CN101580700A - 化学机械研磨的组成物 - Google Patents

Abstract

本发明化学机械研磨的组成物，该抑制剂组成物至少包含有咪唑啉类化合物或三唑类化合物或其组合物，以及肌胺酸及其盐类化合物或其组合物，该抑制剂组成物应用于化学机械研磨中，可以在维持金属层的高研磨去除率的同时，兼具抑制金属蚀刻的特性，能够减少碟陷与磨蚀等研磨缺陷。

Description

化学机械研磨的组成物

技术领域

本发明有关一种用于化学机械研磨的抑制剂组成物，目的在提供一种用于化学机械研磨组成物的抑制剂组成物，可提高加工对象的平坦化效果。

背景技术

随着电子组件的关键尺寸(Critical Dimension)愈来愈小及导线层数的急遽增加，电阻/电容时间延迟(RC Time Delay)将严重影响整体电路的操作速度。为了改善随着金属联机线宽缩小所造成的时间延迟以及电子迁移可靠性问题，所以选择电阻率低与抗电子迁移破坏能力高的铜导线材料，取代铝合金金属。然而，由于铜金属具有不易蚀刻的特性，必须改采另一种镶嵌(Damascene)方式来形成铜金属导线。

镶嵌(Damascene)方式制程有别于传统先定义金属图案再以介电层填沟的金属化制程，其方法是先在一平坦的介电上蚀刻出金属线的沟槽后，再将金属层填入，最后将多余的金属移去，而得到一具有金属镶嵌于介电层中的平坦结构。镶嵌式制程比起传统的金属化制程具有以下优点：(1)可使基底表面随时保持平坦；(2)可排除传统制程中介电材料不易填入金属导线间隙的缺点：(3)可解决金属材料蚀刻不易的问题，特别是铜金属的蚀刻。

另外，为克服传统内联机的制程中接触窗构造与导线图案需分别制作，使得整个制程步骤极其繁复的缺点，目前另发展出一种双镶嵌(dual damascene)制程，其制作过程是进行两次选择性蚀刻，分别将导线介电质(line dielectric)与介层介电质(via dielectric)蚀开后，一次做完金属层与插塞的阻障层，并一次将导电金属填入介层窗和内联机沟槽，达到简化制程步骤的效果。近年来，为配合组件尺寸缩小化的发展以及提高组件操作速度的需求，具有低电阻常数和高电子迁移阻抗的铜金属，已逐渐被应用来作为金属内联机的材质，取代以往的铝金属制程技术。铜金属的镶嵌式内联机技术，不仅可达到内联机的缩小化并且可减少RC时间延迟，同时也解决了金属铜蚀刻不易的问题，因此已成为现今多重内联机主要的发展趋势。

无论是单镶嵌或双镶嵌的铜制程，在完成铜金属的填充后都需要进行平坦化制程，以将介电层上多余的金属去除。目前，通常藉由化学机械研磨制程来达到此一目的。然而，在金属化学机械研磨的技术中，在金属层表面仍然常常发生金属碟陷(Dishing)及磨蚀(Erosion)等研磨缺陷。

金属碟陷及磨蚀现象与研磨速率及蚀刻比(RR/DER)有极大的关系，较低的蚀刻速率可确保图案凹陷处去除率低，藉此有效抑制碟陷缺陷，但在考虑单位时间的产出量下，研磨速率亦需维持于可接受范围；此外，研磨均匀度也对平坦结果有一定影响，较差的均匀度则需更多的研磨时间将铜完全磨除，因而造成更严重的金属碟陷及磨蚀现象。

为兼顾单位产出量及抑制金属碟陷及磨蚀现象，通常将铜-化学机械研磨制程，分为二个步骤。第一阶段以较快的研磨速率将大部分的铜移除，以增加单位产出量。第二阶段则以较慢的研磨速率磨除剩下的少量铜，藉以避免对凹槽内的铜造成过度磨蚀的现象。通常，二阶段的铜研磨制程，需要更换不同组成的研磨组成物，以符合不同阶段的铜研磨需求。然而，更换研磨组成物非但不利于简化制程，亦可能造成废料的增加。

美国第6,679,929号专利揭示一种研磨组成物，包括至少一种磨粒、具有至少10个碳原子的脂肪族羧酸、碱性成分、加速剂、抗蚀剂(anticorrosive)、过氧化氢、及水，该研磨组成物虽然能够降低铜金属的蚀刻速率，但对于大部分铜层(bulk copper)的移除率亦产生不利的影响。另外美国第2004/0020135号公开专利文献揭示包括二氧化硅、氧化剂、胺基酸、三唑化合物、及水的铜金属研磨组成物。然而，该专利并未揭示使用共同抑制剂，可以在维持高研磨去除率的条件下，减缓研磨组成物对于金属的蚀刻速率，而同时适用于第一与第二阶段的铜金属研磨。

