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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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(1) Anwendungsbereich
der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft chemisch-mechanische Polierschlämme, die
dann nützlich
sind, wenn sie zum Polieren eines Substrates verwendet werden, welches
einen Kupferanteil und einen Tantalanteil aufweist. Die Erfindung
umfasst einen ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm, der ein
Schleifmittel, ein Oxidationsmittel, einen Komplexbildner, und mindestens
eine organische Aminosäure
umfasst.
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(2) Beschreibung des Standes
der Technik
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Integrierte
Schaltungen bestehen aus Millionen aktiver, in oder auf einem Siliziumsubstrat
ausgebildeter Vorrichtungen. Die aktiven Vorrichtungen, die anfangs
voneinander isoliert sind, werden miteinander verbunden, um funktionale
Schaltungen und Komponenten auszubilden. Die Vorrichtungen sind
durch die Verwendung gut bekannter Mehrebenenverdrahtungen miteinander
verbunden. Verdrahtungsstrukturen weisen normalerweise eine erste
Metallisierungsschicht, eine Verdrahtungsschicht, eine zweite Metallisierungsebene und
manchmal eine dritte und nachfolgende Metallisierungsebene auf.
Dielektrische Zwischenebenen wie zum Beispiel dotiertes und undotiertes
Siliziumdioxid (SiO2) oder dielektrisches
Tantalnitrid mit niedrigem κ-Wert werden
zur elektrischen Isolation der verschiedenen Metallisierungsebenen
in einem Siliziumsubstrat oder -quelle verwendet. Die elektrischen
Verbindungen zwischen verschiedenen Verdrahtungsebenen werden durch
die Verwendung von metallisierten Durchgängen hergestellt. In dem U.S.-Patent
Nr. 5,741,626 ist ein Verfahren zur Vorbereitung von dielektrischen
Tantalnitridschichten beschrieben.
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Auf ähnliche
Weise werden Metallkontakte zur Ausbildung elektrischer Verbindungen
zwischen in einer Quelle ausgebildeten Verdrahtungsebenen und Vorrichtungen
verwendet. Die Metalldurchgänge
und -kontakte können
mit verschiedenen Metallen und Legierungen gefüllt sein, die Titan (Ti), Titannitrid
(TiN), Tantal (Ta), Aluminiumkupfer (Al-Cu), Aluminiumsilizium (Al-Si),
Kupfer (Cu), Wolfram (W) und Kombinationen derselben umfassen. Bei
den Metalldurchgängen
und -kontakten wird im Allgemeinen eine Adhäsionsschicht wie zum Beispiel
aus Titannitrid- (TiN), Titan (Ti), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN)
oder Kombinationen derselben verwendet, um die Durchgangsmetalle
zum Anhaften an dem SiO2-Substrat zu veranlassen.
Auf der Kontaktebene funktioniert der Sperrfilm als eine Diffusionsbarriere,
um eine Reaktion des Füllmetalls
mit SiO2 zu vermeiden.
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Bei
einem Halbleiterherstellungsverfahren werden Metalldurchgänge oder
-kontakte durch eine dünnflächige Metallablagerung
ausgebildet, woraufhin ein chemisch-mechanischer (CMP) Polierschritt folgt.
Bei einem typischen Verfahren werden Durchgangslöcher durch einen Zwischenebenen-Nichtleiter
(ILD) zu Zwischenebenenleitungen oder zu einem Halbleitersubstrat
geätzt.
Danach wird im Allgemeinen über
dem Zwischenebenen-Nichtleiter
eine dünne
Adhäsionsschicht
wie zum Beispiel aus Tantalnitrid und/oder Tantal ausgebildet und
in das geätzte
Durchgangsloch geleitet. Dann wird ein Metallfilm über der
Adhäsionsschicht
und in das Durchgangsloch hinein dünnflächig abgelagert. Die Ablagerung
wird so lange fortgesetzt, bis das Durchgangsloch mit dem dünnflächig abgelagerten
Metall gefüllt
ist. Schließlich
wird das überschüssige Metall
durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) abgetragen, um Metalldurchgänge auszubilden.
Verfahren zur Herstellung und/oder für chemisch-mechanisches Polieren
(CMP) von Zwischenebenen-Nichtleitern sind in den U.S.-Patenten
Nr. 4,671,851, 4,910,155 und 4,944,836 offenbart.
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Bei
einem typischen chemisch-mechanischen Polierverfahren wird das Substrat
in direktem Kontakt mit einem sich drehenden Polierkissen positioniert.
Ein Träger übt Druck
auf die Rückseite
des Substrates aus. Während
dem Poliervorgang werden das Kissen und der Tisch gedreht, während eine
nach unten gerichtete Kraft ge gen die Rückseite des Substrates aufrechterhalten
wird. Eine schleifende und chemisch reagierende Lösung, die
im Allgemeinen als „Schlamm" bezeichnet wird,
wird während
dem Polieren auf dem Kissen abgelagert. Der Schlamm startet den
Poliervorgang, indem er mit dem gerade polierten Film chemisch reagiert. Der
Poliervorgang wird durch die Drehbewegung des Kissens im Verhältnis zu
dem Substrat erleichtert, wenn Schlamm auf die Grenzfläche zwischen
Mikroplättchen
und Kissen aufgetragen wird. Der Poliervorgang wird auf diese Weise
fortgesetzt, bis der gewünschte
Film auf dem Isolator abgetragen ist. Die Schlammzusammensetzung
ist ein bedeutender Faktor bei dem chemisch-mechanischen Polierschritt. In Abhängigkeit
von der Wahl des Oxidationsmittels, des Schleifmittels und anderer
verwendbarer Zusätze
kann der Polierschlamm so anwendungsspezifisch angefertigt sein,
dass er ein wirksames Polieren von Metallschichten mit erwünschten Polierraten
bietet, während
er gleichzeitig Oberflächenfehler,
-defekte, -korrosion und -erosion minimiert. Darüber hinaus kann der Polierschlamm verwendet werden,
um für
andere, bei der aktuellen integrierten Schaltungstechnologie verwendete
Dünnfilmmaterialien,
wie zum Beispiel Titan, Titannitrid und dgl. gesteuerte Polierselektivitäten bereitzustellen.
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Typische
chemisch-mechanische Polierschlämme
enthalten einen Schleifwerkstoff, zum Beispiel Kieselerde oder Aluminiumoxid,
der in einem oxidierenden wässrigen
Medium schwebt. In dem U.S.-Patent Nr. 5,244,534 von Yu et al. wird
zum Beispiel ein Aluminiumoxid, Was serstoffperoxid und entweder
Kalium oder Ammoniumhydroxid enthaltender Schlamm erwähnt, der
zur Abtragung von Wolfram mit vorhersagbaren Raten verwendbar ist,
wobei nur wenig von der darunter liegenden Isolierschicht abgetragen
wird. In dem U.S.-Patent Nr. 5,209,816 von Yu et al. ist ein Schlamm
offenbart, der Perchlorsäure,
Wasserstoffperoxid und einen festen Schleifwerkstoff in einem wässrigen
Medium enthält.
In dem U.S.-Patent Nr. 5,340,370 von Cadien und Feller ist ein Wolfram-Polierschlamm
offenbart, der etwa 0,1 M rotes Blutlaugensalz, etwa 5 Gewichts-%
Kieselerde und Kaliumacetat enthält.
Essigsäure
wird beigemischt, um den pH-Wert auf etwa 3,5 zu puffern.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,789,648 von Beyer et al. ist eine Schlammformulierung
unter Verwendung von Aluminiumoxidschleifmitteln in Verbindung mit
Schwefel-, Salpeter- und Essigsäuren
und entionisiertem Wasser beschrieben. In den U.S.-Patenten Nr.
5,391,258 und 5,476,606 sind Schlämme zum Polieren eines aus
Metall und Kieselerde bestehenden Verbundwerkstoffes offenbart,
der ein wässriges
Medium, Schleifpartikel und ein Anion umfasst, welches die Rate
der Kieselerdeabtragung steuert. Weitere Polierschlämme zur Verwendung
bei chemisch-mechanischen Polieranwendungen sind in dem U.S.-Patent
Nr. 5,527,423 von Neville et al., U.S.-Patent Nr. 5,354,490 von
Yu et al., U.S.-Patent Nr. 5,340,370 von Cadien et al., U.S.-Patent Nr.
