TW200303342A - Chemical mechanical polishing of dual orientation polycrystalline materials - Google Patents
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Description
200303342 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明(1 ) 本案係主張2002年2月22日申請之美國臨時專利申 請案編號60/359,222之優先權。 發明領域 本發明有關一種微電子裝置,尤其有關一種多晶型材 料之化學機械磨光(CMP )方法。 發明背景 微電子裝置諸如超大型積體(ULSI)電路一般係形 成爲多層裝置,具有交替之導體及介電質層。此等料層各 係個別沉積,且該料層經常在沉積頂層之前先磨光至且有 高度平面性。化學機械磨光係爲現代ULSI電路中用以製 得平面多層金屬化系統之先導方法。 在沉積金屬互連物或導體層之前,於基材及形成於該 基材上之任何積體電路裝置上沉積相對厚之介電層。該介 電層隨之使用化學活性漿液及磨光墊磨光,以製得極平坦 或平面之表面。於該介電材料中蝕刻接觸孔或介層孔。隨 之於該經蝕刻之介電質上沉積障壁金屬及鎢薄膜,以充塡 該介層孔。隨之自該表面磨除該鎢薄膜,留下具有充塡有 障壁材料及鎢插塞之接觸孔或介層孔的平坦表面。隨之於 經拋光介電層.上沉積該金屬互連物,與鎢插塞形成電聯。 使用CMP操作之已知困難在於該晶圓表面上之材料 移除速率不均勻。頒予Chioii等人之美國專利第 5,87 3,769號描述一種於晶圓表面上達成均勻移除速率之 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -5- 200303342 A7 ___B7 __ 五、發明説明(2 ) 方法及裝置。該Chiou專利僅針對於在晶圓上因爲改變機 械條件所致之移除速率變化,其未提及因爲晶圓材料之材 料特性變化所致之移除速率變動。 CMP方法歷時需謹慎控制,以確定在不移除過量材 料的情況下移除足量之材料。使用各種終止偵測技術以測 定終止CMP方法之適當時間。其中一種終止偵測技術包 括在台板上電阻隨著拋光程序之進行而增加時使用一電力 曲線。此方法在於簡單地假設材料移除速率在欲移除材料 之所有深度下皆係定値。實際上,特定材料之即時移除速 率可能依深度而改變,而電阻曲線可能變成隨時間膨脹或 侵蝕。此情況可能失去適當之終點。 發明槪述 因此,針對於因爲不同的材料條件所致之材料移除速 率變化,需要一種改良之化學機械磨光方法。此外,需要 一種改良之化學機械磨光方法,以更準確地控制磨光方法 之終點。 本發明描述一種用以控制多晶型材料表面上許多不同 結晶面之材料移除速率的漿液,其包括:主要載體成份; 氧化成份;及影響極性之成份。影響極性之成份可高於該 漿液之10體積百分比。於一具體實例中,該主要載體成 份可爲水,而影響極性之成份可爲極性低於水之材料,例 如偶極矩低於1 · 8者。影響極性之成份可爲苯。 本發明描述一種用以控制多晶型材料於表面上自多種 本紙張尺度適用中國國家標準(CMS ) A4規格(210X 297公釐) "" ~~ ' -6- I-T -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 200303342 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明(3 ) 結晶面移除材料之速率的漿液磨光方法,包括控制漿液之 極性的步驟,以修飾自不同結晶面移除材料之相對速率, 使其異於當使用具有主要來自水成份之極性的漿液所達到 的自個別結晶面移除材料之相對速率。該漿液之極性可針 對該表面之個別結晶面的相對面積分率而予以控制。 圖式簡單說明 參照附圖閱讀以下本發明詳述即可明瞭本發明之特色 及優點,其中: 圖1係爲化學機械磨光裝置之示意說明圖。 圖2係爲鎢薄膜之兩不同試樣之表面的SEM排向圖 的對照。 圖3係爲鎢薄膜之兩個不同微晶排向以薄膜深度之函 數表示的相對面積分率之說明圖。 元件對照表 10 CMP系統 12 載體 14 半導體晶圓 16 磨光墊 18 轉台 20 漿液 22 試樣 24 微晶粒結構 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(2】〇Χ 297公釐) I φ—^-----Γ--1Τ----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 200303342 A7 B7 五、發明説明(4 ) 26 微晶粒結構 28 試樣 30 曲線 32 曲線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明詳述 微電子裝置之製造係包括沉積及移除多層位於半導體 基材上之材料,以形成主動半導體裝置及電路。該裝置採 用多層金屬及介電材料,可選擇性連接或隔離位於一層內 及位於不同層間之裝置元件。