CN1398944A - 化学机械研磨浆液组合物及其使用方法 - Google Patents

化学机械研磨浆液组合物及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明是提供一种用于半导体加工中的化学机械研磨浆液组合物，其包含70至99.5重量％的水性介质；0.1至25重量％的研磨颗粒；0.01至1重量％作为腐蚀抑制剂的三唑化物；及0.001至1重量％的水溶性氯子源。本发明研磨浆液组合物中所含水溶液氯离子，可于研磨过程中，磨穿因回火处理而于铜薄膜表面所产生的致密层，以及降低研磨后的铜残留量。本发明的化学机械研磨浆液组合物可进一步包含氧化剂。本发明亦关于该组合物用于研磨半导体晶圆表面的方法。

Description

化学机械研磨浆液组合物及其使用方法
发明领域
本发明是涉及一种化学机械研磨浆液组合物。本发明的研磨浆液组合物可有效应用于半导体晶圆表面的研磨。
背景技术
化学机械研磨技术(简称CMP)是为解决集成电路制造时因镀膜高低差异而导致显微照相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。
美国专利第5,225,034号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圆上的铜层，以制造晶圆上的铜线。
美国专利第5,209,816号公开一种使用化学机械研磨浆液以将含Al或Ti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号涉及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及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。
美国专利第5,391,258号公开一种用于磨光含硅、硅石或硅酸盐的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号涉及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号涉及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螫合盐(例如，EDTA铁铵)、及供该盐使用的溶剂。
美国专利第5,336,542号公开一种磨光组合物，其包括氧化铝研磨颗粒，及一选自多胺基羧酸(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号公开一种用于例如钨或氮化钨薄膜的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。
美国专利第5,516,346号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揭示一种化学机械磨光浆液，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圆及CMP加工设备，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，降低集成电路的可靠性。
在集成电路加工中，Ta或TaN薄膜常被用来提升铜对氧化硅绝缘层的粘着性，另外，Ta或TaN薄膜也被用作为隔膜的金属。理论上，Ta或TaN的移除速率应与Cu的移除速率相近，但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者，同时，由于隔膜难以磨除，常导致铜线凹陷的问题。
此外，在此铜加工中，铜薄膜会经过回火(annealing)处理而易于铜薄膜上产生一层致密的氧化铜。而且由于CMP加工存在的均匀性问题；当晶圆上部份的铜已磨除且开始产生凹陷时，经常在晶圆上还会残留有不需要的铜。因此，如何快速去除铜残留物以降低铜线凹陷，并加速产能是CMP加工极需克服的一大课题。
综上所述，半导体加工技艺中，仍亟寻求更为经济、更具效能且能减少上述缺点的化学机械研磨组合物。
发明内容
本发明是提供一种用于半导体加工中的化学机械研磨浆液组合物，其包含70至99.5重量％的水性介质；0.1至25重量％的研磨颗粒；0.01至1重量％作为腐蚀抑制剂的三唑化物；及0.001至1重量％的水溶性气离子源。本发明研磨浆液组合物中所含水溶液氯离子，可于研磨过程中，磨穿因回火处理而于铜薄膜表面所产生的致密层，以及降低研磨后的铜残留量。本发明的化学机械研磨浆液组合物可进一步包含氧化剂。本发明亦关于该组合物用于研磨半导体晶圆表面的方法。
具体实施方式
本发明的化学机械研磨浆液组合物，包含70至99.5重量％且优选80至99.5重量％的水性介质；0.1至25重量％，优选0.5至15重量％，更优选0.5至10重量％，及最优选0.5至5重量％的研磨颗粒；0.01至1.0重量％，优选0.01至0.5重量％，及更优选0.05至0.2重量％的腐蚀抑制剂；及0.001至1重量％，优选0.01至0.5重量％，更优选0.02至0.1重量％的水溶性氯离子源。本发明的化学机械研磨浆液组合物可进一步包含0.1至5重量％的氧化剂。
由下文中根据本发明的实施例得知，在研磨浆液组合物中添加气离子可以磨穿铜表面的致密层并降低铜残留量。任何可于水性介质中解离出氯离子的含氯化合物，皆可用于本发明的研磨浆液组合物中作为水溶性氯离子源，例如氯化氢、氯化铵、二甲基胺盐酸盐、氯化四甲基铵、以及氢氯化半卡肼等。
根据本发明，研磨浆液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，因此通用于研磨组合物中作为研磨颗粒。
本发明研磨浆液组合物的水性介质的选用，对熟习此项技术者而言，是显而易知的，例如在制备过程中，可使用水，优选是使用去离子水以使研磨组合物呈浆液状。
根据本发明，研磨浆液组合物所使用的腐蚀抑制剂是为三唑化物，可选自苯并三唑、三聚氰酸、1，2，3-三唑、3-胺基-1，2，4-三唑、3-硝基-1，2，4-三唑、波沛得(purpald)、苯并三唑-5-羧酸、3-胺基-1，2，4-三唑-5-羧酸、1-羟基苯并三唑、以及硝基苯并三唑；优选是使用苯并三唑。
根据本发明，研磨浆液组合物所使用的氧化剂是化学机械研磨技艺中所已知的成份，其可选自H2O2、Fe(NO3)3、KIO3、CH3COOOH、以及KMnO4；优选是使用H2O2。
根据本发明的优选具体实施例，去离子水为80至99.5重量％时，浆液的固体含量为0.5至15重量％，优选为0.5至10重量％，及更优选为0.5至5重量％。然后将如上文所述的各组份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。
本发明亦涉及一种研磨半导体晶圆表面的方法，其是包括于晶圆表面上施用根据本发明的化学机械研磨浆液组合物。
以下实施例将对本发明作进一步的说明，只是非用以限制本发明的范围，任何熟习此项技术的人士可轻易达成的修饰及改变，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：2psi
背压：0.5psi
温度：25C
主轴转速：93rpm
台板转速：87rpm