5,209,816 von Yu et al., U.S.-Patent Nr. 5,157,876 von Medellin,
U.S.-Patent Nr. 5,137,544 von Medellin und U.S.-Patent Nr. 4,956,313
von Cote et al., beschrieben.
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Beim
Stand der Technik werden verschiedene Mechanismen offenbart, durch
die Metalloberflächen mit
Schlämmen
poliert werden können.
Die Metalloberfläche
kann unter Verwendung eines Schlammes poliert werden, bei dem keine
Deckschicht ausgebildet wird, wobei in diesem Fall der Vorgang mit
der mechanischen Abtragung von Metallpartikeln und ihrer Auflösung in
dem Schlamm fortgesetzt wird. Bei einem solchen Mechanismus sollte
die chemische Auflösungsrate
langsam sein, um Nassätzen
zu vermeiden. Ein bevorzugterer Mechanismus ist jedoch einer, bei
dem eine dünne
abschleifbare Schicht ununterbrochen durch die Reaktion zwischen
der Metalloberfläche
und einer oder mehreren Komponenten in dem Schlamm, wie zum Beispiel
einem Komplexbildner und/oder einer Filmbildungsschicht ausgebildet
wird. Die dünne
abschleifbare Schicht wird dann durch mechanische Einwirkung gesteuert
abgetragen. Sobald der mechanische Vorgang angehalten ist, verbleibt
ein dünner
passiver Film auf der Oberfläche
und steuert den Nassätzvorgang.
Die Steuerung des chemisch-mechanischen Poliervorganges ist viel
leichter, wenn das Polieren mit einem chemisch-mechanischen Polierschlamm
unter Verwendung dieses Mechanismus durchgeführt wird.
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Bei
aktuellen kupferhaltigen Substraten, die unter Anwendung von chemisch-mechanischem
Polieren poliert werden, werden auch Ta- und TaN-Adhäsionsschichten
verwendet. Ta und TaN sind chemisch sehr passiv und mechanisch sehr
hart und somit durch Polieren schwer abtragbar. Die Verwendung eines
einzelnen Schlammes, der eine hohe Cu:Ta-Selektivität leistet,
erfordert verlängerte
Polierzeiten für
Ta, das heißt
bedeutende übermäßige Polierzeiten
für Kupfer,
während
welcher eine bedeutende Verschlechterung der tellerförmigen Vertiefungs-
und Erosionsleistung stattfindet.
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Es
wurden in der offenen Literatur mehrere relevante Cu-Chemien abgehandelt,
wobei jede dahingehend versagte, einen Vorgang bereitzustellen,
der erfolgreich allen Schlüsselanforderungen
eines chemisch-mechanischen Polierschlammes anspricht, der für ein Substrat
verwendbar ist, welches sowohl Kupfer als auch Tantal aufweist.
Als Ergebnis bleibt das Bedürfnis
nach einem oder mehreren chemisch-mechanischen Polierschlämmen bestehen,
die erfolgreich zum Polieren von kupfer- und tantalhaltigen Substraten
verwendet werden können.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen ersten chemisch-mechanischen
Polierschlamm, der zum selektiven Polieren des Kupferanteils eines
kupfer- und/oder tantal- oder tantalnitridhaltigen Substrates in
der Lage ist.
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Ebenso
offenbart sind, um beim Verständnis
der Erfindung Hilfestellung zu leisten, wobei sie jedoch nicht Teil
der vorliegenden Erfindung sind:
- 1) ein zweiter
chemisch-mechanischer Polierschlamm, der zum selektiven Polieren
des tantal- und/oder tantalnitridhaltigen Anteils eines kupfer-
und tantal- und/oder
tantalnitridhaltigen Substrates in der Lage ist.
- 2) Verfahren zur aufeinanderfolgenden Verwendung eines ersten
und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlammes zum Polieren eines
Substrates, welches einen Kupferanteil und einen Tantal- und/oder
Tantalnitridanteil aufweist.
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Ein
weiterer Aspekt dieser Erfindung ist eine chemisch-mechanische Polierschlammvorstufe,
der ein Oxidationsmittel fehlt, und die vor der Verwendung separat
mit einem Oxidationsmittel kombiniert wird, um verwendbare chemisch-mechanische
Polierschlämme
zu ergeben.
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Bei
der Erfindung handelt es sich um einen ersten chemisch-mechanischen
Polierschlamm. Der erste chemisch-mechanische Polierschlamm umfasst mindestens
ein Schleifmittel, mindestens ein Oxidationsmittel, mindestens einen
Komplexbildner, ein Filmbildungsmittel und mindestens eine aus langkettigen
Alkylaminen, Alkoholaminen und Mischungen derselben ausgewählte organische
Aminoverbindung. Eine bevorzugte Ausführungsform ist eine Aluminiumoxid,
mindestens ein Oxidationsmittel, Weinsäure, Benztriazol, und mindestens
eine aus langkettigen Alkylaminen, Alkoholaminen und Mischungen
derselben ausgewählte
organische Aminoverbindung umfassende Zusammensetzung.
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BESCHREIBUNG
DER AKTUELLEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen ersten chemisch-mechanischen
Polierschlamm und ein Verfahren zum selektiven Polieren von Kupfer
in einem kupfer- und tantal-, tantalnitrid- oder tantal- und tantalnitridhaltigen
Substrat. Neben der Verwendung in Kombination mit dem zweiten Polierschlamm
zum Polieren eines kupfer- und tantalhaltigen Substrates kann der
erste chemisch-mechanische Polierschlamm zum Polieren eines kupfer-
oder kupferlegierungshaltigen Substrates verwendet werden.
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Vor
der Beschreibung der Details der verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung werden einige in diesem Dokument verwendete Begriffe
definiert. Der chemisch-mechanische Polierschlamm („CMP-Schlamm") ist ein verwendbares
Produkt dieser Erfindung, welches ein Oxidationsmittel, ein Schleifmittel,
einen Komplexbildner, eine aus langkettigen Alkylaminen, Alkoholaminen
und Mischungen derselben ausgewählte
organische Aminoverbindung, ein Filmbildungsmittel und andere optionale
Bestandteile umfasst. Der chemisch-mechanische Polierschlamm ist
zum Polieren einer Mehrfachebenenmetallisierung verwendbar, die
Halbleiter-Dünnfilme,
Dünnfilme
integrierter Schaltungen umfassen kann, jedoch nicht darauf beschränkt ist,
und für
alle beliebigen anderen Filme, Oberflächen und Substrate, bei denen
chemisch-mechanische Poliervorgänge
anwendbar sind.
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Die
Begriffe „Kupfer" und „kupferhaltige
Legierungen" werden
in diesem Dokument abwechselnd verwendet, da es innerhalb des Verständnisses
von Fachleuten in diesem Bereich liegt, dass die Begriffe Substrate
mit Schichten aus reinem Kupfer, Kupfer-Aluminiumlegierungen und
Ti/TiN/Cu- und Ta/TaN/Cu-Mehrfachschichtsubstrate umfassen, jedoch
nicht darauf beschränkt
sind.
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Die
Begriffe „Tantal" und „tantalhaltige
Legierungen" werden
in diesem Dokument gegeneinander austauschbar verwendet, um auf
die Tantal- und/oder Tantalnitridadhäsionsschicht Bezug zu nehmen,
die unter der leitenden Schicht wie zum Beispiel einer leitenden
Kupferschicht liegt.
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Der
erste chemisch-mechanische Polierschlamm ist zum Polieren von Metallen,
insbesondere von Kupfer und kupferhaltigen Metallschichten in Verbindung
mit einem Substrat verwendbar, welches aus der integrierte Schaltungen,
Dünnfilme,
Mehrfachebenen-Halbleiter und Mikroplättchen umfassenden Gruppe ausgewählt ist.
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I. Der erste chemisch-mechanische
Polierschlamm
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Der
erste chemisch-mechanische Polierschlamm ist zum Polieren des Kupferanteils
eines kupferhaltigen Substrates mit hohen Raten verwendbar. Der
erste chemisch-mechanische Polierschlamm kann neben Kupfer zum Polieren
von anderen Metallschichten verwendbar gemacht werden.
