专利名称：pH值缓冲的浆液及其在抛光中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及特别适用于表面抛光的浆液组合物。本发明在微电子学中有特殊的用途。而且，本发明还可用于其他基材。本发明的浆液具有抗交叉污染的能力。
在微电子学工业中，在集成电路的制造过程中，为了使所涉及的表面抛平和/或除去不希望有的物质，通常将无划痕的表面抛光。所涉及的抛光为化学机械抛光。例如，将金属如铝、铜和钨抛平。这些金属的表面被氧化，以使抛光磨料不会产生划痕。而且，通常在铝、铜或钨下面有难熔金属衬，它对底层绝缘体提供了良好的粘合以及对较低程度的金属化提供了良好的接触电阻。这些衬可为单独的铌、钽和钛，或与其氮化物的组合，或其他任何难熔金属。在实践中，为了达到所需要的抛光结果，常常需要采用多步法。例如，一次抛光用来除去大量的或主要量的毛坯材料，随后用二次抛光除去由一次抛光产生的划痕和/或除去不同的底层材料或衬材料。通常，在这两个抛光步骤在分开的抛光工作台上进行。但是，在每一台抛光机上常常有两个或两个以上抛光工作台，以致全部步骤可在一套机器上完成。每一抛光步骤的每一方面，例如抛光垫、操作的机械速度以及抛光浆液都按其特定的功能调制。因此，用于一次抛光步骤的浆液在其化学组成方面常常与用于二次抛光步骤的浆液很不相同。
当一种抛光浆液被污染时，例如带有一定数量的其他浆液、清洗材料或抛光步骤的副产物，常常遇到这样一个问题。例如，当很少量(例如几滴)一次扫光浆液留在晶片或晶片载体上，然后沉积在二次抛光步骤的抛光台板上，并在使用二次抛光浆液点与二次抛光浆液混合，通常会出现交叉污染。在这种情况下，一次浆液含有相对高浓度的化学品或离子，当与二次浆液混合时，甚至几滴就可使二次浆液的效率下降。当高度酸性的浆液用作一次浆液以及相对中性的浆液用作二次浆液时，这是常见的例子。在这样的情况下，甚至几滴酸性浆液就可使中性浆液变成酸性，从而使其效率下降。以前为克服这一问题所作的努力包括在各抛光步骤之间，在去离子水中充分清洗晶片和载体，以及在抛光步骤之间建隔板，以便防止一种浆液飞溅到另一种浆液中。但是，以前的这些解决办法是不能令人完全满意的，因为晶片必需从一个抛光台板到另一台板，而又不进行干燥，而且两个抛光工作台彼此紧靠着。因此，人们希望能解决这一污染问题。
本发明提供了一种浆液组合物，它能抵抗例如由交叉污染引起的浆液pH值的变化。因此，本发明提供了能克服现有技术存在的上述问题、适用于抛光的浆液组合物。具体地说，本发明提供了能抵抗pH值变化的浆液。
本发明涉及含有磨料颗粒和pH值缓冲组分的浆液组合物。pH值缓冲组分含有至少一种酸或其盐或其混合物以及至少一种碱或其盐或其混合物。酸或盐的浓度为约10-5至约102M。碱和/或其盐的浓度为约10-5至约102M。浆液的pH值为约3至小于11。
本发明还涉及一种表面抛光的方法。本发明的方法包括在要抛光的表面上提供上述类型的浆液。然后通过其上有浆液的表面与抛光垫接触来抛光表面。
对于熟悉本专业的技术人员来说，本发明的其他目的和优点从以下的详述中将变得很清楚，其中它只说明和描述了本发明优选的实施方案，作为简单说明实施本发明的最好方式。正如已认识到的，在不违背本发明实质的条件下，本发明能有其他的和不同的实施方案，其一些细节可在许多方面作改变。因此，这一描述看作是对本发明的说明，而不是限制。
图1为加入含硝酸铁的浆液对未缓冲的氧化硅浆液和经缓冲的氧化硅浆液pH值的影响图。
图2为抛光速率随pH值变化图。
根据本发明，提供一种含有磨料颗粒和pH值缓冲组分的浆液。缓冲组分含有至少一种酸和/或其盐以及至少一种碱和/或其盐。通常，这种酸或其盐为一种相对弱的酸或盐，其pKa为约2至约7。同样，所用的碱或其盐通常是一种弱碱，其pKa为约7至约11。适用的酸或盐的例子包括有机酸或其盐和无机酸或其盐，例如乙酸、柠檬酸、硼酸、草酸、酒石酸、苹果酸、甲酸、乳酸、苯甲酸、硝酸、磷酸、盐酸、硫酸、磷苯二甲酸氢钾、磷酸二氢钾、乙二胺四乙酸(EDTA)和磷酸氢二钠。适用的碱及其盐的例子包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化铵、叔胺例如三乙醇胺、磷酸三钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硼砂、碳酸钙和三(羟甲基)氨基甲烷。酸和碱的数量可在宽范围内变化，熟悉本专业的技术人员，一旦了解本发明的公开内容，在没有过多实验的情况下，就很容易确定这些数量。
