ES2313763T3 - Procedimiento para el pulido quimico-mecanico de una capa de un material a base de cobre. - Google Patents
Procedimiento para el pulido quimico-mecanico de una capa de un material a base de cobre. Download PDFInfo
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Abstract
Un procedimiento para abrillantar químico-mecánicamente una capa en un material a base de cobre utilizando una composición de abrillantamiento, que se caracteriza porque dicha composición de abrillantamiento comprende una suspensión acuosa de partículas individuales de sílice coloidal no unidas entre sí mediante enlaces siloxano. Su diámetro medio está comprendido entre 10 y 100 nm, el pH de la suspensión acuosa está comprendido entre 1 y 5.
Description
Procedimiento para el pulido
químico-mecánico de una capa de un material a base
de cobre.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para el pulido químico mecánico de una capa de un
material a base de cobre, en particular, para la formación de
pistas de interconexión de circuitos integrados.
Las pistas de interconexión de
semi-conductores están fabricadas, generalmente, a
partir de una película de aluminio de aproximadamente 1 \mum de
espesor mediante litografía y, posteriormente, mediante ataque por
iones reactivos (RIE). A continuación, se encapsulan en una capa
dieléctrica con base de óxido de silicio, la mayor parte de las
veces, obtenido, por ejemplo, por descomposición en fase de vapor de
tetraetilortosilicato (TEOS).
El aumento en el número de transistores por
unidad de área, llamado también densidad de integración, necesita
la reducción de la profundidad de las pistas de interconexión. Esto
resulta en un aumento de la resistencia eléctrica de estas pistas
de interconexión, así como en el fenómeno de electromigración.
Una ventaja del cobre sobre el aluminio es que
proporciona una mejor resistencia a la electromigración. Además, su
resistencia específica es inferior que la del aluminio. De esta
forma, la sustitución de aluminio por cobre, como un constituyente
de pistas de interconexión de circuitos integrados, parece ser
ventajosa.
Actualmente, es difícil el ataque de las pistas
de interconexión en cobre mediante ataque por iones reactivos
(RIE).
El procedimiento de damasceno es, actualmente,
la mejor alternativa conocida para definir las pistas de
interconexión en cobre. El procedimiento de damasceno consiste en
depositar una capa dieléctrica con base de óxido de silicio sobre
un sustrato. Esta capa dieléctrica se puede obtener, por ejemplo,
mediante la descomposición de TEOS en fase de vapor. En general, la
capa dieléctrica tienen un grosor de aproximadamente 2 \mum. El
diseño del circuito de interconexión se transfiere, posteriormente,
sobre esta capa dieléctrica por fotolitografía y, posteriormente,
por ataque por iones reactivos (RIE). En general, éste es atacado de
manera que se forman surcos con una profundidad de aproximadamente
un \mum.
A continuación, se deposita, generalmente, una
barrera de difusión de aproximadamente 100 nm de espesor sobre el
material dieléctrico. Esta barrera de difusión evita la difusión
del cobre en el material dieléctrico. La barrera de difusión está
compuesta, generalmente, de titanio o nitruro de titanio (TiN).
Posteriormente, se deposita una capa de un material a base de cobre
de aproximadamente 2 \mum de espesor. El material a base de cobre
puede ser cobre elemental o aleaciones de cobre, en particular,
Cu-Si, Cu-Al,
Cu-Si-Al o
Cu-Ag.
El material a base de cobre se debe pulir
mediante pulido químico mecánico hasta que se alcanza la superficie
de la capa dieléctrica con base de óxido de silicio. De esta forma,
el material a base de cobre sólo permanece en los surcos.
El proceso de damasceno se ilustra en las
Figuras 1 y 2. Más particularmente, la Figura 1 representa una
sección transversal de una pista de interconexión de un circuito
integrado antes del pulido químico mecánico. Esta sección
transversal incluye una capa 1 en un material dieléctrico en el que
se ha formado un surco 4 por ataque químico. Una capa 2, que
constituye una barrera de difusión, se deposita sobre la capa 1,
cubriéndose esta misma capa 2 por una capa 3 de un material a base
de cobre. La Figura 2 representa una sección transversal de una
pista de interconexión del mismo circuito integrado después del
pulido químico mecánico, habiéndose llevado a cabo el último de
ellos de una forma ideal.
