ES2248831T3 - Suspension para el pulido quimico-mecanico de sustratos de cobre. - Google Patents

Suspension para el pulido quimico-mecanico de sustratos de cobre.

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ES2248831T3 ES97309806T ES97309806T ES2248831T3 ES 2248831 T3 ES2248831 T3 ES 2248831T3 ES 97309806 T ES97309806 T ES 97309806T ES 97309806 T ES97309806 T ES 97309806T ES 2248831 T3 ES2248831 T3 ES 2248831T3
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Abstract

UNA LECHADA DE PULIDO QUIMICO MECANICO QUE CONTIENE UN AGENTE FORMADOR DE PELICULAS, UN OXIDANTE TAL COMO PEROXIDO DE HIDROGENO DE UREA, UN AGENTE COMPLEJANTE TAL COMO OXALATO AMONICO O ACIDO TARTARICO, UN ABRASIVO Y UN TENSIOACTIVO OPCIONAL. TAMBIEN SE PRESENTA UN METODO PARA LA UTILIZACION DE LA COMPOSICION DE LECHADA DE PULIDO QUIMICO MECANICO PARA RETIRAR DE UN SUSTRATO CAPAS QUE CONTIENEN UNA ALEACION DE COBRE, TITANIO Y NITRURO DE TITANIO.

Description

Suspensión para el pulido químico-mecánico de sustratos de cobre.
(1) Campo de la invención
Esta invención se refiere a una suspensión para el pulido químico-mecánico que incluye un agente complejante, al menos un oxidante, al menos un abrasivo y un agente formador de película. La suspensión para el pulido químico-mecánico es de utilidad para pulimentar capas y películas finas metálicas asociadas con la fabricación de semiconductores. Más particularmente, esta invención se refiere a una suspensión para el pulido químico-mecánico que está especialmente adaptada para pulimentar múltiples capas y películas finas metálicas en donde una de las capas o películas está constituida por cobre o una aleación que contiene cobre.
(2) Descripción del estado de la técnica
Los circuitos integrados están constituidos por millones de dispositivos activos formados en o sobre un sustrato de silicio. Los dispositivos activos, que inicialmente están aislados unos de otros, se unifican para formar circuitos y componentes funcionales. Los dispositivos se interconectan por medio del uso de interconexiones de varios niveles ya bien conocidas. Las estructuras de interconexión tienen normalmente una primera capa de metalizado, una capa de interconexión, un segundo nivel de metalizado y a veces un tercero y posteriores niveles de metalizado. Se emplean dieléctricos entre los niveles, tal como dióxido de silicio (SiO_{2}) dopado y sin dopar, para aislar eléctricamente los diferentes niveles de metalizado en un sustrato o pocillo de silicio. Las conexiones eléctricas entre los diferentes niveles de interconexión se efectúan a través del uso de vías metalizadas. La Patente US No. 4.789.648, que se incorpora aquí solo con fines de referencia, describe un método para la preparación de múltiples capas metalizadas y vías metalizadas en películas aislantes. De manera similar, se emplean contactos metálicos para formar conexiones eléctricas entre los niveles de interconexión y dispositivos formados en un pocillo. Las vías y contactos de metal se pueden cargar con varios metales y aleaciones, incluyendo titanio (Ti), nitruro de titanio (TiN), aluminio-cobre (Al-Cu), aluminio-silicio (Al-Si), cobre (Cu), tungsteno (W) y combinaciones de los mismos. Las vías y contactos de metal utilizan normalmente una capa de adhesión tal como nitruro de titanio (TiN) y/o titanio para adherir la capa metálica al sustrato de SiO_{2}. En el nivel del contacto, la capa de adhesión actúa como una barrera a la difusión para evitar que reaccionen el metal cargado y el SiO_{2}.
Según un proceso de fabricación de semiconductores, se forman vías o contactos metalizadas mediante una deposición protegida de metal seguido por una etapa de pulido químico-mecánico (CMP). Según un proceso habitual, se mordentan orificios de vía a través de un dieléctrico entre los niveles (ILD) a líneas de interconexión o a un sustrato del semiconductor. A continuación, se forma generalmente una capa de adhesión fina, tal como nitruro de titanio y/o titanio, sobre el ILD y se dirige al interior del orificio de vía mordentado. Se deposita entonces, de forma protegida, una película de metal sobre la capa de adhesión y dentro de la vía. La deposición se continúa hasta que el orificio de vía se llena con el metal depositado protegido. Por último, el exceso de metal se separa mediante pulido químico-mecánico (CMP) para formar vías metálicas. En las Patentes US Nos. 4.671.851, 4.910.155 y 4.944.836 se describen procedimientos de fabricación y/o CMP de vías.
En un proceso típico de pulido químico-mecánico, el sustrato se coloca en contacto directo con un disco de pulido rotativo. Un soporte aplica presión contra el lado posterior del sustrato. Durante el proceso de pulido, el disco y la mesa se hacen girar al tiempo que se mantiene una fuerza descendente contra la parte posterior del sustrato. Durante el pulido se deposita, sobre el disco, una solución abrasiva y químicamente reactiva, conocida normalmente como "suspensión". La suspensión inicia el proceso de pulido al reaccionar químicamente con la película que está siendo pulimentada. El proceso de pulido es facilitado por el movimiento de rotación del disco con respecto al sustrato a medida que se deposita la suspensión en la interfase oblea/disco. El pulido se continúa de esta manera hasta separar la película deseada sobre el aislante. La composición de la suspensión es un factor importante en la etapa CMP. En función de la elección del agente oxidante, abrasivo y otros aditivos útiles, la suspensión para el pulido puede ser adaptada para proporcionar una pulido eficaz en capas metálicas a velocidades de pulido deseadas, al tiempo que se reducen al mínimo las imperfecciones superficiales, los defectos, la corrosión y la erosión. Además, la suspensión para el pulido se puede emplear para proporcionar selectividades de pulido controladas en otros materiales de película fina usados en la tecnología actual de circuitos integrados, tales como titanio, nitruro de titanio y similares.
Habitualmente, las suspensiones para el pulido CMP contienen un material abrasivo, tal como sílice o alúmina, suspendido en un medio oxidante, acuoso. Por ejemplo, la Patente US No. 5.244.523 de Yu et al. describe una suspensión que contiene alúmina, peróxido de hidrógeno e hidróxido potásico o amónico que es de utilidad para separar tungsteno a velocidades predecibles y con poca separación de la capa aislante subyacente. La Patente US No. 5.209.816 de Yu et al. describe una suspensión que comprende ácido perclórico, peróxido de hidrógeno y un material abrasivo sólido en un medio acuoso. La Patente US No. 5.340.370 de Cadien y Feller describe una suspensión para el pulido de tungsteno que comprende ferricianuro potásico 0,1M aproximadamente, alrededor de 5% en peso de sílice y acetato potásico. Se añade ácido acético para amortiguar el pH en 3,5 aproximadamente.
La Patente US No. 4.789.648 de Bayer et al. describe una formulación de suspensión que utiliza abrasivos de alúmina en combinación con ácidos sulfúrico, nítrico y acético y agua desionizada. Las Patentes US Nos. 5.391.258 y 5.476.606 describen suspensiones para pulimentar un material compuesto de metal y sílice que incluye un medio acuoso, partículas abrasivas y un anión que controla la velocidad de separación de la sílice. Otras suspensiones para pulimentar y que son de utilidad en aplicaciones CMP se describen en la Patente US No. 5.527.423 de Neville et al., Patente US No. 5.354.490 de Yu et al., Patente US No. 5.340.370 de Cadien et al., Patente US No. 5.209.816 de Yu et al., Patente US No. 5.157.876 de Medellin, Patente US No. 5.137.544 de Medellin y Patente US No. 4.956.313 de Cote et al.