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Der
erste chemisch-mechanische Polierschlamm dieser Erfindung enthält mindestens
ein Oxidationsmittel. Das Oxidationsmittel hilft bei der Oxidation
der Substratmetallschicht oder -schichten in ihr entsprechendes
Oxid, Hydroxid oder Ionen. So kann zum Beispiel das Oxidationsmittel
bei dem ersten chemisch-mechanischen
Polierschlamm dazu verwendet werden, um eine Metallschicht in ihr
entsprechendes Oxid oder Hydroxid, zum Beispiel Titan in Titanoxid,
Wolfram in Wolframoxid, Kupfer in Kupferoxid und Aluminium in Aluminiumoxid
zu oxidieren. Das Oxidationsmittel ist verwendbar, wenn es in dem
ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm
zum Polieren von Metallen und von auf Metall basierenden Komponenten
einschließlich
Titan, Titannitrid, Tantal, Kupfer, Wolfram, Aluminium und Aluminiumlegierungen
wie zum Beispiel Aluminium-Kupferlegierungen und verschiedenen Mischungen
und Kombinationen derselben integriert wird, indem die Metalle mechanisch
poliert werden, um die jeweilige Oxidschicht abzutragen.
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Bei
den in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm dieser Erfindung
verwendeten Oxidationsmitteln handelt es sich vorzugsweise um eine
oder mehrere anorganische oder organische Perverbindungen. Eine
Perverbindung, wie sie in Hawley's
Condensed Chemical Dictionary definiert wird, ist eine Verbindung,
die mindestens eine Peroxy-Gruppe (-O-O-) oder eine Verbindung enthält, die
ein Element in seinem höchsten
Oxidationszustand aufweist. Beispiele von Verbindungen, die mindestens
eine Peroxy-Gruppe enthalten, umfassen Wasserstoffperoxid und dessen
Addukte wie zum Beispiel Harnstoff-Wasserstoffperoxid und Percarbonate,
organische Peroxide wie zum Beispiel Benzoylperoxid, Peressigsäure und
Di-t-Butyl-Peroxid, Monopersulfate (SO5 =), Dipersulfate (S2O8 =) und Natriumperoxid,
sind aber nicht darauf beschränkt.
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Beispiele
von Verbindungen, die ein Element in seinem höchsten Oxidationszustand aufweisen,
umfassen Überjodsäure, Periodatsalze,
Perbromsäure,
Perbromatsalze, Perchlorsäure,
Perchlorsalze, Perborsäure
und Perboratsalze und Permanganate, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiele
von Nicht-Perverbindungen,
welche die elektrochemischen Potentialanforderungen erfüllen, umfassen
Bromate, Chlorate, Chromate, Jodate, Jodsäure und Zer(IV)-verbindungen wie
beispielsweise Ammoniumceriumnitrat, sind aber nicht darauf beschränkt.
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Bevorzugte
Oxidationsmittel sind Peressigsäure,
Harnstoff-Wasserstoffperoxid, Wasserstoffperoxid, Monoperschwefelsäure, Diperschwefelsäure, Salze
derselben und Mischungen derselben, einschließlich Mischungen aus Harnstoff
und Wasserstoffperoxid. Das bevorzugteste Oxidationsmittel ist die
Kombination von Wasserstoffperoxid und Harnstoff.
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Das
Oxidationsmittel kann in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm
in einer Menge im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 30,0 Gewichts-%
vorhanden sein. Vor zugsweise ist das Oxidationsmittel in dem ersten
chemisch-mechanischen Polierschlamm dieser Erfindung in einer Menge
im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 17,0 Gewichts-%, und am vorteilhaftesten
von etwa 0,5 bis etwa 12,0 Gewichts-% vorhanden.
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Ein
optionales Oxidationsmittel ist Harnstoff-Wasserstoffperoxid. Da Harnstoff-Wasserstoffperoxid
aus 34,5 Gewichts-% Wasserstoffperoxid und 65,5 Gewichts-% Harnstoff
besteht, muss eine größere Gewichtsmenge
an Harnstoff-Wasserstoffperoxid in dem ersten chemisch-mechanischen
Polierschlamm enthalten sein, um die oben beschriebene Füllung an
Oxidationsmittel zu erreichen. So entspricht zum Beispiel eine Menge im
Bereich von 0,5 bis 12 Gewichts-% an Oxidationsmittel einem Harnstoff-Wasserstoffperoxidgewicht,
welches drei Mal so groß ist,
oder 1,5 bis 36,0 Gewichts-% beträgt.
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Ein
Harnstoff-Wasserstoffperoxid enthaltender erster chemisch-mechanischer
Polierschlamm kann in einer Anzahl von Verfahren formuliert werden,
einschließlich
der Kombination von Harnstoffperoxid mit Wasser und durch Kombination
von Harnstoff und Wasserstoffperoxid in einer wässrigen Lösung in einem Molekularverhältnisbereich
von etwa 0,75:1 bis etwa 2:1, um ein Harnstoff-Wasserstoffperoxid-Oxidationsmittel
zu erhalten.
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Der
erste chemisch-mechanische Polierschlamm dieser Erfindung bildet
eine Passivierungsschicht auf der Substratoberfläche aus. Sobald eine Passivierungs schicht
ausgebildet ist, wird es wichtig, in der Lage zu sein, die Passivierungsschicht
zu unterbrechen, um Metalloxide mit der Schleifkomponente des ersten
chemisch-mechanischen Polierschlammes leichter von der Substratoberfläche abzuschleifen.
Eine Klasse von Verbindungen, die in dem ersten chemisch-mechanischen
Polierschlamm enthalten ist, um die Passivierungsschicht zu unterbrechen,
sind Komplexbildner. Verwendbare Komplexbildner umfassen Säuren wie
zum Beispiel Zitronen-, Milch-, Malon-, Wein-, Bernstein-, Essig-,
Oxal- und andere Säuren,
sowie Aminosäure
und Aminoschwefelsäuren,
Phosphorsäuren,
Phosphonsäuren
und Salze derselben. Ein bevorzugter Komplexbildner des ersten chemisch-mechanischen
Polierschlammes ist Weinsäure.
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Der
Komplexbildner ist in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm
in einer Menge im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 5,0 Gewichts-%,
und vorzugsweise in einer Menge im Bereich von etwa 0,5 bis etwa
3,0 Gewichts-% vorhanden.
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Der
erste chemisch-mechanische Polierschlamm dieser Erfindung enthält mindestens
eine organische Aminoverbindung. Die organischen Aminoverbindungen
absorbieren auf dem polierten Substrat und hemmen die Materialabtragungsrate.
In dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm verwendbare Aminoverbindungen
umfassen langkettige Alkylamine, Alkoholamine und Mischungen derselben.
Der Begriff „langkettige
Alkylamine" bezieht
sich auf Alkylamine mit 7 bis 12 oder mehr Kohlenstoffatomen, einschließlich zum
Beispiel Nonylamin und Dodecylamin. Beispiele verwendbarer Alkoholamine
umfassen Monoethanolamin und Triethanolamin, sind jedoch nicht darauf
beschränkt.
Eine bevorzugte organische Aminoverbindung ist das langkettige Alkylamin,
Dodecylamin. Ein bevorzugtes Alkoholamin ist Triethanolamin.
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Die
organische Aminoverbindung sollte in dem ersten chemisch-mechanischen
Polierschlamm in einer Menge im Bereich von etwa 0,005 bis etwa
10,0 Gewichts-% vorhanden sein. Noch vorteilhafter ist die organische
Aminoverbindung in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm
in einer Menge im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 5,0 Gewichts-%
vorhanden.
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Der
erste chemisch-mechanische Polierschlamm dieser Erfindung enthält ein Filmbildungsmittel.
Bei dem Filmbildungsmittel kann es sich um jede Verbindung oder
Mischungen von Verbindungen handeln, die in der Lage sind, die Ausbildung
einer Passivierungsschicht von Metalloxiden und auflösungshemmenden Schichten
auf der Oberfläche
der Metallschicht zu erleichtern. Die Passivierung der Substratoberflächenschicht
ist wichtig, um Nassätzen
der Substratoberfläche
zu vermeiden. Verwendbare Filmbildungsmittel sind stickstoffhaltige
zyklische Verbindungen wie zum Beispiel Imidazol, Benztriazol, Benzimidazol
und Benztriazol und deren Derivate mit Hydroxy-, Amino-, Imino-,
Karboxy-, Mercapto-, Nitro- und Alkyl-substituierten Gruppen, sowie
Harnstoff, Thioharnstoff und andere. Ein bevorzugtes Filmbildungsmittel
ist Benztriazol („BTA").