发明内容

本发明的主要目的即在提供一种用于化学机械研磨的抑制剂组成物，可提高加工对象的抑制蚀刻速率。

本发明的又一目的在于提供一种同时适用于二阶段金属研磨的化学机械研磨组成物。

为达上揭目的，本发明中作为抑制剂组成物至少包含有咪唑啉类化合物或三唑类化合物或其组合物，以及肌胺酸及其盐类化合物或其组合物，其中，该咪唑啉类化合物或三唑类化合物或其组合物可以为1-H-苯并三唑，而该肌胺酸及其盐类化合物可以为N-醯基肌胺酸(N-acyl sarcosine)，该抑制剂组成物用于化学机械研磨组成物中，可于化学机械研磨时于加工对象的表面形成一层保护膜，在维持金属层的高研磨去除率的同时，兼具有效抑制蚀刻速率的特性，能够减少碟陷与磨蚀等研磨缺陷。

具体实施方式

本发明的特点，可参阅本案图式及实施例的详细说明而获得清楚地了解。

本发明化学机械研磨的组成物，该抑制剂组成物至少包含有：咪唑啉类化合物或三唑类化合物或其组合物，以及肌胺酸及其盐类化合物或其组合物，而该抑制剂组成物用于化学机械研磨组成物中，可于化学机械研磨时于加工对象的表面形成一层保护膜，以避免加工对象受到过度腐蚀，可提高加工对象的抑制腐蚀能力，该化学机械研磨组成物除了腐蚀抑制剂，还进一步包含有：磨粒、氧化剂、加速剂以及溶剂。

该磨粒的实例包括，但非限于锻烧的二氧化硅；自硅酸钠或硅酸钾水解、或硅烷水解及缩合而成的二氧化硅溶胶；沉淀或锻烧的二氧化铝；沉淀或锻烧的二氧化钛；高分子材料；及金属氧化物及高分子材料混合体(hybrid)。较佳者二氧化硅溶胶。若磨粒用量过低，不利于机械研磨，无法达到所期望的研磨去除率；另一方面，若磨粒用量过高则会加速机械研磨的效应，增加阻障层及绝缘氧化层的去除率，也容易产生表面磨蚀的研磨缺陷。于一具体实例中，该硅溶胶占组成物总重0.01至30重量％，较佳占0.1至15重量％。

就研磨铜层的化学机械研磨组成物而言，较佳使用过氧化氢作为氧化剂。通常，该氧化剂占组成物总重的0.25至5重量％，较佳占0.5至3重量％。

用于该化学机械研磨组成物的加速剂的实例包括，但非限于柠檬酸、草酸、酒石酸、组胺酸、丙胺酸、或甘胺酸。该加速剂用于促进待研磨金属，例如铜的溶解。提高研磨组成物中的加速剂添加量，有助于提升金属层的研磨去除率，适用于第一阶段的金属层研磨。然而，提高研磨组成物中的加速剂添加量，也会同时增加静态蚀刻的速率，不利于第二阶段的细微抛光。于一具体实例中，该加速剂占组成物总重的0.01至10重量％，较佳占0.1至5重量％，更佳占0.3至3重量％。

该抑制剂组成物在高研磨去除率的条件下，有效抑制静态蚀刻速率，以适用于第一阶段与第二阶段的研磨抛光制程，本发明的咪唑啉类化合物或三唑类化合物或其组合物可以为1-H-苯并三唑(1H-benzotriazole；BTA)，且其占组成物总重的0.001至1％，较佳占组成物总重的0.005至0.8％，更佳占组成物总重的0.01至0.5％，而该肌胺酸及其盐类化合物或其组合物则占组成物总重的0.0005至1％，较佳占组成物总重的0.001至0.5％，更佳占组成物总重的0.005至0.1％。

其中，该肌胺酸及其盐类的实例包括，但非限于肌胺酸(sarcosine)、

式一

(CH₃NHCH₂COOH，CAS＝107-97-1)

月桂醯肌胺酸(lauroyl sarcosine)、

式二

(C₁₅H₂₉NO₃，CAS 97-78-9)

N-醯基肌胺酸(N-acyl sarcosine)、椰油醯基肌胺酸(cocoyl sarcosine)、油醯肌胺酸(oleoyl sarcosine)、硬脂醯肌胺酸(stearoyl sarcosine)、及肉荳蔻醯肌胺酸(myristoyl sarcosine)或其锂盐、钠盐、钾盐、或胺盐等或其混合物；例如月桂醯肌胺酸钠盐(Sodium n-Lauroyl Sarcosinate)，

式三

【CH₃(CH₂)₁₀CON(CH₃)CH₂COONa，CAS 137-16-6】

或者，椰油醯基肌胺酸钠(Sodium Cocoyl Sarcosinate)

式四

(RCON(CH₃)CH₂COONa，CAS 61791-59-1)

本发明组成物可使用水作为溶剂，较佳使用去离子水作为该研磨组成物的溶剂。

以下藉由特定的具体实施例进一步说明本发明的特点与功效，但非用于限制本发明的范畴。

实施例一

根据表1所列，使用包括二氧化硅溶胶磨粒、丙胺酸、过氧化氢、1-H-苯并三唑、椰油醯基肌胺酸钠以及溶剂为水的研磨浆料组成物对照样品进行测试。

表1

研磨试验根据下列条件进行。

研磨机台：Mirra polisher(Applied Materials)