Para llevar a cabo el pulido químico mecánico de
la capa a base de cobre, se deben evitar dos fenómenos:
- -
- un ataque sobre la capa de óxido de silicio subyacente, fenómeno al que se hace referencia generalmente como erosión. La consecuencia de esta es la introducción de aristas de forma local, que son contraproducentes para la planarización deseada.
- -
- un pulido excesivo de las pistas de interconexión en los surcos, fenómeno al que se hace referencia generalmente como "formación de huecos". Este fenómeno conduce también a la introducción de aristas y, además, reduce el grosor de las pistas de interconexión y como resultado de esto, reduce su conductancia.
Los dos fenómenos mencionados anteriormente se
ilustran en las Figuras 3 y 4. Más particularmente, la Figura 3
represente una sección transversal de una pista de interconexión del
circuito integrado ilustrado en la Figura 1, después de que el
pulido haya conducido al fenómeno de erosión. La Figura 4 representa
una sección transversal de una pista de interconexión del circuito
integrado ilustrado en la Figura 1, después de que el pulido haya
conducido a un fenómeno de fenómeno de formación de huecos.
Los dos fenómenos, de erosión y de formación de
huecos, se deben principalmente a una pobre uniformidad de pulido
del material a base de cobre. De hecho, una eliminación imperfecta
de la capa a base de cobre necesita un importante pulido en exceso
para evitar todo el riesgo de continuidad eléctrica entre los
dispositivos electrónicos. Esto resulta en un pulido excesivo de
las pistas de interconexión y de las áreas dieléctricas que ya
están descubiertas.
En la patente US 5.622.525, se propone un
proceso para pulir superficies de cobre, o aleaciones que contienen
cobre principalmente, usando una composición de pulido que comprende
una suspensión de partículas de sílice coloidal en una disolución
alcalina, agua desmineralizada y un activador químico. Las
partículas de sílice tienen un promedio de diámetro comprendido
entre 20 y 50 nm.
La patente US 5.575.885 describe una disolución
de pulido para una película de cobre, o de una aleación de cobre,
que comprende un ácido orgánico elegido entre ácido aminoacético y
ácido aminosulfúrico, un oxidante similar a peróxido de hidrógeno o
hipoclorito sódico, y agua. La disolución de pulido puede
comprender, además, granos abrasivos elegidos entre sílice,
zirconio, cerio y óxido de aluminio. Estos granos abrasivos tienen
un promedio de tamaño de grano entre 20 y 100 nm. La disolución
alcalina tiene un pH neutro o, preferentemente, un pH alcalino
comprendido entre 9 y 14.
Otra composición de pulido de cobre, o aleación
a base de cobre, se describió en la solicitud de patente
EP-A-0 747 939. Esta composición de
pulido comprende ácidos orgánicos solubles en agua capaces de formar
complejos con cobre, granos de pulido abrasivos y agua. Los granos
abrasivos se eligen entre el grupo constituido por sílice,
zirconio, cerio y óxido de aluminio. El promedio del diámetro de
estos granos está comprendido entre 20 y 100 nm.
El documento
EP-A-0 831 136 revela una
composición precursora de una suspensión de pulido químico mecánico
que comprende urea y, al menos, un segundo oxidante, y que puede
contener un abrasivo.
Los procedimientos de pulido de cobre o de
aleación de cobre conducen, actualmente, a una pobre uniformidad de
pulido, particularmente con los abrasivos básicos que se usan de
forma general.
Así, un primer objetivo de la invención está
constituido por un procedimiento de pulido mecánico químico que
permite una eliminación homogénea y regular de un material a base de
cobre.
Otro objetivo de la invención está constituido
por un procedimiento para formar interconexiones en un material a
base de cobre en circuitos integrados, evitando el fenómeno de
formación de huecos o erosión.
Todavía, otro objetivo de la invención está
constituido por el uso de una composición de pulido con base de
sílice coloidal para el pulido de un material a base de cobre.
Así, la invención se refiere a un procedimiento
para el pulido mecánico químico de una capa de un material a base
de cobre, usado en la industria electrónica de
semi-conductores como un material que constituye
pistas de interconexión de circuitos integrados, mediante una
composición de pulido, caracterizado porque dicha composición
de pulido comprende una suspensión acuosa de partículas de sílice
coloidal individualizadas, monodispersadas, sin unir unas a otras
por enlaces de siloxano, cuyo promedio de diámetro elemental está
comprendido entre 10 y 100 nm, preferentemente entre 25 y 50 nm,
estando comprendido el pH de esta suspensión acuosa entre 2 y
3,5.