已記載使用最多六層互連之 積體電路,預測未來會有更複雜之電路。裝置幾何形狀已 由0.50微米進行到0.12微米,很快即變成0.08微米。該 種裝置需要多層金屬化。此等裝置幾何形狀之縮小,使得 各個金屬層間之階層皆需於形成後續階層之前先平面化。 用以產生充分平面表面之一般可接受方法係化學機械磨光 (CMP ) 。CMP可用以自半導體晶圓表面去除高度外形變 化及移除缺陷、刮痕或包埋之粒子。使用CMP形成雙重 鑲嵌銅及鎢互連結構。 該CMP方法通常包括於控制壓力、溫度及旋轉速度 下,於化學漿液存在下,使用磨光墊摩擦半導體晶圓之表 面。磨蝕材料.導至該晶圓與磨光墊之間,或爲固定於磨光 墊本身之粒子或爲在化學漿液中之流體懸浮液。該磨蝕作 用係於磨光作用中用以物理性地移除晶圓之部分表面。漿 液移動提供溫度控制,且有助於自晶圓移除磨光碎屑。 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X29*7公釐) 一 -8- J~ ~ 批衣 ^IT (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 200303342 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明(5 ) 如圖1所示,化學機械磨光系統10可包括載體12, 以支撐半導體晶圓14並使之相對於承載於可轉台1 8上之 磨光墊16移動。當晶圓14壓向拋光墊16且相對旋層時 ,漿液20係用以提供所需之化學相互作用及磨蝕。自晶 圓14移除材料之速率係視許多變數而定,包括施加於晶 圓14與磨光墊16之間的力F量、載體之旋轉速度R!及 台板之R2、載體1 2相對於台板1 8之旋轉軸的橫向位置 、漿液20之化學組成、溫度、及磨光墊1 6之組成及使用 過程。已知CMP機器之數種結構,可使用於業界。該 CMP 機之一廠商係爲 Applied Materials,Inc. of Santa Clara, California. ( www.appliedmaterials.com)。磨光墊 之一廠商係爲 Rodel,Inc. of Phoenix, Arizona.( www.rodel.com )。 於半導體晶圓16上之多晶型材料諸如金屬層可具有 許多微晶粒排向。當多晶型材料開始形成晶核且於試樣表 面上生長時,Gibbs表面能決定結晶表面生長之速率。此 種表面能隨不同排向而異,因爲表面排向界定鍵結軌道之 角度。部分材料諸如鋁具有以單一排向形成晶核析出之傾 向’而部分材料諸如鎢具有以不同排向形成晶核析出之傾 向。使用Miller指數界定結晶相排向。鋁具有(n丨)之 強纖維結構排向鋁薄膜之剖面會具有極高百分比之(丨n )排向面積分率。 於半導體晶圓表面上沉積鎢金屬層時,(n 〇 )及( 11 4 )晶粒結構之面積分率以鎢薄膜之深度的函數變化。 本紙張尺度適用中國國家椋準(CNS ) A4規格(210Χ 297公釐)~" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 200303342 A7 B7 五、發明説明(6 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖2係爲在兩個不同部分CMP深度下取得之兩個鎢薄膜 試樣的倂排對照圖。圖2出示兩個鎢薄膜試樣在兩個不同 部分CMP深度下取得之掃描式電子顯微相片,自結晶排 向成像系統所得之排向圖。左邊之試樣22具有高百分比 之(110 )微晶粒結構24及低百分比之(114 )微晶粒結 構26。右邊之試樣28具有低百分比之(110)微晶粒結 構24及高百分比(114 )微晶粒結構26。圖3說明個別 排向之面積分率(AF )與自基材表面測量之鎢薄膜深度 (d)之間的關係。曲線30顯示(110 )材料面積分率會 隨著鎢薄膜深度之增加而降低,而曲線32係顯示(114 ) 材料之面積分率會隨薄膜深度增加而增加。(1丨〇 )排向 顯然係爲驅動障壁,而(114 )排向係由Gibbs自由表面 能所驅動,因此於最接近基材(障壁)材料之區域中( 1 1 〇 )排向之百分比較大。鎢薄膜之面積分率可依沉積溫 度、晶圓偏壓及其他變數之函數而進一步變化。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 材料於CMP方法期間的移除速率於多晶型材料之不 同平面排向間可能有兩倍的變化。圖2所說明之各試樣皆 具有失敗之終點偵測;其一係高點失敗,而一係低點失敗 。此等差異結果之原因是(11 0 )及(11 4 )晶粒結構在曝 露於CMP方法所使用之漿液中的氧化劑下時,具有不同 之氧化速率。試樣22具有每秒約100埃之移除速率,而 試樣28具有每秒約40埃之移除速率。因此,假設固定移 除速率之終點偵測方法包括不準確性。 爲克服此項問題,圖1之CMP系統1 〇收納有具有預 本紙張尺度適用中國Ϊ家榡準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ' - -10- 200303342 A7 B7 五、發明説明(7 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 定極性的漿液20。