En EP 0 831 136 se describen suspensiones para pulimentar que comprenden al menos dos oxidantes y además un ácido orgánico y un abrasivo, así como su uso para eliminar de un sustrato titanio, nitruro de titanio o aleación de aluminio. En WO 96/16436 se describe una suspensión para pulimentar que comprende partículas abrasivas de pequeño diámetro medio premezcladas con un agente de suspensión surfactante, antes de combinarse con un oxidante.
En el estado de la técnica se describen diversos mecanismos por los cuales las superficies metálicas pueden ser pulimentadas con suspensiones. La superficie metálica puede ser pulimentada empleando una suspensión en donde no se forma una película superficial en cuyo caso el proceso procede a través de la eliminación mecánica de partículas metálicas y su disolución en la suspensión. En dicho mecanismo, la velocidad de disolución química deberá ser lenta con el fin de evitar el mordentado en húmedo. Sin embargo, un mecanismo más preferido es aquel en donde se forma de manera continua una capa fina abrasible por reacción entre la superficie metálica y uno o más componentes de la suspensión tal como un agente complejante y/o un capa formadora de película. La capa fina abrasible se elimina entonces de manera controlada mediante acción mecánica. Una vez detenido el proceso de pulido mecánico, permanece una película fina pasiva sobre la superficie que controla el proceso de mordentado en húmedo. El control del proceso de pulido mecánico-químico es mucho más sencillo cuando el pulido se efectúa con una suspensión CMP empleando este mecanismo.
En la bibliografía al respecto pueden encontrarse propuestas realizadas para desarrollar suspensiones CMP para cobre. La propuesta RPI (J. M. Stigerwald et al, Electrochemical Potencial Measurements during the Chemical-Mechanical Polishing of Copper Thin Films, Mat. Res. Soc. Symp. 337, 133 (1994)) se centra en el uso de compuestos amónicos (nitrato, cloruro, hidróxido amónico), ácido nítrico y alúmina abrasiva. Se asume que, a partir de una superficie libre de película se consigue una disolución de cobre de 2 nm/minuto (medida electroquímicamente). Sin embargo, se indican velocidades de pulimentación superiores a 400 nm/minuto. Esta discrepancia se explica por la importancia dada a la acción mecánica, que forma restos de Cu, los cuales se disuelven entonces por solución. No se ofrecen factores de selectividad.
Q. Luo et al, Chemical Mechanical Polishing of Copper in Acidic Media, Proceedings - First International Chemica-Mechanical Polish (CMP) for VLSI/LSI Multilevel Interconnection Conference (CMP-MIC), Santa Barbara, Feb. 22-23, (1996) describen el uso de una suspensión CMP que incluye un mordentante muy agresivo, nitrato de Fe, pH 1-2, en combinación con un inhibidor (benzotriazol), un surfactante estabilizante de la suspensión (polietilenglicol) y alúmina. La reacción química es controlada aparentemente por la formación de una película inhibidora de la corrosión, concretamente Cu-BTA, con surfactante, socavando ello su capacidad de protección. Se indica que la selectividad a óxido es de 15:1 a 45:1.
Un trabajo electroquímico CMP realizado en los laboratorios Sematech se describe en R. Carpio et al, Initial Study On Copper CMP Slurry Chemistries, Thin Solid Films, 262 (1995). Esta referencia explora el uso de la electroquímica en la caracterización fundamental de suspensiones plausibles. Además de otros diversos, se emplea permanganato potásico como oxidante en la suspensión.
H. Hirabayashi et al, Chemical Mechanical Polishing of Copper Using A Slurry Composed of Glycine and Hydrogen Peroxide, Proceedings - First International Chemical-Mechanical Polish (CMP) for VLSI/LSI Multilevel Interconnection Conference (CMP-MIC), Santa Barbara, Feb 22-23, (1996) y la Patente US No. 5.770.095 describen una mezcla de glicina, peróxido de hidrógeno y sílice, con o sin benzotriazol, para el proceso CMP de Cu con una baja velocidad de corrosión y un bajo nivel de defectos. La referencia describe que la suspensiones CMP que incorporan un agente químico, tal como benzotriazol y n-benzoil-n-fenilhidroxilamina, forman una película protectora sobre el cobre. La velocidad de eliminación varía en función de la concentración de los componentes de la suspensión. Se indica una velocidad óptima de 120 nm/minuto, con una velocidad para TiN de 30 nm/minuto y un abombamiento de 200 nm a través de las estructuras con un ancho de 15 \mum.
En la bibliografía disponible se han expuesto diversas químicas relevantes para Cu, pero sin mencionar cada una de ellas un procedimiento que enfoque con éxito todos los requisitos clave de una suspensión para el pulido químico-mecánico; concretamente, una velocidad de separación de metal mayor de 200 nm/minuto, una selectividad a revestimientos de metal de <5, una selectividad a capa de óxido dieléctrico de >50 y una profundidad de defectos en total de <10%.
A pesar de la conveniencia de utilizar un mecanismo formador de película en un proceso CMP, siguen existiendo problemas con la formulación de suspensiones CMP que puedan controlar el espesor de la capa de película formada, así como problemas que aseguren que la película formada sea abrasible. Estos problemas pueden dar lugar a una suspensión CMP que exhibe velocidades de pulimentación inaceptablemente bajas o pobres resultados en la pulimentación. Por tanto, sigue existiendo la necesidad de disponer de una suspensión CMP que sea capaz de formar una capa fina abrasible eliminable sobre la superficie de un sustrato y, más particularmente, sobre la superficie de un sustrato que contiene aleación de cobre. Una suspensión CMP deseable deberá exhibir buenas selectividades para la pulimentación de películas finas y, de manera simultánea, deberá proporcionar sustratos pulidos con un mínimo de abombamiento y una baja proporción de defectos.
Resumen de la invención
La presente invención está dirigida a una suspensión para el pulido químico-mecánico que es capaz de pulir sustratos que contienen metal a velocidades aceptables.
Además, la suspensión para el pulido químico-mecánico tiene una baja selectividad para pulir material aislante, al tiempo que exhibe alta selectividades de pulimentación hacia capas metálicas que contiene cobre y aleaciones de cobre.
Por otro lado, esta invención está dirigida a métodos para utilizar una sola suspensión para el pulido químico-mecánico de capas metálicas y particularmente de capas que contienen cobre o aleación de cobre en una circuito integrado.
En una modalidad, la suspensión para el pulido químico-mecánico incluye urea-peróxido de hidrógeno como un agente oxidante eficaz y estable.
La suspensión CMP incluye un abrasivo, un oxidante, un agente complejante y un agente formador de película. En una modalidad preferida, la suspensión CMP incluye de 1 a 15% en peso de una alúmina abrasiva, de 0,3 a 12% en peso de peróxido de hidrógeno, de 0,5 a 3% en peso de oxalato amónico o ácido tartárico y 0,01 a 0,2% en peso de benzotriazol. En otra modalidad preferida, la suspensión CMP incluye de 1 a 15% en peso de alúmina abrasiva, de 1 a 12% en peso de urea-peróxido de hidrógeno, de 0,5 a 3% en peso de oxalato amónico o ácido tartárico y 0,01 a 0,2% en peso de benzotriazol. Todas las modalidades de suspensiones CMP incluyen también agua desionizada.
