專利名稱：用于化學機械平面加工的含過氧化物拋光液的穩(wěn)定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體裝置的制造及加工方法，特別是，本發(fā)明涉及一種使化學機械平面加工用的含過氧化物拋光液(slurry)穩(wěn)定的方法。
當今，半導體裝置制造領域中存在的二個傾向，其中之一是希望所述半導體裝置具有平面結構，其中另一個是減少覆蓋所述半導體基片的結構材料中的雜質?；瘜W—機械拋光(CMP)工藝被越來越頻繁地用于上述二個傾向性的制造方法中。大多數(shù)半導體制造商使用CMP加工電介質層材料層表面及對某些金屬結構進行平面(化)加工。用于所述CMP工藝中最普遍的方法是將半導體晶片通過一安裝墊(mounting pad)，固附于一支承座(所述支承座可以是轉動或不可轉動的)上，并使所述晶片的外露表面與一拋光墊(polishing pad，該拋光墊安裝于一旋轉或不旋轉的臺板上)接觸，由此對晶片的外露表面進行拋光。在晶片表面和拋光墊之間發(fā)生的機械磨擦形成對所述晶片表面的拋光作用。為有助于上述表面拋光并去除在該拋光過程中產生的顆粒，通常的作法是，在所述晶片表面和拋光墊之間加入一種拋光液。所述拋光液的化學組成與晶片表面發(fā)生反應，由此，使晶片的拋光更加易于進行。而過剩的拋光液將該拋光過程中產生自所述晶片的物質帶走。
如今，大多數(shù)用于半導體工業(yè)的加工方法通常都要在晶片上形成一層導體材料層或絕緣材料層，隨后對上述材料層進行平面加工(典型的是CMP)。例如，通常是先將一層與其它材料比較非常薄的電介質層沉積形成于晶片上。由于晶片表面上的形貌，使得所述電介質層的厚度表現(xiàn)出其量相當顯著的差異。并且，由于這些表面層的高度變化，使得在使用現(xiàn)行的平版印刷方法及其設備時，很難制得那些須形成于該材料層之中的、用以形成內部傳導布線圖案的通路孔/溝槽。因此，人們要求在上述通路孔的布線圖案形成之前，先進行平面加工步驟。該步驟典型的是用CMP方法進行，藉由所述方法，將在電介質層表面形成相對較平坦的上表面。
另外，CMP方法可以用于在導體材料(例如，鎢、銅、鋁、或其它金屬/金屬組合物)表面覆蓋層生成之后，形成如通路孔及/或內部互聯(lián)溝槽等的嵌入式導電結構。這里，比較、對照CMP與反應性離子蝕刻(“RIE”)方法的不同，可以看到，上述二種方法加工的平面更加清潔，并更加平坦。通常，敷加金屬覆蓋層的工藝過程如下首先在一電介質層上開出許多孔，用于形成通孔路及/或內部互聯(lián)溝槽，然后，在其上面覆蓋形成(或有選擇地形成)所述導體材料的覆蓋層，以填充所述通路孔及/或內部布互聯(lián)溝槽。為了將所述導體材料恰當?shù)靥畛溆谒隹撞壑校^好的是，將一過剩量的導體材料沉積于所述晶片上。然而，這將導致在所述電介質層的孔槽之外的區(qū)域也形成導體材料層。為了去除這些過剩的材料，可以使用CMP方法。
在某些敷加金屬過程中，可以藉由對所述CMP工藝采用一氧化劑，以增大所述過剩量導體材料(或電介質材料)的去除效率，由此，使得須除去的材料至少被部分氧化。能夠提高去除效率的理由是某些被氧化的材料更加柔軟，從而，這些材料更容易比未氧化的材料被去除。再有，上部的氧化避免其內部材料氧化，由此，可以對平面加工進行控制。例如，氧化鎢較軟，所以，氧化鎢更容易從鎢金屬中被去除。由此，一些半導體裝置的制造商在對鎢金屬進行拋光時，對所述拋光液添加過氧化氫或其它氧化劑，使得部分鎢金屬(通常是鎢金屬結構的頂層)氧化，由此，使得這些部分容易被去除。所述過氧化物可在將拋光液使用于拋光須去除材料層之前添加于該拋光液中，或者，所述過氧化物可另外添加于所述拋光墊上。