漿液20除法主要載體成份諸如基本溶 劑例如水及氧化成份之外,可另外包括影響極性之成丨分, 諸如經極性化之溶質。漿液20亦可包括磨蝕材料諸如膠 態二氧化矽。影響極性之成份可爲一或多種具有足以修飾 整體漿液20之極性,以可量度地影響該材料於不同結晶 平面之移除速率的量及淨極性之材料。所選擇之溶質有效 地平衡(即更符合)所磨光之多晶型材料的不同排向相之 氧化速率。藉由控制各種結晶平面之氧化速率,可zp衡該 多晶型材料於各種結晶排向之材料移除速率。因爲不同溶 質對於特定鍵結部位具有親和性,故特定溶質可差示地影 響不同結晶平面之氧化速率。各結晶平面之氧化係爲有效 部位數目及發生反應之速度的函數。特定對於特定類型部 位具有親和性而影響極性之成份的導入因此可增加或減少 使用於氧化之部位的數目,因而影響氧化速率。所選擇之 溶質的濃度及極性係視需針對氧化速率平衡之排向相而定 。於漿液20中使用特別選擇之溶質,可更符合不同排向 之材料移除速率,以產生更均勻之磨光方法,且有助於更 準確地預測終點。除了基本溶劑以外,已知整體漿液之極 性係受到溶質選擇所影響。或該基本溶劑可選擇具有特定 極性,以影響溶質之選擇或甚至完全消除分離溶質以達到 所需之極性的必要性。於一具體實例中,主要載體成份係 選擇不爲水,例如其可爲醇,因爲水係高極性,因此導致 本文所述之差示材料移除速率問題。 溶質可針對特定多晶型材料之化學機械磨光而選擇, 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) -11 - 200303342 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _._B7_五、發明説明(8 ) 使用實驗數據之資料庫或使用於特定溶劑存在下各結晶面 之氧化速率的Gibbs自由能計算値。於一具體實例中,多 晶型鎢層係使用化學活性以水爲主溶液磨光,其包括膠態 二氧化矽以作爲磨蝕材料,過氧化氫作爲氧化劑,極性低 於水且佔該漿液20之1 0體積百分比以上的溶質。另一具 體實例中,期望採用含有水爲主要載體成份及影響極性之 成份一其偶極矩大於水諸如大於1.9一的漿液20。相信先 前技藝漿液具有由水成份產生之極性特性的相對高極性導 致鎢薄膜之(110)及(114)平面排向的高差異材料移除 速率。主要爲水成份之漿液意指除了水及氧化成份一例如 最高達5體積百分比之過氧化氫一以外,沒有實質影響淨 極性之成份的漿液。本發明影響極性之成份可爲例如偶極 矩極性爲零之材料,例如苯,或偶極矩低於1 · 8或低於 1.6或低於1 ·4,或其可實質上非極性,即具有低於i .〇之 偶極矩。各種材料之極性的表列皆列於一般化學教科書中 且可由互連網獲得。典型偶極矩極性値包括:水1.85 ;甲 醇 1.70;乙醇 1.69; 1-丙醇 1.68; 1-丁醇 1.66;甲酸 1.41 :乙酸1.74;甲醯胺3.73;丙酮2.88;甲基·乙基酮1.78 ;乙腈3.92 ; N,N-二甲基甲醯胺3.82 ;二甲基亞硕3.96 ; 己院2.02;本0; 一乙醚1.15;四氮咲喃1.63;二氯甲院 1 · 6 0 ;及四氯化碳0。任何前述物質或其他物質皆可作爲 溶劑或溶質,以使漿液20具有所需之極性値。化學活性 漿液之極性控制較差會使自多晶型材料表面之各個結晶排 向移除的差示移除速率減至最小,而改善視假設固定材料 本紙張尺度適用中國國家榇準(CNS ) A4規格(2丨0X297公楚1 ' ~ 批衣 ^1T線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -12- 200303342 A7 _____B7 五、發明説明(9 ) 移除速率之任何終點偵測方法的準確度。可基於在金屬薄 膜剖面之預測結晶平面的面積分率預測値,預先選擇漿液 20之極性,以提供改良之CMP方法,或可針對欲磨光之 表面的個別結晶平面的實際相對面積分率而控制漿液2〇 之極性。 雖已出示且描述本發明較佳具體實例,但該等具體實 例僅供例示。是故,本發明僅受限於所附申請專利範圍之 精神及範疇。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Λ4規格(210X 297公釐) -13-
Claims (1)
