[发明专利]改进的抛光浆料和其使用方法

说明书

本发明涉及金属、介电材料/金属复合材料、半导体和集成电路的抛光。更具体地说，本发明涉及改进的浆料，该浆料含有用于平整化半导体和集成，电路板的磨料颗粒。

常规抛光组合物或浆料通常由含有磨料颗粒的溶液构成。将部件或基材浸在该浆料中或者用该浆料清洗，同时将弹性垫压在基材上，使垫和基材相对移动。这样磨料颗粒就被加压压在基材上，并且垫的水平移动使磨料颗粒移动穿过基材表面，从而磨损并清除了基材表面的一部分体积。

在许多情况下，表面的清除速度只取决于所用的压力，垫转动的速度和浆料颗粒的化学活性。提高抛光颗粒的化学活性是许多专利的根据，例如USP4959113(Roberts)和USP5382272(Cook等)都转让给Rodel，Inc.，Newark，Delaware。

一种提高抛光速度的可选择的方法是往浆料中加入本身可腐蚀基材的组分。当同时采用磨料颗粒时，可以显著提高抛光速度。这种方法通常被称为化学-机械抛光(CMP)，它是用于对半导体和半导体装置，特别是集成电路抛光的优选技术。通常将添加剂加入到浆料中，这种添加剂在对抛光介电材料/金属复合材料装置，如集成电路装置的内连接的抛光中加快了金属组分的溶解。这种方法和其它相关技术的目的是优选地清除电路中的金属部分，以便使生成的表面形成具有绝缘或介电特性的共平面，一般是由SiO₂构成的。该方法被称为平面化法。

通常将氧化剂，例如过氧化氢加入到用于CMP的浆料中，以便将金属表面变成氧化物，这些氧化物再受到抛光浆料的化学和机械作用。F.Kaufman，等在J.Electrochem.Soc.，vol.138，p.3460，1991，中对该技术有一综述，其在此结合作为参考。

正如Kaufman所指出的，在浆料中通常用于金属装置结构的CMP的磨料通常采用氧化铝或二氧化硅颗粒来提供磨料活性。同时二氧化硅只能采用无定形状态的来抛光，氧化铝颗粒可以是工业生产的被不同程度水合的无定形和晶体形态的。这些材料根据其水合程度被分成三类。第一类被称为铝的水合物，通式为Al(OH)₃。这一类工业生产的化合物的例子是三水铝石Bayerite(γ-氢氧化铝)和三水铝石Gibbsite(α-氢氧化铝)。第二类被称为铝一氢氧化物，通式为AlOOH。这一类工业生产的化合物的例子是硬水铝石(γ-氢氧化铝)和勃姆石(α-氢氧化铝)。第三类是固体氧化物(Al₂O₃)。这一类工业生产的化合物的例子是γ-氧化铝和α-氧化铝。所有这些晶体化合物通常在氧化铝的脱水过程中出现，其最终产物是α-氧化铝。

现有技术对这些种类的氧化铝在抛光工艺中的相对优点没有明确说明。例如，USP4944836(Beyer等)、USP4956313(Cote等)、USP5244534(Yu等)和USP5391258(Brancaleoni等)，所有专利都公开了现有的用于金属半导体设备的CMP的浆料，简单说明了氧化铝磨料颗粒的应用。本领域技术人员一般认为在金属CMP中采用氧化铝磨料颗粒的主要原因是它们在酸性，一般是pH1-6的环境中具有稳定性，而二氧化硅颗粒在这种环境中的分散性是不稳定的。

如在USP5340370(Cadien)中所提到的，氧化铝磨料颗粒的主要缺陷是有划伤基材表面的可能。这就导致在过去使用了低磨耗的氧化铝，特别是用于抛光的勃姆石和γ-氧化铝(参见“Nanometer sized aluminapolishing slurry”，D.Rostoker，Norton Material，Woreester，MA1994)。一般这些低磨耗颗粒具有与二氧化硅的相似的抛光活性。

尽管这些低磨耗浆料颗粒具有减少划伤的优点，但是当采用它们时会出现其它严重缺陷。如Cadien(USP5340370)所指出的，主要缺点是低磨耗浆料颗粒对TiN和Ti结合层的抛光活性非常小，该层通常用于粘合接触金属。在CMP过程中该结合层必须要从所有水平表面上清除，以生成加工装置。Rutten等(“Pattern Density Effects in TungstenCMP”，Proc.VMIC 1995，pp.491-7，1995)，最近回顾了金属元件片材上的CMP结合层的去除效果。随着集成电路部件腐蚀的增加，提高了结合层的选择性(金属与结合层清除速度的比例)。该比例理想的是应该非常低，即1，同时保持对介电相(SiO₂)的高度选择性。