CN1629246A - 化学机械研磨浆液及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于半导体制程中的化学机械研磨浆液，此浆液包含一种复合研磨粒子。该复合研磨粒子是由表面包覆氧化铝的基材粒子所构成。本发明进一步关于该浆液用于研磨半导体圆片的化学机械研磨方法。
Description
技术领域
本发明关于一种化学机械研磨浆液，可有效应用于半导体圆片的研磨。
背景技术
化学机械研磨技术(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)是为解决集成电路(IC)制造时，由于镀膜高低差异而导致微影制程上聚焦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少量应用在0.5微米组件的制造上，随着尺寸的缩小，化学机械研磨应用的层次也越来越多。到了0.25微米世代，化学机械研磨已成为主流，并且是必要的平坦化技术。一般而言，用于制造金属线路的研磨方法，是将半导体圆片置于配有研磨头的旋转研磨台上，在圆片表面上使用包含研磨粒子与氧化剂的研磨浆液，以增进研磨功效。
利用研磨浆液研磨半导体圆片的金属层，在过去许多专利文献中已有发现，例如，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、固体研磨物质和选自H2O2、HOCl、KOCl、KMgO4或CH3COOOH的氧化剂。此研磨浆液用于研磨半导体圆片的铜层，以制造圆片上的铜线。
美国专利第5,084,071号是关于一种使用化学机械研磨浆液将电子组件基材磨光的方法，它所使用的磨光浆液包含小于1％重量比的氧化铝、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)及该盐使用的溶剂。
美国专利第5,336,542号揭示一种磨光浆液组合物，它包括氧化铝研磨颗粒、及一种选自多胺基羧酸(例如EDTA)或其钠或钾盐的螯合剂。
上述专利所提出的研磨浆液，普遍存在研磨粒子易沉淀的缺点，且效能上也无法适应新时期研磨所要求的高磨除率及低凹陷值的要求。
此外，在铜制程中，铜薄膜会经历回火(annealing)处理，因而易于在铜薄膜上产生一层致密的氧化铜，而且由于CMP制程存在的均匀性问题，当圆片上部份的铜已磨除且开始产生凹陷时，经常在原片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提高产能，是CMP制程极需克服的一大课题。
钽(Ta)与氮化钽(TaN)为目前铜制程所使用的两种主要阻障层材料。如果在铜金属磨除步骤中，阻障层是作为研磨停止层，研磨剂对铜金属与阻障层的选择性就极为关键。由于先进的制程中阻障层进一步地薄化，使得研磨液需要更高的选择性，以便于制程的操作。
本专利发明人经广泛研究发现，利用复合研磨粒子制成的研磨浆液可以防止研磨粒子沉淀，还可有效增加金属层对TaN的选择比，并进一步防止铜凹陷的产生，有效解决上述化学研磨浆液的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于半导体制程中的化学机械研磨浆液，其特征在于含有一种复合研磨粒子。该复合研磨粒子是由表面包覆氧化铝的基材粒子所构成。
本发明的另一个目的是提供一种用于研磨半导体圆片表面的化学机械研磨浆液，它包含水性介质、表面活性剂和研磨剂。其特征为：该研磨剂为一复合研磨粒子，它是由表面包覆氧化铝的基材粒子所构成。
本发明还有一个目的是把该浆液用于研磨半导体圆片表面的这种化学机械研磨方法。
本发明涉及一种化学机械研磨浆液，其特征为包含一种复合研磨粒子，它是由表面包覆氧化铝的基材粒子所构成。该基材粒子系选自SiO2、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O2、TiO2和Si3N4及其混合物。其特征在于基材粒子为SiO2。
