碱性后化学机械平面化清洗组合物 交叉引用相关申请
本申请要求于2004年3月19日提交的美国临时申请号60/554,638的利益。
【技术领域】
在半导体工业中，用铜互连作为互连材料正日益增加且胜于铝。铜超过铝的优良电导率可以产生更大载流容量的更高速互连。目前，通过使用所谓的“波纹”或“双元波纹”制造工艺形成铜互连。简单地说，波纹敷金属工艺通过暂停形成在半导体晶片表面上所形成的凹槽中进行导电金属的沉积形成互连。典型地，在半导体基片上形成半导体装置(例如，集成电路)。通常以氧化层覆盖这些基片。可以从形成开口的氧化层的选定区域除掉材料，该选定区域称为基片表面内的嵌入(in-laid)区域。这些嵌入区域相当于形成装置的导体布线的电路互连图案。
一旦在氧化层内部形成嵌入图案，可以制造薄阻挡层，甚至覆盖所形成图案的氧化层。该阻挡层可以由，但不局限于，氮化钛、氮化钽、或氮化钨组成。在形成阻挡层之后，沉积导电金属的种层，优选包含铜。通过各种沉积技术包括，但不局限，物理溅射、化学气相沉积(CVD)、或电镀，使铜种层为铜的大量沉积形成基础。在沉积了大量铜之后，可以使用例如化学-机械抛光(CMP)除掉多余的铜。除了除掉过剩的材料以外，还加入CMP工艺以实现基片表面的平面化。铜层CMP由于能以不同的速率除掉铜、下层基片材料和扩散阻挡材料这一事实而特别具有希望。该问题经常被称为“选择性”。与CMP工艺特别与铜层有关的其它问题，包括但不局限于，铜盘、氧化物侵蚀、和/或区域损失(field loss)。
背景技术
在CMP工艺中，通过将化学和机械手段结合完成抛光和过剩材料的去除。CMP工艺包括向基片表面应用一种在化学反应介质内含磨料粒(例如氧化铝、硅石、陶瓷、聚合粒子等)的CMP浆液。在典型的CMP工艺中，可以由抛光垫(pad)机械摩擦晶片表面同时含磨料粒的化学反应浆液流过表面。在另一被称作“固定研磨CMP”(fixed abrasive CMP)CMP工艺中，可以使磨料粒嵌入抛光垫表面内同时将晶片表面与化学反应介质相接触。
典型的CMP浆液是含磨料粒、反应剂、表面活性剂、和适合的氧化剂组成的水悬浮体。可以加入到浆液中的反应剂包括有机酸(例如柠檬酸)、氨基酸(例如甘氨酸)和唑类化合物(例如苯并三唑)。令人遗憾的是，CMP工艺留有残余物，诸如来自于浆液或由工艺本身产生地颗粒、膜、金属离子杂质和氧化物。在某些CMP浆液中所使用的一些反应剂或所有反应剂也可以留有残余物并且提供潜在侵蚀源。例如，在CMP浆液之内磨料粒的使用可以造成各种颗粒污染物留在抛光面上。另外，某些反应剂诸如苯并三唑可以在基片表面上留下有机残余物或膜。浆液成份中的其它反应剂诸如某些盐如钠、钾、和铁盐和/或化合物可以留下大量这些金属离子杂质。另外，由于在CMP工艺期间铜的氧化作用，反应剂诸如氧化剂可以在铜上留下残余氧化层。该残余氧化层可以对电子装置的电特性产生副作用。
为了弥补这些问题，可能需要后CMP清洗步骤除掉上面所述的残余物同时限制侵蚀下层基片表面。后CMP清洗步骤的另一目的包括，受局限于在低介电常数(low-k)的表面上防止水印。用于半导体制造的先进低-k介电表面在本质上是憎水的并且在晶片干燥期间趋向于形成水印。也需要通过改善晶片相对于清洗化学物润湿性清洗化学物使水印的形成最小化。后CMP清洗步骤应该满足这些目的同时使蚀刻基片表面最小化和避免使表面粗糙度任何明显程度的增加。
【发明内容】
