СПОСОБ ХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЛАНАРИЗАЦИИ И ПОЛУЧЕННЫЕ С ЕГО ПОМОЩЬЮ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2004 года по МПК C09K3/14 C09G1/02 H01L21/321 

Настоящее изобретение имеет отношение к ХМП (ХМП - химико-механическая планаризация или химико-механическое обеспечивание плоскостности поверхности); способ ХМП - способ химико-механической планаризации; ХМП материалы и продукты (изделия) - материалы и продукты, полученные при помощи способа химико-механической планаризации, а в особенности к ХМП материалам, которые содержат абразивные порошки альфа-оксида алюминия.

Способ ХМП представляет собой способ, который используют для подготовки полупроводниковых изделий, имеющих большое значение в широком диапазоне электронных применений. Полупроводниковые изделия обычно изготавливают путем осаждения металла, такого как медь, в промежутках между непроводящими структурами с последующим удалением слоя металла, пока не будет открыта (обнажена) непроводящая структура, причем промежутки между непроводящими структурами остаются покрытыми металлом. Требования, которые предъявляются к абразиву, являются во многих отношениях конфликтующими. Он должен удалять металл, но преимущественно не удалять непроводящий материал. Удаление должно происходить эффективно, но не настолько быстро, чтобы не позволить немедленно закончить процесс после достижения желаемого уровня удаления.

Способ ХМП может быть осуществлен при использовании суспензии абразива в жидкой среде, причем в суспензии, кроме абразива, обычно содержатся другие добавки, такие как окислители (например, пероксид водорода, азотно-железная соль, иодат калия, и т.п.); ингибиторы коррозии, такие как бензотриазол; очищающие средства (детергенты) и поверхностно-активные вещества. Этот способ однако может быть также осуществлен при использовании фиксированного абразива, когда абразивные частицы диспергированы и удерживаются в объеме отвержденного полимерного материала, который может иметь профильную поверхность.

Способ ХМП может быть применен к любому слоистому устройству, содержащему слои металла и изолятора, каждый из которых в свою очередь осажден на подложке, в количестве, которое необходимо уменьшить до однородной толщины и до достижения очень малого однородного уровня шероховатости (Ra) поверхности. Способ ХМП позволяет уменьшить толщину осажденного слоя до требуемой толщины и планарности (плоскостности). Проблема заключается в том, что абразивы, которые лучше всего удаляют материал, создают неприемлемую шероховатость поверхности или производят удаление материала так быстро, что часто проскакивают желательную точку окончания процесса. Те же абразивы, которые удаляют материал с умеренной скоростью, могут не обладать избирательностью или создавать неприемлемую шероховатость поверхности.

Ранее компромисс между этими конфликтующими требованиями обеспечивали за счет использования относительно мягких абразивов, таких как гамма-оксид алюминия и диоксид кремния. Это позволяет понизить скорость удаления, однако без существенного различия (дифференцирования) между металлом и непроводящим материалом. Уже был предложен (в качестве абразива) альфа-оксид алюминия со средним размером частиц около 100 нм, причем нашли, что он является избирательным и преимущественно удаляет металл, а не непроводящий материал. Однако, к сожалению, этот абразив также является весьма агрессивным (активным), так что очень трудно избежать образования впадин в слое металла между смежными структурами непроводящего материала. Указанное образование впадин снижает характеристики полупроводника и поэтому считается весьма нежелательным.

В связи с изложенным существует необходимость в создании абразива, который может быть нанесен на подложку и использован в ХМП применении для избирательного и относительно медленного удаления металла с подложки, с минимальным образованием впадин.

Отметим, что применение для полирования мелкого порошка оксида алюминия с покрытием из диоксида кремния уже было описано в патенте ЕР 0554908 Al, a применение керамических материалов, изготовленных из оксида алюминия и диоксида кремния, уже было описано в публикации WO-A-9749647. ХМП составы, которые содержат диоксид кремния и/или оксид алюминия, описаны в патенте США № 5693239.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ ХМП, который предусматривает полирование (шлифование) подложки, содержащей металл и непроводящий материал, с использованием абразива, который содержит порошок оксида алюминия, в котором частицы порошка из оксида алюминия имеют покрытие из диоксида кремния, причем указанный порошок имеет BET площадь поверхности, составляющую по меньшей мере 50 м²/г, при этом содержание оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, а содержание альфа- оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, а преимущественно 95 вес.%, причем по меньшей мере 90% частиц имеют максимальную ширину не более 50 нм, например от 20 до 50 нм, при этом не более 10% частиц имеют максимальный размер, превышающий 100 нм. Такие порошки оксида алюминия с указанными диапазоном размера частиц и площадью поверхности далее иногда именуют для краткости и удобства порошками или частицами "нано-оксида алюминия".

Частицы порошка оксида алюминия имеют покрытие из диоксида кремния (из кремнезема), однако следует понимать, что используемый здесь термин "диоксид кремния" включает в себя, кроме собственно диоксида кремния, также и комплексные оксиды кремнезема с оксидами металлов, такие как муллит; алюмосиликаты щелочных металлов и боросиликаты; силикаты щелочноземельных металлов и т.п. Таким образом, указанное процентное содержание "диоксида кремния" в действительности может включать в себя и другие компоненты кроме собственно диоксида кремния.

