CN1125861C - 半导体加工用化学机械研磨组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明系提供一种用于半导体加工中的化学机械研磨组合物，其包含作为研磨促进剂的亚磷酸及/或其盐类。本发明化学机械研磨组合物可调配成浆液形式，该浆液系包含70-99.5重量%的水性介质，0.1-25重量%的研磨颗粒及0.01-2重量%的该研磨促进剂。本发明的化学机械研磨组合物可进一步包含研磨共促进剂，该研磨共促进剂系选自氨基酸、氨基酸盐、羧酸、羧酸盐、或此等酸及/或盐的混合物。

Description

半导体加工用化学机械研磨组合物
本发明是关于一种化学机械研磨组合物。本发明的研磨组合物可有效应用于半导体晶圆表面的研磨。
化学机械研磨技术是为解决IC制造时因镀膜高低差异而导致微影加工上聚焦的困难而开发出来的一项平坦化技术。化学机械研磨技术首先被少量应用在0.5微米元件的制造上，随着尺寸的缩小，化学机械研磨应用的层数也越来越多。到了0.25微米时代，化学机械研磨已成为主流且为必要的平坦化技术。一般而言，用于制造金属线路的研磨方法，是将半导体晶圆置于配有研磨头的旋转研磨台上，于晶圆表面施用包含研磨粒子与氧化剂的研磨浆液，以增进研磨功效。
在IC加工中，Ta或TaN薄膜常被用来提高铜对氧化硅绝缘层的粘着性，另外Ta和TaN薄膜亦可用作障壁膜。理论上，Ta和TaN的移除速率应和Cu的移除速率相近，然而Ta金属是具有高度抗化学性质的金属，由于其不易氧化，在铜加工中，Ta金属的研磨一直是技艺中最难以克服的。
美国专利第5,225,034号揭示一种化学机械研磨浆液，其包含AgNO3、固体研磨物质、与选自H2O2、HOC1、KOC1、KMgO4或CH3COOOH的氧化剂。此研磨浆液是用于研磨半导体晶圆上的铜层，以制造晶圆上的铜线。
美国专利第5,209,816号揭示一种使用化学机械研磨浆液，以将含有Al或Ti之金属层磨光的方法，其研磨浆液除包含固体研磨物质外，尚包含约0.1-20体积％的H3PO4与约1-30体积％的H2O2。
美国专利第4,959,113号系关于一种使用水性研磨组合物以磨光金属表面的方法。此水性研磨组合物包含水、研磨剂(例如CeO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、SiC、SnO2、TiC)、与一种盐类，此盐类包含元素周期表IIA、IIIA、IVA或IVB族的金属阳离子与氯离子、溴离子、碘离子、硝酸根、硫酸根、磷酸根或过氯酸根的阴离子。此美国专利亦揭示使用盐酸、硝酸、磷酸或硫酸以将其水性研磨组合物调配成pH＝1-6。
美国专利第5,391,258号揭示一种用于磨光含硅、硅石或硅酸盐之复合物的研磨组合物，其除包含研磨颗粒外，尚包含过氧化氢与邻苯二甲酸氢钾。
美国专利第5,114,437号系关于一种用于磨光铝基材的磨光组合物，其包含平均颗粒尺寸介于0.2至5μm的氧化铝磨光剂及选自硝酸铬(III)、硝酸镧、硝酸铈(III)铵或硝酸钕的磨光促进剂。
美国专利第5,084,071号系关于一种使用化学机械磨光浆液以将电子元件基材磨光的方法，其所使用的磨光浆液包含小于1重量％的氧化铝、研磨颗粒(例如，SiO2、CeO2、SiC、Si3N4或Fe2O3)、作为研磨效率促进剂的过渡金属螯合盐(例如，EDTA铁铵)、及供该盐使用的溶剂。
美国专利第5,336,542号揭示一种磨光组合物，其包括氧化铝研磨颗粒，及一选择自多氨基羧酸(例如，EDTA)或其钠或钾盐的螯合剂。此磨光组合物可进一步包含勃姆石或铝盐。
美国专利第5,340,370号揭示一种用于例如钨或氮化钨薄膜之化学机械磨光的浆液，其包含氰铁酸钾氧化剂、研磨剂与水，其中该浆液具有2至4的pH值。
美国专利第5,516,346号揭示一种用于化学机械磨光钛薄膜的浆液，其包含浓度足以与该钛薄膜错合的氟化钾与研磨剂(例如氧化硅)，其中该浆液具有低于8的pH值。
WO96/16436揭示一种化学机械研磨浆液，其包含具有小于0.400微米平均粒径的研磨颗粒、铁盐氧化剂及丙二醇与对羟基苯甲酸甲酯的水性界面活性剂悬浮液。
半导体加工技艺中，仍需寻求更为经济且更具效能的化学机械研磨组合物。
本发明系提供一种用于半导体加工的化学机械研磨组合物，其包含作为研磨促进剂的亚磷酸及/或其盐类。本发明化学机械研磨组合物可调配成浆液形式，该浆液系包含70-99.5重量％的水性介质、0.1-25重量％的研磨颗粒，及0.01-2重量％的该研磨促进剂。本发明的化学机械研磨组合物可进一步包含研磨共促进剂，该研磨共促进剂系选自氨基酸、氨基酸盐、羧酸盐或此等酸及/或盐的混合物。