本文中公开的是一种后CMP清洗组合物和其应用方法。在一个具体实施方案中，提供了一种在化学机械平面化之后处理基片的组合物，其包括：水、有机碱、多种含氨基多元羧酸和羟基羧酸的螯合剂、任选的表面活性剂、和任选的缓蚀剂，其中组合物的pH值可以从9.5到11.5。
【附图说明】
图1比较本文中所述的一些典型组合物容量与时间的关系。
图2提供了本发明的一些典型溶液的阻抗曲线的对比。
图3抛光样品以及抛光+溶液处理的样品的X-射线诱导俄歇电子峰。
本文公开了一种后CMP清洗组合物和其应用方法。可以使用本文所述的组合物和方法来除掉CMP清洗工艺中产生的残余物。在某些具体实施方案中，基片包含铜或含铜的材料。术语“铜”和“含铜材料”在本文中可以互换，并包括，但不受局限于，含纯铜、含铜合金诸如铜-铝合金、以及Ti/TiN/Cu、和Ta/TaN/Cu多层基片层的基片。在这些具体实施方案中，组合物尽管是在碱性pH值范围下配制，但出乎意料和令人惊奇的是没有引起铜表面的氧化。进一步，该组合物也可以螯合金属离子和清洗各种基片诸如，例如以同样处理之后的半导体晶片。
清洗组合物包含水、有机碱、多种螯合剂、任选的表面活性剂、和任选的缓蚀剂。在某些具体实施方案中，多种螯合剂由至少一种氨基多元羧酸和至少一种羟基羧酸组成。组合物的pH值的范围从9.5到11.5或从10到11。
本文所述的组合物包括有机碱。加入到组合物中的有机碱量应该足够获得pH值至少为9.5。有机碱没有引起对下层基片特别是铜的侵蚀。在某些优选的具体实施方案中，有机碱包含季铵氢氧化物。季铵氢氧化物的具体实例包括氢氧化四甲铵(TMAH)、氢氧化四乙铵、氢氧化四丙基铵、氢氧化三甲基乙基铵、氢氧化(2-羟乙基)三甲基铵、氢氧化(2-羟乙基)三乙基铵、氢氧化(2-羟乙基)三丙基铵和氢氧化(1-羟丙基)三甲基铵。在一个特别的具体实施方案中，组合物包含季铵氢氧化物诸如TMAH。除季铵氢氧化物以外其它适合的有机碱的实施例包括，但不受局限于，羟胺、有机胺诸如伯、仲、叔脂肪族胺、脂环胺、芳香族胺和杂环胺、和氨水。羟胺的具体实例包括羟胺(NH2OH)，N-甲基羟基胺、N，N-二甲基羟基胺和N，N-二乙基羟基胺。脂肪族伯胺的具体实例包括单乙醇胺、乙二胺和2-(2-胺乙基胺基)乙醇。脂肪族仲胺的具体实例包括二乙醇胺、N-甲胺基乙醇、二丙基胺和2-乙氨基乙醇。脂肪族叔胺的具体实例包括二甲氨基乙醇和乙基二乙醇胺。脂环胺的具体实例包括环己胺和二环己基胺。芳香族胺的具体实例包括苯甲胺、二苄胺和N-甲基苄胺。杂环胺的具体实例包括吡咯、吡咯烷、吡咯烷酮、吡啶、吗啉、吡嗪、哌啶、N-羟乙基哌啶、噁唑和噻唑。有机碱可以单独使用或与另一种组合使用。
因为螯合剂对一种金属离子而言比其它离子可能更具有选择性，在本文所述的组合物中使用了多种螯合剂或其盐。人们相信这些螯合剂可以与基片表面上的金属离子污染物结合起来并且将它们溶入组合物。因此，在某些具体实施方案中，螯合剂应该能够将这些金属离子留在组合物中并且防止离子再沉积在基片表面上。在某些具体实施方案中，加入组合物中的螯合剂可以具有抗氧化性能即也可以在碱性pH值条件下防止铜表面氧化。