Содержание оксида алюминия в порошке нано-оксида алюминия составляет по меньшей мере 90%, а содержание альфа-оксида алюминия составляет по меньшей мере 90%, а преимущественно по меньшей мере 95%. Баланс обеспечен диоксидом кремния и небольшими количествами других фаз оксида алюминия, которые являются промежуточными при преобразовании бемита в альфа-фазу. Их получают в результате неполного преобразования в ходе процесса обжига, который сводят к минимуму для того, чтобы не было чрезмерной агломерации частиц, которые трудно отделить друг от друга.

Под термином "ширина" для частиц нано-оксида алюминия следует понимать, если в контексте специально не указано другое, среднее значение наибольшего размера в перпендикулярном направлении к наибольшей длине частицы. На практике нашли, что частицы нано-оксида алюминия имеют вид блоков с равными размерами по различным осям. Отметим, что для измерения (размеров частиц) используют сканирующий или просвечивающий электронный микроскоп, например, такой как микроскоп JEOL 2000SX.

Альфа-оксид алюминия, который представляет собой наиболее твердую и плотную форму оксида алюминия, образован при помощи нагревания других форм оксида алюминия или гидратного оксида алюминия до высоких температур. Это - такая форма оксида алюминия, которая лучше всего подходит для абразивных применений. Альфа-оксид алюминия обычно получают при помощи процесса плавления, при котором гидрат оксида алюминия нагревают свыше ориентировочно 2000°С, а затем охлаждают и дробят. Нагрев до таких высоких температур приводит к росту кристаллов альфа-оксида алюминия на несколько микрон и к их спеканию вместе с образованием чрезвычайно твердого материала. Высокая плотность и твердость полученных таким путем частиц оксида алюминия делает процесс дробления чрезвычайно тяжелым. Для получения мелких частиц необходимо разрушить связи спекшегося материала, причем, если нужны еще более мелкие частицы, например, с размером порядка нескольких микрон или меньше, необходимо дробить сами первичные кристаллы. Само собой разумеется, что эта задача является чрезвычайно трудной и требует больших расходов энергии. Несмотря на то, что разрушение связей спекшегося материала является трудной задачей, особенно, если при спекании в основном достигнута теоретическая плотность, еще более трудной задачей является разрушение самих первичных кристаллов.

Получившие развитие в последнее время золь-гель процессы, а в особенности золь-гель процессы с затравкой, позволили получать оксид алюминия с микрокристаллической структурой, в которой размер первичных кристаллов (часто именуемых микрокристаллитами) составляет порядка 0,1 мкм или 100 нм. Такие процессы с затравкой предусматривают использование частиц затравки, которые позволяют производить образование зародышей при преобразовании бемита (моногидрата альфа-оксида алюминия) в фазу альфа-оксида алюминия при относительно низких температурах. Частицы затравки должны иметь такую форму кристалла, а также размер и размеры кристаллической решетки, которые наиболее близки к указанным параметрам искомого материала, так чтобы образование зародышей было эффективным; поэтому логично использовать в качестве частиц затравки сами частицы альфа-оксида алюминия.

Фактически сразу после образования альфа-фазы в виде частиц, которые представляют собой микрокристаллиты альфа-оксида алюминия с размером менее 1 мкм, существует тенденция спекания частиц при их контакте друг с другом. Эта тенденция ускоряется при повышении температуры. При поддержании низкой температуры образования альфа-фазы можно свести к минимуму степень спекания частиц друг с другом, что позволяет облегчить процесс дробления до первичного размера частиц.

В патенте США № 4657754 описан процесс обжига высушенного затравочного золь-гель оксида алюминия, позволяющий преобразовать по меньшей мере его часть в альфа-фазу с последующим дроблением сухого продукта в порошок альфа-частиц, причем особое внимание уделено тому, чтобы не вызывать чрезмерное спекание или рост частиц в ходе обжига. В результате имеет место малое спекание, поэтому при дроблении необходимо разрушать только незначительные связи между частицами спекшегося материала, а не сами первичные частицы. После получения продукта в его порошковой форме может быть осуществлен обжиг для завершения преобразования. Однако описанный процесс является все еще трудоемким и дорогим, причем он ограничен, главным образом, размером первичных частиц альфа-оксида алюминия в продукте, составляющим 100 нм. Такие частицы намного больше частиц нано-оксида алюминия, к которым относится настоящее изобретение.

Мелкий порошок альфа-оксида алюминия широко используют в качестве абразива для полировки или притирки. В таких применениях чем меньше и однороднее размер частиц порошка, тем лучше достигаемое качество чистовой обработки. Однако для ХМП применений не может быть использован мелкий порошок альфа-оксида алюминия, который получен в соответствии с указанным выше патентом, так как он является чрезвычайно агрессивным и легко приводит к образованию впадин. Эта проблема решена в соответствии с настоящим изобретением за счет создания абразива, который содержит частицы альфа-оксида алюминия меньшего размера (частицы нано-оксида алюминия), которые обеспечивают менее агрессивное удаление металла. Удивительным образом оказалось, что такой абразив является достаточно избирательным для того, чтобы его можно было с успехом использовать в ХМП применениях.

