bei einem Druck von 6,9 kPa (1 psi), einer Tischgeschwindigkeit von 120 Umdrehungen pro Minute (U/min) und einer Trägergeschwindigkeit von 114 U/min durchgeführt.
  • Die Zulaufrate für die CMP-Zusammensetzung (Aufschlämmungsflußrate) betrug 200 Milliliter/Minute (ml/min).
  • Die in Tabelle 4 gezeigten Werte stellen die topographische Tiefe in Angström dar. Tabelle 4
    Dishing Dishing Dishing Erosion Erosion Erosion
    100 μm/100 μm-Struktur 50 μm/50 μm-Struktur 10 μm/10 μm-Struktur 7 μm/3 μm-Struktur 9 μm/1 μm-Struktur 0,25 μm/0,25 μm-Struktur
    Vergleichszusammensetzung A 216 216 233 350 550 416
    Zusammensetzung 4 –33 –100 258 100 366 –33
  • Die in Tabelle 4 gezeigten Daten demonstrieren, daß die Zusammensetzung 4, die 0,1 Gew.-% Polymaleinsäure enthält, die Erosionsleistung auf gemusterten Strukturen verbessert. Der Nutzen war am signifikantesten für die 0,25 μm/0,25 μm-Struktur und die 7 μm/3 μm-Struktur. Die für die Zusammensetzung 4 gezeigten negativen Ergebnisse zeigen Kupfervorsprünge über der Planarisierungsoberfläche an.
  • Beispiel 3
  • Unter Verwendung der Polierbedingungen aus Beispiel 2 wurde der obige Musterwafer-Test mit Zugabe von Zusammensetzung 3 wiederholt. Die Daten sind in 2 dargestellt, die die Erosion der Merkmale 10 μm/10 μm, 0,25 μm/0,25 μm, 7 μm/3 μm und 9 μm/1 μm zeigt. Erneut wird bestätigt, daß Polymaleinsäure die Erosionsleistung signifikant verbessert.
  • Aus diesen Experimenten ist ersichtlich, daß die CMP-Zusammensetzungen, die das Carbonsäurepolymer Polymaleinsäure enthalten, die Sperr-Entfernungsrate nicht beeinflussen oder verringern, wohingegen sie gleichzeitig die Schädigung in Form von Erosion an den Low-k- oder Ultra-low-k-Dielektrikumschichten verringern. Die CMP-Zusammensetzungen können vorteilhaft bei niedrigen Kissendrücken von 6,9 kPa (1 psi) arbeiten und in integrierten Schaltkreisvorrichtungen mit hoher Topographie zur Verringerung der Erosion bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Sperr-Entfernungsrate verwendet werden.
  • Die CMP-Zusammensetzungen demonstrieren auch, daß eine Verringerung der Teilchengröße des Abrasivums in der Zusammensetzung eine wesentliche Verringerung sowohl des Dishings als auch der Erosion der Dielektrikumschichten zur Folge hat. Daher haben die Abrasivumteilchen eine mittlere Teilchengröße von weniger als oder gleich 9 nm, mit der die beste Dishing- und Erosionsleistung geboten wird. Auch wenn sich die TaN-Entfernungsrate verringert, wenn sich die mittlere Teilchengröße von 25 auf 9 nm verringert, ist die Entfernungsrate hoch genug für ein wirksames Zweitschritt-Sperrentfernungs-CMP-Verfahren.
  • Beispiel 4
  • Das Experiment wurde auf einer Polierausrüstung, Modell Mirra®, geliefert von Applied Materials, durchgeführt. Das Polierkissen war ein IC1010TM, geliefert von Rodel, Inc. Das Kissen wurde vor jedem Durchlauf konditioniert. Das Polierverfahren wurde bei einem Druck von 10,3 kPa (1,5 psi), einer Tischgeschwindigkeit von 93 Umdrehungen pro Minute (U/min) und einer Trägergeschwindigkeit von 87 U/min durchgeführt. Die Zulaufrate für die CMP-Zusammensetzung (Aufschlämmungsflußrate) betrug 200 Milliliter/Minute (ml/min). Die Kupferschichtwafer für den Fehlerhaftigkeitstest wurden zunächst mit einer kommerziell erhältlichen Aufschlämmung EPL2362 (hergestellt von Ethernal Chemical Co., Ltd.) 1 Minute unter Verwendung eines CUP4410-Kissens (geliefert von Rodel, Inc.) und Verfahrensparametern von 21,7 kPa (3 psi), 93 U/min Tischgeschwindigkeit, 87 U/min Trägergeschwindigkeit und 200 ml/min Aufschlämmungsflußrate vorpoliert. Dieser Schritt soll eine frische Kupferoberfläche erzeugen. Dann wurde der vorpolierte Kupferschichtwafer mit der Aufschlämmungszusammensetzung 4 und einer herkömmlichen alkalischen Aufschlämmung poliert.
  • Nach dem Polieren wurden Fehlerzählungen auf einem Orbot®-Fehlermeßgerät, hergestellt von Applied Materials, gemessen. Die herkömmliche alkalische Aufschlämmung wies insgesamt 2.989 Defekte auf und die Zusammensetzung 4 insgesamt 314 Defekte. Wie in 3 veranschaulicht, bietet die saure Sperrpolierzusammensetzung aus dem zweiten Schritt eine signifikante Fehlerverbesserung gegenüber herkömmlichen stark abrasivumhaltigen alkalischen Sperraufschlämmungen.