本发明涉及一种用于研磨半导体圆片表面的化学机械研磨浆液，它包含水性介质、表面活性剂和研磨剂，其特征为该研磨剂为一复合研磨粒子，它是由表面包覆氧化铝的基材粒子所构成。以研磨浆液总重为基准，浆液中优选包含70-99.5重量％的水性介质、0.01-3重量％的表面活性剂及0.1-29重量％的复合研磨粒子，最佳包含95-99.5重量％的水性介质、0.05-1.0重量％的表面活性剂、0.5-5重量％的复合研磨粒子，该水性介质为去离子水、表面活性剂为阴离子型表面活性剂。上述基材粒子选自SiO2、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O2、TiO2和Si3N4及其混合物，最佳基材粒子为SiO2。
优选的研磨浆液中进一步包含以研磨浆液总重为基准的，0.1-5重量％的氧化剂及0.01-1重量％的腐蚀抑制剂。其中，该氧化剂选自H2O2、Fe(NO3)3、KIO3、CH3COOOH以及KMnO4，最佳氧化剂为H2O2。腐蚀抑制剂为三唑化物，最佳腐蚀抑制剂为苯并三唑。
本发明还涉及一种研磨半导体圆片表面的方法，它包括在圆片表面上使用如上所述的任意一项化学机械研磨浆液；以及用该研磨浆液将半导体圆片表面的金属层磨光，优选地，所述的金属层为铜。
具体实施方式
本发明提供一种用于半导体制程中的化学机械研磨浆液，其特征在于含有一种复合研磨粒子。该复合研磨粒子是由表面包覆氧化铝的基材粒子所构成，其特征在于基材粒子系选自SiO2、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O2、TiO2和Si3N4及其混合物，较佳为SiO2。
本发明所使用的复合研磨粒子，以研磨浆液总重为基准，其含量为0.1-29重量％，较佳为0.5-5重量％。
本发明另提供一种用于研磨半导体圆片表面的化学机械研磨浆液，它包含水性介质、表面活性剂和研磨剂，其中研磨剂包含复合研磨粒子，它是由表面包覆氧化铝的基材粒子所构成。以研磨浆液总重为基准，水性介质的含量为70-99.5重量％；较佳为90-99.5重量％；更佳为95-99.5重量％。表面活性剂的含量为0.01-3.0重量％；较佳为0.05-1.0重量％。复合研磨粒子的含量为0.1-29重量％；较佳为0.5-5重量％。
本发明所使用的水性介质是熟习此项技术的人员普遍熟悉的，例如在制备过程中，可使用水，较佳使用去离子水使研磨组成物呈浆液状。
本发明所使用的表面活性剂可以为阴离子型表面活性剂。
本发明可根据需要添加氧化剂和腐蚀抑制剂，这些添加剂的使用是熟悉此项技术的人员所熟知的。用于本发明中的氧化剂并无特殊限制，其实例包括但不限于H2O2、Fe(NO3)3、KIO3、CH3COOOH以及KMnO4，较佳为H2O2。可用于本发明的腐蚀抑制剂系为三唑化物，可选自苯并三唑、三聚氰酸(1，3，5-triazine-2，4，6-triol)、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-羟基苯并三唑或硝基苯并三唑；较佳使用苯并三唑。本发明化学机械研磨浆液以研磨浆液总重为基准，可添加0.1-5重量％的氧化剂及0.01-1重量％的腐蚀抑制剂。
本发明研磨浆液还可以包含其它化学机械研磨技术中已知的，但不致于对本发明研磨组合物产生不利影响的成分，例如，可加入有机酸增进螯合作用或加入用于调整pH值的碱或酸，例如氨水或硝酸。其中，合适的有机酸例子可以是，但不限于甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、亚磷酸、草酸、柠檬酸、苹果酸或酒石酸。
从下文提供的本发明实施例可知，本发明的研磨浆液可增加金属铜对氮化钽的选择比，并可进一步防止铜凹陷的产生。
本发明另外还涉及一种研磨半导体圆片表面的方法，这包括在圆片表面上使用本发明的化学机械研磨浆液；并用该研磨浆液将半导体圆片表面的金属层磨光。上述金属层一般为铜。
本发明将通过下列实施例进一步加以详细描述，下列实施例仅用来举例说明本发明，而不对本发明的范围作任何限制，任何熟悉此项技术的人员可轻易实现的修改和变化均包括在本发明及所附权利要求的范围内。
实施例
研磨测试
A.仪器：AMAT/Mirra
B.条件：膜压(Membrane Pressure)：2psi
内管(Inner Tube)：通气管
维持环压力(Retaining Ring)：2.6psi
研磨平台转速(Platen Speed)：93rpm
载具转速(Carrier Speed)：87rpm
温度：25℃
研磨垫垫座型号：IC1000，k-xy.