En una modalidad, el método para pulir un sustrato que incluye al menos una capa de metal comienza mezclando de 1 a 15% en peso de un abrasivo, de 0,3 a 12% en peso de un oxidante y preferentemente con urea-peróxido de hidrógeno, de 0,5 a 3% en peso de al menos un agente complejante, de 0,01 a 0,2% en peso de al menos un agente formador de película y agua desionizada, para proporcionar así una suspensión para el pulido químico-mecánico. A continuación, la suspensión para el pulido químico-mecánico se aplica al sustrato. Por último, se separa del sustrato al menos una porción de la capa metálica poniendo en contacto una almohadilla con el sustrato y moviendo la almohadilla en relación al sustrato.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra curvas de polarización potenciodinámica medidas sobre cobre en soluciones que contienen 4% en peso de persulfato amónico y o bien 1% en peso de glicina (curvas 1 y 2) o bien 1% en peso de oxalato amónico (curvas 3 y 4). Cada conjunto de curvas se midió durante la abrasión de la superficie de cobre (curvas 1 y 3) y de nuevo una vez que cesó la abrasión (curvas 2 y 4).
La figura 2 muestra curvas de polarización potenciodinámica sobre cobre en: solución de oxidante de 11% en peso de H_{2}O_{2} (curva 1 después de la abrasión); en electrolito con el mismo oxidante y 1% en peso de glicina (curva 2, después de la abrasión); y en el mismo oxidante con 1% en peso de oxalato amónico (curva 3, después de la abrasión).
La figura 3 muestra la reproducibilidad de la realización del pulido, es decir, velocidad de pulido y no uniformidad dentro de la oblea, para cobre empleando una suspensión CMP de esta invención que comprende 5% en peso de alúmina abrasiva, 11% en peso de H_{2}O_{2}, 1,5% en peso de oxalato amónico, 0,04% en peso de benzotriazol y 50 ppm de agente humectante (TRITON® DF-16).
Descripción de la modalidad actual
La presente invención se refiere a una suspensión para el pulido químico-mecánico que comprende un abrasivo, al menos un oxidante, un agente complejante y un agente formador de película. El agente complejante es capaz de formar un complejo con un metal oxidado y se elige del grupo de compuestos que incluyen ácido cítrico, ácido láctico, ácido tartárico, ácido oxálico y sales de los mismos. El agente formador de película facilita la formación de una capa de pasivación de óxido metálico sobre la superficie de una capa metálica. La suspensión para el pulido químico-mecánico es de utilidad para pulir metales, especialmente capas metálicas que contiene cobre y aleación de cobre, asociadas con un sustrato seleccionado del grupo que comprende circuitos integrados, películas finas, semiconductores de múltiples niveles y obleas.
Antes de describir los detalles de las diversas modalidades preferidas de esta invención, se definirán algunos de los términos aquí utilizados. La suspensión para el pulido químico-mecánico ("suspensión CMP") es un producto útil de esta invención que comprende un oxidante, un abrasivo, un agente complejante, un agente formador de película y otros ingredientes opcionales. La suspensión CMP es útil para pulir una metalización de múltiples niveles que puede incluir, pero no de forma limitativa, películas finas para semiconductores, películas finas para circuitos integrados y cualesquiera otras películas y superficies en donde sean útiles los procesos CMP. Los términos "cobre" y "aleaciones que contiene cobre" se emplean aquí de manera intercambiable y queda dentro del conocimiento del experto en la materia que dichos términos incluyen, pero no de forma limitativa, sustratos que comprenden capas de cobre puro, aleaciones de cobre-aluminio y sustratos de múltiples capas de Ti/TiN/Cu y Ta/TaN/Cu.
La suspensión CMP de esta invención incluye al menos un oxidante. El oxidante facilita la oxidación de la capa o capas metálicas del sustrato a su correspondiente óxido, hidróxido o iones. Por ejemplo, en la presente invención, el oxidante se puede emplear para oxidar una capa metálica a su correspondiente óxido o hidróxido, por ejemplo, titanio a óxido de titanio, tungsteno a óxido de tungsteno, cobre a óxido de cobre y aluminio a óxido de aluminio. El agente oxidante es de utilidad cuando se incorpora en una suspensión CMP para pulir metales y componentes a base de metales, incluyendo titanio, nitruro de titanio, tántalo, cobre tungsteno, aluminio y aleaciones de aluminio tales como aleaciones de aluminio/cobre, y diversas mezclas y combinaciones de los anteriores, mediante un pulido mecánico de los metales para eliminar la respectiva capa de óxido.
El oxidante empleado en la suspensión CMP de esta invención se puede elegir entre compuestos que, tras la reducción, forman radicales hidroxilo. Dichos oxidantes exhiben una buena selectividad de pulimentado hacia capas de metal y capas de sustratos que contiene metal y en particular hacia capas de aleación de cobre. Ejemplos no exclusivos de compuestos que oxidan metal que, tras la reducción, forman radicales hidroxilo incluyen ácido peracético, urea-peróxido de hidrógeno, peróxido de urea y peróxido de hidrógeno y mezclas de los mismos, siendo los oxidantes preferidos el peróxido de hidrógeno y urea-peróxido de hidrógeno. El oxidante puede estar presente en la suspensión para el pulido químico-mecánico en una cantidad de 0,3 a 30% en peso. Es preferible que el oxidante esté presente en la suspensión CMP de esta invención en una cantidad de 0,3 a 17% en peso y con suma preferencia de 1 a 12% en peso.
Un oxidante preferido es urea-peróxido de hidrógeno. Debido a que la combinación urea-peróxido de hidrógeno consiste en 34,5% en peso de peróxido de hidrógeno y 65,5% en peso de urea, debe incluirse una cantidad mayor en peso de urea-peróxido en las suspensiones CMP de esta invención, para conseguir la carga deseada de oxidante indicada anteriormente. Por ejemplo, una cantidad de 1 a 12% en peso de oxidante corresponde a un peso de urea-peróxido de hidrógeno tres veces tan grande o bien de 3 a 36% en peso.
La suspensión CMP que comprende urea-peróxido de hidrógeno puede ser formulada por diversos métodos incluyendo la combinación de peróxido de urea con agua, así como la combinación de urea y peróxido de hidrógeno en una solución acuosa en una relación molar de 0,75:1 a 2:1, para proporcionar así el oxidante de urea-peróxido de hidrógeno.
La suspensión CMP de esta invención incluye también un agente formador de película. El agente formador de película es cualquier compuesto o mezclas de compuestos que sean capaces de facilitar la formación de una capa de pasivación de óxidos metálicos y capas inhibidoras de la disolución sobre la superficie de la capa metálica. La pasivación de la capa superficial del sustrato es importante para evitar el mordentado en húmedo de la superficie del sustrato. Agentes formadores de película útiles son los compuestos cíclicos tales como imidazol, benzotriazol, bencimidazol y benzotriazol y sus derivados con grupos sustituyentes hidroxi, amino, imino, carboxi, mercapto, nitro y alquilo, y así como urea, tiourea y otros. Un agente formador de película preferido es benzotriazol ("BTA"). El agente formador de película deberá estar presente en la suspensión para el pulido químico-mecánico de esta invención en una cantidad que sea capaz de promover la formación rápida, y preferentemente casi instantánea, de capas de pasivación y capas inhibidoras de la disolución sobre la superficie del sustrato. El agente formador de película deberá estar presente en la suspensión CMP de esta invención en una cantidad de 0,01 a 1% en peso. Es preferible que el agente formador de película esté presente en la suspensión CMP en una cantidad de 0,01 a 0,2% en peso.
Una vez formada la capa de pasivación sobre la superficie del sustrato, es importante poder perturbar la capa de la capa de pasivación con el fin de abradir óxidos metálicos de la superficie del sustrato con el componente abrasivo de la suspensión CMP de esta invención. Una clase de compuestos que son de utilidad a la hora de perturbar la capa de pasivación son los agentes complejantes. Los agentes complejantes usados en la suspensión CMP de la invención se eligen del grupo de compuestos que incluyen ácidos cítrico, láctico, tartárico y oxálico, así como sus sales. Un agente complejante preferido es el oxalato amónico. Otro agente complejante preferido es el ácido tartárico.