  • Die chemisch-mechanischen Planarisierungszusammensetzungen entfernen selektiv Tantalsperrschichten, während sie gleichzeitig die Erosion dielektrischer Materialien verringern. Überdies kann diese Zusammensetzung hinsichtlich der Kontrolle der Sperr-Entfernungsrate, der Leitungsbahn-Entfernungsrate und der Dielektrikum-Entfernungsrate eingestellt oder abgestimmt werden. Faktoren für die Kontrolle der Sperr-Entfernungsrate umfassen die mittlere Teilchengröße, die Teilchenkonzentration, den pH und die Oxidationsmittelkonzentration. Faktoren für die Kontrolle der Leitungsbahnmetall-Entfernungsrate umfassen die Inhibitorkonzentration, die mittlere Teilchengröße, die Teilchenkonzentration und die Oxidationsmittelkonzentration. Überdies umfassen Faktoren zum Einstellen der Dielektrikum-Entfernungsrate die Art des Carbonsäurepolymers, die Carbonsäurepolymerkonzentration, die mittlere Teilchengröße und die Teilchenkonzentration. Das Einstellen der obigen Faktoren liefert eine CMP-Zusammensetzung, die eine vereinfachte Einstellung der Sperr- und Leitungsbahnmetall-Entfernungsrate für Mehrfach-Integrationsschemen erleichtert.

Claims (10)

  1. Wäßrige chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung, umfassend: ein Oxidationsmittel zum Fördern der Sperrentfernung; ein Abrasivum; einen Inhibitor zum Vermindern der Entfernung einer Metallleitung, und ein wasserlösliches Carbonsäurepolymer mit mindestens einer wiederkehrenden Einheit des Polymers, umfassend mindestens zwei Carbonsäurefunktionalitäten, und wobei die chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung einen pH von weniger als 4, eingestellt mit einem anorganischen pH-Einstellungsmittel, und eine Tantalnitrid-Entfernungsrate von mindestens 80% der Kupfer-Entfernungsrate, bei einem Kissendruck von 13,8 kPa, aufweist.
  2. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei das Carbonsäurepolymer ein Homopolymer oder ein Copolymer umfaßt.
  3. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei das Carbonsäurepolymer Polymaleinsäure umfaßt.
  4. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, welche einen pH von 1,5 bis weniger als 4 aufweist.
  5. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung 0,05 bis 15 Gew.-% Abrasivum, 0,1 bis 10 Gew.-% Oxidationsmittel, 0,0025 bis 2 Gew.-% Benzotriazol, und 0,01 bis 5 Gew.-% wasserlösliches Carbonsäurepolymer einschließt.
  6. Zusammensetzung gemäß Anspruch 5, wobei das Carbonsäurepolymer ein Homopolymer und ein Copolymer umfaßt.
  7. Zusammensetzung gemäß Anspruch 5, wobei das Carbonsäurepolymer Polymaleinsäure umfaßt.
  8. Verfahren zum Planarisieren eines Halbleiterwafers, umfassend: das Aufbringen einer wäßrigen chemisch-mechanischen Planarisierungszusammensetzung auf den Wafer, wobei die Zusammensetzung ein wasserlösliches Carbonsäurepolymer mit mindestens einer wiederkehrenden Einheit des Polymers, umfassend mindestens zwei Carbonsäurefunktionalitäten, ein Abrasivum, ein Oxidationsmittel zum Fördern der Sperrentfernung und einen Korrosionsinhibitor zum Beschränken der Entfernung der Metallleitung umfasst, wobei die chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung einen pH von weniger als 4, eingestellt mit einem anorganischen pH-Einstellungsmittel, aufweist, und das Polieren des Halbleiterwafers, wobei die chemisch-mechanische Planarisierungszusammensetzung eine Tantalnitrid-Entfernungsrate von mindestens 80% der Kupfer-Entfernungsrate bei einem Kissendruck von 13,8 kPa aufweist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Zusammensetzung 0,05 bis 15 Gew.-% Abrasivum, 0,1 bis 10 Gew.-% Oxidationsmittel und 0,0025 bis 2 Gew.-% Benzotriazol und 0,01 bis 5 Gew.-% eines wasserlöslichen Carbonsäurepolymers umfaßt, wobei mindestens eine Wiederholungseinheit des Polymers mindestens zwei Carbonsäurefunktionalitäten aufweist, und wobei der pH der chemisch-mechanischen Planarisierungszusammensetzung weniger als 4, eingestellt mit einem anorganischen pH-Einstellungsmittel, beträgt, wobei das anorganische pH-Einstellungsmittel eine Säure, ausgewählt aus Salpetersäure, Schwefelsäure, Salzsäure und Phosphorsäure, einschließt und das Polieren des Halbleiterwafers bei einem Kissendruck von weniger als oder gleich etwa 21,7 kPa erfolgt.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Carbonsäurepolymer Polymaleinsäure umfaßt.
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