Абразивный порошок из нано-оксида алюминия может быть использован в виде суспензии, которую наносят на поверхность, которую необходимо полировать, одновременно с перемещением полировальника по поверхности. Таким образом, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения предложен способ ХМП, при осуществлении которого деформируемый полировальник перемещают в контакте с полируемой поверхностью при нанесении суспензии, которая содержит порошок нано-оксида алюминия, в котором частицы порошка оксида алюминия имеют покрытие из диоксида кремния, причем порошок имеет BET площадь поверхности, составляющую по меньшей мере 50 м²/г, при этом содержание оксида алюминия составляет по меньшей мере 92 вес.% и содержание альфа-оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, причем по меньшей мере 95% частиц имеют ширину от 20 до 50 нм и менее 5% частиц имеют размер более 100 нм.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения порошок альфа-оксида алюминия наносят на поверхность для проведения ХМП обработки с использованием фиксированного абразива, содержащего порошок нано-оксида алюминия, в котором частицы оксида алюминия имеют покрытие из диоксида кремния, причем указанный порошок имеет BET площадь поверхности, составляющую по меньшей мере 50 м²/г, при этом содержание оксида алюминия составляет по меньшей мере 92 вес.% и содержание альфа-оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, причем по меньшей мере 95% частиц имеют ширину от 20 до 50 нм и менее, 5% частиц имеют размер более 100 нм, при этом указанные частицы диспергированы в отвержденном связующем материале. Смесь абразива со связующим материалом может быть нанесена в виде покрытия на внешнем участке круга, например на его кромке (ободе), или может быть нанесена в виде покрытия на плоскую поверхность гибкого листового материала, такого как диск или лента, ранее отверждения связующего, что позволяет получить абразивный инструмент. Поверхность слоя смеси абразива со связующим материалом может быть гладкой или ей может быть придан рельеф со случайным или периодическим расположением элементов различной формы ранее отверждения связующего. Такие поверхности именуют "сконструированными", так как их конфигурация может быть заранее задана или выбрана в зависимости от вида применения или от вида поверхности подложки, на которую наносят указанную смесь.

Производство нано-оксида алюминия

Подходящий способ, при помощи которого могут быть приготовлены частицы нано-оксида алюминия, предусматривает диспергирование в геле бемита материала, а преимущественно диоксида кремния, который образует барьер вокруг частиц бемита, при температурах ниже температуры преобразования бемита в альфа-оксид алюминия, причем указанный материал вводят в количестве, достаточном для торможения роста размера частиц после формирования альфа-оксида алюминия из бемита, с последующей сушкой и обжигом геля при температуре, достаточной для преобразования по меньшей мере большей части оксида алюминия в альфа-фазу в виде рыхлых агрегатов первичных частиц с размерами ориентировочно от 20 до 50 нм.

Информация о том, что указанные агрегаты являются "рыхлыми", означает, что они могут быть относительно легко раздроблены для получения первичных частиц, которые имеют ширину ориентировочно менее чем 50 нм.

Обжиг должен проводиться при такой температуре, которая не вызывает существенного роста частиц или их чрезмерного спекания (что, естественно, может привести к трудности, если не к невозможности, разделения на первичные частицы). В действительности барьерное покрытие приводит к тому, что спекание таких частиц происходит только при температуре, составляющей ориентировочно 1400°С или выше нее, в то время как обычно используют температуры обжига ниже 1300°С.

Можно полагать, что барьерный материал образует очень тонкое покрытие вокруг частиц бемита в геле, которое препятствует миграции оксида алюминия через поверхность раздела частицы и за счет этого предотвращает или по меньшей мере существенно тормозит рост частицы при ее преобразовании в альфа-фазу. В результате образуются частицы альфа-оксида алюминия с размерами, соответствующими частицам исходного геля бемита.

Наиболее удобным и предпочтительным барьерным материалом, образующим стекло, является диоксид кремния, однако могут быть использованы и другие образующие стекло материалы, которые могут действовать описанным выше образом в области применения настоящего изобретения. Среди указанных материалов можно привести материалы, которые содержат бор, такие как боросиликаты и т.п. Для задач настоящего изобретения главное внимание следует уделять наиболее доступным и легко применимым материалам на основе диоксида кремния.

При использовании диоксида кремния в качестве барьерного материала его вводимое количество преимущественно составляет ориентировочно от 0,5 до 10 вес.%, в пересчете на вес оксида алюминия в геле. Диоксид кремния преимущественно диспергируют в виде золя или геля в бемите таким образом, чтобы обеспечить максимальную близость между компонентами в дисперсии.

В качестве бемита может быть использован любой имеющийся в наличии материал, который имеет размер диспергированных частиц порядка нескольких десятых нанометра или меньше. Совершенно очевидно, что бемиты с однородными мелкими частицами являются предпочтительными, так как они не содержат труднодиспергируемых агломератов, что характерно для некоторых имеющихся в продаже продуктов.