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Das
optionale Filmbildungsmittel kann in dem ersten chemisch-mechanischen
Polierschlamm dieser Erfindung in einer Menge im Bereich von etwa
0,01 bis etwa 1,0 Gewichts-% vorhanden sein. Vorzugsweise ist das
Filmbildungsmittel in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm
in einer Menge im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,2 Gewichts-%
vorhanden.
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Benztriazol
(BTA) oder andere, in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm enthaltene Filmbildungsmittel
können
die gleichmäßige Dispersion
von Schleifmittel in dem Schlamm destabilisieren. Um den ersten
chemisch-mechanischen Polierschlamm gegen Absetzen, Ausflockung
und Zersetzung zu stabilisieren, kann eine Vielfalt optionaler Zusätze zu chemisch-mechanischem
Polierschlamm wie zum Beispiel grenzflächenaktive Stoffe, Stabilisatoren
oder Dispersionsmittel verwendet werden. Wenn dem ersten chemisch-mechanischen
Polierschlamm ein grenzflächenaktiver
Stoff beigemischt wird, kann es sich dabei um einen anionischen,
kationischen, nichtionischen oder amphoteren grenzflächenaktiven
Stoff handeln, oder es kann eine Kombination aus zwei oder mehr
grenzflächenaktiven
Stoffen verwendet werden. Darüber
hinaus wurde herausgefunden, dass die Beimischung eines grenzflächenaktiven
Stoffes bei der Verringerung der „Within-wafer-non-uniformity
(WIWNU/Ungleichheit innerhalb von Mikroplättchen) der Mikroplättchen nützlich sein
kann, wodurch die Oberfläche
des Mikroplättchens
verbessert wird und Mikroplättchenfehler
vermieden werden.
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Im
Allgemeinen sollte die Menge eines Zusatzes wie zum Beispiel eines
grenzflächenaktiven
Stoffes, der in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm verwendet
werden kann, so ausgewählt
werden, dass sie ausreichend ist, um eine wirksame Stabilisierung
des Schlammes zu erreichen, wobei sie typischerweise in Abhängigkeit
von dem speziellen ausgewählten
grenzflächenaktiven
Stoff und der Art der Oberfläche des
Metalloxidschleifmittels variiert. Wenn zum Beispiel ein ausgewählter grenzflächenaktiver
Stoff in nicht ausreichender Menge verwendet wird, wird er nur eine
ganz schwache oder keine Wirkung auf die Stabilisierung des ersten
chemisch-mechanischen Polierschlammes haben. Andererseits kann zu
viel grenzflächenaktiver
Stoff in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm eine nicht
erwünschte
Schaumbildung und/oder Ausflockung in dem Schlamm zur Folge haben.
Folglich sollten Stabilisatoren wie zum Beispiel grenzflächenaktive
Stoffe in dem Schlamm dieser Erfindung in einer Menge im Bereich
von etwa 0,001 bis etwa 0,2 Gewichts-%, und vorzugsweise von etwa
0,001 bis etwa 0,1 Gewichts-% vorhanden sein. Darüber hinaus
kann der Zusatz direkt dem Schlamm beigemischt, oder unter Verwendung
bekannter Techniken auf der Oberfläche des Metalloxidschleifmittels
eingearbeitet werden. In beiden Fällen wird die Menge des Zusatzes
so angepasst, dass die gewünschte
Konzentration bei dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm
erreicht wird. In dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm
verwendbare, bevorzugte grenzflächenaktive
Stoffe umfassen Dodecylsulfatnatri umsalz, Natriumlaurylsulfat, Dodecylsulfat-ammoniumsalz
und Mischungen derselben. Beispiele bevorzugter grenzflächenaktiver
Stoffe umfassen TRITON® DF-16, hergestellt von
Union Carbide, und SURFYNOL®, hergestellt von Air
Products and Chemicals.
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Es
ist wünschenswert,
den pH-Wert in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm dieser
Erfindung innerhalb eines Bereiches von etwa 2,0 bis etwa 12,0,
und vorzugsweise von etwa 4,0 bis etwa 8,0 aufrechtzuerhalten, um
die Steuerung des chemisch-mechanischen Polierverfahrens zu erleichtern.
Der pH-Wert des ersten chemisch-mechanischen Polierschlammes dieser
Erfindung kann unter Verwendung jeder beliebigen bekannten Säure, Lauge
oder Amins angepasst werden. Die Verwendung von Säuren oder
Basen, die keine Metallionen enthalten, wie zum Beispiel Ammoniumhydroxide
und Amine, oder Salpeter-, Phosphor-, Schwefel- oder organische
Säuren,
wird jedoch bevorzugt, um einen nicht erwünschten Eintrag von Metallkomponenten
in den ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm zu vermeiden.
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II. Der zweite chemisch-mechanische
Polierschlamm
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Der
zweite chemisch-mechanische Polierschlamm ist nicht Teil der vorliegenden
Erfindung, wird jedoch beschrieben, um beim Verständnis der
Erfindung als Ganzes Hilfestellung zu leisten. Der erste chemisch-mechanische
Polierschlamm, der Teil der Erfindung ist, kann insbesondere zur
aufeinanderfolgenden Verwendung mit dem zweiten chemisch-mechanischen
Polierschlamm zum Polieren eines Substrates verwendet werden, welches
einen Kupferanteil und einen Tantal- und/oder Tantalnitridanteil
aufweist. Der zweite chemisch-mechanische Polierschlamm ist so formuliert,
dass er eine niedrige Polierrate bei Kupfer, und eine typische Polierrate
bei Tantal oder Tantalnitrid an den Tag legt. Daher weist der zweite
chemisch-mechanische Polierschlamm vorzugsweise eine Polierselektivität von Kupfer
zu Tantal von weniger als etwa 2 zu 1, und vorzugsweise weniger
als etwa 1 zu 5 auf.
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Der
zweite chemisch-mechanische Polierschlamm enthält mindestens ein Oxidationsmittel.
Das Oxidationsmittel hilft bei der Oxidation der Substratmetallschicht
oder -schichten in ihr entsprechendes Oxid, Hydroxid oder Ionen.
So kann zum Beispiel bei dem zweiten chemisch-mechanischen Polierschlamm das Oxidationsmittel
dazu verwendet werden, um eine Metallschicht in ihr entsprechendes
Oxid oder Hydroxid, zum Beispiel Tantal in Tantaloxid, zu oxidieren.
Das Oxidationsmittel ist verwendbar, wenn es in den zweiten chemisch-mechanischen
Polierschlamm zum Polieren von Metallen und von auf Metall basierenden
Komponenten einschließlich
Titan, Titannitrid, Tantal, Kupfer, Wolfram, Aluminium und Aluminiumlegierungen
wie zum Beispiel Aluminium-Kupferlegierungen
und verschiedenen Mischungen und Kombinationen derselben verwendet
wird, indem die Metalle mechanisch poliert werden, wobei die jeweilige
Oxidschicht abgetragen wird.
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Bei
den in dem zweiten chemisch-mechanischen Polierschlamm dieser Erfindung
verwendeten Oxidationsmitteln handelt es sich um eine oder mehrere
anorganische oder organische Perverbindungen. Eine Perverbindung,
wie sie in Hawley's
Condensed Chemical Dictionary definiert wird, ist eine Verbindung,
die mindestens eine Peroxy-Gruppe (-O-O-) oder eine Verbindung enthält, die
ein Element in seinem höchsten
Oxidationszustand aufweist. Beispiele von Verbindungen, die mindestens
eine Peroxy-Gruppe enthalten, umfassen Wasserstoffperoxid und dessen
Addukte wie zum Beispiel Harnstoff-Wasserstoffperoxid und Percarbonate,
organische Peroxide wie zum Beispiel Benzylperoxid, Peressigsäure und
Di-t-Butyl-Peroxid, Monopersulfate (SO5 =), Dipersulfate (S2O8 =) und Natriumperoxid,
sind aber nicht darauf beschränkt.