Los inventores apreciaron que la aplicación de
una composición de pulido que comprende partículas de sílice
coloidal sin unir unas a otras por enlaces de siloxano y cuyo
promedio de diámetro está comprendido entre 10 y 100 nm,
preferentemente entre 25 y 50 nm, y cuyo pH está comprendido entre 1
y 5, permite obtener un excelente compromiso entre la velocidad de
pulido de la capa de cobre, el porcentaje de uniformidad de pulido
y un estado de superficie satisfactorio.
Las suspensiones acuosas ácidas de sílice
coloidal usadas en el procedimiento de la invención se pueden
obtener, bien a partir de silicatos alcalinos, en particular
silicatos de sodio o de potasio, o bien a partir de silicato de
etilo. Estos procedimientos se describen de forma más detallada en
K.K. Iler, "The Chemistry of Silica", capítulo 9, pp.
331-343, Ed. Wiley Interscience, 1979. Las
partículas de sílice coloidal obtenidas según este procedimiento
están presentes en forma de partículas individualizadas, sin unir
unas a otras por enlaces de siloxano.
El pH de la suspensión acuosa de partículas de
sílice coloidal está comprendido entre 2 y 3,5.
Según un aspecto ventajoso de la invención, las
partículas de sílice coloidal tienen un promedio de diámetro
comprendido entre 10 y 100 nm, preferentemente comprendido entre 25
y 50 nm, y más particularmente, un promedio de diámetro de 35
nm.
Según otro aspecto ventajoso de la invención,
las partículas de sílice coloidal están "monodispersadas". Por
este término se entiende, en el ámbito de la presente invención, que
un 80%, preferentemente un 90% de las partículas de sílice coloidal
usadas tienen el mismo diámetro determinado, más o menos un 10%,
preferentemente más o menos un 5%. A modo de ejemplo, las
partículas de sílice coloidal monodispersadas de 35 nm de diámetro
están constituidas por partículas de las cuales, al menos un 80%,
preferentemente un 90%, tienen un diámetro de 35 \pm 3,5 nm,
preferentemente un diámetro de 35 \pm 1,75 nm.
La composición de pulido usada en ámbito del
procedimiento de la invención puede comprender más de un 20% en
peso, preferentemente del 30 al 40% en peso, de partículas de sílice
coloidal.
\newpage
Aunque se pueden obtener resultados de pulido
muy buenos mediante una composición que comprende únicamente
partículas de sílice coloidal resuspendidas en agua, no se excluye
que esta composición pueda contener otros compuestos, usados
normalmente en materiales de pulido a base de cobre. Estos
compuestos pueden estar constituidos, de forma particular, por un
agente oxidante tal como peróxido de hidrógeno o por ácidos
orgánicos, de forma particular, ácidos orgánicos acomplejados con
cobre, tales como los citados en la patente
US-A-5.575.885 y en la solicitud de
patente EP-A-747.939.
Según otro aspecto, la invención se refiere a un
procedimiento para producir pistas de interconexión en un material
a base de cobre en circuitos integrados, según el cual se llevan a
cabo las siguientes etapas:
- -
- depositar una capa dieléctrica con base de óxido de silicio sobre un sustrato,
- -
- realizar surcos de un circuito de interconexión por ataque químico sobre la superficie de la capa dieléctrica,
- -
- si es necesario, depositar una barrera de difusión sobre la capa dieléctrica,
- -
- depositar una capa de un material a base de cobre sobre la capa dieléctrica o, si es necesario, sobre la barrera de difusión,
- -
- pulir la capa con base de un material que contiene cobre mediante pulido mecánico químico, caracterizándose este procedimiento porque el pulido mecánico químico del material a base de cobre se lleva a cabo mediante una composición de pulido que comprende una suspensión acuosa de partículas de sílice coloidal individualizadas, monodispersadas, sin unir unas a otra mediante enlaces siloxano, teniendo dichas partículas un promedio de diámetro comprendido entre 10 y 100 nm, preferentemente entre 25 y 50 nm y estando comprendido el pH de la suspensión acuosa entre 2 y 3,5.
