DE4317544C2 - Polierschaum zum chemisch-mechanischen Polieren Aluminium oder Titan enthaltender Metallschichten und Verfahren zu dessen Anwendung - Google Patents
Polierschaum zum chemisch-mechanischen Polieren Aluminium oder Titan enthaltender Metallschichten und Verfahren zu dessen AnwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Polierschlamm zum chemisch-mechanischen Polieren
einer Aluminium oder Titan enthaltenden Metallschicht, sowie ein Verfahren zum
Anwenden eines solchen Polierschlamms.
In der Halbleitertechnik werden Metallschichten zur Verdrahtung verschiedener auf
einem Halbleiterplättchen gebildeter Komponenten verwendet. Metalle bei der
Halbleiterherstellung können auch als Steuerelektroden in MOS-Strukturen Ver
wendung finden und als Elektroden in Dünnschichtkondensatoren. Elementares
Aluminium und seine Legierungen sind hierfür als traditionelle Metalle verwendet
worden. Aluminium hat sich als das wichtigste Material für diese Anwendungen
herausgestellt, da es einen geringen Widerstand besitzt, eine überlegene Haftfähig
keit an SiO₂, eine leichte Musterbildung erlaubt und hohe Reinheit besitzt (siehe
hierzu EP 0 401 147 A1).
Eine Technik der Metallverdrahtung bedient sich der Musterbildung und des Ätzens
von Gräben und Kontaktieren in einer dicken Schicht Isoliermaterial, wie SiO₂. An
schließend wird eine dünne Sperrschicht wie Ti, Ti-W oder TiN über der Isolier
schicht und in dem Graben aufgebracht und kontaktiert über Leitungen Kontaktstel
len, die tiefer in dem Plättchen angeordnet sind. Nach der Ablagerung der Sperr
schicht wird mit einer Schicht aus elementarem Aluminium oder einer Aluminium
legierung der Graben und die Kontaktstellen vollständig gefüllt. Die Sperrschicht
dient zum Trennen des Siliziums vom Aluminium. Der Graben, der vor der Metall
ablagerung erzeugt wurde, definiert das gewünschte Metallmuster derart, daß ein
planares Metallabtragverfahren bis zur Oberfläche der Isolierschicht ein gewünsch
tes Muster elektrisch leitfähiger Metalleiter übrig läßt.
Eine solche Planartechnik ist beispielsweise ein chemisch-mechanisches Polierver
fahren. Wird dieses zur Herstellung metallischer Leiter benutzt, so wird dies als
Damaszenerverfahren bezeichnet. Bisher hat man das chemisch-mechanische Polie
ren von Aluminium und Aluminiumlegierungen nicht ausreichend gewürdigt bzw.
entwickelt. Deshalb besteht ein Bedürfnis nach verbesserten chemisch-mechani
schen Polierverfahren sowie entsprechenden Poliermitteln für Aluminium und seine
Legierungen, sowie auch für andere Werkstoffe.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, die Polierleistung bei Al oder
Ti enthaltenden metallischen Schichten auf einem Halbleitersubstrat zu steigern und
kratzfrei polierte Oberflächen zu erhalten. Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden bei einem Halbleiter-Herstell
verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren einer Metallschicht mit Aluminium
auf einem Halbleitersubstrat folgende Schritte durchgeführt:
Ein chemisch-mechanischer Polierschlamm wird verwendet, der H₃PO₄ zwischen
0,1 und 20 Volumenprozent, H₂O₂ zwischen 1 und 30 Volumenprozent, H₂O und
ein festes Schleifmaterial enthält und
eine Aluminium enthaltende Metallschicht auf einem Halbleitersubstrat wird mit
dem Schlamm chemisch-mechanisch poliert.
Der chemisch-mechanische Polierschlamm zum Polieren von Aluminium enthalten
den Metallschichten enthält H₃PO₄ mit einem Anteil von 0,1 bis 20 Volumenpro
zent, H₂O₂ mit einem Anteil von 1 bis 30 Volumenprozent, H₂O und ein festes
Schleifmaterial. Bei den angegebenen Volumenprozenten handelt es sich um Abso
lutwerte.
Solche Schlämme lassen sich überraschenderweise auch zum chemisch-mechani
schen Polieren von Schichten verwenden, die Titan enthalten, nämlich elementares
Titan oder auch TiN, und es kann erwartet werden, daß solche Schlämme auch zum
Polieren weiterer Werkstoffe nützlich sind. Vorzugsweise liegen die Anteile von
H₂O₂ und H₃PO₄ in dem Schlamm bei 3 bis 9 Volumenprozent bzw. bei 3 bis 10
Volumenprozent. Vorzugsweise beträgt der Anteil H₃PO₄ weniger als 6 Volumen
prozent des gemischten Schlammes, um giftige Dämpfe zu minimieren. Auch kön
nen andere S für den Schlamm Verwendung finden, wie Aluminiumoxid
Siliziumoxid oder Titanoxid.