Представляется, что диоксид кремния взаимодействует с поверхностью частиц бемита, вероятно за счет образования стекла, что замедляет процесс преобразования в альфа-оксид алюминия и последующий рост этих альфа-частиц. По причине наличия указанного механизма замедления роста частиц имеется мало причин для поддержания низкой температуры, так как более быстрое преобразование может быть достигнуто при применении более высоких температур без вредного влияния на размер альфа-кристалла.

Добавление диоксида кремния в золь бемита и загущение (гелеобразование) полученной золевой смеси является важной предпочтительной характеристикой настоящего изобретения, так как это позволяет достичь полной и однородной дисперсии. Кроме того, при этом диоксид кремния становится присоединенным к главным образом коллоидным частицам бемита и предотвращает их существенный дальнейший рост.

После того как произошло преобразование в альфа-фазу, частицы имеют вид рыхлых агломератов первичных частиц с шириной около 50 нм или меньше и могут при рассмотрении под сканирующим электронным микроскопом иметь вид серий агломератов в форме стержней или кластеров (гнезд) или иногда грубой сети элементов, содержащих первичные частицы. Эти рыхлые агломераты или агрегаты относительно легко могут быть разделены на индивидуальные частицы, например, при помощи мокрого или сухого помола. Эти агломераты могут быть относительно легко разрушены, так как образование содержащей диоксид кремния барьерной фазы у кристаллических границ тормозит образование связи в спеченном материале между первичными частицами из альфа-оксида алюминия. В результате получают в виде продукта порошок нано-оксида алюминия с большим числом частиц, которые имеют среднюю ширину ориентировочно менее 50 нм. Применение процесса мокрого помола часто может приводить к образованию небольшого количества гидратного оксида алюминия, например тригидрата оксида алюминия, за счет поверхностного гидролиза альфа-оксида алюминия. Само собой разумеется, что такие гидраты вновь переходят в альфа-оксид алюминия при обжиге и поэтому в рамках настоящего изобретения такой поверхностно-модифицированный альфа-оксид алюминия не рассматривают как отличающийся от немодифицированного альфа-оксида алюминия.

Описанный процесс ведет к получению частиц альфа-оксида алюминия малого однородного размера. Нашли, что известные ранее порошки альфа-оксида алюминия, размолотые для получения больших BET площадей поверхности, содержат широкий диапазон размеров частиц, которые часто являются бимодальными в преобладающей фазе оксида алюминия. Способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет получать тонкий порошок оксида алюминия, который имеет BET площадь поверхности, составляющую по меньшей мере 50 м²/г, а преимущественно 100 м²/г, при этом по меньшей мере 90% полного веса фазы оксида алюминия образовано частицами микрокристаллического альфа-оксида алюминия, причем по меньшей мере 90% частиц имеют ширину не более 50 нм, а преимущественно от 20 до 50 нм, при этом не более 10% частиц имеют ширину, превышающую 100 нм. Измерение фракции этих крупных частиц производят при помощи микроскопического анализа (сканирующего или просвечивающего) ультрамикротомного образца и оценки процента всего (занятого всеми частицами) поля зрения, занимаемого частицами, которые имеют ширину более 100 нм. Баланс порошка по весу в основном образован барьерным материалом, в качестве которого, как уже было упомянуто здесь ранее, может быть использован любой материал, способный тормозить рост частиц и/или их спекание в ходе преобразования в альфа-оксид алюминия. Если барьерный материал представляет собой содержащий диоксид кремния материал, такой как муллит, то он может составлять до 15% от полного веса порошка или даже больше. Однако обычно при работе с преимущественно небольшими количествами золя диоксида кремния, предусмотренными выше, содержание оксида алюминия составляет около 95% от веса порошка.

Возможен также такой случай, когда не альфа-оксид алюминия в фазе оксида алюминия порошка нано-оксида алюминия образован фазами оксида алюминия, промежуточными между бемитом и альфа-фазой, такими как гамма-оксид алюминия или тета-оксид алюминия.

Количество присутствующего диоксида кремния должно тщательно контролироваться, так как при слишком большой его добавке возникает тенденция возникновения реакции с объемом оксида алюминия, при этом большая часть конечного продукта будет иметь относительно бесполезный химический состав муллита или другой содержащей диоксид кремния фазы. С другой стороны, слишком малое содержание диоксида кремния не будет эффективно ограничивать рост альфа-частиц. На практике нашли, что ориентировочно от 0,5 до 8, а преимущественно ориентировочно от 1 до 5 вес.% содержания твердых веществ в геле должен составлять диоксид кремния. Обычно содержание диоксида кремния в готовом продукте должно быть ориентировочно менее 10 вес.%, преимущественно ориентировочно менее 8, а еще лучше ориентировочно менее 5 вес.%.

Диоксид кремния может быть добавлен в виде коллоидного диоксида кремния, золя диоксида кремния или соединения, которое в условиях проведения реакции выделяет такой коллоид или золь и образует стеклянное покрытие вокруг частиц оксида алюминия. В качестве примера таких соединений можно указать органосиланы, такие как тетраэтил ортосиликат, а также некоторые силикаты металлов. Обычно силикаты щелочных металлов являются менее предпочтительными. Диоксид кремния в золе преимущественно должен иметь размер частиц, равный или преимущественно меньший размера частиц в бемите, то есть самое большее порядка нескольких нанометров.