垫座型式：IC1000，k-grv.
浆液流速：250毫升/分钟
C.晶片：铜薄膜，购自Silicon Valley Microelectonics.lnc.，其是于8寸硅晶圆上淀积1000A氧化硅的热氧化物、300的PVD-T与10000±5％的PVD铜薄膜。
并将此铜晶圆置于100℃的烘箱中作回火处理。
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＝电阻是数
其中T为薄膜厚度()及R为片电阻(Q/cm2)，对各种金属薄膜而言，电阻系数(Ω/cm)是一常数。
本发明是采用KLA-Tencor公司的RS75型机器测定金属层的膜厚。磨光速率的测定方法是先以上述RS75型机器测得金属层膜厚T1，分别以实施例中所得浆液研磨1分钟后，以固态仪器公司(Solid StateEquipment Corporation)的Evergreen Model 10X型机器清洗晶圆，之后，将晶圆吹干。再以RS75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
以胶态硅石作为研磨颗粒来配制浆液。
浆液组成如下：
胶态硅石：2.0重量％；
苯并三唑(BTA)：0.1重量％；
其余含量为调整pH值的氨水或硝酸及去离子水。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表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0.2重量％的硝酸。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时问如表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0.2重量％的磷酸。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表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0.2重量％的硫酸。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。
实施例5
制备与实施例1所述相同组成的浆液，但额外添加0.2重量％的氯化氢。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。
实施例6
制备与实施例1所述相同组成的浆液，但额外添加0.2重量％的氯化铵。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。
实施例7
制备与实施例5所述相同组成的浆液，只是以氧化铝取代胶态硅石作为研磨颗粒。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。
实施例8
制备与实施例5所述相同组成的浆液，只是将pH值调整为5到6之间。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。
实施例9
制备与实施例5所述相同组成的浆液，只是将pH值调整为2到3之间。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。
实施例10
制备与实施例5所述相同组成的浆液，只是将氯化氢的用量改为0.05重量％。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。实施例11
制备与实施例5所述相同组成的浆液，只是以0.1重量％的二甲基胺盐酸盐取代氯化氢。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。
实施例12
制备与实施例5所述相同组成的浆液，只是以0.1重量％的氯化四甲基铵取代氯化氢。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。
实施例13
制备与实施例5所述相同组成的浆液，只是以0.1重量％的氢氯化半卡肼取代氯化氢。
所得研磨浆液的研磨速率与磨穿致密层时间如表1所示。
                                           表1
实施例 研磨颗粒种类 固含量(重量％)     添加物及其含量(重量％) pH值   磨穿致密层时间(秒) 铜研磨速度(/分钟)
    1 胶态硅石     2     苯并三唑(0.1％)   3-4   无法磨穿     0
    2 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)HNO3(0.2％)   3-4   无法磨穿     0
3 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)H3PO4(0.2％) 3-4 无法磨穿 0
4 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)H3SO4(0.2％) 3-4 无法磨穿 0
5 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)HCl(0.2％) 3-4 15     2730
6 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)NH4Cl(0.2％) 3-4 25     1693
7 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)HCl(0.2％)   3-4   10     4270
8 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)HCl(0.2％) 5-6 20 1872
9 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)HCl(0.2％) 2-3 10 5325
10 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)HCl(0.05％) 3-4 15 4022
11 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)二甲基胺盐酸盐HN(CH3)2-HCl(0.1％) 3-4 20 1677
12 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)氯化四甲基铵N(CH3)4 +Cl-(0.1％) 3-4 25 1260
13 胶态硅石 2     苯并三唑(0.1％)氢氯化半卡肼N2NNH-C(＝O)NH2＝HCl(0.1％) 3-4 25 1932
注：(1)由实施例1-5知，添加氯化氢后即可磨穿铜晶圆表面的致密层。
(2)由实施例5-6知，扮演重要角色的是氯离子。
(3)由实施例5与7知，氯离子的添加均适用于以胶态硅石及氧化铝作为研磨颗粒的研磨液。
(4)由实施例7-13知，氯离子是磨穿铜表面致密层主要的物质。