Los agentes complejantes prestan al menos dos funciones útiles en la suspensión CMP de esta invención. El agente complejante perturba a la capa de pasivación durante la etapa de abrasión mecánica sin destruir la capa o inhibir su formación durante la etapa de abrasión y especialmente una vez finalizada la etapa de abrasión. En segundo lugar, se cree que el agente complejante forma un complejo con el metal oxidado y no con el metal sin oxidar subyacente, limitando con ello la profundidad de la capa oxidada. El agente complejante estará presente preferentemente en la suspensión CMP de esta invención en una cantidad de 0,5 a 5% en peso y más preferentemente en una cantidad de 0,5 a 3% en peso.
En la suspensión para el pulido químico-mecánico de esta invención se pueden incorporar otros aditivos bien conocidos en tales suspensiones para realizar dicho pulido. Una clase de aditivos opcionales son los ácidos inorgánicos y/o sus sales, los cuales se pueden añadir a la suspensión para mejorar o aumentar adicionalmente la velocidad de pulido de las capas de barrera presentes en la oblea, tal como titanio y tántalo. Aditivos inorgánicos útiles incluyen ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido nítrico, ácido HF, fluoruro amónico, sales amónicas, sales potásicas, sales sódicas u otras sales catiónicas de sulfatos, fosfatos y fluoruros.
El BTA u otros agentes formadores de película en la suspensión CMP de esta invención puede desestabilizar la dispersión uniforme de abrasivo en la suspensión. Con el fin de promover la estabilización de una suspensión CMP de esta invención contra la sedimentación, floculación y descomposición, se puede emplear una variedad de aditivos opcionales para la suspensión CMP, tales como surfactantes, estabilizantes o agentes dispersantes. Si se añade un surfactante a la suspensión CMP, éste puede ser un surfactante aniónico, catiónico, no iónico o anfótero, o bien se puede emplear una combinación de dos o más surfactantes. Además, se ha comprobado que la adición de un surfactante puede ser útil para reducir la no uniformidad dentro de la oblea (WIWNU), mejorando con ello la superficie de la oblea y reduciendo los defectos en esta última.
En general, la cantidad de aditivo, tal como un surfactante, que se puede emplear en la presente invención deberá ser suficiente para conseguir una estabilización eficaz de la suspensión y habitualmente variará en función del surfactante particular seleccionado y de la naturaleza de la superficie del óxido metálico abrasivo. Por ejemplo, si no se utiliza una cantidad suficiente de un surfactante seleccionado, éste tendrá poco o ningún efecto sobre la estabilización de la suspensión CMP. Por otro lado, una cantidad demasiado grande de surfactante en la suspensión CMP puede dar lugar a espumado y/o floculación indeseables en la suspensión. Como resultado, los estabilizantes, tal como surfactantes, deberán estar presentes en general en la suspensión de esta invención en una cantidad de 0,001 a 0,2% en peso, y con preferencia de 0,001 a 0,1% en peso. Además, el aditivo se puede añadir directamente a la suspensión o puede tratarse sobre la superficie del óxido metálico abrasivo empleando técnicas conocidas. En cualquier caso, la cantidad de aditivo se ajusta para conseguir la concentración deseada en la suspensión de pulimentación. Surfactantes preferidos incluyen la sal dodecilsulfato sódico, la sal laurilsulfato sódico, la sal dodecilsulfato amónico y mezclas de las mismas. Ejemplos de surfactantes útiles incluyen TRITON® DF-16 producido por Union Carbide y SURFYNOL® producido por Air Products and Chemicals.
La suspensión CMP de esta invención incluye un abrasivo. El abrasivo es habitualmente un abrasivo de óxido metálico. El óxido metálico abrasivo se puede seleccionar del grupo consistente en alúmina, titania, circonia, germania, sílice, ceria y mezclas de los mismos. La suspensión CMP de esta invención incluye preferentemente de 1 a 15% en peso o más de un abrasivo. Sin embargo, es más preferible que la suspensión CMP de esta invención incluya de 3 a 6% en peso de abrasivo.
El óxido metálico abrasivo se puede producir por cualquier técnica ya conocida para el experto en la materia. Los óxidos metálicos abrasivos se pueden producir usando cualquier proceso de alta temperatura tal como un proceso sol-gel, hidrotérmico, plasma, o mediante procesos para la producción de óxidos metálicos ahumados o precipitados. Preferentemente, el óxido metálico es un abrasivo ahumado o precipitado y, más particularmente, es un abrasivo ahumado tal como sílice ahumada o alúmina ahumada. Por ejemplo, la producción de óxidos metálicos ahumados es un proceso bien conocido que implica la hidrólisis de un vapor de alimentación adecuado (tal como cloruro de aluminio para un abrasivo de alúmina) en una llama de hidrógeno y oxígeno. En el proceso de combustión se forman partículas fundidas de formas aproximadamente esféricas, cuyos diámetros varían según los parámetros del proceso. Estas esferas fundidas de alúmina o de un óxido similar, referidas normalmente como partículas primarias, se funden entre sí al experimentar colisiones en sus puntos de contacto para formar agregados de tipo cadena, ramificados, tridimensionales. La fuerza necesaria para romper los agregados es considerable y con frecuencia se considera irreversible. Durante el enfriamiento y la recogida, los agregados experimentan una colisión adicional que puede dar como resultado cierto enmarañamiento mecánico para formar aglomerados. Se cree que los aglomerados se mantienen juntos de forma suelta a través de fuerzas de van der Waals y pueden ser invertidos, es decir, desaglomerados, mediante la adecuada dispersión en un medio apropiado.
Los abrasivos precipitados pueden ser producidos por técnicas convencionales tal como por coagulación de las partículas deseadas en un medio acuoso bajo la influencia de altas concentraciones de sal, ácidos u otros coagulantes. Las partículas son filtradas, lavadas, secadas y separadas de residuos de otros productos de reacción mediante técnicas convencionales conocidas para el experto en la materia.
Un óxido metálico preferido tendrá un área superficial, calculada por el método de S.Brunauer, P.H. Emmert e I. Teller, J.Am. Chemical Society, Volumen 60, página 309 (1938) y conocida normalmente como BET, de 5 a 430 m^{2}/g y preferentemente de 30 a 170 m^{2}/g. Debido a los rigurosos requisitos de pureza en la industria IC, el óxido metálico preferido deberá ser de alta pureza. El término "alta pureza" significa que el contenido total en impurezas, derivadas de fuentes tales como las impurezas de las materias primas y trazas de contaminantes del procesado, es normalmente menor del 1% y con preferencia menor de 0,01% (es decir, 100 ppm).
El óxido metálico abrasivo útil en la dispersión de esta invención puede consistir en agregados de óxidos metálicos o partículas esféricas simples individuales. El término "partícula" tal como aquí se emplea, se refiere tanto a agregados de más de una partícula primaria como a partículas individuales.
Es preferible que el óxido metálico abrasivo consista en partículas de óxidos metálicos que tienen una distribución de tamaños menor de alrededor de 1 micrómetro, un diámetro medio de los agregados menor de alrededor de 0,4 micrómetros y una fuerza suficiente para repeler y contrarrestar las fuerzas de van der Waals entre los propios agregados abrasivos. Se ha comprobado que dicho óxido metálico abrasivo resulta eficaz a la hora de reducir al mínimo o evitar rasguños, marcas de picaduras, tepes y otras imperfecciones superficiales durante el pulido. La distribución de tamaños de los agregados en la presente invención se puede determinar utilizando técnicas conocidas tales como microscopía de transmisión electrónica (TEM). El diámetro medio de los agregados se refiere al diámetro esférico equivalente medio cuando se emplea análisis de imagen TEM, es decir, está basado en el área en sección transversal del agregado. Por el término "fuerza" se quiere indicar que el potencial superficial o la fuerza de hidratación de las partículas de óxido metálico deberá ser suficiente para repeler y contrarrestar las fuerzas de atracción de van der Waals entre las partículas.