浆液流速：150毫升/分钟
C.芯片：图案圆片，购自Sematech，型号：0.25μm线宽
854CMP017圆片。
D.浆液：取实施例所得的研磨浆液进行测试，该研磨浆液另含有
3.0重量％之H2O2。
研磨测试流程
本发明以Applied Materials公司的Mirra研磨机台进行研磨，研磨过程以End Point System产生的讯号作为终点(EP2)讯号的判定。研磨时，分别将实施例中的浆液研磨到EP2后，再进行20％的过度抛光(over-polishing)。研磨结束后，以固态仪器公司(Solid State Equip-mentCorporation)的Evergreen Model 10X型清洗机台进行圆片的清洗工作，清洗完毕后用氮气(N2)将圆片吹干。再以KLA-Tencor P-11 Surface Profiler接触型表面轮廓仪测定铜凹陷程度(Dishing)，测定时以线宽100微米(μm)的铜线为量测点，测量它与阻障层(Barrier Layer)之间的相对凹陷情形。
实施例1
以硅酸胶(colloidal silica)作为研磨颗粒。
研磨浆液组成如下：
硅酸胶含量：3.0重量％；
苯并三唑(BTA)：0.1重量％；
亚磷酸：0.2重量％；
surfynol CT-161：0.1重量％；
其余为调整pH值的氨水或硝酸及去离子水。
研磨测试结果如表1所示。
实施例2
采用与实施例1所述相同的方式与组成制备浆液，仅改用氧化铝作为研磨颗粒，它的研磨测试结果如表1所示。
实施例3
采用与实施例2所述相同的方式与组成制备浆液，仅改变pH值为5-6之间。
实施例4
采用与实施例2所述相同的方式与组成制备浆液，仅改变氧化铝磨粒为重量3％的复合研磨粒子，本实施例所采用的复合研磨粒子为硅酸胶磨粒包覆一层氧化铝。其研磨测试结果如表1所示。
实施例5
采用与实施例4所述相同的组成，仅改变pH值为5-6之间。
实施例6
采用与实施例4所述相同的方式与组成制备浆液，仅改变复合研磨粒子重量为1％。
实施例7
采用与实施例4所述相同的方式与组成制备浆液，仅将亚磷酸浓度由原先的0.2重量％增加到0.5重量％，其研磨测试结果如表1所示。
实施例8
采用与实施例4所述相同的方式与组成制备浆液，仅将亚磷酸改换为己二酸，其研磨测试结果如表1所示。
实施例9
采用与实施例4所述相同的方式与组成制备浆液，仅将亚磷酸改换为甲酸，其研磨测试结果如表1所示。
实施例10
采用与实施例4所述相同的方式与组成制备浆液，仅将复合研磨粒子种类改为以氧化铈(CeO2)包覆一层氧化铝，其研磨测试结果如表1所示。
表1
| 实施例 | 研磨颗粒种类 | 固含量(％) | 添加的化学品及其含量(wt.％) | PH值 | Cu研磨速率(/min) | TaN研磨速率(/min) | 凹陷(/100μm Cu线宽) |
| 1 | 硅酸胶 | 3 | 亚磷酸(0.2％)surfynolCT-161(0.1％) | 3-4 | 4768 | 172 | 1677 |
| 2 | 氧化铝 | 3 | 亚磷酸(0.2％)surfynolCT-161(0.1％) | 3-4 | 配制药品沉降，无法研磨 | ||
| 3 | 氧化铝 | 3 | 亚磷酸(0.2％)surfynolCT-161(0.1％) | 5-6 | 4848 | 33 | 836 |
| 4 | 复合研磨粒子(硅酸胶包覆氧化铝) | 3 | 亚磷酸(0.2％)surfynolCT-161(0.1％) | 3-4 | 7960 | 14 | 238 |
| 5 | 复合研磨粒子(硅酸胶包覆氧化铝) | 3 | 亚磷酸(0.2％)surfynolCT-161(0.1％) | 5-6 | 5883 | 25 | 343 |
| 6 | 复合研磨粒子(硅酸胶包覆氧化铝) | 1 | 亚磷酸(0.2％)surfynolCT-161(0.1％) | 3-4 | 6967 | 12 | 187 |
| 7 | 复合研磨粒子(硅酸胶包覆氧化铝) | 3 | 亚磷酸(0.5％)surfynolCT-161(0.1％) | 3-4 | 7225 | 14 | 268 |
| 8 | 复合研磨粒子(硅酸胶包覆氧化铝) | 3 | 己二酸(0.2％)surfynolCT-161(0.1％) | 3-4 | 7648 | 16 | 257 |
| 9 | 复合研磨粒子(硅酸胶包覆氧化铝) | 3 | 甲酸(0.2％)surfynolCT-161(0.1％) | 3-4 | 7430 | 16 | 262 |
