DE19927286A1 - Schleiflösung und Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren einer Edelmetall-Oberfläche - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schleiflösung und ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren einer Edelmetall-Oberfläche, wobei durch den Zusatz eines Komplexbildners die Inertheit der Edelmetall-Oberfläche wirksam herabgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schleiflösung und ein Verfahren zum chemisch mechanischen Polieren einer Edelmetall- Oberfläche, bei dem eine verbesserte Abtragsrate erzielt wird.

In herkömmlichen DRAM-Speicherbausteinen kommt als Speicher­ dielektrikum Siliziumoxid/Siliziumnitrid zum Einsatz. Die im­ mer weitere Zunahme der Speicherdichte bei DRAM- Speicherbausteinen sowie die Entwicklung von sogenannten nichtflüchtigen Speichern (FRAM = Ferroelectric Random Access Memory) erfordert den Einsatz von neuartigen para- oder fer­ roelektrischen Speicherdielektrika. Beispielsweise kommen Ba­ riumstrontiumtitanat (BST, (Ba, Sr)TiO₃) oder Bleizirkonat (PZT, Pb,(Zr, Ti)O₃ oder auch Strontiumbismuttantalat (SBT, SrBi₂Ta₂O₉) zum Einsatz.

Leider bedingt die Verwendung der neuen Para- und/oder Ferro­ elektrika auch die Verwendung neuer Elektroden- und/oder Bar­ rierematerialien. Wegen ihrer guten Oxidationsbeständigkeit und/oder der Ausbildung elektrisch leitfähiger Oxide gelten 4d und 5d Übergangsmetalle, insbesondere Platinmetalle (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) sowie deren Oxide als aussichtsreiche Kandidaten, die dotiertes Silicium/Polysilicium als Elektro­ denmaterial und z. B. Titannitrid als Barrierematerial erset­ zen können. Insbesondere Platin selbst wird bei der Entwick­ lung innovativer DRAM und FRAM-Speicher vielfach als Elektro­ denmaterial eingesetzt.

Es hat sich herausgestellt, daß diese chemisch sehr inerten Elektrodenmaterialien mit den bisher bekannten herkömmlichen Schleiflösungen (Slurry) zum chemisch mechanischen Polieren (chemo mechanical polishing, CMP) einer Edelmetalloberfläche, die Schleifteilchen wie z. B. Al₂O₃, SiO₂ und/oder Ceroxid etc. enthalten und mit organischen Flüssigkeiten wie Glycerin und/oder Polyalkoholen oder Glycerin/Polyalkohol/Wasser Gemi­ schen eine Suspension bilden, nur sehr schwer zu polieren sind. Dies kommt daher, daß der Poliervorgang hier in erster Linie auf mechanische Weise erfolgt wodurch nur ein geringer Abtrag erreicht wird. Derartige Schleiflösungen sind bei­ spielsweise aus US 5,527,423; US 5,728,308; US 5,244,534; US 5,783,489; Hoshino et al., "Chemical-Mechanical Polishing of Metalorganic Chemical-Vapor-Deposited Gold for LSI Intercon­ nection", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993), S. L392-L394 sowie aus dem Fachbuch von Steigerwald et al., "Chemical Me­ chanical Planarization of Microelectronic Materials", Wiley 1997 bekannt.

Allgemein wird bei bekannten Schleifenverfahren für unedlere Metalloberflächen (wie z. B. Wolfram) der Slurry noch ein Oxi­ dationsmittel zugesetzt, um die Metalloberfläche zu oxidieren und so durch eine zusätzliche chemische Komponente den Po­ liervorgang zu beschleunigen. Bei den genannten neuen Elek­ trodenmaterialien sind die herkömmlichen Slurries wegen deren niedriger Abtragsrate praktisch nicht verwendbar, weil die zu schleifende Oberfläche chemisch inert ist und die zuge­ setzten Oxidationsmittel, wenn überhaupt, nur sehr langsam abreagieren. Der Abtrag erfolgt so in erster Linie auf mecha­ nische Weise. Dies kann aufgrund des geringen Abtrags zu sehr langen Prozesszeiten führen, bis - beispielsweise - eine Planarisierung einer Elektrode für eine Gigabit DRAM Spei­ cherzelle mit CMP durchgeführt ist. Ferner besteht die Gefahr der Bildung von Defekten (Kratzer) auf der zu polierenden Oberfläche.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Schleiflösung und ein Verfahren zum chemisch mechanischen Po­ lieren einer Edelmetalloberfläche mit verbesserten Abtragsra­ ten zur Verfügung zu stellen.