Добавление диоксида кремния в виде золя в золь бемита обеспечивает наиболее однородное и эффективное распределение диоксида кремния, при этом может быть использовано его минимальное количество.

Гель может быть высушен при более низких температурах перед его прокаливанием, которое обычно проводят при температурах около 700°С, в течение нескольких часов. Прокаливание удаляет воду в геле, способствует образованию стеклянного поверхностного барьера и началу преобразования бемита в фазу гамма-оксида алюминия. Однако процесс прокаливания может быть проведен и при иных условиях, при более высоких или более низких температурах или даже совсем исключен.

Обжиг высушенного геля может быть проведен при любых условиях, позволяющих осуществлять фазовое преобразование в альфа-оксид алюминия. Обычно беззатравочный бемит будет превращаться в альфа-фазу при температурах в диапазоне ориентировочно от 1000 до 1300°С, причем время полного преобразования снижается с ростом температуры. В соответствии с настоящим изобретением предпочтительный диапазон температур обжига составляет ориентировочно от 1100 до 1250°С, причем время нахождения при указанных температурах иногда превышает обычное время для таких оксидов алюминия за счет наличия диоксида кремния. Обжиг может потребовать до 40 часов на нижнем конце указанного диапазона температур и всего одну минуту на верхнем конце этого диапазона температур. Обжиг на нижнем конце диапазона при температурах около 1100 - 1250°С сводит к минимуму тенденцию образования агломератов частиц. В этом диапазоне температур требуется время нахождения ориентировочно от 1 минуты до 40 часов, чтобы достичь желательного уровня преобразования в альфа-оксид алюминия без образования чрезмерных количеств труднообрабатываемых (в отличие от рыхлых) агломератов.

При обжиге важное значение имеет время нахождения при температуре обжига. Медленное нарастание температуры до температуры обжига диктует снижение времени нахождения при температуре обжига, причем нарастание температуры часто зависит от использованного оборудования. Обычно карусельная печь позволяет намного быстрее достичь желательной температуры обжига, в то время как камерная печь обеспечивает существенно более длительное нарастание температуры. Таким образом, по причинам необходимости управления процессом и воспроизводимости часто желательно использование карусельной печи. Отметим, что большой образец требует большего времени нагрева для достижения равномерной температуры тела, чем образец меньших размеров. Таким образом, действительно использованный график зависимости температуры от времени зависит от ряда обстоятельств с учетом указанных выше соображений.

Измельчение может быть проведено в дробилке с использованием обычных методик, таких как мокрый или сухой помол в шаровой мельнице и т.п. Альтернативно можно использовать преимущества, связанные с наличием муллита или других алюмосиликатных фаз на границах частиц в объеме агломерата для облегчения измельчения. Такие фазы обычно имеют различные коэффициенты теплового расширения по сравнению с альфа-оксидом алюминия, поэтому часто возможно разорвать такие граничные слои за счет чередования высоких и низких температур продукта, создающих растягивающие напряжения. Такие напряжения сами могут иногда приводить к дроблению. Можно также подвергать указанные содержащие диоксид кремния границы химическим напряжениям за счет гидротермической обработки или за счет обработки продукта щелочью или кислотой. Однако обычно такое термическое или химическое измельчение должно сопровождаться некоторым видом физического измельчения, завершающего дробление порошка на частицы со средней шириной 50 нм или меньше.

Можно полагать, что полученные по способу в соответствии с настоящим изобретением очень мелкие частицы являются уникальными, так как они сочетают высокую площадь поверхности, превышающую 50, а более часто 120 м²/г, с распределением частиц по размерам, в котором ориентировочно менее 10 вес.% частиц имеют максимальный размер более 100 нм. Так как размол обычно проводят с использованием средства из альфа-оксида алюминия низкой чистоты, можно полагать, что существенная пропорция частиц более 100 нм происходит, вероятно, за счет износа указанного средства, а не за счет альфа-оксида алюминия, полученного в результате преобразования бемита. В отличие от порошка, полученного за счет помола, большие частицы альфа-оксида алюминия имеют намного более широкое распределение по размерам с большим числом частиц, размер которых превышает 100 нм.

Окончательный помол, который используют для разделения частиц нано-оксида, преимущественно проводят с использованием средств из альфа-оксида алюминия низкой чистоты (содержащих около 88% альфа-оксида алюминия) или из диоксида циркония. Под средством из диоксида циркония следует понимать такое средство, которое изготовлено из диоксида циркония, стабилизированного такими добавками, как оксид иттрия, оксиды редкоземельных металлов, оксид магния, оксид кальция и т.п. Можно полагать, что использование средств из оксида алюминия высокой чистоты приводит к получению при помоле относительно больших фрагментов. В отличие от этого использование средств из оксида алюминия низкой чистоты обычно позволяет получать частицы микронного размера, причем средства, которые изготовлены из диоксида циркония, являются настолько твердыми, что они позволяют полностью исключить образование фрагментов.