Das erfindungsgemäße Polierverfahren und der erfindungsgemäße Polierschlamm
unterscheiden sich mindestens zum Teil von anderen Verfahren und Schlämmen,
die von der Kombination H₂O₂ und einer Phosphorsäure Gebrauch machen. Somit
wird ein planares Abtragen des Metalls erleichtert, das offenbar chemisch bei einem
chemisch-mechanischen Polierverfahren in folgender Weise erfolgt:
2Al + 3H₂O₂ → Al₂O₃ + 3H₂O → 2Al(OH)₃
2Al(OH)₃ + 3H₂O → 2Al(OH₂)₃(OH)₃
2Al(OH₂)₃(OH)₃ + H₃PO₄ → [Al(H₂O)₆]⁺⁺⁺PO₄≡
[Al(H₂O)₆]⁺⁺⁺PO₄≡ → AlPO₄ + 6H₂O
2Al(OH)₃ + 3H₂O → 2Al(OH₂)₃(OH)₃
2Al(OH₂)₃(OH)₃ + H₃PO₄ → [Al(H₂O)₆]⁺⁺⁺PO₄≡
[Al(H₂O)₆]⁺⁺⁺PO₄≡ → AlPO₄ + 6H₂O
Wasserstoffperoxid sollte das Aluminium zu einer festen Schicht Al₂O₃ oxidieren.
Diese oxidierte Schicht wird dann sowohl chemisch wie mechanisch durch die
kombinierte Aktion von a) mechanischem Polieren und b) einem Phosphorsäureätz
vorgang entsprechend den obigen Gleichungen, mit denen letztlich wasserlösliches
AlPO₄ gebildet wird, abgetragen. Die obigen Gleichungen scheinen auch anzuge
ben, daß H₂O₂ ein gutes chemisches Ätzmittel für Aluminium ist, jedoch ist dies
tatsächlich nicht der Fall. Der Gebrauch von H₂O₂ allein oder in der vorbeschriebe
nen und beanspruchten Zusammensetzung des Schlammes liefert keine nennens
werte Ab
tragung von Metall, ohne die chemisch-mechanische Polier
wirkung.
Es ist bekannt, daß Aluminium ein sehr weiches Material ist
und daß bei konventionellen, bekannten chemisch-mechanischen
Polierverfahren leicht Kratzer auf den Aluminiumschichten
erzeugt werden. Die Bildung von Al₂O₃ mit der vorstehenden
Reaktion ergibt ein Material, das wesentlich härter als
Aluminium ist und verringert wesentlich bzw. eliminiert die
Anzahl der Kratzer, die sonst in einem chemisch-mechanischen
Polierverfahren erzeugt werden.
In der Praxis wurde zunächst eine handelsübliche H₃PO₄-Ätzlösung verwendet, die
16 Teile H₃PO₄ und jeweils einen Teil HNO₃, CH₃COOH und deionisiertes Wasser
dem Volumen nach enthält. Ein Polierschlamm mit H₂SO₄, CH₃COOH und HNO₃
als Oxidationsmittel ist aus US 4,944,836 bekannt. Dieses Gemisch wurde mit Was
ser und Aluminiumoxid Schleifpartikeln mit einem Anteil von 2 g/l kombiniert, so
daß ein Schlamm mit einer H₃PO₄-Lösung mit 3,4 Volumenprozent hergestellt
wurde. Eine mit einer Aluminiumlegierung aus Al-Si(1%)-Cu(0,5%) gefüllte und
abgedeckte Damaszenerstruktur wurde auf einer Polierunterlage mit diesem
Schlamm chemisch-mechanisch poliert und dabei wurde eine Polierleistung von 50
bis 90 nm/Min erzielt. Unter den gleichen Bedingungen, jedoch mit einer Lösung
von 6 Volumenprozent H₂O₂ anstelle eines äquivalenten Anteils von H₂O wurde die
Polierleistung bedeutend auf 200 bis 300 nm/Min. gesteigert und außerdem erhielt
man eine kratzfrei polierte Al-Si(1%)-Cu(0,5%) Oberfläche. Aus US 4,956,313 ist
es zum Polieren von Wolfram bekannt, einen Polierschlamm zu verwenden, der
neben Al₂O₃-Partikeln und H₂O auch H₂O₂ enthält.
