CN1125862C - 半导体加工用化学机械研磨组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于半导体加工的化学机械研磨组合物，其特征在于包含水溶性负电性化学品，该负电性化学品可于研磨过程中覆盖于金属薄膜表面，以减少化学机械研磨加工中金属线路凹陷的产生。又提供一种呈浆液形式的化学机械研磨组合物，其包含70-99.5重量%的水性介质，0.1-25重量%的研磨颗粒，0.01-2.0重量%的该研磨促进剂及0.01-1重量%的水溶性负电性化学品，并可进一步包含氧化剂以促进研磨速率。
Description
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片(wafer)表面的研磨。
化学机械研磨技术(简称CMP)是为解决集成电路(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，是将半导体晶片置于配有研磨头的旋转研磨台上，于晶片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。
美国专利5225034公开一种化学机械研磨浆液，其包含AgNO3、固体研磨物质、与选自H2O2、HOCl、KOCl、KMgO4或CH3COOOH的氧化剂。此研磨浆液是用于研磨半导体晶片上的铜层，以制造晶片上的铜线。
美国专利5209816公开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4959113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。此美国专利亦教示使用盐酸、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5391258公开一种用于磨光含硅、二氧化硅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5114437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5084071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5336542公开一种磨光组合物，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5340370公开一种用于例如钨或氮化钨薄膜之化学机械磨光的浆液，其包含供薄膜使用的氰铁酸钾氧化剂、研磨剂与水，其中该浆液具有2至4的pH值。
美国专利5516346公开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络合(complex)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公开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。
一般用来促进研磨速率的盐类含铁离子(例如Fe(NO3)3或K3Fe(CN)6)或钾离子(例如KIO3)，然而，这些金属离子会污染晶片及CMP设备，增加后续清洁的工作量并降低CMP加工设备的使用期限。此外，钾离子具有相当的可移动性，容易穿透介电层，降低IC的可靠性。
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薄膜亦可用作阻挡膜(barrier film)的金属。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。同时，由于阻挡膜难以磨除，常导致铜线凹陷的问题。
综上所述，半导体加工技艺中，仍需寻求更为经济、更具效能且能减少金属线路凹陷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中的化学机械研磨组合物，其特征在于包含水溶性负电性化学品，该负电性化学品可于研磨过程中覆盖于金属薄膜表面，以减少化学机械研磨加工中金属线路凹陷的产生。
根据本发明的一具体实施例，本发明化学机械研磨组合物可制备成浆液形式，其包含70-99.5重量％的水性介质，0.1-25重量％的研磨颗粒，0.01-2.0重量％的研磨促进剂及0.01-1重量％的水溶性负电性化学品。本发明的化学机械研磨组合物可进一步包含氧化剂以促进研磨速率。
附图的简要说明
图1代表本发明实施例所述的研磨将液于不同下压力下对铜的研磨速率所作成的函数图。
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，其特征在于包含水溶性负电性化学品。本发明所使用的负电性化学品可于研磨过程中覆盖于金属薄膜上，例如铜薄膜表面上，因此可有效地减少化学机械研磨加工中金属线路中金属线路凹陷的产生。由本申请说明书所附图1可知，由于本发明所使用的负电性化学品可于研磨过程中覆盖在金属薄膜上，当研磨浆液中添加该负电性化学品后，可抑制低压下金属的研磨速率。
本发明所使用的负电性化学品可为任何可有效覆盖于金属薄膜表面上者，其较佳系为包含丙烯酸根、磷酸根、硫酸根、或磺酸根之负电性化合物(例如，烷基磷酸根、烷基磺酸铵及烷基硫酸铵)、聚合物及/或共聚物，或此等化合物、聚合物及/或共聚物的混合物。
根据本发明一具体实施例，本发明化学机械研磨组合物可制备成浆液形式，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；0.01-2.0重量％，更佳为0.01-1.0重量％，最佳为0.1-1.0重量％的研磨促进剂及0.01-1重量％，较佳为0.03-0.5重量％，更佳为0.08-0.5重量％的水溶性负电性化学品。本发明呈浆液形式的化学机械研磨组合物可进一步包含氧化剂。
本发明研磨浆液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。
本发明研磨浆液所包含的研磨促进剂，可为加工中所已知的可用于半导体加工中促进研磨浆液的研磨速率者。根据本发明另一具体实施例，可用于本发明研磨浆液中的研磨促进剂是包含下述的结合物：(1)选自亚磷酸、亚磷酸盐、或其混合物的成份；及(2)选自氨基酸、氨基酸盐、羧酸、羧酸盐或此等酸及/或盐的混合物的成份。其中，氨基酸例如可选自氨基乙酸、肌氨酸或丙氨酸，及其中，羧酸可选自甲酸、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，可使用水以使研磨组合物制备成呈浆液状，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的功效造成不利影响的成份。本发明的组合物浆液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。
根据本发明，当研磨浆液包含80-99.5重量％的去离子水时，浆液的固体含量可为0.5-15重量％，较佳为0.5-10重量％，更佳为0.5-5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，再加入酸或碱以控制浆液的pH值在所需范围之间。
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，任何熟悉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：4psi
背压：0.5psi