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Beispiele
von Verbindungen, die ein Element in seinem höchsten Oxidationszustand aufweisen,
umfassen Überjodsäure, Periodatsalze,
Perbromsäure,
Perbromatsalze, Perchlorsäure,
Perchlorsalze, Perborsäure
und Perboratsalze und Permanganate, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiele
von Nicht-Perverbindungen,
welche die elektrochemischen Potentialanforderungen erfüllen, umfassen
Bromate, Chlorate, Chromate, Jodate, Jodsäure und Zer(IV)-verbindungen wie
beispielsweise Ammoniumceriumnitrat, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Nichtausschließliche Beispiele
verwendbarer Oxidationsmittel umfassen Peressigsäure, Harnstoff- Wasserstoffperoxid,
Wasserstoffperoxid, Monoperschwefelsäure, Diperschwefelsäure, Salze
derselben und Mischungen derselben, einschließlich Mischungen aus Harnstoff
und Wasserstoffperoxid, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Ein
bevorzugtes Oxidationsmittel ist Wasserstoffperoxid.
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Das
Oxidationsmittel kann in dem zweiten chemisch-mechanischen Polierschlamm
in einer Menge im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 30,0 Gewichts-%
vorhanden sein. Vorzugsweise ist das Oxidationsmittel in dem zweiten
chemisch-mechanischen Polierschlamm dieser Erfindung in einer Menge
im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 17,0 Gewichts-%, und am vorteilhaftesten
von etwa 1,0 bis etwa 12,0 Gewichts-% vorhanden.
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Eine
Klasse von Verbindungen, die in dem zweiten chemisch-mechanischen
Polierschlamm enthalten ist, sind Komplexbildner. Verwendbare Komplexbildner
umfassen Säuren
wie zum Beispiel Zitronen-, Milch-, Malon-, Wein-, Bernstein-, Essig-,
Oxal- und andere Säuren,
sowie Aminosäure
und Aminoschwefelsäuren, Phosphonsäuren, Phosphorsäuren und
Salze derselben, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Ein bevorzugter Komplexbildner
ist Essigsäure.
Der Komplexbildner ist in dem zweiten chemisch-mechanischen Polierschlamm
dieser Erfindung in einer Menge im Bereich von etwa 0,01 bis etwa
5,0 Gewichts-%, und vorzugsweise in einer Menge im Bereich von etwa
0,01 bis etwa 3,0 Gewichts-% vorhanden.
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Es
ist wichtig, dass der zweite chemisch-mechanische Polierschlamm
eine im Vergleich zu der Gewichtsmenge an Oxidationsmittel im Schlamm
wesentlich kleinere Gewichtsmenge an Komplexbildner enthält. Der
zweite chemisch-mechanische Polierschlamm sollte ein Gewichtsverhältnis von
Oxidationsmittel zu Komplexbildner größer als etwa 10, und vorzugsweise
größer als
etwa 25 aufweisen.
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Der
zweite chemisch-mechanische Polierschlamm dieser Erfindung kann
ein optionales Filmbildungsmittel enthalten. Bei dem Filmbildungsmittel
kann es sich um jede Verbindung oder Mischungen von Verbindungen
handeln, die in der Lage sind, die Bildung einer Passivierungsschicht
von Metalloxiden und von auflösungshemmenden
Schichten auf der Oberfläche
der Metallschicht zu erleichtern. Die Passivierung der Substratoberflächenschicht
ist wichtig, um Nassätzen
der Substratoberfläche
zu vermeiden. Verwendbare Filmbildungsmittel sind Stickstoff enthaltende
zyklische Verbindungen wie zum Beispiel Imidazol, Benztriazol, Benzimidazol
und Benztriazol und deren Derivate mit Hydroxy-, Amino-, Imino-,
Karboxy-, Mercapto-, Nitro- und
Alkyl-substituierten Gruppen, sowie Harnstoff, Thioharnstoff und
andere. Ein bevorzugtes Filmbildungsmittel ist Benztriazol („BTA"). Das Filmbildungsmittel
kann in dem zweiten chemisch-mechanischen Polierschlamm in einer
Menge im Bereich von etwa 0,01 Gewichts-% bis etwa 1,0 Gewichts-%
vorhanden sein. Vorzugsweise ist das Filmbildungsmittel in dem zweiten
chemisch-mechanischen Polierschlamm in einer Menge im Bereich von
etwa 0,01 bis etwa 0,5 Gewichts-% vorhanden.
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Benztriazol
(BTA), oder andere, in dem zweiten chemisch-mechanischen Polierschlamm
enthaltene Filmbildungsmittel können
die gleichmäßige Dispersion
von Schleifmittel in dem Schlamm destabilisieren. Um den zweiten
chemisch-mechanischen Polierschlamm gegen Absetzen, Ausflockung
und Zersetzung zu stabilisieren, kann eine Vielfalt optionaler Zusätze zu chemisch-mechanischem
Polierschlamm wie zum Beispiel grenzflächenaktive Stoffe, Stabilisatoren
oder Dispersionsmittel verwendet werden. Wenn dem zweiten chemisch-mechanischen
Polierschlamm ein grenzflächenaktiver
Stoff beigemischt wird, kann es sich dabei um einen anionischen,
kationischen, nichtionischen oder amphoteren grenzflächenaktiven
Stoff handeln, oder es kann eine Kombination aus zwei oder mehr
grenzflächenaktiven
Stoffen verwendet werden. Darüber
hinaus wurde herausgefunden, dass die Beimischung eines grenzflächenaktiven
Stoffes bei der Verringerung der „Within-wafer-non-uniformity (WIWNU/Ungleichheit
innerhalb von Mikroplättchen)
der Mikroplättchen
verwendbar sein kann, wodurch die Oberfläche des Mikroplättchens
verbessert wird und Mikroplättchenfehler
vermieden werden.
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Im
Allgemeinen sollte die Menge eines Zusatzes wie zum Beispiel eines
grenzflächenaktiven
Stoffes, der in dem zweiten chemisch-mechanischen Polierschlamm
verwendet werden kann, ausreichend sein, um eine wirksame Stabilisierung
des Schlammes zu erreichen, wobei sie typischerweise in Abhängigkeit
von dem speziellen ausgewählten
grenzflächenaktiven
Stoff und der Art der Oberfläche
des Metalloxidschleifmittels variiert. Wenn zum Beispiel ein ausgewählter grenzflächenaktiver
Stoff in nicht ausreichender Menge verwendet wird, wird er nur eine
ganz schwache oder keine Wirkung auf die Stabilisierung des chemisch-mechanischen Polierschlammes
haben. Andererseits kann zu viel grenzflächenaktiver Stoff in dem zweiten
chemisch-mechanischen
Polierschlamm eine nicht erwünschte
Schaumbildung und/oder Ausflockung in dem Schlamm zur Folge haben.
Folglich sollten Stabilisatoren wie zum Beispiel grenzflächenaktive
Stoffe in dem zweiten Schlamm in einer Menge im Bereich von etwa
0,001 bis etwa 0,2 Gewichts-%, und vorzugsweise von etwa 0,001 bis etwa
0,1 Gewichts-% vorhanden sein. Darüber hinaus kann der Zusatz
direkt dem Schlamm beigemischt, oder unter Verwendung bekannter
Techniken auf der Oberfläche
des Metalloxidschleifmittels eingearbeitet werden. In beiden Fällen wird
die Menge des Zusatzes so angepasst, dass die gewünschte Konzentration
bei dem chemisch-mechanischen Polierschlamm erreicht wird. Bevorzugte
grenzflächenaktive
Stoffe umfassen Dodecylsulfatnatriumsalz, Natriumlaurylsulfat, Dodecylsulfatammoniumsalz
und Mischungen derselben. Beispiele bevorzugter grenzflächenaktiver
Stoffe umfassen TRITON® DF-16, hergestellt von
Union Carbide, und SURFYNOL®, hergestellt von Air
Products and Chemicals.
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Es
ist wünschenswert,
den pH-Wert des zweiten chemisch-mechanischen Polierschlammes dieser
Erfindung innerhalb eines Bereiches von etwa 2,0 bis etwa 12,0,
und vorzugsweise von etwa 4,0 bis etwa 9,0 aufrechtzuerhalten, um
die Steuerung des chemisch-mechanischen Polierverfahrens zu erleichtern.