\vskip1.000000\baselineskip
En la presente descripción, el material a base
de cobre puede estar constituido por cobre elemental o por una
aleación de cobre, elegida entre el grupo constituido por las
aleaciones de Cu-Si, Cu-Al,
Cu-Si-Al y
Cu-Ag.
El propósito de los siguientes ejemplos es,
simplemente, ilustrar la presente invención. En estos ejemplos, se
usaron tarjetas sobre las que se depositó una capa de cobre de
aproximadamente 1 \mum de espesor. Posteriormente, la capa de
cobre se pulió en una pulidora PRESI M 550, bajo las siguientes
condiciones:
- presión aplicada
- daN/cm^{2} (1 daN/cm_{2} = 10^{5}Pa)
- velocidad de la placa
- 30 rpm
- velocidad del cabezal
- 30 rpm
- temperatura
- 20ºC
- velocidad de abrasión
- 250 cm^{3}/min
- tejido
- IC 1400 K con surcos de Rodel Products
\vskip1.000000\baselineskip
Se llevaron a cabo los tres tipos de análisis
siguientes:
La velocidad del ataque se midió por la
diferencia en grosor antes y después del pulido, por minuto de
pulido de la placa de cobre. La velocidad de ataque se expresa en
\ring{A}/min.
La uniformidad del ataque se determinó a partir
de la diferencia en grosor de cobre en diferentes puntos de la
misma placa. Se calcula a partir de las medidas de cobre sobre la
misma placa antes y después del pulido, usando la siguiente
fórmula:
U =
\frac{\text{grosor máximo - grosor mínimo}}{\text{2 x promedio de
grosor eliminado}} x
100
En esta fórmula, los grosores máximo y mínimo se
determinan mediante la medida del grosor de 49 puntos distintos de
la capa de cobre, después del tratamiento del último. El grosor
máximo corresponde al grosor mayor medido, el grosor mínimo
corresponde al grosor menor medido. El promedio de grosor eliminado
es la diferencia entre el promedio de grosor antes del pulido y el
promedio del grosor después del pulido, calculándose estos promedios
a partir de la medida en 49 puntos.
c) Análisis de observación visual bajo un
microscopio óptico para detectar posibles cavidades en la placa y
su magnitud.
Ejemplo
1
Una capa de cobre colocada sobre una placa se
pulió posteriormente bajo las condiciones mencionadas anteriormente
usando una composición de pulido que comprendía una suspensión
acuosa de partículas de sílice coloidal individualizadas, sin unir
unas a otras por enlaces siloxano, cuyas características eran las
siguientes:
- pH de la suspensión acuosa
- 2,5
- promedio de diámetro de las partículas de sílice coloidal
- 35 nm
- concentración en peso de sílice coloidal
- 30%
La composición de pulido permitió obtener los
siguientes resultados:
- -
- una velocidad de pulido de 1800 \ring{A}/min
- -
- un porcentaje de uniformidad del 8%
- -
- no se observaron cavidades bajo el microscopio óptico.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
2
Bajo las mismas condiciones previas, la capa de
cobre se pulió posteriormente mediante una composición de pulido
que comprendía una suspensión acuosa de sílice coloidal, cuyas
características eran:
- pH de la suspensión acuosa
- 2,5
- promedio de diámetro de las partículas de sílice coloidal
- 50 nm
- concentración en peso de sílice coloidal
- 30%
Los resultados obtenidos fueron los
siguientes:
- -
- una velocidad de pulido de 800 \ring{A}/min
- -
- un porcentaje de uniformidad del 11%
- -
- se observaron ligeras cavidades bajo el microscopio óptico.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
3
(Comparativo)
Bajo las mismas condiciones del Ejemplo 1, una
capa de cobre se pulió posteriormente usando una composición de
pulido que comprendía una suspensión acuosa de partículas de sílice
coloidal, cuyas características eran las siguientes:
- pH de la suspensión acuosa
- 11
- promedio de diámetro de las partículas de sílice coloidal
- 50 nm
- concentración en peso de sílice coloidal
- 30%
El pH de la disolución acuosa se ajustó hasta el
valor deseado usando hidróxido amónico.