En otra modalidad preferida, el óxido metálico abrasivo puede consistir en partículas separadas, individuales, de óxidos metálicos que tienen un diámetro de partículas primarias menor de 0,4 micrómetros (400 nm) y un área superficial entre 10 y 250 m^{2}/g.
Preferentemente, el óxido metálico abrasivo se incorpora en el medio acuoso de la suspensión para pulido como una dispersión acuosa concentrada de óxidos metálicos, cuya dispersión acuosa concentrada de óxidos metálicos abrasivos tiene normalmente un contenido en sólidos de 3 a 45%, preferentemente de 10 a 20%. La dispersión acuosa de óxidos metálicos se puede obtener empleando técnicas convencionales, tal como añadiendo lentamente el óxido metálico abrasivo a un medio adecuado, por ejemplo, agua desionizada para formar una dispersión coloidal. La dispersión se completa habitualmente sometiéndola a condiciones de mezcla de alto esfuerzo cortante como ya es conocido por el experto en la materia. El pH de la suspensión se puede ajustar en un valor distante del punto isoeléctrico para lograr así la máxima estabilidad coloidal.
Es conveniente mantener el pH de la suspensión CMP de esta invención en el intervalo de 2 a 12, preferentemente de 4 a 9 y con suma preferencia de 5 a 8, con el fin de facilitar el control del proceso CMP. Se encuentran problemas en la manipulación de la suspensión y respecto a la calidad de pulimentación del sustrato cuando el pH de la suspensión CMP de esta invención es demasiado bajo, por ejemplo, menor de 2. Cuando el oxalato amónico es el agente complejante, el precursor o suspensión CMP tendrá habitualmente un pH de 7,5, de manera que puede no ser necesario realizar un ajuste del pH. Sin embargo, cuando se elige ácido tartárico como agente complejante, el precursor o suspensión CMP tendrá habitualmente un pH de 2 y es preferible realizar un ajuste del pH.
El pH de los precursores y suspensiones CMP de esta invención se puede ajustar empleando cualquier ácido, base o amina, como ya es bien conocido. Sin embargo, se prefiere el uso de un ácido o base que contenga iones metálicos, tal como hidróxido amónico y aminas, o ácidos nítrico, fosfórico, sulfúrico o ácidos orgánicos, para evitar la introducción de componentes metálicos indeseables en la suspensión CMP de esta invención.
Aunque la suspensión CMP de esta invención se puede emplear para pulir cualquier tipo de capa metálica, se ha comprobado que la suspensión para el pulido químico-mecánico de esta invención presenta altas velocidades de pulimentación de cobre, titanio, nitruro de titanio y nitrato de tántalo y velocidades de pulimentación aceptables de tántalo. Además, la suspensión para el pulido químico-mecánico exhibe bajas velocidades de pulimentación convenientes hacia la capa aislante dieléctrica.
La suspensión CMP de esta invención se puede producir empleando técnicas convencionales conocidas para los expertos en la materia. Normalmente, el agente oxidante y los otros componentes no abrasivos se mezclan en un medio acuoso, tal como agua desionizada o destilada, en concentraciones predeterminadas, en condiciones de bajo esfuerzo cortante, hasta que todos los componentes se disuelven por completo en el medio. Se añade al medio una dispersión concentrada del óxido metálico abrasivo, tal como alúmina ahumada, y se diluye al nivel de carga deseado de abrasivo en la suspensión CMP final.
Las suspensiones CMP de la presente invención se pueden suministrar como un sistema de un solo envase (agente oxidante, abrasivo, agente formador de película y agente de pasivación en un medio acuoso estable). Sin embargo, para evitar cualquier degradación posible de la suspensión CMP, es preferible emplear un sistema de al menos dos envases en donde el primer envase comprende el agente formador de película y cualesquiera aditivos opcionales, y el segundo envase comprende la dispersión abrasiva acuosa y un oxidante. El restante componente, el agente complejante, se puede colocar en el primer recipiente, en el segundo recipiente o en un tercer recipiente. Para los expertos en la materia resultarán evidentes otras combinaciones de dos recipientes para los ingredientes de la suspensión CMP de esta invención.
Se ha descubierto que la suspensiones CMP de esta invención que incluyen urea-peróxido de hidrógeno, pueden ser formuladas añadiendo peróxido de hidrógeno a un precursor de la suspensión que comprende urea y cualesquiera otros componentes útiles en la suspensión, para proporcionar una suspensión CMP que contiene urea-peróxido de hidrógeno. La formulación de suspensiones CMP de esta invención a partir de un precursor de la suspensión que contiene urea elimina problemas de estabilidad, transporte, y seguridad asociados con las suspensiones que contienen peróxido de hidrógeno. Esto es debido a que el precursor de la suspensión CMP que contiene urea puede ser preparado y transportado al lugar en donde se utilizará, para mezclarse entonces con peróxido de hidrógeno disponible in situ para proporcionar una suspensión CMP que incluye urea-peróxido de hidrógeno.
Un precursor preferido para la suspensión de esta invención comprenderá una mezcla seca o acuosa de urea y al menos un óxido metálico abrasivo. Se pueden incorporar otros ingredientes en el precursor de la suspensión que contiene urea, incluyendo al menos un agente complejante, al menos un agente formador de película y cualesquiera otros aditivos tales como surfactantes que sean útiles en suspensiones CMP.
Un precursor sumamente preferido para la suspensión de esta invención incluye una dispersión acuosa de 2 a 24% en peso de urea, alúmina ahumada, un agente complejante seleccionado entre oxalato amónico, ácido tartárico o mezclas de los mismos, y preferentemente ácido tartárico, benzotriazol, y un surfactante en las cantidades anteriormente descritas. El precursor de la suspensión o mezclas del mismo, tendrán preferentemente un pH de 4 a 9.
Se puede emplear un sistema de suspensión CMP de varios envases con cualquiera de las instalaciones de pulimentación estándar adecuadas para utilizarse en la capa metálica deseada de la oblea. El sistema de varios envases incluye uno o más componentes de la suspensión CMP, cuando resulte adecuado, en forma acuosa o seca en dos o más recipientes. El sistema de varios envases se emplea combinando los componentes de los diversos recipientes en las cantidades deseadas para proporcionar una suspensión CMP que comprende al menos un agente oxidante, un agente formador de película, un agente complejante y al menos un abrasivo en las cantidades descritas anteriormente, antes de o al mismo tiempo de aplicar la suspensión a un sustrato. El sistema de envases preferido comprende un primer recipiente que incluye un precursor de la suspensión CMP que comprende alúmina, urea, un agente complejante seleccionado entre oxalato amónico, ácido tartárico y mezclas de los mismos, benzotriazol, y un surfactante a un pH de 4 a 9, y un segundo recipiente que incluye peróxido de hidrógeno. En el punto en donde se realiza el pulido, se combinan, en el momento de realizar el pulido, una cantidad preseleccionada del precursor CMP y una cantidad seleccionada de peróxido de hidrógeno, para proporcionar la suspensión CMP de esta invención.