然而，較好的是，在將拋光液供至CMP工具之前，將過氧化氫以約為1-10的重量百分比混合于拋光液中，這樣，使得拋光工藝的控制和操作更加簡單。請見John P.Bare & Budge Johl著，“用于鎢的含氧化氫基CMP拋光液的制造及操作性能的評價”，IEEE/CPMTINTERNATIONAL ELECTRONIC MANUFACTURING TECHNOLOGY SYMPOSIUM 164171(1998)。然而，該方法存在一個問題是，過氧化氫拋光液的儲存壽命較短。工業(yè)上通常可以見到含有過氧化氫的拋光液在靜止狀態(tài)時，以約為0.1％(重量)/天的速率分解。這即意味著，所述拋光液隨著時間流逝，其有效性遞減。

圖1的曲線102表明過氧化氫在一典型的商業(yè)可購的鎢拋光液中的分解情況。此時，過氧化氫分解的結果是，使用該拋光液時CMP加工方法時，材料的去除率是完全不可預見的。最后，該去除率變得如此低，使得所述拋光液無法再利用，而必須廢棄。
上述分解現(xiàn)象可用若干不同的理論解釋。本領域的許多技術人員認為，照射至拋光液的UV輻射，升高的溫度，及某些拋光液的高pH等是控制過氧化氫分解于所述拋光液中的主要原因。然而，本發(fā)明的發(fā)明者發(fā)現(xiàn)拋光液中存在的過渡金屬可能是促使過氧化氫在拋光液中分解的主要因素。拋光液中存在的過渡金屬會對過氧化氫的分解反應起快速的催化作用，由此，形成水和氧這些產物。
本發(fā)明的一個實施例是制造一種電氣器件的制造方法。所述電氣器件具有一覆蓋在半導體基片上的結構，所述基片使用化學機械平面加工(拋光)方法進行平面加工。所述方法包括下述步驟在半導體晶片上形成一材料層；將所述晶片置于一拋光墊上，用拋光液對其材料層進行拋光，所用拋光液含有過氧化物；所述拋光液還包括一可阻止拋光液中過氧化物分解的穩(wěn)定劑。
所述穩(wěn)定劑較好的是選自焦磷酸，多磷酸，多膦酸，乙二胺四乙酸，焦磷酸鹽，多磷酸鹽，多膦酸鹽，乙二胺四乙酸鹽及由上述化合物組成的任一種混合物。另外，上述穩(wěn)定劑可以包括焦磷酸鈉的十水合物及/或8-羥基喹啉。拋光液中的過氧化物的分解可因含于拋光液中的過渡金屬而被催化，也可能由拋光液中的pH引起。覆蓋晶片上的材料層較好的是鎢、銅、鋁、一種電介質材料或上述材料的組合。
本發(fā)明的另一個實施例是對半導體基片上的材料層進行化學機械拋光的拋光方法。所述方法包括下述步驟將一含有過氧化物的物質和一穩(wěn)定劑與一種拋光液混合，形成一種拋光液混合物；將所述拋光液混合物儲存一個期間；使用所述拋光液混合物和一臺化學機械拋光裝置，對半導體基片上的材料層進行平面加工；所述穩(wěn)定劑可以包括選自下述的化合物焦磷酸鈉的十水合物，焦磷酸，多磷酸，多膦酸，乙二胺四乙酸，焦磷酸鹽，多磷酸鹽，多膦酸鹽，乙二胺四乙酸鹽，8-羥基喹啉以及由上述化合物組成的任一種混合物。較好的是，所述穩(wěn)定劑還可使用焦磷酸鈉的十水合物。
圖1所示為過氧化氫隨時間的分解情況圖。其中，過氧化氫作為氧化劑與W2000拋光液混合。
圖2所示為混合有穩(wěn)定劑的W2000拋光液中的過氧化氫隨時間的分解情況圖。所述穩(wěn)定劑為本發(fā)明上述實施例中所用之一種。
圖3所示為混合有本發(fā)明的另一實施例中的穩(wěn)定劑的W2000拋光液中的過氧化氫濃度說明圖。
圖4所示為混合有本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中的穩(wěn)定劑的W2000拋光液中的過氧化氫濃度說明圖。