本发明系提供一种用于半导体加工中的化学机械研磨组合物，其包含作为研磨促进剂的亚磷酸及/或其盐类。本发明化学机械研磨组合物可调配成浆液形式，该浆液系包含70-99.5重量％的水性介质；0.1-25重量％，较佳为0.5-15重量％，更佳为0.5-8重量％的研磨颗粒；及0.01-2重量％，较佳为0.03-1重量％，更佳为0.03-0.5重量％的该研磨促进剂。本发明的化学机械研磨组合物可进一步包含研磨共促进剂，该研磨共促进剂系选自氨基酸、氨基酸盐、羧酸、羧酸盐或此等酸及/或盐之混合物。
根据本文以下所示实施例可知，在研磨浆料中添加亚磷酸可促进研磨浆液的研磨速率；另外，当研磨浆液进一步包含氨基酸或羧酸时，可进一步提高研磨速率。而申请人发现，若研磨浆液单独添加氨基酸或羧酸时，并无法促进研磨速率。此外，由本文下述实施例亦可得知，亚磷酸较磷酸具有更佳的研磨促进功效。
根据本发明，研磨组合物所使用的研磨颗粒可为一般市售者，例如SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2、Si3N4或其混合物。此等研磨颗粒具有较高纯度、高比表面积及狭窄粒径分布等优点，因此适用于研磨组合物中作为研磨颗粒。
可用于本发明中的氨基酸或羧酸系一般市售者，例如氨基乙酸、肌氨酸、丙氨酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸及草酸。
本发明的化学机械研磨组合物可包含，例如，水作为介质。在制备过程中，可使用水以使研磨抛光组合物呈浆液状，较佳系使用熟知的去离子水。
本发明的化学机械研磨组合物尚可包含其它化学机械研磨技艺中所已知但不致对本发明研磨组合物功效造成不利影响的成份。因此，本发明化学机械研磨组合物浆液，视需要可包含研磨技艺中所已知的氧化剂，或者还可进一步包含三唑化合物及/或其衍生物，例如于铜加工中，可包含熟知研磨组合物所使用的苯并三唑及/或其衍生物，以抑制铜的快速腐蚀。
本发明研磨组合物可由一般熟知的方法制备。例如，可先将研磨颗粒加入水中，以具有高剪切力的搅拌器持续搅拌，直至研磨颗粒完全悬浮于水中形成浆液。之后，继续加入水，以使浆液中的研磨颗粒达到所需的固体含量。根据本发明，去离子水为70-99.5重量％时，浆液的固体含量为0.5-25重量％，较佳为0.5-15重量％，更佳为0.5-8重量％。然后将如上文所述的添加剂导入所得的高纯度浆液中，再加入碱以控制浆液的pH值在所需范围之间。例如，当欲研磨的金属薄膜为Cu及TaN薄膜时，将pH值控制在2.5～7之间。
以下实施例将对本发明作进一步的说明，并非用以限制本发明的范围，任何熟知此项技艺的人士可轻易达到的修饰及改变，均涵盖于本发明的范围内。
研磨测试
A.仪器：IPEC/Westech 472
B.条件：压力：5psi
背压：1.5psi
温度：25℃
主轴转速：55rpm
台板转速：50rpm
垫座型式：IC1400
浆液流速：150毫升/分钟
C.晶片：铜薄膜及氮化钽薄膜，购自Silicon ValleyMicroelectinics.Inc.，系以PVD技术于6英寸硅晶圆上沉积0.85微米±5％的铜薄膜及氮化钽薄膜。
D.浆液：取所得的浆液与30％H2O2以9∶1的体积比均匀搅拌后进行测试。
研磨测试流程：
在研磨前后，均须以膜厚测定仪测定膜的厚度。金属膜以四点探针量测薄膜的片电阻，在经以下公式换算得膜的厚度：
T×R＝电阻系数
其中T为薄膜厚度()，及R为片电阻(Ω/cm2)，对各种金属薄膜而言，电阻系数(Ω/cm)系一常数。
本发明系采用KLA-Tencor公司的RS 75型机器测定金属层的膜厚。磨光速率的测定方法系先以上述RS 75型机器测得金属层膜厚T1，分别以实施例中的浆液研磨1分钟后，以固态仪器公司(Solid StateEquipment Corpration)的Evergreen Model 10X型机器清洗晶圆，之后，将晶圆吹干。再以RS 75型机器测定金属层的膜厚T2。将T1-T2即为金属层的磨光速率。
实施例1
以煅制二氧化硅作为研磨颗粒来配制研磨浆液。浆液组成如下：
煅制二氧化硅含量：8.0重量％
亚磷酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为调整pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例2
以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下：
煅制二氧化硅含量：8.0重量％