La suspensión CMP de la presente invención no aumenta de manera importante la velocidad de pulimentación de dióxido de silicio. Sin embargo, la suspensión CMP de esta invención pule capas de cobre, nitruro de titanio, tántalo y nitruro de tántalo a buenas velocidades y bajo condiciones controlables. De este modo, la suspensión CMP de esta invención es eficaz a la hora de controlar las selectividades de pulimentación de titanio, cobre y nitruro de titanio. La suspensión para pulimentación de la presente invención se puede emplear durante las diversas etapas de la fabricación de circuitos integrados de semiconductores, para proporcionar un pulido eficaz a las velocidades de pulimentación deseadas, al tiempo que se reduce al mínimo las imperfecciones y defectos superficiales.
Ejemplos
La entidad solicitante ha descubierto que una suspensión CMP que incluye al menos un oxidante, un agente complejante y un agente formador de película es capaz de pulir múltiples capas metálicas que comprenden aleaciones de cobre, titanio y nitruro de titanio a elevadas velocidades, exhibiendo al mismo tiempo una velocidad de pulimentación baja aceptable hacia capas dieléctricas.
Los siguientes ejemplos ilustran modalidades preferidas de esta invención, así como métodos preferidos para utilizar las composiciones de esta invención.
Ejemplo 1
Se emplean ensayos electroquímicos para evaluar los mecanismos CMP y para proporcionar una guía a la hora de seleccionar los componentes de la suspensión. La cuba electroquímica utilizada fue desarrollada en IBM Laboratories y se describe en V. Brusic et al., Corrosion And Inhibition Of Thin Line Conductors In VLSI Structures, IBM J R&D, 37, 173 (1993), cuyo documento se incorpora aquí sólo con fines de referencia. La cuba electroquímica permite la evaluación del potencial de los electrodos y la velocidad de disolución de metal de un sustrato, con y sin abrasión superficial. El método utiliza un potenciostato PAR modelo 273 con software de corrosión PAR.
La figura 1 ilustra los procesos que gobiernan la disolución de cobre en presencia de un oxidante, es decir, 4% en peso de persulfato amónico con glicina (1 y 2) (comparativo) o bien oxalato amónico (3 y 4), ambos presentes en la cantidad de 15 en peso a pH 5,1. En ambos casos, la pendiente anódica Tafel es muy baja y la diferencia entre las curvas de polarización potenciodinámica con y sin abrasión es muy pequeña. Los resultados de la cuba electroquímica indican que la superficie de Cu no está cubierta por una película de óxido. Sin embargo, la disolución de cobre es al menos 20 veces más lenta en presencia de oxalato amónico. En una comparación con glicina, el oxalato es un inhibidor más eficaz para la disolución de cobre. También existe una diferencia persistente en los potenciales de corrosión, siendo el potencial en el oxalato amónico consistentemente más bajo que el potencial medido en glicina, indicando ello que un proceso de disolución preferencial conduciría a iones Cu^{+} mientras que con glicina es posible la formación de iones Cu^{++}.
A valores pH más altos, el oxalato se adsorbe todavía en la superficie de cobre, pero el oxalato amónico actúa también para aumentar la velocidad de disolución de cobre a través de la formación de complejos de Cu(NH_{3})_{x}^{+} y Cu(NH_{3})_{x}^{++}. La figura 2 muestra la disolución y pasivación de cobre en 11% H_{2}O_{2} (curva 1, después de la abrasión superficial), en el mismo oxidante con 1% en peso de glicina (curva 2) y en el mismo oxidante con 1% de oxalato amónico (curva 3). El potencial de corrosión es el más bajo en presencia de oxalato amónico. Aunque en oxalato amónico la disolución de cobre aumenta en comparación con el peróxido por sí sólo, alcanzando alrededor de 200 nm/minuto durante la abrasión, de hecho se presenta una repasivación de la superficie, conduciendo a una velocidad de disolución después de la abrasión de sólo 5,5 nm/minuto. Las adiciones de pequeñas cantidades de BTA aseguran que la pasivación se presente de forma rápida, proporcionando el Cu-BTA un factor adicional en el control de la disolución de cobre. En contraste, la disolución de cobre en glicina es la misma con y sin abrasión, alcanzando los valores incontrolables de más de 300 nm/minuto sin repasivación de la superficie.
Ejemplo 2
Se pulieron obleas de Cu y Ti con una suspensión CMP empleando una pulidora Strasbaugh con una fuerza descendente de 3 psi, una velocidad de la mesa de 45 rpm y una velocidad del husillo de 50 rpm. La suspensión CMP fue formulada para variar la concentración de peróxido de hidrógeno, oxalato amónico, benzotriazol y agente humectante, como se muestra en la Tabla 1. Se midieron las velocidades de separación de Cu y Ti. Se determinaron también varias velocidades para las suspensiones del estado de la técnica que incluyen peróxido de hidrógeno y glicina, mostrándose en la Tabla 2 los valores obtenidos. Todas las suspensiones contenían alúmina abrasiva, con 5% de sólidos. El agente humectante empleado fue TRITON® DF 16 producido por Union Carbide Chemicals & Plastics Co., Danbury, Connecticut.
TABLA 1 Velocidades de pulimentación de Cu y Ti en suspensiones de peróxido
Peróxido (H_{2}O_{2}) Oxalato amónico BTA Agente humectante Velocidad Cu Velocidad Ti
nm/minuto nm/minuto
7% 0% 0 50 ppm 21,7 80,6
7% 0,5% 0 50 ppm 278 30,7
11% 0,5% 0 10 ppm 251,7 25,4
11% 1,0% 0 10 ppm 402,9 80,4
9% 1,0% 0,04% 30 ppm 170,7 94,1
7% 1,5% 0,08% 10 ppm 304,7 108,6
TABLA 2
Peróxido (H_{2}O_{2}) Glicina BTA Agente humectante Velocidad Cu Velocidad Ti
nm/minuto nm/minuto
11% 0,1% 0 0 52,8 101,4
8% 1,1% 0 25 ppm 493,7 75,6
11% 2,1% 0 0 778,3 53,4
Los resultados de los ensayos de pulimentación CMP indicados en las Tablas 1 y 2 demuestran que las suspensiones CMP de esta invención son capaces de conseguir velocidades y selectividades de pulimentación preferidas de cobre y titanio, incluyendo una velocidad para Cu de al menos 100 nm/minuto y una selectividad a [Cu:Ti] de cómo máximo 4:1.
Ejemplo 3
En este ejemplo se evalúo la reproducibilidad de las velocidades de separación de Cu y los resultados de la no uniformidad dentro de la oblea (WIWNU) para una suspensión CMP que contiene 11% en peso de peróxido de hidrógeno, 1,5% de oxalato amónico, 0,04% de BTA, 50 ppm de surfactante TRITON® DF 16 producido por Union Carbide y 5% de alúmina abrasiva. La suspensión CMP se aplicó sucesivamente a obleas de cobre en una pulidora Strasbaugh, empleando una almohadilla de cuero Rodel 1158 con un inserto DF 200, una fuerza descendente de 4 psi, una velocidad de la mesa de 50 rpm y una velocidad del husillo de 50 rpm.
Los resultados experimentales, trazados gráficamente en la figura 3, demuestran que el comportamiento de la suspensión en el pulido es muy consistente y muestra una buena uniformidad de una oblea a otra.
Ejemplo 4
(Al margen de las presentes reivindicaciones)
Este ejemplo compara la eficacia de urea-peróxido de hidrógeno y de peróxido de hidrógeno como oxidantes CMP útiles. Concretamente, este ejemplo compara la estabilidad en el tiempo de los dos oxidantes.
Se prepararon dos suspensiones que tienen las siguientes composiciones en un medio acuoso (agua desionizada). Cada suspensión se preparó empleando una dispersión de alúmina SEMI-SPERSE® W-A335 y se diluyó a 5% en peso de alúmina con agua desionizada.
Suspensión A: 5% de alúmina, 3% de peróxido de hidrógeno [HP], 3% de ácido succínico, pH original = 3,50.