Es wurde auch überraschenderweise festgestellt, daß ein solcher Schlamm auch zum
chemisch-mechanischen Polieren von Ti- und TiN-Schichten Verwendung finden
kann, wobei eine wesentlich höhere Leistung erzielt wird, als wenn kein H₂O₂ ent
halten ist. So betrug die Abtragleistung 20 bis 50 nm/min beim chemisch-mechani
schen Polieren von Ti und TiN-Schichten ohne H₂O₂. Mit dem Zusatz von H₂O₂ zu
dem gleichen Schlamm und beim Polieren mit den gleichen Bedingungen wurde die
Abtragleistung auf 100 bis 200 nm/min gesteigert. Somit ist es möglich, daß mit
dem erfindungsgemäßen Schlamm eine zusammengesetzte Schicht mit elementarem
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und einer unteren Grenzschicht in einem
einzigen chemisch-mechanischen Polierschritt poliert werden kann.
Bei dem bevorzugten Verfahren werden zuerst Kontakt/Übergänge und Verbin
dungsschlitze in SiO₂ eingeätzt, wobei man typischerweise eine reaktive Ionenät
zung benutzt. Anschließend wird eine Sperrschicht aus Ti, TiN oder Ti-W vorgese
hen, beispielsweise durch Aufsprühen oder mit einem chemischen Bedampfungs
prozeß. Dann wird eine Aluminiumlegierung, beispielsweise Al-Si(1%)-Cu(0,5%)
o. ä. abgelagert, ebenfalls mit einem Bedampfungsprozeß oder in einem Sprühvor
gang. Dann erfolgt die Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Schlamm, um in
einem einzigen Schritt die Legierung und die Sperrmetallschicht zusammen che
misch-mechanisch zu polieren.
Die Verwendung von H₂O₂ in der vorbeschriebenen Weise für die Sperrschicht
steigert die Polierleistung erheblich über die Leistung, die man mit H₃PO₄ allein
erhält, die sehr nahe an der chemisch-mechanischen Polierleistung der Aluminium
legierung liegt. Hieraus resultiert eine verbesserte Steuerfähigkeit des Verfahrens,
indem die zum Säubern von Metallrückständen erforderliche Polierzeit minimiert
und verringert wird, so daß der Ausstoß verbessert wird. So kann beispielsweise mit
dem vorbeschriebenen Schlamm eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von 1 µm
in weniger als 4 Minuten vollständig poliert werden, so daß der Ausstoß wesentlich
gesteigert ist. Mit H₃PO₄ allein im Schlamm beträgt der Ausstoß nur etwa 6 Plätt
chen/Stunde. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Schlamm wurde ein Aus
stoß von 12 bis 20 Plättchen/Stunde erzielt.
Claims (6)
1. Polierschlamm zum chemisch-mechanischen
Polieren einer Aluminium oder Titan enthaltenden Metall
schicht auf einem Halbleitersubstrat beim Herstellen von
Halbleitern, der H₃PO₄ mit einem Anteil von 0,1 bis 20 Vol.-%,
H₂O₂ mit einem Anteil von 1 bis 30 Vol.-%, H₂O und ein
festes Schleifmittel enthält.
2. Polierschlamm nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Polierschlamm H₂O₂ mit einem Anteil von
3 bis 9 Vol.-% enthält.
3. Polierschlamm nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Polierschlamm H₃PO₄ mit einem Anteil von
3 bis 10 Vol.-% enthält.
4. Verfahren zur Anwendung des Polierschlamms nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Polierschlamm auf eine Aluminium enthaltende Metallschicht
auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht und die Schicht mit
dem Polierschlamm poliert wird, und daß das Aluminium der
Metallschicht mit H₂O₂ des Polierschlamms reagiert und
Aluminiumoxid bildet, und daß das Aluminiumoxid mit Hilfe
des Polierschlammes und der Polierwirkung chemisch und
mechanisch entfernt wird.
5. Verfahren zur Anwendung des Polierschlamms nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Titan der Titan enthaltenden Metallschicht aus der Gruppe
bestehend aus elementarem Titan, TiN und Ti-W oder deren
Mischungen ausgewählt wird.
6. Verfahren zur Anwendung des Polierschlamms nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleiterplättchen eine Sperr
schicht aus Titan und über der Sperrschicht eine Metallschicht aus Aluminium
aufgetragen wird, und daß die Aluminium enthaltende Metall- und Sperrschicht mit
dem Schlamm in einem einmaligen chemisch-mechanischen Polierschritt poliert
wird.
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