圖5所示為混合有本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中的穩(wěn)定劑的W2000拋光液中的過氧化氫濃度說明圖。
以下，參照一個使用過氧化氫的鎢CMP方法詳細說明本發(fā)明。本發(fā)明可以被用于任一個其中使用含有過氧化物拋光液的CMP方法。例如，除了鎢之外，可以利用于去除其它的導體材料。事實上，所須去除的材料可以是一種電介質材料，而不是導體材料。另外，可以使用任何一種穩(wěn)定劑，只要所述穩(wěn)定劑具有下述特性即可(1)所述穩(wěn)定劑具有在一水性或有機介質中與過渡金屬(這些金屬包括，但并不限于，如Fe、Cu、Co、Mn、Ni及Cr的元素)的結合性能；(2)所述穩(wěn)定劑基本上不含有過渡金屬雜質；(3)所述穩(wěn)定劑可溶解于含有過氧化物的拋光液混合物中；(4)所述穩(wěn)定劑并不影響在以CMP方法作拋光處理時的材料層的拋光速率；(5)所述穩(wěn)定劑部分顯著改變用于CMP拋光液中的磨料粒度。
這些穩(wěn)定劑的舉例包括焦磷酸，多磷酸，多膦酸，乙二胺四乙酸(EDTA)，上述酸的鹽，上述酸及上述酸鹽的混合物及羥基喹啉。進一步，所述拋光液中還可以含有過渡金屬雜質。
下述圖表說明了由Cabot Corporation(稱為“W2000”)開發(fā)、用于拋光含鎢材料層得的拋光液中的過氧化氫濃度隨時間的變化。參見圖1，曲線102表示用在W2000拋光液中未經(jīng)穩(wěn)定的過氧化氫濃度變化。如圖1所示，過氧化氫在加入于W2000拋光液中9日之后，其濃度約為起始混合時的60％。
圖2及圖3顯示例如，EDTA、EDTA的鹽，膦酸及羥基喹啉等的各種螯合劑，并不是一定能提供所需的過氧化氫穩(wěn)定性。事實上，各種所試驗的螯合劑加快了過氧化氫的分解。然而，這些螯合劑的一種或二種以上(單獨使用，或相互結合使用或與另一種其它的化學品結合使用)可能提供適當?shù)姆€(wěn)定性，其條件是其使用量不同，經(jīng)過提純，以除去如過渡金屬等的任何雜質，用于另一種拋光液，或者與另一種化學品物質(這些化學品本身可能是或不是穩(wěn)定劑)結合使用。一個本領域的普通技術人員根據(jù)本發(fā)明說明書的教導，將能夠實現(xiàn)這些條件，而無須進行過多的試驗工作。
圖4表明本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的穩(wěn)定過程(表示為曲線402)。其中，過氧化氫的起始濃度較好的是基于過氧化氫和W2000拋光液總重量的2％。在這個實施例中，穩(wěn)定劑的使用量較好的是對每2000g拋光液混合物加入約2g的焦磷酸鈉，根據(jù)所使用的特定的鎢CMP方法中的力學特征，過氧化氫的下限濃度約為1.5％。焦磷酸鈉的使用量可以不同，以提供更好的對過氧化氫的穩(wěn)定性。如果使用了不同的拋光液，則適宜的穩(wěn)定劑使用量會不同，甚至需用不同的穩(wěn)定劑。
圖5說明本發(fā)明的其它優(yōu)選實施例穩(wěn)定劑的幾種不同的用量。其中，過氧化氫的起始濃度較好的是基于過氧化氫和W2000拋光液總重量的約4％。在這個實施例中，穩(wěn)定劑的用量較好的是對每1000g拋光液混合物用約0.25g～3g，更好的是用約0.25g～1g，特別好的是用約0.5g的范圍。由于所使用的特定鎢的CMP方法中的力學特性，過氧化氫的下限濃度約為3.8％。焦磷酸鈉的使用量可以不同，以提供更好的穩(wěn)定性。如果使用了不同的拋光液，則適宜的穩(wěn)定劑用量會不同，甚至需用不同的穩(wěn)定劑。