通常，每种酸或其盐以及碱的浓度为约10-5至约102M、更通常为约10-3至约10-2M，它与酸和碱的浓度、要缓冲的浆液的原pH值以及对于特定抛光应用所需的pH值和缓冲剂能力有关。此外，经缓冲交浆液的最终pH值不需与浆液最初的pH值相同，但为了优化浆液对任何特定抛光操作的抛光速率，也可改变最终的pH值。
作为背景，因为当酸或碱已达到其溶解平衡时，酸或碱不总是完全溶解的，它们起缓冲作用。所以，酸或碱的溶解平衡可受加入的共同离子H+或OH-的影响。因此，当这些离子中的一种加到溶液(对应于酸或碱污染)中时，溶解平衡或多或少地缓冲酸或碱的溶解，它有助于保持浆液的pH值，正如在Petrucci，普通化学，原理和现代应用，第4版，McMillan，纽约，1985，第539页所述。
当缓冲基于氧化硅的浆液时，本发明使用的最优选的缓冲剂组合为乙酸和氢氧化铵的组合。具体地说，该组合在浆液中有高的溶解度，不会使磨料从溶液中沉淀出来，不会引起固化和/或凝胶。此外，这种缓冲剂组合的优点是不含金属阳离子。而且，使用本发明的缓冲剂不会降低抛光速率。
所用的磨料颗粒包括通常用于抛光浆液的那些磨料。适合的磨料颗粒的例子包括氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化锆、氧化铈、二氧化钛及其混合物。磨料颗粒的粒度一般为约10至约1000纳米、优选约50至约200纳米。磨料颗粒的数量一般为约0.2至约20％(重量)、优选约1至约5％(重量)。此外，浆液优选为含水浆液。适用的其他类型浆液包括有机溶剂例如碳酸亚丙酯和一元和多元醇例如甲醇、乙醇、乙二醇和甘油作为稀释剂的那些浆液。当然，当需要时，这些稀释剂的混合物以及与水的混合物也可使用。
此外，当抛光金属例如钨、铝或铜以及衬例如难熔金属及其氮化物(包括铌、钽、钛及其氮化物在内)时，该浆液组合物通常含有化学刻蚀剂，以便使抛光过程更容易。代表性的刻蚀剂为硝酸铁、碘酸钾、硝酸铵铈、铁氰化钾、硝酸银、次氯酸钠、高氯酸钾、高锰酸钾或过氧化氢。通常，刻蚀剂的用量为约0.1至约5mol、更通常为约0.2至约1mol。
用于本发明的典型两步法的一个例子涉及抛光金属连接(件)例如钨、铝或铜。在许多情况下使用的最初浆液的pH值为约1至约6、更通常约2，它可引起所用的二次浆液的pH值显著变化，后者的pH值通常为约2至约10，例如5。图1说明将少量含有5％(重量)硝酸铁、1％(重量)氧化铝和94％(重量)水的一次浆液加到通常用作二次抛光浆液组合物的含氧化硅的浆液中的影响。仅将几滴一次浆液加到二次浆液中就使浆液的pH明显变化，从而使钛的抛光速率下降约40％。参见图2，它说明钛抛光速率随pH值的变化。另一方面，图1也说明通过使用本发明的缓冲技术，在加入一次浆液时，二次浆液的pH值基本上不变(参见图1中的曲线2)。
此外，在二次浆液中所含的缓冲材料不会明显改变抛光速率。例如，典型的未缓冲的氧化硅浆液以730埃/分的速率抛光钛。当用2×10-3M乙酸和1×10-3M氢氧化钾缓冲时，氧化硅浆液以约745埃/分的速率抛光钛。
本发明的另一优点是抛光后提高晶片净化度的能力。大家都很清楚，从硅晶片表面净化或除去残留的磨料颗粒例如氧化铝、氧化硅、氧化铈、二氧化钛、氧化铁或氧化锆是十分困难的。例如，参见US 5320706和5525191。这一点部分是由小的磨料颗粒和硅晶片都存在由pH值决定的小的表面电荷所引起的。在晶片上的表面电荷与颗粒的相反的pH值下，两者之间存在强的静电吸引，从而在污染颗粒和晶片表面之间产生强的键联。
一旦它形成，要破坏这一相对强的键联，从而除去污染颗粒便很困难而且成为一个挑战性的问题。通过使用抵抗pH值变化的缓冲浆液，可防止颗粒粘附到晶片表面上。作为一个例子，在pH值6.2下，氧化硅晶片有负的表面电荷；而二氧化钛颗粒有中性的表面电荷，从而使二氧化钛对氧化硅表面的吸引相对较弱。(参见Parks，“固体氧化物、固体氢氧化物和含水的氢氧化物络合物体系的等电离点”，化学评述(1965)，第177-198页)。但是，由于污染的结果，pH值变化到约4，使二氧化钛颗粒产生正的表面电荷，而氧化硅晶片仍保持其负电荷。这样就使颗粒和氧化硅晶片之间产生强得多的吸引。