Suspensión B: 5% de alúmina, 8,5% de urea-peróxido de hidrógeno [UHP] (que corresponde a 3% en peso aproximadamente de H_{2}O_{2} acuoso), 3% de ácido succínico, pH original = 3,55.
Las suspensiones A y B se dejaron en reposo a temperatura ambiente durante un período de siete semanas. Se analizaron periódicamente muestras de las suspensiones A y B respecto al pH y se valoraron con permanganato potásico en solución ácida para determinar el porcentaje de peróxido activo. Los resultados se ofrecen en la siguiente Tabla 3.
TABLA 3 Estudio de Estabilidad de las Suspensiones A y B
% H_{2}O_{2} activo PH
Suspensión A Suspensión B Suspensión A Suspensión B
HP UHP HP UHP
0 semanas 3,35 3,28 3,50 3,55
1 semana 3,30 3,48
2 semanas 2,85 3,62
3 semanas 3,24 3,52
5 semanas 3,12 3,49
7 semanas 1,82 3,54
Cambio -0,22 -0,03 0,006 -0,012
medio/semana
Los resultados del ensayo indican que el peróxido activo en la suspensión que incluye peróxido de hidrógeno se degrada a una velocidad mucho más rápida que en la suspensión que incluye urea-peróxido de hidrógeno. La estabilidad del pH en ambas suspensiones es similar.
Un oxidante sumamente preferido es urea-peróxido de hidrógeno. El oxidante urea-peróxido de hidrógeno puede estar presente en la suspensión total para el pulido químico-mecánico en una cantidad de 1,5 a 30% en peso aproximadamente. Es preferible que el oxidante de urea-peróxido de hidrógeno esté presente en la suspensión en una cantidad de 3 a 17% en peso aproximadamente y con suma preferencia de 5 a 13% en peso aproximadamente.
Ejemplo 5
En este ejemplo se evalúo la eficacia de las suspensiones de pulimentación que comprenden urea-peróxido de hidrógeno para pulir obleas de Cu y Ti. Las suspensiones descritas en las siguiente Tabla 4 fueron aplicadas a obleas de Cu y Ti en una pulidora IPEC 472 que utiliza una almohadilla IC1000/SUBA IV y fabricada por Rodel, Inc., a una fuerza descendente de 5 psi, una velocidad de la mesa de 50 rpm y una velocidad del husillo de 60 rpm. Cada suspensión incluía 5% en peso de alúmina abrasiva. El agente humectante empleado fue TRITON® DF-16.
En la Tabla 4 se ofrecen las velocidades de pulimentación de Cu y Ti.
TABLA 4 Velocidades de pulimentación de Cu y Ti en suspensiones de urea-peróxido
Urea- peróxido Oxalato amónico BTA Agente humectante Velocidad Cu Velocidad Ti
nm/minuto nm/minuto
5,65% 0% 0% 0% 9,5 260,7
5,65% 1% 0% 50 ppm 796,3 249,4
5,65% 1% 0,08% 50 ppm 673,5 271,0
Los resultados de la pulimentación indican que las suspensiones CMP de esta invención son capaces de conseguir velocidades preferidas de pulimentación de Cu y Ti de más de 500 nm/minuto y una relación de selectividad Cu:Ti menor de 2,5.
Ejemplo 6
En este ejemplo se evaluó la eficacia de las suspensiones de pulimentación CMP que comprenden un precursor de la suspensión de pulimentación y la pulimentación de cobre con peróxido de hidrógeno. Se prepararon las suspensiones descritas en la siguiente Tabla 5 combinando una dispersión acuosa de un precursor de la suspensión CMP consistente en 5% en peso alúmina, urea, oxalato amónico, BTA y agente humectante (TRITON® DF-16) con una solución al 30% en peso de H_{2}O_{2}. Las suspensiones CMP resultantes fueron aplicadas a obleas de Cu en una pulidora IPEC 472 que utiliza una almohadilla IC1000/SUBA 500 y fabricada por Rodel Inc., con una fuerza descendente de 5 psi, una velocidad de la mesa de 40 rpm y una velocidad del husillo de 60 rpm. En la siguiente Tabla 5 se ofrecen las velocidades de pulimentación de Cu.
TABLA 5
Urea Oxalato amónico BTA Agente humectante Peróxido de Velocidad Cu
hidrógeno (30%) nm/minuto
0% 1% 0,08% 50 ppm 6,67% 572,7
3,65% 1% 0,08% 50 ppm 6,67% 508,3
7,3% 1% 0,08% 50 ppm 6,67% 506,5
Los resultados indican que las suspensiones CMP de esta invención son capaces de conseguir velocidades preferidas de pulimentación de Cu (y de Ti) de más de 500 nm/minuto y una relación de selectividad Cu:Ti menor de 2,5. Se pueden preparar suspensiones útiles bien con un oxidante de urea-peróxido sólido como se muestra en la Tabla 4 del Ejemplo 5 o bien combinando el peróxido de hidrógeno líquido (envasado como una solución al 30%), con un precursor de la suspensión CMP que comprende urea sólida como se muestra en la Tabla 5.
Ejemplo 7
En este ejemplo se evalúo la eficacia de las suspensiones de pulimentación CMP que comprenden ácido tartárico y oxalato amónico en la pulimentación de cobre, tántalo y PTEOS. Se prepararon dos suspensiones combinando los ingredientes para proporcionar una suspensión CMP que incluye 3% en peso de alúmina, 3,65% en peso de urea, 2% en peso de peróxido de hidrógeno, 50 ppm de surfactante Triton DF-16 y 0,04% en peso de benzotriazol. La suspensión 1 incluía 1% en peso de oxalato amónico mientras que la suspensión 2 incluía 3% en peso de ácido tartárico. El pH de la suspensión que contiene oxalato amónico fue de forma natural de 7,5, el pH de la suspensión que contiene ácido tartárico se ajustó a 7,5 por adición de hidróxido amónico a la suspensión.
Ambas suspensiones CMP se aplicaron a obleas de Cu, Ta y PETOS con una pulidora IPEC 472 que utiliza una almohadilla IC1000/SUBA 500 y fabricada por Rodel, Inc., con una fuerza descendente de 3 psi, una retro-presión de 2 psi, una velocidad de la mesa de 55 rpm y una velocidad del husillo de 30 rpm. Las velocidades de pulimentación se indican en la siguiente Tabla 6.
TABLA 6
Suspensión Velocidad Separación Cu Velocidad Separación Ta Velocidad PTEOS Separación
(\ring{A}/min) (\ring{A}/min) (\ring{A}/min)
1 4485 345 80
2 3746 208 67
Las velocidades de pulimentación de la suspensión que contiene ácido tartárico son ligeramente más bajas que las velocidades de la suspensión que contiene oxalato amónico. Sin embargo, la suspensión CMP que contiene ácido tartárico es más pasivante que la suspensión que contiene oxalato amónico, proporcionando con ello un control más fuerte de la corrosión.
Ejemplo 8
Se evaluó electroquímicamente, según el método del Ejemplo 1 la velocidad de corrosión de Cu empleando cinco suspensiones diferentes. Las cinco suspensiones contenían todas ellas 5% de alúmina dispersa, 2% de H_{2}O_{2}, 3,65% de urea y 50 ppm de surfactante Triton DF-16. El agente complejante, la presencia o ausencia de un inhibidor y el pH de la suspensión se indican en la Tabla 7, junto con las velocidades de corrosión medidas.