- 200303342 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 1 · 一種用以控制自多晶型物質表面之多個不同結晶 平面移除物質之速率的漿液,該漿液係包含: 主要載體成份; 氧化成份;及 影響極性之成份。 2 ·如申請專利範圍第1項之漿液,其中該影響極性 之成份係佔有該漿液之10體積%以上。 3 ·如申請專利範圍第1項之漿液,其中該主要載體 成份係包含水,而該影響極性之成份包含一極性低於水之 物質。 4 ·如申請專利範圍第3項之漿液,其中該影響極性" 之成份係包含一偶極矩低於1.8之物質。 5 ·如申請專利範圔第3項之漿液,其中該影響極性 之成份係包含苯。 6 ·如申請專利範圍第3項之漿液,其中該影響極性 之成份係包含用量爲該漿液之1〇體積%以上的苯。 7 ·如申請專利範圍第1項之漿液,其中該影響極性 之成份係包含一偶極矩大於該主要載體成份之物質。 8 ·如申請專利範圍第1項之漿液,其中該影響極性 之成份係包含一實質非極性之物質。 9 ·如申請專利範圍第1項之漿液,其中該主要載體 成份係包含水,而該影響極性之成份係包含一佔該漿液 1 0體積%以上之實質非極性物質。 1 0 · —種供化學機械磨光方法使用的漿液,其包含: 本紙張尺度適用中國國家標準見格(應™ ~裝 訂 ^^絲 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 200303342 A8 B8 C8 _ D8 六、申請專利範圍 2 主要載體成份,其非爲水;及 氧化成份。 1 1 ·如申請專利範圍第1 〇項之漿液,其中該主要載 體成份係包含一極性低於水之物質。 1 2 ·如申請專利範圍第1 〇項之漿液,其中該主要載 體成份係包含一極性大於水之物質。 1 3、如申請專利範圍第1 0項之漿液,其進一步包含 一影響極性之成份。 14 · 一種用以控制自鎢薄膜表面之多個不同結晶平面 移除物質之速率的漿液,該漿液係包含: 水,以作爲主要載體成份; 氧化成份;及 極性低於水之影響極性的成份。 15 ·如申請專利範圍第14項之漿液,其中該影響極 性之成份係包含一偶極矩低於1.8之物質。 16 ·如申請專利範圍第14項之漿液,其中該影響極 性之成份係包含苯。 17 ·如申請專利範圍第14項之漿液,其中該影響極 性之成份係佔有該漿液之10體積%以上。 1 8 ·如申請專利範圍第14項之漿液,其中該影響極 性之成份係包含一實質非極性之物質。 1 9 ·如申請專利範圍第14項之漿液,其中該影響極 性之成份係包含一佔該漿液10體積%以上之實質非極性 物質。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事 裝-- ▼項再填寫本頁) 、言 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -15- 200303342 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 3 20 · —種用以控制自多晶型物質表面之多個結晶平面 移除物質之速率的漿液磨光方法,該方法係包括控制漿液 之極性,以修飾自不同結晶面移除材料之相對速率,使其 異於當使用具有主要來自水成份之極性的漿液所達到的自 個別結晶面移除材料之相對速率。 21 ·如申請專利範圍第20項之漿液磨光方法,其進 一步包括針對於該表面之個別結晶平面的相對面積分率而 控制該漿液之極性。 22 ·如申請專利範圍第20項之漿液磨光方法,其_進 一步包括藉由添加影響極性之成份於該漿液之主載體成份 中,而控制該漿液之極性。 23 ·如申請專利範圍第22項之漿液磨光方法,其中 該主要載體成份係包含水,且進一步包括添加一極性低於 水之影響極性的成份。 24 ·如申請專利範圍第22項之漿液磨光方法,其中 主要載體成份係包含水,且進一步添加一極矩低於1.8之 影響極性的成份。 25 ·如申請專利範圍第20項之漿液磨光方法,其進 一步包括藉由添加實質非極性之影響極性的成份於該漿液 之主要載體成份,以控制該漿液之極性。 26 ·如申請專利範圍第20項之漿液磨光方法,其進 一步包括藉由添加一佔該漿液10體積%以上的影響極性 之成份於該漿液之主要載體成份,而控制該漿液之極性。 27 · —種磨光方法,其包括: ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ~-16- ---------^------訂-----Φ0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 200303342 A8 B8 C8 __D8六、申請專利範圍 4 提供一多晶型物質,其表面上具有許多結晶平面;及 使用一化學活性漿液來磨光該表面,該漿液係包含一 主要載體成份、氧化成份、及影響極性之成份。 28 ·如申請專利範圍第27項之磨光方法,其進一步 包括選擇該主要載體成份以包含水,且選擇該影響極性之 成份以包含一極性低於水之物質。 29 ·如申請專利範圍第28項之磨光方法,其進一步 包括選擇該影響極性之成份以包含一實質非極性之物質。 30 ·如申請專利範圍第28項之磨光方法,其進一步 包括選擇該影響極性之成份以佔有該化學活性漿液之10 體積%以上。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) —Β—ϋ1-- - · .裝· 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210 X 297公釐) -17-
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