在这样的情况下，为了防止由于污染引起的pH值变化使二氧化钛磨料颗粒和硅晶片的表面电荷变化，将浆液的pH值在6.2进行缓冲是有利的。
根据本发明的某些方面，本发明的浆液组合物也可易于除去可能引起积成电路的电故障的残留金属阳离子污染物，例如Fe3+、Mg2+、Ca2+、K+和Na+。而且，这些污染物是极难除去的。例如，参见US5230833，该专利说明，为了具体地解决这一问题，已进行了相当大的努力来生产低金属离子浓度的浆液。但是，在金属抛光中，常常需要常称为氧化剂的含有金属阳离子的刻蚀剂，例如硝酸铁和碘酸钾。本发明用作缓冲剂的某些酸和碱还可作为这些金属阳离子的络合剂。例如，柠檬酸、草酸和三乙醇胺可络合Fe3+，它是一种许多常用的金属抛光组合物中存在的阳离子。
此外，本发明含有也起络合剂作用的酸和/或碱的这些浆液组合物可防止不溶性金属氢氧化物沉淀，这些不溶性金属氢氧化物反过来可引起底层硅晶片划痕。作为例子，一种浆液含有铁离子而另一种的pH值大于6，当相互接触时例如可在抛光垫上产生氢氧化铁沉淀，反过来这种沉淀可产生划痕。在这种情况下，一种也可作为铁离子的络合剂的酸或碱优选含在较高pH值(约6)的浆液中。反过来它使铁离子络合，从而防止从溶液中沉淀出任何氢氧化物。
熟悉本专业的技术人员一旦了解了本发明的公开内容，在无需进行过多实验的条件下，就能决定抛光或抛平(planarizing)的参数。例如，扫光垫的旋转速度为约10至约150转/分，晶片载体的旋转速度为约10至约150转/分，向下力为约2至约10psi。抛光垫为通常用于微电子学抛光的那些抛光垫。
根据本发明，可抛光的表面包括氧化硅、铝、铜、钨以及难熔金属。例如铌、钽、钛及其氮化物。
本发明的上述描述说明和描述了本发明。此外，公开内容仅说明和描述了本发明的优选实施方案，但正如上述，应当理解，本发明能用于各种其他组合、改进和环境，可在这里所述的本发明实质范围内作出与上述公开内容和/或相关技术的知识相匹配的改变或改进。上述实施方案还打算说明实施本发明已知的最好方式，以及打算使熟悉本专业的其他技术人员能以这些实施方案或其他实施方案使用本发明，以及特定应用所需的各种改进或本发明的应用。因此，不打算用这一描述把本发明限制到这里所公开的形式。此外，打算将附后的权利要求书看作包括替代的实施方案。
权利要求
1．一种在pH值缓冲组分中含有磨料颗粒的浆液，pH值缓冲组分含有至少一种酸或其盐或其混合物，其浓度为约10-5至约102M，以及含有至少一种碱或其盐或其混合物，其浓度为约10-5至约102M，从而提供约3至小于11的pH值。
2．根据权利要求1的浆液，其特征在于，所述的酸或其盐选自乙酸、柠檬酸、硼酸、草酸、盐酸、硫酸、酒石酸、硝酸、苹果酸、甲酸、乳酸、苯甲酸、邻苯二甲酸氢钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠及其混合物。
3．根据权利要求2的浆液，其特征在于，所述的碱或其盐选自氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、磷酸三钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硼砂、氢氧化铵、三乙醇胺、三(羟甲基)氨基甲烷及其混合物。
4．根据权利要求1的浆液，其特征在于，所述的碱或其盐选自氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、磷酸三钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硼砂、氢氧化铵、三乙醇胺及其混合物。
5．根据权利要求1的浆液，其特征在于，所述的酸为乙酸，而所述的碱为氢氧化铵。
6．根据权利要求1的浆液，其特征在于，所述的磨料颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化铈、二氧化钛、氧化铁及其混合物。