| 10 | 复合研磨粒子(氧化铈包覆氧化铝) | 3 | 亚磷酸(0.2％)surfynolCT-161(0.1％) | 3-4 | 6845 | 23 | 287 |
注：surfynol CT-161为AIR PRODUCTS公司所生产之阴离子型表
面活性剂
比较实施例1至3的结果可知，氧化铝磨粒比硅酸胶有较高研磨速率、较佳研磨选择比、并且较能防止铜凹陷，只是浆液稳定性较差，容易发生沉降现象。
比较实施例1至4的结果可知，采用复合研磨粒子除了具有较佳的浆液稳定性以外，也比单一成分的研磨粒子更能增加研磨选择比及防止铜凹陷。
比较实施例4与5的结果可知，具有不同pH值的浆液都适用于本发明的研磨系统中。
比较实施例4与6之结果可知，不同固含量的复合粒子所配制成的浆液都适用于本发明的研磨系统中，且均可增加研磨选择比并防止铜凹陷。
比较实施例4与7之结果可知，在研磨浆液中添加不同浓度的亚磷酸都适用于本发明的研磨系统中，且均可增加研磨选择比及铜凹陷。
比较实施例4、8及9的结果可知，在研磨浆液中添加不同的酸都适用于本发明的研磨系统中，且均可增加研磨选择比及铜凹陷。
比较实施例4与10的结果可知，不同基材的复合粒子所配制成的浆液都适用于本发明的研磨系统中，且均可增加研磨选择比及铜凹陷。
Claims (19)
1.一种化学机械研磨浆液，其特征为包含一种复合研磨粒子，它是由表面包覆氧化铝的基材粒子所构成。
2.根据权利要1所述的化学机械研磨浆液，其特征在于基材粒子系选自由SiO2、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O2、TiO2和Si3N4及其混合物。
3.根据权利要求2所述的化学机械研磨浆液，其特征在于基材粒子系为SiO2。
4.一种用于研磨半导体圆片表面的化学机械研磨浆液，它包含水性介质、表面活性剂和研磨剂，其特征在于该研磨剂为一复合研磨粒子，它是由表面包覆氧化铝的基材粒子所构成。
5.根据权利要求4所述的化学机械研磨浆液，其特征在于它以研磨浆液总重为基准，包含70-99.5重量％的水性介质、0.01-3重量％之表面活性剂及0.1-29重量％的复合研磨粒子。
6.根据权利要求5所述的化学机械研磨浆液，其特征在于它包含95-99.5重量％的水性介质。
7.根据权利要求5所述的化学机械研磨浆液，其特征在于它包含0.05-1.0重量％的表面活性剂。
8.根据权利要求5所述的化学机械研磨浆液，其特征在于它包含0.5-5重量％的复合研磨粒子。
9.根据权利要求5所述的化学机械研磨浆液，其特征在于水性介质为去离子水。
10.根据权利要求5所述的化学机械研磨浆液，其特征在于表面活性剂为阴离子型表面活性剂。
11.根据权利要求4所述的化学机械研磨浆液，其特征在于基材粒子选自SiO2、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O2、TiO2和Si3N4及其混合物。
12.根据权利要求11所述的化学机械研磨浆液，其特征在于基材粒子为SiO2。
13.根据权利要求4所述的化学机械研磨浆液，其特征在于进一步包含以研磨浆液总重为基准的，0.1-5重量％的氧化剂及0.01-1重量％的腐蚀抑制剂。
14.根据权利要求13所述的化学机械研磨浆液，其特征在于氧化剂选自H2O2、Fe(NO3)3、KIO3、CH3COOOH以及KMnO4。
15.根据权利要求14所述的化学机械研磨浆液，其特征在于氧化剂为H2O2。
16.根据权利要求13所述的化学机械研磨浆液，其特征在于腐蚀抑制剂为三唑化物。
17.根据权利要求16所述的化学机械研磨浆液，其特征在于腐蚀抑制剂为苯并三唑。
18.一种研磨半导体圆片表面的方法，其特征在于它包括在圆片表面上使用如权利要求1至17项中任意一项的化学机械研磨浆液；以及用该研磨浆液将半导体圆片表面的金属层磨光。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于金属层为铜。
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|---|---|---|---|---|
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| CN101130666B (zh) * | 2006-08-25 | 2011-11-09 | 安集微电子（上海）有限公司 | 一种含有混合磨料的低介电材料抛光液 |
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