Los resultados obtenidos fueron los
siguientes:
- -
- una velocidad de pulido de 700 \ring{A}/min
- -
- un porcentaje de uniformidad del 40%
- -
- multitud de finas cavidades visibles a simple vista.
\vskip1.000000\baselineskip
Las composiciones de pulido usadas en los
Ejemplos 1 a 3 no contenían un agente oxidante, ni un agente
acomplejante de cobre, ni un ácido orgánico acomplejado con cobre.
Tampoco contenían un tensioactivo.
Las composiciones de pulido según la invención
permitieron la eliminación homogénea y regular de cobre, a la vez
que se evitaba la aparición de cavidades. Con estas composiciones de
pulido, no se observó fenómenos de formación de huecos o de
erosión.
Por el contrario, la composición de pulido del
Ejemplo Comparativo 3, cuyo pH es básico, no permite un pulido
uniforme de la capa de cobre. Las dificultades de pulir en exceso de
forma significativa esta capa de cobre, con el fin de asegurar la
ausencia de un residuo de cobre sobre las áreas superiores de los
dieléctricos, conduce a un incremento en la formación de huecos en
las pistas de de cobre, así como a una erosión del dieléctrico.
Estos ejemplos muestran que una composición de
pulido que comprende una suspensión acuosa de partículas de sílice
coloidal individualizadas, monodispersadas, sin unir unas a otras
por enlaces siloxano, de un diámetro comprendido entre 10 y 100 nm,
más particularmente entre 25 y 50 nm y que, simultáneamente, tiene
un pH que está comprendido entre 2 y 3,5, permite un pulido de alta
calidad de las capas de un material a base de cobre. La combinación
de estos factores permite que se obtenga un buen compromiso entre la
velocidad de pulido, el porcentaje de uniformidad y un estado
satisfactorio de la placa de cobre tratada, permitiendo de forma
particular, la creación de pistas de interconexión en un material a
base de cobre en circuitos integrados.
Claims (8)
1. Un procedimiento para el pulido mecánico
químico de una capa de un material a base de cobre, usado en la
industria electrónica de semi-conductores como un
material que constituye pistas de interconexión de circuitos
integrados, caracterizado porque se usa una composición de
pulido que comprende una suspensión acuosa de partículas de sílice
coloidal individualizadas, monodispersadas, sin unir unas a otras
por enlaces de siloxano, cuyo promedio de diámetro de partícula
elemental está comprendido entre 10 y 100 nm, estando comprendido el
pH de la suspensión acuosa entre 2 y 3,5.
2. El procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el promedio del diámetro de las
partículas de sílice coloidal está comprendido entre 25 y 50
nm.
3. El procedimiento según las reivindicaciones 1
a 2, caracterizado porque el promedio del diámetro de las
partículas elementales de sílice coloidal es aproximadamente 35
nm.
4. El procedimiento según las reivindicaciones 1
a 3, caracterizado porque la suspensión comprende más del
20% en peso de partículas de sílice coloidal, preferentemente del 30
a 40% en peso de partículas de sílice coloidal.
5. El procedimiento según las reivindicaciones 1
a 4, caracterizado porque el material a base de cobre está
constituido por cobre elemental.
6. El procedimiento según las reivindicaciones 1
a 4, caracterizado porque el material a base de cobre es una
aleación de cobre, elegida entre el grupo constituido por las
aleaciones de Cu-Si, Cu-Al,
Cu-Si-Al y
Cu-Ag.
7. Un procedimiento para producir pistas de
interconexión en un material a base de cobre en circuitos
integrados, según el cual se llevan a cabo las siguientes
etapas:
- -
- depositar una capa dieléctrica con base de óxido de silicio sobre un sustrato,
- -
- realizar surcos de un circuito de interconexión por ataque químico sobre la superficie de la capa dieléctrica,
- -
- si es necesario, depositar una barrera de difusión sobre la capa dieléctrica,
- -
- depositar una capa de un material a base de cobre sobre la capa dieléctrica o, si es necesario, sobre la barrera de difusión,
- -
- pulir la capa de material a base de cobre mediante pulido mecánico químico.
este procedimiento se
caracteriza porque el pulido mecánico químico del material a
base de cobre se lleva a cabo mediante un procedimiento según la
reivindicación
1.
8. El uso de una composición de pulido como la
definida en el procedimiento de las reivindicaciones 1 a 4 para
pulir un material a base de cobre.
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