Использование нано-оксида алюминия в ХМП суспензии

В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения оно направлено на создание суспензий нано-оксида алюминия, которые с успехом могут быть использованы в способах ХМП и в таких способах ХМП, в которых используют абразивные порошки нано-оксида алюминия.

Суспензии для химико-механического полирования обычно содержат абразив в окислительной жидкой среде, которая часто является раствором перекиси водорода в деионизированной воде. Суспензия часто содержит добавку комплексообразующего агента, такого как бензотриазол. При наличии нано-оксида алюминия в такой суспензии его концентрация обычно составляет от 1 до 15%, а преимущественно от 2 до 10% от полного веса суспензии. Суспензию используют в сочетании с полировальником, который движется по полируемой поверхности при одновременной подаче суспензии на поверхность обрабатываемой детали.

Использование нано-оксида алюминия в фиксированных абразивах для ХМП применений

В последнее время наблюдается стремление к замене обычной комбинации суспензии и полировальника фиксированными абразивами, в которых абразив имеет форму композита с частицами абразива, которые распределены в легко эродируемой матрице связующего материала. Этот композит может быть предусмотрен, например, на поверхности шлифования шлифовального круга. Он также может иметь вид слоя, осажденного на гибкой подложке или сцепленного с ней, причем слой может иметь периодический рисунок (рельеф), нанесенный, например, при помощи процесса формования или выдавливания (тиснения). Такие абразивы с рельефом часто именуют "сконструированными" абразивами. Фиксированные абразивы перемещают относительно обрабатываемой поверхности наподобие полировальника в обычных ХМП процессах. Однако при этом вместо суспензии на поверхность подают деионизированную воду или водный раствор окислителя. Вместе с тем эта операция все еще является истинной ХМП операцией в соответствии с использованными здесь терминами, которая позволяет получать такие же результаты. При этом такие процессы потенциально являются намного более эффективными по использованию абразива, по легкости обработки или по удалению отходов.

На фиг.1 показана микрофотография порошка нано-оксида алюминия, который с успехом может быть использован в способах ХМП в соответствии с настоящим изобретением. Можно видеть, что этот порошок содержит весьма однородные частицы 20-50 нм с очень малым числом частиц, имеющих ширину более 50 нм. Видны некоторые рыхлые агломераты, однако четко различимы структуры индивидуальных частиц.

На фиг.2 показана рентгеновская дифракционная картина нано-оксида алюминия, который с успехом может быть использован при производстве ХМП изделий в соответствии с настоящим изобретением.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного со ссылкой на пояснительные примеры, не имеющие характера, ограничивающего основной (существенный) объем патентных притязаний.

Проверка пригодности ХМП

При производстве полупроводниковых компонентов обычно осаждают на кремниевой подложке ряд слоев различных проводящих и непроводящих материалов. После осаждения слои часто являются неровными и требуют проведения "планаризации" для создания поверхности с возможно более низким значением уровня шероховатости Ra.

При проведении типичной ХМП операции ставится задача эффективного удаления материала с одновременным получением безукоризненно чистой поверхности. Несмотря на то, что эффективность является важной, еще более существенное значение имеет возможность управления процессом, так как толщина осажденных слоев измеряется в ангстремах и при слишком большой скорости удаления материала трудно произвести точную остановку в той точке, где достигнута желательная толщина слоя. Таким образом, задачей является стабильное, но управляемое удаление материала.

Стабильность также имеет существенное значение в тех случаях, когда осажденный материал нанесен на ранее осажденный слой, на котором вытравлен рисунок, такой как электрическая схема. После удаления перекрывающего слоя до уровня ранее осажденного протравленного слоя важно, чтобы эрозия больше не продолжалась, так чтобы зоны оставшегося материала между вытравленными участками предыдущего слоя не подвергались дополнительной эрозии, что известно как образование впадин. Если избирательность удаления между предыдущим и перекрывающим слоями отличается и скорость удаления перекрывающего слоя высока, то существует большая вероятность образования впадин, что, само собой разумеется, приводит к образованию поверхности с низкой планарностью (с плохой плоскостностью), на которую затем может быть осажден последующий слой.

Для оценки потенциала ХМП для конкретного абразива были проведены тесты двух типов, первый из которых был предназначен для оценки избирательности удаления, а второй - для оценки потенциала образования впадин.

Тесты на избирательность проводились на образцах, поверхность которых подвергалась планаризации, причем она образована слоем меди или представляет собой изолирующий слой диоксида кремния (который далее именуется оксидным слоем). Образцы были изготовлены путем осаждения слоя оксида толщиной 10000 ангстрем (10×10^-7 м) на кремниевую подложку полупроводникового качества, которая предварительно была тщательно очищена. В результате получили оксидный образец для оценки скорости удаления (оксида). Планаризованные версии этих образцов с оксидным слоем получили за счет адгезии слоя титана толщиной 400 ангстрем (4×10^-8 м) с последующим слоем меди толщиной 10000 ангстрем (10×10^-7 м). Полученная поверхность меди была использована для оценки скорости удаления меди.