加入到组合物中的全部螯合剂浓度按重量计可以从百万分之50(ppm)到15％或从0.1％到5％变化。可以使用的适合的螯合剂的实例包括，但并不局限于：乙二胺四乙酸(EDTA)、N-羟基乙基乙二胺三乙酸(NHEDTA)、氨三乙酸(nitrilotriacetic acid)(NTA)、二乙撑三胺五乙酸(diethylkenetriaminepentaceticacid)(DPTA)、乙醇二甘氨酸盐、柠檬酸、葡萄糖酸、草酸、磷酸、酒石酸、甲基二磷酸、氨基三亚甲基磷酸、亚乙基-二磷酸、1-羟基亚乙基-1，1-二磷酸，1-羟基亚丙基-1、1-二磷酸、乙基氨基二亚甲基磷酸、十二烷基氨基二亚甲基磷酸、氨三亚甲基磷酸、乙二胺二亚甲基磷酸、乙二胺四亚甲基磷酸、六二胺四亚甲基磷酸、二乙撑三胺五亚甲基磷酸和1，2-丙二胺四亚甲基磷酸、或铵盐、有机胺盐、丙二酸(maronic acid)、琥珀酸(succinic acid)、二巯基琥珀酸、戊二酸、马来酸、邻苯二甲酸、富马酸、多羧酸诸如三胺甲苯酸(tricarbaryl acid)、丙烷-1，1，2，3-四羟酸、丁-1，2，3，4-四羧酸，苯四酸、羟基羧酸诸如乙醇酸、β-羟基丙酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、丙酮酸、五倍子酸、二甘醇酸、水杨酸、五倍子酸，多酚诸如邻苯二酚、连苯三酚，磷酸诸如焦磷酸、多磷酸，杂环化合物诸如8-羟喹啉、二酮诸如α-联吡啶乙酰丙酮。
在某些具体实施方案中，多种螯合剂包括氨基多羧酸和羟基羧酸。氨基多羧酸可以例如在组合物之内螯合金属离子。然而在碱性pH值条件下可能减弱这些氨基多羧酸的螯合能力，因此降低了组合物的作用。为了弥补这点，加入羟基羧酸来改善清洗性能，尤其在碱性pH值水平下。适合的氨基多羧酸的实例包括乙二胺四乙酸(EDTA)、n-羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)、二乙撑三胺五乙酸(DTPA)和氨三乙酸(NTA)。羟基羧酸的实例包括柠檬酸、葡萄糖酸、苹果酸、酒石酸、富马酸、乳酸。在一个详细具体实施例中，使用三种不同螯合剂：氨基多羧酸EDTA和羟基羧酸类葡萄糖酸和柠檬酸。
本文公开的组合物中也存在水。它可以作为其它组成的成份偶然存在，例如水基有机碱溶液或螯合溶液，或它可以单独加入。水的一些非限制实施例包括去离子水、超纯水、蒸馏水、再蒸馏水、或具有低金属含量的去离子水。优选地，存在的水量按重量计为大约65％或更多，或大约75％或更多，或大约85％或更多，或大约95％或更多。
可以任选地将表面活性剂加入组合物中。可以使用任何种类表面活性剂，阴离子的/阳离子的/非离子的/两性离子的或它们的混合物。表面活性剂的选择可以依赖于各种标准，包括湿润性能、发泡沫性能、去污力、可漂洗性等等。在这些具体实施例中，表面活性剂的浓度可以从1ppm到10000ppm变化或从50ppm到5000ppm变化。表面活性剂的实施例还包括硅树脂表面活性剂、聚(环氧烷)表面活性剂和含氟化合物表面活性剂。用于工艺组合物中合适的非离子型表面活性剂包括，但不局限于，辛基和壬酚乙氧基化物诸如TRITONX-114、X-102、X-45、X-15和脂肪醇乙氧基化物诸如BRIJ56(C16H33(OCH2CH2)10OH)(ICI)、BRIJ58(C16H33(OCH2CH2)20OH)(ICI)。典型的表面活性剂仍然还包括炔醇和其衍生物、炔二醇(非离子烷氧基和/或可自乳化的炔二醇表面活性剂)和其衍生物、乙醇(伯和仲)乙氧基化物、胺乙氧基化物、糖苷、葡酰胺、聚乙二醇、聚(乙二醇-丙二醇)、或文献McCutcheon’s Emulsifiers andDetergents，(2000年North American Edition由Manufacturers ConfectionersPublishing Co.of Glen Rock，N.J出版)提供的其它表面活性剂。