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.，系于6英寸硅晶片上沉积1000氧化硅的热氧化物、300的PVD-Ta与10000±5％的PVD铜薄膜。
D.浆液：取实施例所得的浆液与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(SolidState Equipment Corporation)的Evergreen Model 10X型机器清洗晶片，之后，将晶片吹干。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
以胶态二氧化硅作为研磨颗粒来配制研磨浆液。浆液组成如下：
胶态二氧化硅：3.0重量％；
苯并三唑含量：0.1重量％；
亚磷酸：0.2重量％；
氨基乙酸：0.2重量％；
其余含量为调整pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例2
制备与实施例1所述相同组成的浆液，但额外添加0.045重量％由RHONE-POULENC公司所生产的RS-610(其是一种含磷酸根的聚合物)。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例3
制备与实施例1所述相同组成的浆液，但额外添加0.045重量％的十二烷基磺酸铵。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例4
制备与实施例1所述相同组成的浆液，但额外添加0.045重量％由RHONE-POULENC公司所生产的RE-610(其是一种含磷酸根的聚合物)。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
表1
| 研磨浆液 | 研磨颗粒种类 | 固含量％ | 负电性化学品 | pH值 | 铜研磨速率(/min) | |||
| 4psi | 3psi | 2psi | 1psi | |||||
| 实施例1 | 胶态二氧化硅 | 3 | --- | 3.5～4.0 | 5601 | 5081 | 4496 | 2864 |
| 实施例2 | 胶态二氧化硅 | 3 | RHONE-POULENC公司的RS-610 | 3.5～4.0 | 3665 | 2609 | 647 | 21 |
| 实施例3 | 胶态二氧化硅 | 3 | 十二烷基磺酸铵 | 3.5～4.0 | 4686 | 2822 | 1851 | 63 |
| 实施例4 | 胶态二氧化硅 | 3 | RHONE-POULENC公司的RE-610 | 3.5～4.0 | 4602 | 2744 | 1961 | 569 |
由表1中不同的压力对所得研磨速率所作成的图(图1)可知，本发明添加负电性化学品的研磨组合物可有效抑制金属于低压下的研磨速率，因此，可避免金属凹陷的形成。
Claims (22)
1、一种化学机械研磨浆液，其包含：
70-99.5重量％的水性介质；
0.1-25重量％的研磨颗粒；
0.01-2重量％的研磨促进剂，该研磨促进剂是包含下述成份的结合物：(1)选自亚磷酸、亚磷酸盐、或其混合物的成份；及(2)选自氨基酸、氨基酸盐、羧酸、羧酸盐或此等酸及/或盐的混合物的成份；及
0.01-1重量％的水溶性负电性化学品。
2、根据权利要求1所述的浆液，其中该研磨颗粒系选自SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2、Si3N4或其混合物。
3、根据权利要求1所述的浆液，其系包含0.5-15重量％的该研磨颗粒。
4、根据权利要求3所述的浆液，其系包含0.5-8.0重量％的该研磨颗粒。
5、根据权利要求1所述的浆液，其系包含0.03-0.5重量％的该水溶性负电性化学品。
6、根据权利要求5所述的浆液，其系包含0.08-0.5重量％的该水溶性负电性化学品。
7、根据权利要求1所述的浆液，其中该负电性化学品是包含丙烯酸根、磷酸根、硫酸根、或磺酸根的化合物、聚合物及/或共聚物，或此等化合物、聚合物及/或共聚物的混合物。
8、根据权利要求1所述的浆液，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1所述的浆液，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所述的浆液，其进一步包含氧化剂。
12、一种用于研磨半导体晶片表面的方法，其包括于该晶片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；
0.1-25重量％的研磨颗粒；
0.01-2重量％的研磨促进剂，该研磨促进剂是包含下述成份的结合物：(1)选自亚磷酸、亚磷酸盐或其混合物的成份；及(2)选自氨基酸、氨基酸盐、羧酸、羧酸盐或此等酸及/或盐的混合物的成份；及
0.01-1重量％的水溶性负电性化学品。
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％的该研磨颗粒。
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％的该研磨颗粒。
16、根据权利要求12所述的方法，其中该研磨浆液系包含0.03-0.5重量％的水溶性负电性化学品。
17、根据权利要求16所述的方法，其中该研磨浆液系包含0.08-0.5重量％的水溶性负电性化学品。
18、根据权利要求12所述的方法，其中该负电性化学品是包含丙烯酸根、磷酸根、硫酸根、或磺酸根的化合物、聚合物及/或共聚物，或此等化合物、聚合物及/或共聚物的混合物。
19、根据权利要求12所述的方法，其中该氨基酸系选自氨基乙酸、肌氨酸或丙氨酸。
20、根据权利要求12所述的方法，其中该羧酸系选自甲酸、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。
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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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHANGXING DEVELOPMENT TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: CHANGXING CHEMICAL INDUSTRY CO LTD Effective date: 20060714 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20060714 Address after: Taiwan, China Patentee after: Changxing Development Technology Co., Ltd. Address before: Taiwan, China Patentee before: Changxing Chemical Industrial Co., Ltd. |
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Granted publication date: 20031029 |
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| CX01 | Expiry of patent term |