TABLA 7
Suspensión Agente complejante BTA pH Velocidad Corrosión
\ring{A}/min
1 1% oxalato amónico 0% 7,5 (natural) 48
2 1% oxalato amónico 0,4% 7,5 (natural) 1,54
3 1% ácido tartárico 0% 7,5 (w/NH_{4}OH) 20
4 1% ácido tartárico 0,4% 7,5 (w/NH_{4}OH) 0,6
5 1% ácido tartárico 0,4% 7,5 (w/TMAH) 0,5
Los datos de corrosión indican que el ácido tartárico disminuye la velocidad de corrosión de Cu en comparación con el oxalato amónico. La velocidad de corrosión se reduce aún más en presencia de hidróxido de tetraalquilamonio.

Claims (36)

1. Una composición de una suspensión para el pulido químico-mecánico que comprende:
un abrasivo;
al menos un oxidante;
un agente complejante que es capaz de formar un complejo con un metal oxidado y que se elige del grupo de compuestos que incluyen ácido cítrico, ácido láctico, ácido tartárico, ácido oxálico y sales de los mismos;
un agente formador de película que facilita la formación de una capa de pasivación de óxidos metálicos sobre la superficie de una capa metálica.
2. Una composición de una suspensión para el pulido químico-mecánico según la reivindicación 1, en donde dicho oxidante o cada uno de dichos oxidantes consiste en urea-peróxido de hidrógeno.
3. Una composición según la reivindicación 1 ó 2, en donde el agente complejante es oxalato amónico.
4. Una composición según la reivindicación 3, en donde oxalato amónico está presente en una cantidad de 0,5 a 3% en peso.
5. Una composición de una suspensión para el pulido químico-mecánico según la reivindicación 1, en donde dicho oxidante o cada uno de dichos oxidantes consiste en urea-peróxido de hidrógeno; y el agente complejante es ácido tartárico.
6. Una composición según la reivindicación 5, en donde ácido tartárico está presente en una cantidad de 0,5 a 5% en peso.
7. Una composición según las reivindicaciones 1 a 6, en donde el agente formador de película es benzotriazol.
8. Una composición según la reivindicación 7, en donde en benzotriazol está presente en una cantidad comprendida entre 0,01 y 0,1% en peso.
9. Una composición según la reivindicación 1, en donde el oxidante es un compuesto que forma radicales hidroxilo tras la reducción.
10. Una composición según la reivindicación 1 ó 9, en donde el oxidante se elige del grupo consistente en peróxido de hidrógeno, urea-peróxido de hidrógeno y combinaciones de los mismos.
11. Una composición según las reivindicaciones 1 a 10, en donde el oxidante es peróxido de hidrógeno o urea-peróxido de hidrógeno, presente en una cantidad de 0,03 a 12% en peso.
12. Una composición según las reivindicaciones 1 a 11, en donde el abrasivo es al menos un óxido metálico.
13. Una composición según las reivindicaciones 1 a 12, en donde el óxido metálico abrasivo se elige del grupo consistente en alúmina, ceria, germania, sílice, titania, zirconia y mezclas de los mismos.
14. Una composición según las reivindicaciones 1 a 13, en donde el abrasivo es una dispersión acuosa de un óxido metálico.
15. Una composición según las reivindicaciones 1 a 14, en donde el óxido metálico abrasivo consiste en agregados de óxidos metálicos que tienen una distribución de tamaños menor de 1 micrómetro y un diámetro medio del agregado menor de 0,4 micrómetros.
16. Una composición según las reivindicaciones 1 a 14, en donde el óxido metálico abrasivo consiste en esferas de óxido metálico individuales, separadas que tienen un diámetro de partículas primarias menor de 0,400 micrómetros y un área superficial de 10 a 250 m^{2}/g.
17. Una composición según las reivindicaciones 1 a 16, en donde el abrasivo tiene un área superficial de 5 a 430 m^{2}/g.
18. Una composición según la reivindicación 17, en donde el abrasivo tiene un área superficial de 30 a 170 m^{2}/g.
19. Una composición según las reivindicaciones 1 a 18, en donde el abrasivo se elige del grupo consistente en abrasivos precipitados o abrasivos ahumados.
20. Una composición según las reivindicaciones 1 a 19, en donde la composición tiene un pH de 2 a 12.
21. Una composición según la reivindicación 20, en donde la composición tiene un pH de 4 a 9.
22. Una composición según la reivindicación 21, en donde la composición tiene un pH de 5 a 8.
23. Una composición de una suspensión para el pulido químico-mecánico según la reivindicación 1, en donde al menos el oxidante o cada uno de dichos oxidantes se elige del grupo consistente en peróxido de hidrógeno, urea-peróxido de hidrógeno y mezclas de los mismos; el agente complejante es oxalato amónico; y el agente formador de película es benzotriazol.
24. Una composición según la reivindicación 23, en donde la composición comprende:
de 1 a 15% en peso de un óxido metálico abrasivo;
de 0,3 a 12% en peso de peróxido de hidrógeno o urea-peróxido de hidrógeno;
de 0,5 a 3% en peso de oxalato amónico; y
benzotriazol.
25. Una composición según las reivindicación 23 ó 24, en donde el benzotriazol está presente en una cantidad de 0,01 a 0,2% en peso.
26. Una composición según las reivindicación 23 a 25, en donde el abrasivo es alúmina.
27. Una composición para el pulido químico-mecánico según la reivindicación 23, que comprende:
urea-peróxido de hidrógeno;
de 0,5 a 3% en peso de oxalato amónico; y
de 0,01 a 0,2% en peso de benzotriazol.
28. Una composición según la reivindicación 27, en donde dicha composición incluye de 1 a 15% en peso de una alúmina abrasiva y 0,3 a 12% en peso de urea-peróxido de hidrógeno.
29. Una composición de una suspensión para el pulido químico-mecánico según la reivindicación 1, que comprende:
un abrasivo en una cantidad de 1 a 15% en peso de una alúmina;
un agente oxidante en una cantidad de 0,3 a 12% en peso de urea-peróxido de hidrógeno;
un agente complejante en una cantidad de 0,5 a 3% en peso de ácido tartárico; y
un agente formador de película en una cantidad de 0,01 a 0,2% en peso de benzotriazol;
teniendo la composición un pH de 4 a 9.
30. Una composición según las reivindicaciones 1 a 29, que incluye además al menos un surfactante.
31. Un método para pulir un sustrato, que comprende las etapas de;
(a) aplicar al sustrato la composición de la suspensión para el pulido químico-mecánico de las reivindicaciones 1 a 30; y
(b) separar al menos una porción de la capa metálica del sustrato poniendo en contacto una almohadilla con el sustrato y moviendo la almohadilla en relación al sustrato.
32. Un método según la reivindicación 31, en donde el sustrato incluye una capa que contiene aleación de cobre.
33. Un método según la reivindicación 31 ó 32, en donde el sustrato incluye además una capa de titanio y nitruro de titanio en donde al menos se separa una porción de la capa de titanio y nitruro de titanio.
34. Un método según las reivindicaciones 31 a 33, en donde la composición de la suspensión para el pulido químico-mecánico se aplica a la almohadilla antes de poner en contacto esta última con el sustrato.
35. Un sistema de varios envases de una composición para el pulido químico-mecánico, que comprende:
(a) un primer recipiente que incluye un agente formador de película que facilita la formación de una capa de pasivación de óxidos metálicos sobre la superficie de una capa metálica, y un agente complejante que es capaz de formar un complejo con un metal oxidado y que se elige del grupo consistente en ácido cítrico, ácido láctico, ácido tartárico, ácido oxálico y sales de los mismos;
(b) un segundo recipiente que comprende un agente oxidante; y
(c) un abrasivo colocado en un recipiente seleccionado del grupo consistente en el primer recipiente, el segundo recipiente o un tercer recipiente.
36. Una composición según la reivindicación 1, en donde el óxido metálico abrasivo es alúmina.
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