清洗工艺期间也可以任选地加入缓蚀剂为铜线提供保护。本发明公开的组合物也能任选地包含按重量计高达大约15％、或大约0.2到大约10％的缓蚀剂。可以使用相似申请中任何已知的缓蚀剂，如本文引用的美国专利No.5,417,877中所公开的那些。缓蚀剂可以是，例如有机酸、有机酸盐、苯酚、三唑、羟胺或其酸式盐。具体的缓蚀剂实施例包括邻氨基苯甲酸、五倍子酸、苯甲酸、间苯二甲酸、马来酸、富马酸、D，L-苹果酸、丙二酸、苯二甲酸、马来酸酐、邻苯二甲酸酐、苯并三唑(BZT)、间苯二酚、羧基苯并三唑、二乙基羟胺和其乳酸盐和柠檬酸盐等等。可以使用的缓蚀剂的实施例还包括邻苯二酚、连苯三酚和五倍子酸的酯。能使用的具体羟胺包括二乙基羟胺和其乳酸盐和柠檬酸盐。适合的缓蚀剂的其它实施例还包括果糖、硫代硫酸铵、甘氨酸、乳酸、四甲基胍、亚氨基乙酰乙酸和二甲基乙酰乙酰胺。在某些具体实施例中，缓蚀剂可以包括具有pH值从大约4到大约7变化的弱酸。弱酸的实施例包括三羟基苯、二羟基苯和/或水杨基异羟肟酸。
组合物也可以包括一种或多种下述添加剂：化学改性剂、着色剂、抗微生物剂、防腐剂和其它添加剂。可以将添加剂加入到它们不对组合物pH值范围产生有害影响的程度。
可以通过混合多种螯合剂与水、有机碱和其它成份诸如表面活性剂、缓蚀剂、和/或可能加入的添加剂制备本文所述的组合物。在某些具体实施方案中，可以使用离子交换法将本文所述的清洗组合物中的成份单独净化或作为两种或多种成份组成的组合物来净化以减轻微量离子污染。在某些具体实施方案中，可以在温度为大约40到60℃条件下混合来影响其中所含成份的溶解。在含有一定的螯合酸诸如EDTA的实施方案中，其在水中的可溶性极低。在这些具体实施方案中，理想的是：在加入其它成份之前，首先将这些酸溶入含有有机碱的溶液中。可以任选地过滤得到的组合物来除掉任何可能损伤基片的不溶颗粒。
在可选择的具体实施方案中，包含多种螯合剂、有机碱、任选的表面活性剂、和任选的缓蚀剂在水中能被稀释的浓缩组合物被提供。本发明的浓缩组合物、或“浓缩物”允许将浓缩物稀释到理想的浓度和pH值。浓缩物也允许产品更久的保存期和更简单的运输和储存。
在CMP步骤之后，优选使用工艺组合物处理基片表面。适合的基片包括，但不局限于，半导体材料诸如砷化镓(“GaAs”)、氮化硼(“BN”)硅、和包含硅诸如单晶硅、多晶硅、非晶态硅、外延硅、二氧化硅(“SiO2”)、碳化硅(“SiC”)、碳氧化硅(“SiOC”)、氮化硅(“SiN”)、碳氮化硅(“SiCN”)、有机金属硅玻璃(“OSG”)、有机氟硅玻璃(“OFSG”)、氟硅玻璃(“FSG”)和其它适合的基片或其混合物的组合物。基片还包括各种层诸如，例如扩散阻挡层(例如，TiN、Ti(C)N、TaN、Ta(C)N、Ta、W、WN、TiSiN、TaSiN、SiCN、TiSiCN、TaSiCN、或W(C)N)、抗反射涂层、光阻材料、有机聚合物、多孔有机、无机材料、低介电常数材料、高介电常数材料、和附加的金属层，在这些层上应用金属材料如铜。进一步典型的基片还包括硅、铝、或聚合树脂。