晶圆类型：8时的覆铜薄膜晶圆(Ramco Co)

研磨下压力：1.5psig以及0psig

平台转速：93rpm

载具转速：87rpm

研磨垫：IC 1010(Rodel Inc)

研浆流速：150ml/min。

该晶圆使用4点探针测量研磨的速率，其结果如表2：

表2

其中，该RR指研磨去除率(Removal Rate)，WIWNU指晶圆表面均匀度(With-in-wafer-non-uniformity)，而DER指动态蚀刻速率(Dynamic etching rate)。

根据表2结果可知，对照例1具低研磨去除率及高蚀刻速率，RR/DER比值偏低；对照例2虽然具较高RR/DER值，但是晶圆表面均匀度不佳，由此结果可知，若使用本发明的抑制剂组成物(对照例3)，可以维持铜的高研磨去除率，亦可有效降低铜的蚀刻速率，提高RR/DER值。

实施例二

根据表3所列，使用包括二氧化硅溶胶磨粒、丙胺酸、过氧化氢、1-H-苯并三唑、椰油醯基肌胺酸钠以及溶剂为水的研磨浆料组成物对照样品进行测试。

表3

研磨试验根据下列条件进行，其结果纪录于表4。

研磨机台：Mirra polisher(Applied Materials)

研磨下压力：3psig、1.5psig以及0psig

平台转速：93rpm

载具转速：87rpm

研磨垫：IC 1010(Rodel Inc)

研浆流速：150ml/min。

表4

根据表4结果可知，固定肌胺酸浓度下，研磨去除率随着苯并三唑浓度增加而降低，可获得一较佳的组成(对照例6)，具有铜的高研磨去除率，及低蚀刻速率，具有较高的RR/DER值。

本发明的技术内容及技术特点巳揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的揭示而作各种不背离本案发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的申请专利范围所涵盖。

Claims (18)

1、一种用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，该抑制剂组成物至少包含有：

咪唑啉类化合物或三唑类化合物或其组合物；以及

肌胺酸及其盐类化合物或其组合物。

2、如权利要求1所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该肌胺酸及其盐类化合物包括，但非限于肌胺酸、N-醯基肌胺酸、月桂醯肌胺酸、椰油醯基肌胺酸、油醯肌胺酸、硬脂醯肌胺酸、及肉荳蔻醯肌胺酸或其锂盐、钠盐、钾盐、或胺盐或其组合物。

3、如权利要求1所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该肌胺酸及其盐类化合物可以为肌胺酸，该肌胺酸的化学式如式一：

式一

(CH₃NHCH₂COOH，CAS＝107-97-1)。

4、如权利要求1所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该肌胺酸及其盐类化合物可以为月桂醯肌胺酸，该月桂醯肌胺酸的化学式如式二：

式二

(C₁₅H₂₉NO₃，CAS 97-78-9)。

5、如权利要求1所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该肌胺酸及其盐类化合物可以为月桂醯肌胺酸钠盐，该月桂醯肌胺酸钠盐的化学式如式三：

式三

【CH₃(CH₂)₁₀CON(CH₃)CH₂COONa，CAS 137-16-6】。

6、如权利要求1所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该肌胺酸及其盐类化合物可以为椰油醯基肌胺酸钠，该椰油醯基肌胺酸钠的化学式如式四：

式四。

7、如权利要求1所述用于化学机械研磨的抑制剂的组成物，其特征在于，其中该三唑类化合物选自1，2，4-三唑、3-胺基-1，2，4-三唑、3-硝基-1，2，4-三唑、3-胺基-1H-1，2，4-三唑-5-羧酸、1-H-苯并三唑、及5-甲基-1，2，3-苯并三唑所构成的组群。

8、如权利要求1所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该三唑类化合物可以为1-H-苯并三唑。

9、如权利要求1所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该化学机械研磨组成物进一步包含有：磨粒、氧化剂、加速剂以及溶剂。

10、如权利要求9所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该磨粒选自锻烧的二氧化硅；自硅酸钠或硅酸钾水解、或硅烷水解及缩合而成的二氧化硅溶胶；沉淀或锻烧的二氧化铝；沉淀或锻烧的二氧化钛；高分子材料；金属氧化物及高分子材料混合体所组成的组群。

11、如权利要求9所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该磨粒可以为二氧化硅溶胶。

12、如权利要求9所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该磨粒占组成物总重的0.01至30％。

13、如权利要求9所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该氧化剂可以为过氧化氢。

14、如权利要求9所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该加速剂选自柠檬酸、草酸、酒石酸、组胺酸、丙胺酸、及甘胺酸所构成的组群。

15、如权利要求9所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该加速剂占组成物总重的0.01至5％。

16、如权利要求9所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该咪唑啉类化合物或三唑类化合物或其组合物占组成物总重的0.001至1％。

17、如权利要求9所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该肌胺酸及其盐类化合物或其组合物占组成物总重的0.001至1％。

18、如权利要求9所述用于化学机械研磨的抑制剂组成物，其特征在于，其中该溶剂可以为水。