氨基乙酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为调整pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例3
以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下：
煅制二氧化硅含量：8.0重量％
己二酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为调整pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例4
以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下：
煅制二氧化硅含量：8.0重量％
亚磷酸含量：0.2重量％
氨基乙酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为调整pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例5
以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下：
煅制二氧化硅含量：8.0重量％
亚磷酸含量：0.2重量％
己二酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为调整pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例6
以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下：
煅制二氧化硅含量：8.0重量％
亚磷酸含量：0.2重量％
甲酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为调整pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例7
以胶态二氧化硅作为研磨颗粒来配制浆液，浆液组成如下：
胶态二氧化硅含量：12.0重量％
亚磷酸含量：0.2重量％
己二酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例8
以煅制氧化铝作为研磨颗粒来配制浆液，浆液组成如下：
煅制氧化铝含量：8.0重量％
亚磷酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例9
以如实施例8所述相同方式制备浆液，其组成如下：
煅制氧化铝含量：8.0重量％
氨基乙酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例10
以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下：
煅制氧化硅含量：8.0重量％
磷酸含量：0.2重量％
氨基乙酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例11
以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下：
煅制二氧化硅含量：8.0重量％
磷酸含量：0.2重量％
己二酸含量：0.2重量％
苯并三唑含量：0.1重量％
其余含量为pH值的碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
                                      表1
  研磨浆液 研磨颗粒 固体含量(wt％)* 研磨促进剂及其含量(wt％)* pH值 铜薄膜研磨速率(/分钟) 氮化钽薄膜研磨速率(/分钟) 氮化硅薄膜研磨速率(/分钟)
实施例1 煅制二氧化硅 8 亚磷酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 3175 1076 49
实施例2 煅制二氧化硅 8 氨基乙酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 918 940 45
实施例3 煅制二氧化硅 8 己二酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 925 959 39
实施例4 煅制二氧化硅 8 亚磷酸，0.2氨基乙酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 5197 1217 52