Der pH-Wert des chemisch-mechanischen Polierschlammes dieser Erfindung
kann unter Verwendung jeder beliebigen bekannten Säure, Lauge
oder Amins angepasst werden. Die Verwendung von Säuren oder
Basen, die keine Metallionen enthalten, wie zum Beispiel Ammoniumhydroxide
und Amine, oder Salpeter-, Phosphor-, Schwefel- oder organische
Säuren,
wird jedoch bevorzugt, um einen nicht erwünschten Eintrag von Metallkomponenten
in den chemisch-mechanischen Polierschlamm dieser Erfindung zu vermeiden.
Vorteilhaftesterweise weist der zweite chemisch-mechanische Polierschlamm
einen pH-Wert von etwa 4 bis etwa 7,5 auf.
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III. Das Schleifmittel
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Die
ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme dieser
Erfindung enthalten ein Schleifmittel. Das Schleifmittel ist typischerweise
ein Metalloxid. Das Metalloxidschleifmittel kann aus der Gruppe
ausgewählt
werden, die Aluminium, Titan, Zirkonoxid, Germanium, Kieselerde,
Zer(IV)-oxid und Mischungen derselben aufweist. Die ersten und zweiten
chemisch-mechanischen
Polierschlämme
dieser Erfindung enthalten vorzugsweise jeweils etwa 0,5 bis etwa
15,0 Gewichts-% oder mehr eines Schleifmittels. Noch vorteilhafterer weise
enthalten die ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme dieser
Erfindung jedoch etwa 1,5 bis etwa 6,0 Gewichts-% Schleifmittel.
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Das
Metalloxidschleifmittel kann mit jeder beliebigen Technik hergestellt
werden, die Fachleuten in diesem Bereich bekannt ist. Metalloxidschleifmittel
können
unter Verwendung jedes beliebigen Hochtemperaturverfahrens wie zum
Beispiel Sol-Gel-, Hydrothermal-, Plasmaverfahren, oder durch Verfahren
zur Herstellung von geräucherten
oder niedergeschlagenen Metalloxiden hergestellt werden. Vorzugsweise
ist das Metalloxid ein geräuchertes
oder niedergeschlagenes Schleifmittel, und noch vorteilhafter ist
es ein geräuchertes
Schleifmittel, wie zum Beispiel geräucherte Kieselerde oder geräuchertes
Aluminiumoxid. Die Herstellung von geräucherten Metalloxiden ist zum
Beispiel ein gut bekanntes Verfahren, welches die Hydrolyse von
geeignetem Ausgangsmaterialdampf (wie zum Beispiel Aluminiumchlorid
für ein
Aluminiumoxid-Schleifmittel) in einer Flamme aus Wasserstoff und
Sauerstoff umfasst. Geschmolzene, grob kugelförmige Partikel, deren Durchmesser
sich durch die Verfahrensparameter verändern, werden beim Verbrennungsvorgang
ausgebildet. Diese geschmolzenen Kugeln aus Aluminiumoxid oder einem ähnlichen
Oxid, die typischerweise als Primärpartikel bezeichnet werden,
verschmelzen miteinander, indem sie an ihren Kontaktpunkten Kollisionen
durchlaufen, um verzweigte, dreidimensionale kettenähnliche
Aggregate auszubilden. Die zum Zerbrechen von Aggregaten notwendige
Kraft ist beträchtlich,
und wird oftmals als un umkehrbar angesehen. Während dem Kühlen und Sammeln durchlaufen
die Aggregate weitere Kollisionen, was einige mechanische Verwicklungen
zum Ergebnis haben kann, wodurch sich Agglomerate bilden. Von Agglomeraten
wird angenommen, dass sie durch van der Waals-Kräfte
lose zusammengehalten, und durch geeignete Dispersion in einem geeigneten
Medium umgekehrt, das heißt
getrennt werden können.
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Niedergeschlagene
Schleifmittel können
mit herkömmlichen
Techniken wie zum Beispiel durch Koagulation der erwünschten
Partikel von einem wässrigen
Medium unter dem Einfluss von hohen Salzkonzentrationen, Säuren oder
anderen Koagulationsmitteln hergestellt werden. Die Partikel werden
gefiltert, gewaschen, getrocknet und von Rückständen anderer Reaktionsprodukte
durch herkömmliche
Techniken getrennt, die Fachleuten in diesem Bereich bekannt sind.
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Ein
bevorzugtes Metalloxid weist eine Oberfläche auf, wie sie nach dem Verfahren
von S. Brunauer, P. H. Emmet und I. Teller, J. Am. Chemical Society,
Band 60, Seite 309 (1938), allgemein als BET bezeichnet, berechnet
wird, wobei sie im Bereich von etwa 5 m2/g
bis etwa 430 m2/g, und vorzugsweise von
etwa 30 m2/g bis etwa 170 m2/g
liegt. Auf Grund strenger Reinheitsanforderungen der Halbleiterindustrie
sollte es sich bei den bevorzugten Metalloxiden um solche mit hoher
Reinheit handeln. Hochrein bedeutet, dass der Gesamtverunreinigungsgehalt
von Quellen wie zum Beispiel Rohmaterialverunreinigungen und Verarbeitungs-Verunreinigungsspuren
typischerweise unter 1%, und vorzugsweise unter 0,01% (das heißt 100 ppm)
liegt.
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Das
in der Dispersion dieser Erfindung verwendbare Metalloxidschleifmittel
kann aus Metalloxidaggregaten oder einzelnen kugelförmigen Partikeln
bestehen. Der Begriff „Partikel", wie er in diesem
Dokument verwendet wird, bezieht sich auf Aggregate aus mehr als
einem Primärpartikel
und auf einzelne Partikel.
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Das
Metalloxidschleifmittel besteht vorzugsweise aus Metalloxidpartikeln
mit einer Größenverteilung von
weniger als etwa 1000 nm (1,0 Mikron), einem durchschnittlichen
Partikeldurchmesser von weniger als etwa 0,4 Mikron und mit einer
Kraft, die ausreicht, um die van der Waals-Kräfte zwischen Schleifmittelaggregaten
selbst abzuwehren und zu überwinden.
Es wurde festgestellt, dass solche Metalloxidschleifmittel wirksam
bei der Minimierung oder Vermeidung von Kratzern, Mulden, abgelösten Partikeln
und anderen, während dem
Schleifen entstehenden Oberflächenfehlern
sind. Die Partikelgrößenverteilung
bei der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung bekannter Techniken
wie zum Beispiel der Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) bestimmt
werden. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser bezieht sich auf
den durchschnittlichen gleichwertigen kugelförmigen Durchmesser unter Verwendung
der TEM-Bildanalyse, das heißt
auf der Grundlage der Querschnittsfläche des Partikels. Mit Kraft
ist gemeint, dass entweder das Oberflächenpotential oder die Hydrationskraft
der Metalloxidpartikel ausreichend sein muss, um die van der Waals-Anziehungskräfte zwischen
den Partikeln abzuwehren und zu überwinden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann das Metalloxid-Schleifmittel aus diskreten, individuellen Metalloxid-Partikeln
bestehen, die einen primären
Partikeldurchmesser von weniger als 0,4 Mikron (400 nm) und eine
Oberfläche
im Bereich von etwa 10 m2/g bis etwa 250
m2/g aufweisen.
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Vorzugsweise
ist das Metalloxidschleifmittel als konzentrierte wässrige Dispersion
von Metalloxiden in das wässrige
Medium des Polierschlammes integriert, welches etwa 3% bis etwa
45% Feststoffe, und vorzugsweise zwischen 10% und 20% Feststoffe
aufweist. Die wässrige
Dispersion von Metalloxiden kann unter Verwendung herkömmlicher
Techniken, wie zum Beispiel langsamem Beimischen des Metalloxidschleifmittels
zu einem geeigneten Medium, zum Beispiel entionisiertem Wasser,
zur Ausbildung einer kolloiden Dispersion hergestellt werden. Die
Dispersion wird typischerweise fertiggestellt, indem sie Fachleuten
in diesem Bereich bekannten Schermischbedingungen unterzogen wird.
Der pH-Wert des Schlammes kann von dem isoelektrischen Punkt weg
angepasst werden, um die kolloide Stabilität zu maximieren.