本文所述的方法可以通过将具有后CMP工艺残余物诸如，例如其中以薄膜或微粒残渣存在的磨料粒、工艺残余、氧化物、金属离子、盐、或络合物或其混合物，与所述的组合物接触来进行。清洗方法可以包括用聚合物刷子在由清洗化学物和水构成的流动介质中擦洗晶片。另外一种清洗晶片表面的方法可以包括用清洗化学物高速喷溅晶片表面。还有另一种清洗方法是将晶片浸入清洗化学物浴中并且用适合的传感器施加百万音速能量。基片暴露于组合物的典型周期可以从，例如0.1到60分钟、或1到30分钟、或1到15分钟变化。在与组合物接触之后，可以将基片漂洗然后干燥。在某些具体实施例中，在将基片与本文所述的组合物接触之前、期间和/或之后可以采用去离子水漂洗或用含其它添加剂的去离子水漂洗。典型地在惰性气氛下进行干燥。在可选择的具体实施例中，也可以在含有一定浓度的挥发性溶剂诸如异丙醇的气氛下进行干燥以便使干燥过程中的缺陷形成最小化。
【具体实施方式】
提供以下实施例来进一步说明本文公开的组合物和方法。
实施例
除非另作说明，采用的全部实施例在含有电镀铜表面膜的8英寸硅晶片上进行。使用Speed-FAM IPEC 472 CMP系统、使用CMP浆液CP3210(由AirProducts and Chemicals Inc.制造)并用30％过氧化氢以100∶4比例稀释，在2磅/平方英寸(psi)压力和50转/分钟(RPM)工作台速度持续30秒将电镀铜表面膜抛光以便从铜表面除掉任何自身产物。在表I和II中，所有用量以重量百分比计并且总计达到100％。
实施例1
使用以下成份配制500典型组合物1至5溶液：8.62g由Air Products andChemicals，Inc.of Allentown，PA提供的28.91％的提纯柠檬酸溶液；5.0g从AcrosOrganics获得的50％葡萄糖酸溶液；2.5g从Acros Organics获得的EDTA粉末；分别28.70g、29.00g、29.55g、30.11g、和30.88g来自Sachem Chemicals的25.16％TMAH溶液；和余量为水。通过在室温下将组份一起混合在容器中直至所有固体溶解制备本文公开的组合物。
表1 实施例 柠檬酸 葡萄糖酸 EDTA TMAH 水 pH实施例1 0.5％ 0.5％ 0.5 1.44％ 97.06％ 8.93实施例2 0.5％ 0.5％ 0.5 1.46％ 97.04％ 9.51实施例3 0.5％ 0.5％ 0.5 1.49％ 97.01％ 10实施例4 0.5％ 0.5％ 0.5 1.52％ 96.99％ 10.61实施例5 0.5％ 0.5％ 0.5 1.55％ 96.95％ 10.92
为了原位氧化监视，用抛光的晶片作为Gamry涂料电池中的工作电极。将电池用表1所列提供的典型组合物填充。使用控制电势恒定器/稳流器的Gamry PCL4计算机利用电化学阻抗波谱监视氧化物生长。在用典型的组合物填充电池之后约1分钟、5分钟、10分钟和15分钟进行这些测量。将得到的电化学阻抗曲线进行曲线拟合以便获得铜-电解质界面的电容。较低电容表现出铜表面具有良好保护，可能由于在表面上保护氧化物形成。图1提供了曲线拟合的结果。在pH值为8.93和9.51的电容是最低的，因此显示出氧化物可能是保护性的并且可能在表面上形成Cu2O。在较高pH值水平下，电容较高，表示较低厚度的氧化物或缺陷氧化物。具有pH值在10.5左右的组合物对于某些应用可能是最佳的，该组合物具有最小的氧化物生长。
实施例2
外部(ex-situ)研究清洗化学物对氧化的影响。如例1中，将典型后CMP抛光晶片浸在典型的组合物4中1、5、10和15分钟。在以旋转-漂洗-干燥剂干燥之后，为了监视氧化使用这些抛光晶片作为Gamry涂料电池中的工作电极。将电池用水充满。使用控制电势恒定器/稳流器的Gamly PCL4计算机利用电化学阻抗波谱监视氧化物生长。在用水填充电池之后约1分钟进行这些测量。图2显示了典型组合物4以时间为函数获得的阻抗曲线。图2也提供了关于比较或“对比”样品的数据，该样品用CMP抛光并且没有用组合物处理。