盡管，在此對本發(fā)明的一些具體實施例作了說明，但它們并不是對本發(fā)明范圍的限制。對那些本領域的技術人員來說，顯而易見的是，參照本發(fā)明說明書所揭示的方法，可以得到其它實施例。本發(fā)明的范圍僅限于權利要求書所所要求的范圍。
權利要求
1.一種電氣器件的制造方法，所述電氣器件具有一覆蓋在半導體基片上的結構，所述基片使用化學機械平面加工方法進行平面加工，其特征在于，所述方法包括下述步驟在半導體晶片上形成一材料層；將所述晶片置于一拋光墊上，使用拋光液對其材料層進行拋光，所用拋光液含有過氧化物；其中，所述拋光液還包括一可阻止拋光液中過氧化物分解的穩(wěn)定劑。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定劑選自下述化學物質焦磷酸，多磷酸，多膦酸，乙二胺四乙酸，焦磷酸鹽，多磷酸鹽，多膦酸鹽，乙二胺四乙酸鹽及由上述化合物組成的任一種混合物。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定劑為焦磷酸鈉的十水合物。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定劑為焦磷酸鈉的十水合物。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定劑為8-羥基喹啉。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述拋光液中過氧化物的分解受到含于拋光液中的過渡金屬的催化作用。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述拋光液中過氧化物的分解是由所述拋光液中的pH引起的。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的材料層選自鎢、銅、鋁、電介質材料及這些材料的任一種組合。
9.一種對置于半導體基片上的材料層進行化學機械拋光的拋光方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟將一含有過氧化物的物質和一穩(wěn)定劑與拋光液混合，形成一種拋光液混合物；將所述拋光液混合物儲存一個期間；使用所述拋光液混合物和一臺化學機械拋光裝置，對置于半導體基片上的材料層進行平面加工；所述穩(wěn)定劑包括選自下述的化合物焦磷酸鈉的十水合物，焦磷酸，多磷酸，多膦酸，乙二胺四乙酸，焦磷酸鹽，多磷酸鹽，多膦酸鹽，乙二胺四乙酸鹽，8-羥基喹啉以及由上述化合物組成的任一種混合物。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定劑進一步包括焦磷酸鈉的十水合物。
全文摘要
本發(fā)明的一個實施例是一種電氣器件的制造方法。所述電氣器件具有一覆蓋在半導體基片上的結構,所述基片使用化學機械平面加工方法進行平面加工。所述方法包括下述步驟:在半導體晶片上形成一材料層;將所述晶片置于一拋光墊上,對其材料層進行拋光,所用拋光液含有過氧化物;其中所述拋光液還包括一可阻止拋光液中過氧化物分解的穩(wěn)定劑。所述穩(wěn)定劑較好的是:焦磷酸,多磷酸,多膦酸,乙二胺四乙酸,焦磷酸鹽,多磷酸鹽,多膦酸鹽,乙二胺四乙酸鹽及由上述化合物之間的任一種混合物。
文檔編號C23F3/00GK1255521SQ9912583
公開日2000年6月7日 申請日期1999年11月24日 優(yōu)先權日1998年11月24日
發(fā)明者L·霍爾, J·西斯, A·米斯拉 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司, 氣液美國有限公司