Тесты на образование впадин проводили на образцах с кремниевой подложкой, на которую наносили указанный выше слой оксида, но с толщиной 16000 ангстрем (16×10⁷ м). Проводили планаризацию слоя оксида и затем его травили для создания рисунка (рельефа) с глубиной 2200 ангстрем (2,2×10⁷ м). Поверх этого протравленного слоя осаждали слой меди толщиной 10000 ангстрем (10×10^-7 м). После этого проводили планаризацию медной поверхности до тех пор, пока не открывалась (не обнажалась) оксидная поверхность, после чего производили оценку глубины полученных впадин.

Пример 1. Оценка избирательности

Было проведено сравнение ХМП суспензии в соответствии с настоящим изобретением с двумя имеющимися в продаже суспензиями оксида алюминия при удалении меди или оксида на образцах, приготовленных в соответствии с ранее описанным.

В каждом случае брали 2000 г суспензии оксида алюминия, которая содержит 10 вес.% твердых веществ, и перемешивали с 250 мл 30% раствора пероксида водорода и 4 г бензотриазола (которые были закуплены на фирме VWR Scientific Products). Добавляли деионизированную воду для доведения окончательного веса суспензии до 4000 г.

Три полученных суспензии затем были оценены на лабораторном полировальном станке. В тестах на полирование использовали пакетный перфорированный полировальник типа Rodel IC1400. Давление полирования составляло 34,5 КПа (5 psi), относительная скорость поверхности заготовки составляла около 1,2 м/с, причем использовали скорость течения суспензии 100 мл/мин. Скорость удаления материала (MRR) измеряли с использованием весов с воспроизводимостью ±10 мкг, которую переводили в ангстремы в минуту (м/мин). Получили следующие скорости удаления для трех материалов (см. табл.1).

Оксид алюминия, использованный в Сравнении-1, был закуплен на фирме Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. (код изделия SL 9245). Размер частиц был порядка 100 нм или около того с наличием диапазона широких частиц. Частицы были получены при помощи описанного выше процесса в соответствии с патентом США № 4657754.

Оксид алюминия, использованный в Сравнении-2, представляет собой "Product Code Masterprep", закупленный на фирме Buehler Limited. Можно полагать, что в основном он состоит из гамма-оксида алюминия.

Оксид алюминия, использованный в тесте Изобретение-1 (микрофотография показана на фиг.1), был получен при помощи описанного здесь выше способа производства нано-оксида алюминия. Показанная на фиг.2 рентгеновская дифракционная картина нано-оксида алюминия свидетельствует о том, что содержание альфа-оксида алюминия превышает 80%. Точное содержание оценить сложно, так как пик, связанный с переходной формой тета-оксида алюминия, трудно разделить от двух смежных пиков альфа-оксида алюминия. Нано-оксид алюминия содержит 2 вес.% диоксида кремния в виде покрытия вокруг частиц. Диоксид кремния был добавлен в дисперсию бемита и частицы бемита с покрытием из диоксида кремния затем были подвергнуты обжигу при 1150-1200°С в течение 10 часов, после чего частицы были охлаждены до комнатной температуры и размолоты с использованием средства из диоксида циркония в течение 27 часов в мельнице Sweco с полиуретановой облицовкой. Приведенные данные показывают, что скорость удаления при более мелких частицах снижается по сравнению с частицами альфа-оксида алюминия большего размера, однако избирательность полностью сохраняется. Таким образом, в момент удаления материала до точки, в которой открывается предыдущий слой, возможно точно остановить процесс полирования и обеспечить соответствующую планаризацию.

Изделие из гамма-оксида алюминия обеспечивает высокие скорости удаления, но обладает низкой избирательностью между медью и оксидом. Только изделие из нано-оксида алюминия позволяет производить контролируемое устойчивое удаление при сохранении избирательности.

Пример 2. Оценка образования впадин.

Для тех же трех видов оксида алюминия примера 1 была проведена оценка образования впадин описанным выше образом. Формат теста полностью соответствует описанному в примере 1, за исключением того, что испытуемый материал (заготовка) представляет собой описанное выше слоистое изделие, а конечной точкой (удаление) считали первый момент одновременного появления как металла, так и изоляционного оксидного материала. Измерение впадин производили при помощи профилометра, полученного от фирмы Tencor Corporation. Измеряли глубину впадин между смежными элементами, которые имеют переменную высоту от 5 до 45 мкм. Глубину впадин для каждого образца усредняли, при этом получили следующие результаты:

СРАВНЕНИЕ-1 - 220 Е (2,2×10^-8 м);

СРАВНЕНИЕ-2 - 200 Е (2,0×10^-8 м);

ИЗОБРЕТЕНИЕ-1 - 120 Е (1,2×10^-8 м).

Полученные результаты говорят о том, что эффект образования впадин для нано-оксида алюминия намного менее выражен, чем при использовании других ранее известных видов оксида алюминия.

Пример 3

В этом примере при использовании тех же видов оксида алюминия примера 1 произведена оценка ХМП суспензии, которая содержит 97 г азотно-железной соли и 0,5 г бензотриазола, растворенных в 2000 г деионизированной воды. В этот раствор добавили 2000 г 10% дисперсии оксида алюминия в деионизированной воде. Характеристики использованных видов оксида алюминия приведены в табл.2.