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IV. OPTIONALE ZUSÄTZE
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Andere
gut bekannte Polierschlammzusätze
können
in dem ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm und/oder in dem
zweiten chemisch-mechanischen Polierschlamm integriert werden. Eine
Klasse optionaler Zusätze
besteht aus anorganischen Säuren
und/oder Salzen derselben, die dem ersten und/oder zweiten chemisch-mechanischen Polierschlamm
beigemischt werden können,
um die Polierrate der Grenzschichten in dem Mikroplättchen,
wie zum Beispiel Titan und Tantal, weiter zu verbessern oder zu
steigern. Verwendbare anorganische Zusätze umfassen Schwefelsäure, Phosphorsäure, Phosphonsäure, Salpetersäure, HF-Säure, Ammoniumfluorid,
Ammoniumsalze, Kalisalze, Natriumsalze, und andere kationische Salze
von Sulfaten, Phosphaten, Phosphonaten und Fluoriden.
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V. VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG
UND VERWENDUNG DER ERSTEN UND ZWEITEN CHEMISCH-MECHANISCHEN POLIERSCHLÄMME
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Die
ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme dieser
Erfindung können
unter Verwendung von Fachleuten in diesem Bereich bekannten herkömmlichen
Techniken hergestellt werden. Typischerweise werden das Oxidationsmittel
und andere, nichtschleifende Mittel mit zuvor festgelegten Konzentrationen
unter niedrigen Scherbedingungen in ein wässriges Medium, wie zum Beispiel
entionisiertes oder destilliertes Wasser, gemischt, bis diese Komponenten
vollständig
in dem Medium aufgelöst
sind. Eine konzentrierte Dispersion des Metalloxidschleifmittels,
wie zum Beispiel geräuchertes
Aluminiumoxid, wird dem Medium beigemischt und auf das gewünschte Schleifmittel-Ladeniveau in dem
endgültigen
chemisch-mechanischen Polierschlamm verdünnt.
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Die
ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme der
vorliegenden Erfindung können als
ein Paketsystem geliefert werden, welches alle Schlammzusätze enthält. Aufgrund
von Bedenken in Bezug auf den Versand von chemisch-mechanischen
Polierschlämmen,
die Oxidationsmittel, und insbesondere Wasserstoffperoxid enthalten,
werden die ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme dieser
Erfindung vorzugsweise als chemisch-mechanische Poliervorstufe zubereitet
und verpackt, die jede Zutat mit Ausnahme des Oxidationsmittels
oder der -mittel enthält,
zu einem Kunden versandt und vor der Verwendung in der Anlage des
Kunden mit Wasserstoffperoxid oder jedem beliebigen anderen Oxidationsmittel
kombiniert. Daher besteht ein weiterer Aspekt dieser Erfindung in
einer ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polier-Vorstufen-Zusammensetzung
und/oder -Schlamm mit einer oder mehreren Zutaten, die aus der Gruppe von
Katalysatoren, Schleifmitteln und Stabilisatoren in trockener oder
wässriger
Form ausgewählt
sind, jedoch kein Oxidationsmittel enthalten. Die ersten und zweiten
chemisch-mechanischen
Polier-Vorstufen-Zusammensetzungen werden dann vor der Verwendung
mit mindestens einem Oxidationsmittel kombiniert.
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Es
wurde festgestellt, dass erste und zweite chemisch-mechanische Polierschlämme dieser
Erfindung mit Harnstoff-Wasserstoff durch die Beimischung von Wasserstoffperoxid
zu einer Harnstoff und alle beliebigen anderen verwendbaren Schlammkomponenten
enthaltenden Schlammvorstufe formuliert werden können, um Harnstoff-Wasserstoffperoxid
enthaltende chemisch-mechanische Polierschlämme zu erhalten.
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Eine
bevorzugte Schlammvorstufe dieser Erfindung enthält eine trockene oder wässrige Harnstoffmischung
und mindestens ein Metalloxidschleifmittel. Zusätzliche Zutaten können in
die Harnstoff enthaltende Schlammvorstufe integriert werden, und
sind in den ersten und zweiten Polierschlämmen verwendbar.
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Obwohl
der chemisch-mechanische Polierschlamm dieser Erfindung zum Polieren
jeder Art von Metallschicht verwendet werden kann, wurde herausgefunden,
dass der erste chemisch-mechanische Polierschlamm dieser Erfindung
eine hohe Kupfer-, und niedrige Tantal- und Tantalnitridpolierrate
aufweist. Zusätzlich
legt der zweite chemisch-mechanische Polierschlamm wünschenswerte
niedrige Polierraten in Bezug auf die Kupferschicht an den Tag,
während
er eine wünschenswerte
hohe Polierrate bei der nichtleitenden Tantalisolationsschicht an
den Tag legt.
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Die
ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme können zusammen
mit jeder beliebigen Standard-Polierausrüstung verwendet werden, die
zur Verwendung auf der gewünschten
Metallschicht des Mikroplättchens
geeignet ist. Die ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme dieser
Erfindung sind am nützlichsten
zum Polieren eines Substrates, welches entweder einen Anteil an
Tantal oder Tantalnitrid, und einen eine Kupferlegierung enthaltenden
Anteil enthält,
die beide über
einer nichtleitenden Schicht liegen.
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Bei
Verwendung zum Polieren eines Substrates mit einem Anteil an Tantal
oder Tantalnitrid und einem Anteil an Kupfer wird der erste chemisch-mechanische
Polierschlamm auf das Substrat aufgetragen, und das Substrat mit
herkömmlichen
Mitteln unter Verwendung von Poliermaschinen und eines Polierkissens
poliert. Nach der Fertigstellung der Substratpolitur unter Verwendung
des ersten chemisch-mechanischen Polierschlammes kann das Substrat
mit entionisiertem Wasser oder anderen Lösungsmitteln gewaschen werden, um
den ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm von dem teilweise
polierten Substrat zu entfernen. Danach wird der zweite chemisch-mechanische
Polierschlamm dieser Erfindung auf das Substrat aufgetragen, und
das Substrat unter Verwendung herkömmlicher Mittel poliert, um
vorzugsweise den Tantal- oder Tantalnitridanteil im Vergleich zu
dem Kupferanteil des teilweise polierten Substrates zu polieren.
Sobald der zweite Polierschritt fertiggestellt ist, wird der zweite
chemisch-mechanische Po lierschlamm mit entionisiertem Wasser oder
einem anderen Lösungsmittel
von dem Substrat abgewaschen, und das Substrat ist bereit für die weitere Bearbeitung.
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In
beiden Polierschritten können
die ersten und/oder zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme direkt
auf das Substrat, auf ein Polierkissen oder während der Substratpolitur kontrolliert
auf beide aufgetragen werden. Es wird jedoch bevorzugt, dass die
ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme auf
das Kissen aufgetragen werden, welches danach gegen das Substrat
gedrückt
wird, wobei das Kissen danach im Verhältnis zu dem Substrat bewegt
wird, um eine Substratpolitur zu erreichen.
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Die
ersten und zweiten chemisch-mechanischen Polierschlämme polieren
Kupfer-, Titan-, Titannitrid-, Tantal- und Tantalnitridschichten
mit guten Raten unter steuerbaren Bedingungen. Die Polierschlämme der vorliegenden
Erfindung können
während
der verschiedenen Stufen der Herstellung von Halbleitern mit integrierten
Stromkreisen verwendet werden, um ein wirksames Polieren mit gewünschten
Polierraten bei gleichzeitiger Minimierung der Oberflächenfehler
und -defekte bereitzustellen.
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BEISPIELE
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Wir
haben einen ersten chemisch-mechanischen Polierschlamm entdeckt,
der Kupfer mit hoher Rate, und Tantal- und Tantalnitridschichten
mit niedrigeren Raten polierte, und einen zweiten chemisch-mechanischen
Polierschlamm, der Tantal- und Tantalnitridschichten mit annehmbaren
Raten, und Kupfer mit vergleichsweise niedrigeren Raten als der
erste chemisch-mechanische Polierschlamm poliert.
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Die
nachfolgenden Beispiele veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen
dieser Erfindung sowie bevorzugte Verfahren zur Verwendung von chemisch-mechanischen
Polierschlämmen
dieser Erfindung. Ausführungsformen
des zweiten chemisch-mechanischen Polierschlammes, der nicht Teil
der vorliegenden Erfindung ist, werden jedoch beschrieben, um beim
Verständnis
der vorliegenden Erfindung Hilfestellung zu leisten.