Claims (12)

1、一种化学机械研磨浆液组合物，其包含70-99.5重量％的水性介质；0.1-25重量％的研磨颗粒；0.01-1.0重量％作为腐蚀抑制剂的三唑化物；0.001-1.0重量％的水溶性氯离子源，及0.1-5重量％的氧化剂。
2、根据权利要求1的化学机械研磨浆液组合物，其中研磨颗粒是选自SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2、Si3N4、或其混合物。
3、根据权利要求1的化学机械研磨浆液组合物，其是包含0.5-15重量％的研磨颗粒。
4、根据权利要求3的化学机械研磨浆液组合物，其是包含0.5-10.0重量％的研磨颗粒。
5、根据权利要求1的化学机械研磨浆液组合物，其是包含0.01-0.5重量％的氯离子源。
6、根据权利要求5的化学机械研磨浆液组合物：其是包含0.02-0.1重量％的氯离子源。
7、根据权利要求1的化学机械研磨浆液组合物，其中该三唑化物是选自苯并三唑、三聚氰酸、1，2，3-三唑、3-胺基-1，2，4-三唑、3-硝基-1，2，4-三唑、波沛得(purpald)、苯并三唑-5-羧酸、3-胺基-1，2，4-三唑-5-羧酸、1-羟基苯并三唑、以及硝基苯并三唑。
8、根据权利要求7的化学机械研磨浆液组合物，其中该三唑化物是苯并三唑。
9、根据权利要求1的化学机械研磨浆液组合物，其中该氧化剂是选自H2O2、Fe(NO3)3、KIO3、CH3COOOH、以及KMnO4。
10、根据权利要求9的化学机械研磨浆液组合物，其中该氧化剂是H2O2。
11、根据权利要求1的化学机械研磨浆液组合物，其中该水溶性氯离子源是选自氯化氢、氯化铵、二甲基胺盐酸盐、氯化四甲基铵、以及氢氯化半卡肼等。
12、一种用于研磨半导体晶圆表面的方法，其包括于晶圆表面而上施用如权利要求1至11项中任一项的化学机械研磨浆液组合物。
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Granted publication date: 20040818

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