实施例5 煅制二氧化硅 8 亚磷酸，0.2己二酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 6002 1214 47
实施例6 煅制二氧化硅 8 亚磷酸，0.2甲酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 7524 1390 148
实施例7 胶态二氧化硅 12 亚磷酸，0.2己二酸，0.2苯并三唑，0.1 5.0～5.5 6867 1877 1398
实施例8 煅制氧化铝 8 亚磷酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 4414 565 177
实施例9 煅制氧化铝 8 氨基乙酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 977 584 119
实施例10 煅制二氧化硅 8 磷酸，0.2氨基乙酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 3066 922 419
实施例11 煅制二氧化硅 8 磷酸，0.2己二酸，0.2苯并三唑，0.1 2.5～3.0 3435 938 425
*重量％

Claims (22)

1、一种用于半导体加工中的化学机械研磨浆液，包含：
70-99.5重量％的水性介质；
0.1-25重量％的研磨颗粒；及
0.01-2.0重量％的亚磷酸。
2、根据权利要求1所述的化学机械研磨浆液，其中研磨颗粒系选自SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2、Si3N4或其混合物。
3、根据权利要求1所述的化学机械研磨浆液，其系包含0.5-15重量％的研磨颗粒。
4、根据权利要求3所述的化学机械研磨浆液，其系包含0.5-8.0重量％的研磨颗粒。
5、根据权利要求1所述的化学机械研磨浆液，其系包含0.03-1.0重量％的研磨促进剂。
6、根据权利要求5所述的化学机械研磨浆液，其系包含0.03-0.5重量％的研磨促进剂。
7、根据权利要求1或2所述的化学机械研磨浆液，其进一步包含研磨共促进剂，该研磨共促进剂系选自氨基酸、氨基酸盐、羧酸、羧酸盐、或此等酸及/或盐的混合物。
8、根据权利要求7所述的化学机械研磨浆液，其中氨基酸系选自氨基乙酸、肌氨酸或丙氨酸。
9、根据权利要求7所述的化学机械研磨浆液，其中羧酸系选自甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸或草酸。
10、根据权利要求1所述的化学机械研磨浆液，其进一步包含三唑化合物及/或其衍生物。
11、根据权利要求1所述的化学机械研磨浆液，其进一步包含氧化剂。
12、一种用于研磨半导体晶圆表面的方法，其包括于该晶圆表面上施用一含下述组成的化学机械研磨浆液：
70-99.5重量％的水性介质；
0.5-25重量％的研磨颗粒；及
0.01-2.0重量％的研磨促进剂，该研磨促进剂系包含亚磷酸及/或其盐类。
13、根据权利要求12所述的方法，其中该研磨颗粒系选自SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2、Si3N4或其混合物。
14、根据权利要求12所述的方法，其中该研磨浆液系包含0.5-15重量％的研磨颗粒。
15、根据权利要求14所述的方法，其中该研磨浆液系包含0.5-8.0重量％的研磨颗粒。
16、根据权利要求12所述的方法，其中该研磨浆液系包含0.03-1.0％重量的研磨促进剂。
17、根据权利要求16所述的方法，其中该研磨浆液系包含0.03-0.5％重量的研磨促进剂。
18、根据权利要求12所述的方法，其中该研磨浆液可进一步包含研磨共促进剂，该研磨共促进剂系选自氨基酸、氨基酸盐、羧酸、羧酸盐或此等酸及/或盐的混合物。
19、根据权利要求18所述的方法，其中氨基酸系选自氨基乙酸、肌氨酸或丙氨酸。
20、根据权利要求18所述的方法，其中羧酸系选自甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、柠檬酸、酒石酸和草酸。
21、根据权利要求12所述的方法，其中该研磨浆液进一步包含三唑化合物及/或其衍生物。
22、根据权利要求12所述的方法，其中该研磨浆液进一步包含氧化剂。
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