Оксид алюминия, использованный в Сравнении-3, был закуплен на фирме Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. (код изделия SL 9245). Размер частиц был порядка 100 нм или около того с наличием диапазона широких частиц. Частицы были получены при помощи описанного выше процесса в соответствии с патентом США № 4657754. Этот же оксид алюминия был использован в Сравнении-1.

Оксид алюминия, использованный в Сравнении-4, представляет собой "Product Code Masterprep", закупленный на фирме Buehler Limited. Можно полагать, что в основном он состоит из гамма-оксида алюминия. Этот же оксид алюминия был использован в Сравнении-2.

Использованный нано-оксид алюминия аналогичен использованному в примере 1 (Изобретение-1), причем он был получен при помощи описанного здесь выше способа производства нано-оксида алюминия. Однако он содержит ориентировочно 5 вес.% диоксида кремния в виде покрытия вокруг частиц. Диоксид кремния был добавлен в дисперсию бемита и частицы бемита с покрытием из диоксида кремния затем были подвергнуты обжигу при 1150-1200°С в течение 10 часов, после чего частицы были охлаждены до комнатной температуры и размолоты с использованием средства из диоксида циркония в мельнице Drais с полиуретановой облицовкой до тех пор, пока не получили порошок с BET площадью поверхности более 80 м² /г.

Приведенные данные показывают, что скорость удаления при более мелких частицах снижается по сравнению с частицами альфа-оксида алюминия большего размера или по сравнению с частицами гамма-оксида алюминия (для которых скорости удаления практически одинаковы), однако соответствующая избирательность полностью сохраняется. Таким образом, в момент удаления материала до заданной точки, например, до такой, в которой открывается предыдущий слой, возможно точно остановить процесс полирования и обеспечить соответствующую планаризацию.

Группа изобретений относится к химико-механической планаризации (ХМП) для удаления слоя металла при незатронутой поверхности непроводящего материала при подготовке полупроводниковых изделий. Способ химико-механической планаризации предусматривает полирование подложки, содержащей металл и непроводящий материал, при использовании абразива, который представляет собой порошок оксида алюминия, в котором частицы порошка оксида алюминия имеют покрытие из диоксида кремния, причем порошок имеет ВЕТ площадь поверхности, составляющую по меньшей мере 50 м²/г, при этом содержание оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес. %, а содержание альфа оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес. %, причем по меньшей мере 90% частиц оксида алюминия имеют максимальную ширину не более 50 нм, при этом менее 10% частиц имеют максимальный размер, превышающий 100 нм. Также описаны суспензия и абразив для ХМП. Достигается требуемая степень удаления слоя металла без ухудшения характеристик полупроводника. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ химико-механической планаризации, который предусматривает полирование подложки, содержащей металл и непроводящий материал, отличающийся тем, что он предусматривает использование суспензии абразива в жидкой среде, при этом абразив содержит порошок оксида алюминия, в котором частицы порошка оксида алюминия имеют покрытие из диоксида кремния, порошок имеет ВЕТ-площадь поверхности, составляющую по меньшей мере 50 м²/г, при этом содержание оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, в котором содержание альфа-оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, причем по меньшей мере 90% частиц оксида алюминия имеют максимальную ширину не более 50 нм, а менее 10% частиц имеют максимальный размер, превышающий 100 нм.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание альфа-оксида алюминия в порошке оксида алюминия составляет по меньшей мере 95%.3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание диоксида кремния в абразиве из оксида алюминия составляет от 1 до 8 вес.%.4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что абразив из оксида алюминия подают на обрабатываемую деталь в виде суспензии, которая содержит от 2 до 7 вес.% оксида алюминия.5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что абразив из оксида алюминия подводят к обрабатываемой детали в виде фиксированного абразива, который содержит абразивные частицы, диспергированные в отвержденной полимерной матрице.6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что фиксированный абразив имеет профильную поверхность с множеством имеющих определенную форму структур.7. Суспензия для осуществления химико-механической планаризации, содержащая окислительную жидкую среду и порошок оксида алюминия, в котором частицы порошка оксида алюминия имеют покрытие из диоксида кремния, причем порошок имеет ВЕТ-площадь поверхности, составляющую по меньшей мере 50 м²/г, при этом содержание оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, в котором содержание альфа-оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, причем по меньшей мере 90% частиц имеют максимальную ширину от 20 до 50 нм, а менее 10% частиц имеют максимальный размер, превышающий 100 нм.8. Абразив для использования в химико-механической планаризации, отличающийся тем, что он имеет рабочую поверхность, которая содержит множество имеющих определенную форму структур, полученных за счет отверждения дисперсии абразивных частиц из оксида алюминия в отверждаемом полимере, причем абразивные частицы из оксида алюминия имеют покрытие из диоксида кремния, при этом указанные частицы имеют ВЕТ-площадь поверхности, составляющую по меньшей мере 50 м²/г, причем содержание оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, в котором содержание альфа-оксида алюминия составляет по меньшей мере 90 вес.%, при этом по меньшей мере 90% частиц имеют максимальную ширину от 20 до 50 нм, а менее 10% частиц имеют максимальный размер, превышающий 100 нм.