在用典型的组合物4处理之后，在1分钟和5分钟之后氧化水平与对比样品比较可能有点低。至少，这表明典型的清洗组合物在暴露的开始的5分钟内没有引起严重的氧化问题。
实施例3
在室温下通过将以下成份一起在容器中混合直至全部固体溶解制备1000g典型的组合物6的溶液：172.95g28.91％柠檬酸溶液；100.00g50％葡萄糖酸溶液；50gEDTA；597.32g25.16％TMAH溶液；9.35g10.74％的提纯HOSTAPUR SAS表面活性剂溶液(从Ultra Chemicals得到)和7.04g水。表I提供了典型的组合物6中成份的重量百分比。利用电化阻学阻抗波谱(ESCA)证实在暴露于清洗组合物中之后不存在铜表面氧化。将后CMP抛光的晶片以每片约1.3cmX0.8cm的小块。将小块的一个浸入搅拌的用表II中所述具有化学物与DI水以10∶1稀释形成的化学浴中1分钟。随后在DI水中漂洗典型的样品10秒并且氮气喷雾干燥。利用X-射线光电波谱(XPS)分析该样品以及没有用组合物处理过的对比CMP抛光样品。在分析期间，X-射线诱导的Cu-LMM峰为人们所知在金属铜和它的各种氧化物和氢氧化物形式之间提供良好的分辨率。图3比较了对比样品和组合物处理过的样品的X-射线诱导的俄歇电子峰。这个图形清楚地显示在化学处理过的样品比对比样品的氧化铜水平更低。这表明能够从表面溶解的氧化物。
表2 柠檬酸 葡萄糖酸 EDTA TMAH 表面活性剂 水 pH 5％ 5％ 5％ 15％ 0.1％ 69.9％ 10.50
实施例4
在IC1000(可以从Rohm & Hass Electronic Materials获得)CMP垫片上用Air Products CP3210(用30％过氧化氢按体积比100∶4稀释)使用IPEC 372抛光器将BLACK DIAMONDTM(可以从Applied Materials Inc.获得)之内带有铜结构的Sematech 854图案的8英寸构图晶片抛光5分钟除掉表面的铜。该步骤的抛光压力为2.8psi并且压板速度为90RPM。然后在3psi抛光压力和90RPM工作台速度下在POLITEXTM Supreme(可以从Rohm and Hass Electonic Materials获得)垫片上用Air Products CP4110A浆液(用30％过氧化氢以9∶1体积比稀释)将晶片抛光1分钟。在ONTRAKTM Synergy(可以从Lam Research Corp.获得)清洗器上清洗晶片。该工具由两个由聚乙烯醇刷子构成的电刷站组成。在每个电刷站上清洗晶片总共45秒其中包括化学清洗消耗时间5秒和用DI水漂洗40秒。另外持续用低流量DI水润湿刷子。
将典型组合物6用于清洗晶片。通过仅单用去离子(DI)水清洗试验对比样品。使用ORBOTTM Duo 736计量工具(可以从Orbot Systems获得)分析缺陷。表III比较了在电刷站利用和没利用的典型组合物6清洗之后不同缺陷种类的缺陷数量。表III说明了用典型的组合物6处理与仅用去离子水比较减少了晶片上的缺陷数量。
表3 缺陷分类 以典型的组合物6处理 仅用DI水处理 颗粒 7 67 薄膜残余物 2 0 与清洗无关的缺陷 25 31 水印 0 3 侵蚀 1 3