Gegenstand der Erfindung ist deshalb eine Schleiflösung zum chemisch mechanischen Polieren einer Edelmetalloberfläche, die neben Schleifpartikeln in organischer und/oder wässriger Suspension noch ein Oxidationsmittel und/oder einen Komplex­ bildner enthält. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum chemisch mechanischen Polieren einer Edelme­ talloberfläche, bei dem das Oxidationspotential des Edelme­ talls in der Schleiflösung über die Verschiebung des Gleich­ gewichts zwischen dem Edelmetall in elementarer und in iono­ gener (komplexierter) Form erniedrigt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Oxidationsmittel zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe Sauerstoff, Ozon, Wasserstoffperoxid und Per­ oxodisulfat, Hypochlorit, Chlorat, Perchlorat, Bromat, Jodat, Permanganat, Chromat, Eisen(III)verbindungen, wie z. B. Fe(A)₃ mit A = F, Cl, Br, J, (NO₃) und/oder Fe₂(SO₄)₃, K₃Fe(CN)₆; Cer(IV)verbindungen, wie z. B. Ce(SO₄)₂, Ce(NO₃)₄; Königswas­ ser, Chromschwefelsäure eingesetzt. Manche Oxidationsmittel können auch in Kombination als Gemisch eingesetzt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung wird als Komplexbildner Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), ein Kronenether, ein stickstoffhaltiger Makrocyclus, wie z. B. ein Derivat des 1,4,8,11-Tetraazacyclotetradecans, Zitronensäure, Chlorid, Bromid und/oder Cyanid (die drei letzten in Form eines ihrer Salze) eingesetzt. Auch Phospha­ ne, Phosphonate und Phosphinate sind als Komplexbildner für stabile Edelmetallkomplexe, die gebraucht werden, damit sich das Reaktionsgleichgewicht verschiebt, einsetzbar.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Schleif­ lösung zusätzlich noch Tenside, die die Oberflächenspannung der Lösung herabsetzen und damit die Reinigung der polierten Oberflächen erleichtern. Die Tenside haben keinen Einfluß auf die gebildeten Komplexe, sie können jedoch die Benetzbarkeit der zu polierenden Oberflächen erhöhen so daß Komplexbildner sowie Oxidationsmittel besser mit der Metalloberfläche bzw. mit mechanisch von der Oberfläche entfernten Metallteilchen in Kontakt treten können.

Bei dem Verfahren wird durch Einsatz geeigneter Komplexbild­ ner das Gleichgewicht zwischen dem Edelmetall in elementarer Form und seinen Ionen in der Lösung zugunsten der Neubildung von Ionen (z. B. Pt²⁺) verschoben. Das Oxidationspotential des Edelmetalls in der Lösung wird durch die Veringerung der Me­ tallionenkonzentration durch Komplexierung abgesenkt, so wie das z. B. bei der Auflösung metallischen Goldes durch Cyanid­ lauge geschieht. Bei einem Edelmetall mit erniedrigtem Oxida­ tionspotential ist eine chemisch mechanische Politur schnel­ ler abgeschlossen, weil eine Reaktion der Oberfläche sowie abgetragener Teilchen des Edelmetalls mit dem eingesetzten Oxidationsmittel schneller abläuft oder erst ermöglicht wird. Ferner wird der Einsatz von schwächeren, weniger aggressiven Oxidationsmitteln möglich. Dies wiederum wirkt sich u. U. vor­ teilhaft auf die Lebensdauer von Anlagen sowie Arbeitsschutz­ maßnahmen aus.

Die Komplexbildner halten ferner das abgetragene Edelmetall in Lösung, so daß Redepositionen des abgetragenen Metalls oder von Metallverbindungen verhindert werden.

Die Wahl des Komplexbildners ist von der Art der zu polieren­ den Oberfläche abhängig. Der Komplexbildner soll die Metalla­ tome, die an der Oberfläche des zu polierenden Elements sit­ zen, sowie abgetragene Metallatome schnell und dauerhaft (als Metallionen) binden.

Zu jedem Edelmetall und jeder Edelmetallegierung, die vorlie­ gend als Material des zu polierenden Elements in Frage kom­ men, gibt es in der Literatur viele Angaben über gute Kom­ plexbildner in saurem oder basischem Milieu. Seit langem be­ währt sind mehrzähnige Liganden (wie z. B. das EDTA), die über den Chelateffekt geeignet sind, Metallionen schnell und dau­ erhaft in Lösung zu halten.

Der gebildete Komplex und der freie Komplexbildner sind inert und gut löslich in der Schleiflösung zum chemisch mechani­ schen Polieren einer Edelmetalloberfläche.

Unter der Bezeichnung "Edelmetall" wird vorliegend nicht nur ein reines Edelmetall (Ag, Au, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) ver­ standen, sondern jedes Metall und/oder jede Legierung mit ei­ nem Normalpotential an der Oberfläche unter Standard- Bedingungen von größer/gleich Null. Insbesondere gedacht ist an Platin und Iridium, z. B. beim Einsatz als Elektroden und/oder Barrierematerialien in Gigabit DRAM Speicherzellen und/oder bei der Entwicklung von nichtflüchtigen FRAM Spei­ chern (FRAM = Ferroelectric Random Access Memory).

Claims (5)

1. Schleiflösung zum chemisch mechanischen Polieren einer Edelmetalloberfläche, die neben Schleifpartikeln in organi­ scher und/oder wässriger Suspension noch ein Oxidationsmittel und/oder einen Komplexbildner enthält.

2. Schleiflösung nach Anspruch 1, die als Oxidationsmittel Sauerstoff, Ozon, Wasserstoffperoxid, Peroxodisulfat, Hypo­ chlorit, Chlorat, Perchlorat, Bromat, Jodat, Permanganat, Chromat, Eisen(III)verbindungen, Königswasser und/oder Chrom­ schwefelsäure enthält.

3. Schleiflösung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die als Komplexbildner Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), einen Kronenether, stickstoffhaltige Makrocyclen, Zitronensäure, Chlorid, Bromid und/oder Cyanid enthält.

4. Schleiflösung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die noch ein Tensid enthält.

5. Verfahren zum chemisch mechanischen Polieren einer Edelme­ talloberfläche, bei dem das Oxidationspotential des Edelme­ talls in der Schleiflösung über die Verschiebung des Gleich­ gewichts zwischen dem Edelmetall in elementarer und in iono­ gener und/oder komplexierter Form erniedrigt wird.