7．根据权利要求1的浆液，其特征在于，所述的磨料颗粒的粒度约10至约1000纳米。
8．根据权利要求1的浆液，其特征在于，所述的磨料颗粒为氧化硅。
9．根据权利要求1的浆液，其特征在于，它为一种含水浆液。
10．根据权利要求9的浆液，其特征在于，它还含有一种有机稀释剂。
11．根据权利要求10的浆液，其特征在于，所述的有机稀释剂选自碳酸亚丙酯、甲醇、乙醇、乙二醇、甘油及其混合物。
12．根据权利要求1的浆液，其特征在于，它含有一种有机稀释剂。
13．根据权利要求12的浆液，其特征在于，所述的有机稀释剂选自碳酸亚丙酯、甲醇、乙醇、乙二醇、甘油及其混合物。
14．根据权利要求1的浆液，其特征在于，它还含有过氧化氢。
15．根据权利要求1的浆液，其特征在于，它还含有碘酸钾。
16．根据权利要求1的浆液，其特征在于，它还含有高氯酸钾。
17．根据权利要求1的浆液，其特征在于，其pH值为约3至约7。
18．一种表面抛光的方法，该法包括在所述的表面上提供在pH缓冲组分中含有磨料颗粒的浆液，该pH缓冲组分含有至少一种酸或其盐，其浓度为约10-5至约102M，以及含有至少一种碱或其盐，其浓度为约10-5至约102M；以及通过表面与抛光垫接触将所述的表面抛光。
19．根据权利要求18的方法，其特征在于，所述的酸或其盐选自乙酸、柠檬酸、硼酸、草酸、盐酸、硫酸、酒石酸、硝酸、苹果酸、甲酸、乳酸、苯甲酸、邻苯二甲酸氢钾、磷酸二氢钾，磷酸氢二钠及其混合物，以及所述的碱及其盐选自氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、磷酸三钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硼砂、氢氧化铵、三(羟甲基)氨基甲烷和三乙醇胺。
20．根据权利要求18的方法，其特征在于，所述的酸为乙酸，而所述的碱为氢氧化铵。
21．根据权利要求18的方法，其特征在于，所述的磨料颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化铈、二氧化钛、氧化铁及其混合物。
22．根据权利要求18的方法，其特征在于，所述的磨料颗粒的粒度为约10至约1000纳米。
23．根据权利要求18的方法，其特征在于，所述的浆液为含水浆液。
24．根据权利要求23的方法，其特征在于，所述的浆液还含有一种有机稀释剂。
25．根据权利要求24的方法，其特征在于，所述的有机稀释剂选自碳酸亚丙酯、甲醇、乙醇、乙二醇、甘油及其混合物。
26．根据权利要求18的方法，其特征在于，所述的浆液含有一种有机稀释剂。
27．根据权利要求26的方法，其特征在于，所述的有机稀释剂选自碳酸亚丙酯、甲醇、乙醇、乙二醇、甘油及其混合物。
28．根据权利要求18的方法，其特征在于，所述的表面选自铝、铜、钨和二氧化硅。
29．根据权利要求18的方法，其特征在于，要抛光的所述表面下面是难熔的金属衬。
30．根据权利要求18的方法，其特征在于，所述的难熔金属衬选自铌、钽、钛及其氮化物以及它们的混合物。
31．根据权利要求18的方法，其特征在于，在所述的抛光过程中，所述垫的速度为约10至约150转/分，晶片载体的速度为约10至约150转/分。
32．根据权利要求18的方法，其特征在于，该法还包括首先通过所述表面与含有磨料颗粒、其pH值为约1至约5的第一次浆液接触，然后其上有所述浆液的表面与抛光垫接触使所述表面抛光；随后将含有磨料颗粒和pH值缓冲组分的浆加在所述表面上，该pH值缓冲组分含有至少一种酸或其盐，其浓度为约10-5至约102M以及含有至少一种碱，其浓度为约10-5至约102M；通过所述表面与抛光垫接触来抛光其上有所述的二次浆液的所述表面。
全文摘要
一种含有磨料颗粒和pH值缓冲组分的浆液特别适用于抛光表面,包括在微电子学中的应用,该浆液含有至少一种酸或其盐以及至少一种碱。
文档编号C09K3/14GK1218077SQ98123848
公开日1999年6月2日 申请日期1998年11月5日 优先权日1997年11月6日
发明者C·K·胡恩, M·金施纳, M·J·麦克唐纳, M·P·穆雷 申请人:国际商业机器公司