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BEISPIEL 1
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In
diesem Beispiel wurde das chemisch-mechanische Polieren unter Verwendung
von zwei chemisch-mechanischen
Polierschlämmen
durchgeführt.
Der erste Schlamm enthielt eine wässrige Dispersion von 3,0 Gewichts-%
eines Schleifmittels aus geräuchertem
Aluminiumoxid aus der SEMI-SPERSE® W-A355-Dispersion,
die von der Microelectronics Materials Division von Cabot Corporation
in Aurora, Illinois, verkauft wird, 2,5 Gewichts-% Wasserstoffperoxid,
3,65 Gewichts-% Harnstoff, 1,25 Gewichts-% Weinsäure und 50 ppm des grenzflächenaktiven
Stoffes Triton DF-16. Der zweite Schlamm enthielt alle Komponenten
des ersten Schlammes, plus 0,015 Gewichts-% Dodecylamin. Beide Schlämme wurden
mit Ammoniumhydroxid auf einen pH-Wert von 7,0 eingestellt.
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Die
chemisch-mechanischen Polierschlämme
wurden mithilfe von zwei Verfahren getestet. Die Auflösungsraten
von Cu und Ta in jedem Schlamm wurden mithilfe von elektrochemischen
Techniken getestet. Bei der Einrichtung wurde eine sich drehende
Scheibenelektrode in einer Drei-Elektroden-Zelle mit einem 273er Potentiostat
und Korrosionssoftware von PAR verwendet. Elektrochemische Daten
wurden bei einer vorausgewählten
Elektrodendrehzahl von 500 U/min (oder maximal 19,94 m/sec.) erhalten,
wobei der Rotator und das interessierende Metall in Kontakt mit
dem Schleifkissen (mit einer nach unten gerichteten Kraft von 40,7 kPa
(5,9 psi)) oder über
das Kissen angehoben waren. Somit konnte die Metallauflösung bewertet
werden, während
dessen Oberfläche
geschliffen wurde, sowie nach dem Schleifen. Der frühere Wert
wurde als Annäherungsmaß der chemischen
Rate während
des Polierens angesehen, während
der spätere
Ansatz die Korrosionsrate des Metalls in einem gegebenen Schlamm
ergab. In typischen Tests wurden elektrochemische Daten als potentiodynamische
Polarisationskurven aufgezeichnet, wobei sich das Potential mit
einer Rate von 10 mV/sec. von etwa –0,25 V kathodischem zu dem
offenen Potential zu einem anodischen Potential verlagerte. Die
Testergebnisse sind in Tabelle 1, Spalten 3–4 aufgelistet.
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Die
Kupfer- und Tantalpolierraten wurden unter Verwendung derselben
Schlämme
mit einer IPEC 472-Poliermaschine bei einer nach unten gerichteten
Kraft von 20,7 kPa (3 psi), einer Tischdrehzahl von 55 U/min. und
einer Spindeldrehzahl von 30 U/min. ausgewertet. Die Schlämme wurden
mit einer Rate von 200 ml/min. auf einen von Rodel hergestellten
IC1000/SUBA IV-Kissenstapel aufgetragen. Die Polierdaten sind in Tabelle
1, Spalten 5–6
aufgeführt.
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Die
Beimischung einer kleinen Menge an Dodecylamin in den Schlamm hemmt
die Ta-Abtragung und erhöht
das Cu:Ta-Selektivitätsverhältnis bedeutend
auf etwa 45:1. Dadurch wird der die organische Aminoverbindung enthaltende
Schlamm geeigneter zur Verwendung als Kupferpolierschlamm mit einem
Polierstop auf Ta.
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Die
Ergebnisse von Tabelle 1 zeigen auch, dass die bei den elektrochemischen
Tests beobachteten Trends beim Polieren reproduziert werden: Dodecylamin
hemmt die Ta-Auflösung
beim Schleifen, und damit die Polierrate ausgeprägter, als bei Kupfer gemessen
wurde. Daher ist Dodecylamin ein Auflösungshemmstoff für Ta.
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BEISPIEL 2
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In
diesem Beispiel wird die Wirkung durch die Veränderung des Gewichtsverhältnisses
an Oxidationsmittel und Komplexbildner in den zweiten chemisch-mechanischen
Polierschlämmen
dieser Erfindung auf Kupfer- und Tantalauflösungsraten untersucht. Bei
diesem Beispiel wurde ein chemisch-mechanischer Polierschlamm mit
der folgenden Zusammensetzung verwendet: 1,25 Gewichts-% Weinsäure; Wasserstoffperoxid in
einer in Tabelle 2 angegebenen Menge; 3,0 Gewichts-% Aluminiumoxidschleifmittel
(W-A355), 50 ppm grenzflächenaktiver
Stoff Triton DF-16, wobei der Rest entionisiertes Wasser war. Die
pH-Werte der Schlämme wurden
unter Verwendung von Ammoniumhydroxid auf 7,0 eingestellt.
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Die
Polierergebnisse unter Verwendung verschiedener Schlämme mit
verschiedenen Verhältnissen von
Weinsäure
und Wasserstoffperoxid-Oxidationsmittel sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Zusätzlich
zu den in Tabelle 2 aufgelisteten Verbindungen enthielt jeder Schlamm
3,65 Gewichts-% Harnstoff. Die Polierraten wurden unter Verwendung
von beschichteten Wafern auf einem IPEC 472-Polierwerkzeug mit einem
von Rodel hergestellten IC1000/SUBA IV Kissenstapel bestimmt. Die
Mikroplättchen
wurden unter Verwendung einer nach unten gerichteten Kraft von 20,7
kPa (3 psi), einer Tischdrehzahl von 55 U/min., einer Spindeldrehzahl
von 30 U/min. und einem Schlammdurchsatz von 200 ml/min. durchgeführt.
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Die
Polierergebnisse zeigen, dass die Erhöhung des Gewichtsverhältnisses
von Weinsäure/Peroxid die
Cu-Abtragungsrate erhöht,
ohne die Ta-Rate bedeutend zu beeinflussen.
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Metallauflösungs- und
Korrosionsraten unter Verwendung derselben, oben beschriebenen Grundschlämme, jedoch
mit veränderten
Weinsäuremengen
(T) und veränderten
Wasserstoffperoxidmengen (HPO) wurden mithilfe elektrochemischer
Verfahren nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren bewertet,
wobei die Ergebnisse in Tabelle 3 aufgeführt sind.
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Die
Ergebnisse in den Tabellen 2 und 3 zeigen, dass die Kupferpolierrate
der bei Kupfer gemessenen Aktivität elektrochemisch entspricht,
wobei sie bei beiden mit einer Erhöhung des Gewichtsverhältnisses
von Oxidationsmittel zu Komplexbildner abnimmt, während die
Tantalpolierrate und die elektrische Auflösung im Wesentlichen durch
die sich ändernde
Zusammensetzung unbeeinflusst bleibt.
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BEISPIEL 3
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Die
in Beispiel 2, Tabelle 3 beobachteten Trends wurden als Grundlage
zur Formulierung eines zweiten chemisch-mechanischen Polierschlammes
verwendet, der zum Polieren von Tantal und Tantalnitrid verwendbar
ist. Die Kupfer- und Tantalpolierraten für einige zweite Polierschlammanwärter sind
in Tabelle 4 unten aufgeführt.
Bei dem Aluminiumoxid, welches bei den chemisch-mechanischen Polierschlämmen verwendet wurde, handelte
es sich um ein geräuchertes
Aluminiumoxid, das aus der SEMI-SPERSE® W-A355-Dispersion,
eine Aluminiumoxiddispersion, die von der Microelectronics Materials
Division von Cabot Corporation in Aurora, Illinois, verkauft wird,
verdünnt
wurde.
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Die
Erhöhung
des Verhältnisses
von Oxidationsmittel zu Komplexbildner auf einen Wert größer als
10 erhöhte
die Kupferabtragungsraten bedeutend, wie in Tabelle 4 dargestellt.
Darüber
hinaus zeigen die Daten in Ta belle 4, dass die Essigsäure, die
ein schwacher Kupfer-Komplexbildner ist, die Kupferabtragungsrate
bedeutend hemmt, während
die Tantalabtragungsrate im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt.