TW201504474A - 包括預處理相及預處理組成物之化學機械硏磨方法以及系統 - Google Patents

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TW201504474A
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You Wang
Zhihong Wang
Wen-Chiang Tu
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    • H01L21/321—After treatment
    • H01L21/32115—Planarisation
    • H01L21/3212—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]

Abstract

在一態樣中，本發明揭露了用於銅層化基板的基板化學機械研磨(CMP)方法。此CMP方法包括提供具有銅表面的基板；以及於預處理相中用第一組成物預處理含銅表面，其中第一組成物包含載劑液體、抗腐蝕劑、以及氧化劑；以及接著在主研磨相中用研磨漿組成物來研磨表面。在數種其它態樣中，本發明提供了CMP系統與用於CMP的組成物。

Description

包括預處理相及預處理組成物之化學機械研磨方法以及系統
本發明係大致關於半導體元件製造，且更特別是關於化學機械研磨。
在半導體基板製程中，平坦化處理可用以從基板(例如圖案化晶圓)上移除不同的層或膜，例如二氧化矽、氮化矽、銅等等。平坦化可使用化學機械研磨(CMP)處理而藉由在研磨墊和待研磨(例如平坦化)基板表面之間產生研磨漿來達成。基板被容置在基板固持件中，此基板固持件可施加壓力迫使基板靠著研磨墊。基板固持件和研磨墊兩者可旋轉以促進材料移除。再者，固持件可使基板來回振動而經過研磨墊表面。
在某些平坦化處理中，儘管可用已存在的製程和研磨漿達成足夠的材料移除，仍需平坦化效率的增進以降低處理成本。因此，仍需改進的研磨方法。
在第一個態樣，本發明提供了一種化學機械研磨預處理方法。此化學機械研磨預處理方法包括提供具有含銅表面的基板；使用第一組成物來預處理此含銅表面以形成鈍化 層，其中第一組成物包含載劑液體、抗腐蝕劑、和氧化劑；以及接著使用第二組成物研磨表面，其中第二組成物包含研磨漿。
在另一態樣，本發明提供一種化學機械研磨系統。 此化學機械研磨系統包括基板，被固持於基板固持件，且具有含銅表面；研磨墊；分配器，能夠將第一化學溶液分配於基板和研磨墊之間，用以做為引入研磨漿之研磨相的預處理相。
在又一態樣，本發明提供了適用於基板化學機械研 磨的組成物。此組成物包括載劑液體，含量介於約97.2%和約98.8%之間；抗腐蝕劑，含量介於約0.05%和約0.30%之間；以及氧化劑，含量介於約0.2%和約2.0%之間。
本發明的其它特徵和態樣將由以下實施例的詳細說明、隨附的申請專利範圍、和隨附的圖式而變得更為清楚。
100‧‧‧化學機械研磨(CMP)系統
102‧‧‧基板
104‧‧‧研磨墊
106‧‧‧平臺
107‧‧‧軸
108‧‧‧基板固持件
110‧‧‧第一組成物
111‧‧‧研磨漿
112‧‧‧分配器
114‧‧‧第一組成物供應源
116‧‧‧導管
118‧‧‧泵
120‧‧‧閥
122‧‧‧研磨漿供應源
124‧‧‧導管
126‧‧‧泵
128‧‧‧閥
130‧‧‧去離子水供應源
131‧‧‧沖洗液體
132‧‧‧沖洗導管
134‧‧‧泵
136‧‧‧閥
138‧‧‧控制器
240‧‧‧銅層
242‧‧‧基底
244‧‧‧表面
246‧‧‧上部
248‧‧‧底部
249‧‧‧側部
350‧‧‧鈍化層
352‧‧‧上層區
354‧‧‧底層區
356‧‧‧側層區
558‧‧‧平坦化表面
700‧‧‧化學機械研磨方法
702‧‧‧步驟
704‧‧‧步驟
706‧‧‧步驟
第1圖展示了依據本發明實施例，化學機械研磨系統的局部側視圖；第2圖展示了依據本發明實施例，處於進行研磨之前的接續階段的基板橫截面局部側視圖；第3圖展示了依據本發明實施例，在預處理相之後的基板橫截面局部側視圖；第4圖展示了依據本發明實施例，在主研磨相期間部分平坦化之後的基板橫截面局部側視圖；第5圖展示了依據本發明實施例，在主研磨相期間 完成平坦化表面之後的基板橫截面局部側視圖；第6圖展示了依據本發明實施例，圖案梯度高度相對銅移除量的圖；第7圖展示了依據本發明實施例，化學機械研磨方法的流程圖。
此處所述的實施例係關於適用於研磨含銅層的基板表面的系統、研磨漿、和方法。特別是提供了適用於提供改進的銅層平坦化的化學機械研磨方法和組成物。此方法和組成物可用以改進當研磨含矽基板上形成的銅層時的平坦化效率。
依據一或多個實施例，此改進的方法涉及建立預平坦化相，其中鈍化層在主要平坦化相發生前形成於銅層上，其中材料移除發生在主要平坦化相(即在銅沉積層上使用研磨料)。其中形成有鈍化層的預平坦化相，以和用於平坦化相相同的研磨墊來執行。預平坦化相涉及將基板上的銅層暴露於第一化學溶液，藉由將第一化學溶液施加在研磨墊上足夠的時間和在足夠的壓力下來形成薄鈍化層(例如CuO或Cu2O)於銅層的表面上。銅層的上層區藉由在CMP研磨漿中的研磨料和蝕刻劑的組合被快速移除，同時下層區由鈍化層保護以抑制由研磨漿的蝕刻成分造成的材料移除。藉由利用預平坦化相可增加整體蝕刻效率。
做為其它態樣，本發明提供了CMP預平坦化化學組成物。
本發明的此等和其它態樣參照本文第1-7圖而描述如下。
第1圖展示化學機械研磨(CMP)系統100和其組件的局部側視圖。CMP系統100適用於將基板102相對於研磨墊104固持住，且用於依據本發明的另一態樣來執行預處理和研磨製程。基板102可為晶圓，例如圖案化晶圓，包括有部分形成的電晶體或形成於其上的圖案。基板102可包括含矽基底，此基底具有沉積於其上的含銅層。銅層可已經預先沉積在矽表面上，例如藉由沉積處理。
研磨墊104可為習知結構，且可包含任何適合的多孔材料，例如剛性微孔聚氨酯墊。研磨墊104可安裝(例如附著)在習知平臺106上，此平臺可藉由經由軸107與平臺106連接的適當的電動機(圖中未示)來轉動。研磨墊104可具有介於約30到約70之間的依據ASTM D2240的蕭氏(shore D)硬度，且在部分實施例中介於約52到約62之間。研磨墊104可具介於約30到約70微米之間的孔徑，且例如介於約10%到50%之間的孔洞率。亦可使用其它硬度、孔徑、和孔洞率。
對於預處理相和主研磨相兩者，盤狀平臺106可在介於約10到200RPM間、介於約20到約120RPM間轉動，且在部分實施例中介於約50到約100RPM間。亦可使用其它轉速。預處理相應該是指研磨之前的相，其中形成有鈍化層；然而主研磨相應該是指材料移除相，其中銅層藉由使用含有研磨料和可能有蝕刻劑的研磨漿來加以平坦化。
基板102可固持在習知結構的基板固持件108中。 例如，描述於本案申請人的以下美國專利中的基板固持件(亦稱為保持器(retainer)或承載頭(carrier head))：美國專利號8,298,047、8,088,299、7,883,397和7,459,057。亦可使用其它種類的基板固持件。基板固持件108可轉動，且可來回掃動(例如振動)而經過研磨墊104表面，此時研磨墊104接觸著基板102而被轉動。例如，固持件振動速率可介於約0.1到約5mm/s之間。亦可使用其它振動速率。基板固持件108可在介於約10到約200RPM之間轉動。
在預處理相期間，可施加壓力於基板102，迫使基板靠在研磨墊104上。預處理相期間所施加的壓力可小於主研磨相期間所施加的壓力。例如，預處理相期間所施加的壓力可介於約0.5到約2.0磅之間，在部分實施例中，例如，可甚至介於約0.5到約1.5磅之間。主研磨相期間所施加的壓力，例如，可介於約1.0到約3.0磅之間。亦可使用其它轉速和施加壓力。來回掃動可在研磨墊104的中心和徑向側之間發生。
在預處理相的開始，將第一組成物110施加在研磨墊104上。第一組成物110可藉由分配器112被建立和植入在研磨墊104與基板102之間。分配器112可為任何適當的分配頭或元件，適用於將第一組成物110分配到研磨墊104上。分配器112可具有複數個開口以分配第一組成物110，且能夠用來平均地分配第一組成物110到研磨墊104上。在部分實施例中，分配器112可與分配手臂相連接，且可在手臂上振動。
在預處理相之前，可完成研磨墊104的沖洗，例如將去離子水施加於研磨墊104上。如本文所述，亦可提供研磨墊調節。分配器112可流體連接於第一組成物供應源114，例如藉由一或多個適當的導管116。液流可由適當的泵118和/或閥120來控制，或者可藉由其它液體輸送或傳送機構來控制，以提供經計量的第一組成物110於研磨墊104的表面。在所述實施方式中，第一組成物110可由分配器112在基板102之前被分配到研磨墊104表面上，使得第一組成物110在基板102的前面被接收，且藉由研磨墊104的旋轉被吸引在研磨墊104和基板102之間。
第一組成物110的化學成分可為任何適當的成分，能夠用以在暴露到表面上時形成鈍化層於基板102的銅表面上。當第二組成物在主研磨相期間被施加到研磨墊104上時，鈍化層可用以保護基板102表面(將於下文中說明)的某些下部(例如底部248、側部249)，其中第二組成物包括含研磨料的研磨漿111，如同下文中將詳加說明的。
在一或多個實施例中，第一組成物110可包括去離子水(DI water)、抗腐蝕劑、和氧化劑。在部分實施例中，第一組成物110亦可包括pH調節劑。在一或多個實施例中，第一組成物110可缺少研磨料，然而在後續施加的包含研磨漿111的第二組成物可含有適當的研磨料。抗腐蝕劑可為苯并三氮唑(Benzotriazole)、1,2,4-三氮唑(1,2,4-Triazole)等等。氧化劑可為過氧化氫(H2O2)等等。
在一或多個實施例中，第一組成物110可含有介於 約97.2%到約98.8%的液體載劑，例如去離子水。亦可使用其它適當的載劑液體。另一適當的第一組成物110可包含介於約97.2%到約98.8%的載劑液體，例如去離子水；介於約0.05%到約0.30%的抗腐蝕劑；以及介於約0.2%到約2.0%的氧化劑。
做為第一組成物110的另一適當組成物，可用以繼續研磨漿111的引進，是含有以下成分的組成物：介於約97.2%到約98.8%的載劑液體，例如去離子水；介於約0.05%到約0.30%做為抗腐蝕劑的苯并三氮唑；介於約0.2%到約2.0%做為氧化劑的H2O2；以及pH調節劑。pH調節劑可為介於約0.05%到約0.5%的NH4OH。pH調節劑用以調整第一組成物110的pH值，使得pH值可落在約7.5到約9.5的範圍。亦可使用其它pH調節劑。例如，可提供有效量的氫氧化物或其它氫氧根離子供應源，例如氫氧化鉀、過氧化氫等等。
在預處理相期間，第一組成物110被分配到研磨墊104上的時間可為介於約5秒到約30秒之間，在部分實施例中可為約20秒。第一組成物110被分配到研磨墊104上的流速可為約50mL/min到約500mL/min之間，在部分實施例中為約300mL/min。亦可使用其它流速和預處理時間。
在預處理相之後的主研磨相中，含有研磨料的研磨漿111可由研磨漿供應源122處提供，且經過導管124被輸送到分配器112。可由閥128和/或泵126來提供液流控制，以達成第二組成物的經計量供應，因而被建立且植入在研磨墊104和基板102之間，其中第二組成物包括含研磨料的研磨漿111。亦可使用其它液體輸送或傳送機構。研磨漿111 可藉由分配器112來分配，並且被用於研磨處理中。特別是可以使用研磨漿111來從基板102上移除先前所施加的銅主體。
在所述實施例中，研磨漿111可由分配器112在基板102之前被分配到研磨墊104表面上，使得研磨漿111在基板102的前面被接收，且藉由研磨墊104的旋轉被吸引在研磨墊104和基板102之間，並可用以促進研磨處理。在所述實施例中，研磨漿111含有研磨料，例如二氧化矽顆粒等等。亦可使用其它適當的研磨料。研磨漿111亦可包括螯合劑和/或錯合劑。研磨漿111可含有最高達0.6wt%的錯合劑，例如甘氨酸。
研磨漿111亦可包含抗腐蝕劑，例如1,2,4-三氮唑等等。在部分實施例中研磨漿111包含二氧化矽顆粒、1,2,4-三氮唑和1,2-乙二醇。舉例來說，研磨漿111的pH值可為介於約6.0到約8.0。可加入有效量的氫氧化物或其它氫氧根離子供應源以實現適當的鹼性條件。亦可加入其它添加物。吾人應當明白，用以形成薄鈍化層的第一組成物110可為非研磨料組成物，然而第二組成物可為含研磨料的研磨漿111。
因此，CMP系統100是用以預處理基板102的銅表面，以形成鈍化層於其上，接著用研磨漿111研磨基板102表面以移除銅材料並且提供平坦化表面於其上。
完成每個預處理和研磨相之後，可使用沖洗液體來完成處理。沖洗液體131可為去離子水沖洗液，且可在晶圓解除固持(de-chuck)期間和/之後執行沖洗。晶圓解除固持是指 當平臺106上的處理步驟完成之後基板102(例如晶圓)和基板固持件108從研磨墊104表面被抬起，使得基板102不再與研磨墊表面接觸。沖洗的目的不只是清理研磨墊104，還可能某種程度上的清理基板102。此外，在下個基板102被安裝於基板固持件108之前，可有研磨墊調節相，其中習知的研磨墊調節盤以某種向下施加的力在去離子水沖洗液的存在下橫掃整個研磨墊104，藉以粗糙化且進一步清理研磨墊104表面。在一實施例中，可從去離子水供應源130處提供去離子水沖洗液，且沖洗液體131液流可藉泵134和/或閥136經由沖洗導管132來控制。去離子水供應源130可提供沖洗液體131，且利用與分配第一組成物110和第二組成物111(研磨漿)相同的分配器112來加以分配，或者DI沖洗液體131可由與分配器手臂相連接的獨立噴嘴組來加以分配。分配器112液流的控制可藉由控制器138對泵118、126、134和閥的控制信號來達成。
依據本發明的另一實施例，如第2-5圖所示，提供了在CMP方法不同階段的基板102的數個局部橫截面視圖。第2圖展示了基板102在經過銅沉積處理之後的後續狀態，其中銅層240形成於基底242之上。用於本文的「基底」(base)可包括單一圖案化層、複數層、或基底材料。被施加到基底242上的銅層240的表面244包括偽圖案(pseudo pattern)，而偽圖案通常沿著基底242上基本圖案的輪廓。基底242可為含矽材料，具有以蝕刻或其它方式形成於其上的圖案。銅層240的表面244包括上部246與下部，例如底部248和側部 249。
第3圖展示CMP方法的另一階段。第3圖展示了被安裝在基板固持件108且經過預處理相之後的基板102。在預處理相期間，鈍化層350被形成於銅層240之上。當被安裝於基板固持件108時將銅層240暴露於第一組成物110而形成鈍化層350。舉例來說，預處理所形成的鈍化層350可具有小於約3nm的層厚度。亦可形成其它厚度。鈍化層350包括上層區352，涵蓋上部246；以及下層區，包含底層區354和側層區356，其中底層區354涵蓋底部248，且側層區356涵蓋側部249。
如第4圖所示，經過預處理相後的基板102可接著經過主研磨相，此時將研磨漿111提供於研磨墊104上且開始材料移除。如第4圖所示，研磨漿111被建立在基板102和研磨墊104之間，且上層區352和上部246被移除。在此研磨相期間，包括底部248和側部249的下部持續由鈍化層350所覆蓋，因而獲得保護。
如第5圖所示，繼續主研磨相，以含有研磨料的研磨漿111施加在研磨墊104上且將基板102與移動的研磨墊104接觸。繼續主研磨相直到上部輪廓(例如上部246、側部249、和鈍化層350)全被移除，且如第5圖所示的在銅層240上形成平坦化表面558。完成研磨之後，平坦化表面558可有小於約1nm的銅表面方均根(RMS)粗糙度值(CMP後)。取決於其它因素，例如所沉積的銅層的品質，也可提供其它RMS粗糙度值。RMS的表面粗糙度特性可依據方均根(RMS)表面 粗糙度來表達，而RMS表面粗糙度可由原子力顯微鏡或一些其它表面測量技術來量測。
本文所用的所有百分比值為重量百分比值：重量%=(成分重量/總研磨漿重量)×100%
第6圖展示了圖案梯度高度(pattern step height)相對銅移除量的圖，顯示了本發明實施例的一個可能優點。特別是，當與單獨使用記錄製程(POR)銅研磨漿的研磨處理的基準表現相比較，包含預處理相的CMP處理，其中基板102在主研磨相之前暴露於第一組成物110，能使平坦化效率從<40%改善到>60%。選擇性的pH調整能夠進一步增進平坦化效率。
第7圖展示用以處理基板(例如基板102)的化學機械研磨方法700，特別是研磨含有銅層(例如銅層240)的基板(例如基板102)以提供平坦化表面(例如銅層240上的平坦化表面558)的方法。
方法700包括，在步驟702中先提供具有含銅表面(例如銅層240)的基板(例如基板102)；且在步驟704中用第一組成物(例如第一組成物110)預處理含銅表面以形成鈍化層(例如鈍化層350)，其中第一組成物包含載劑液體(例如去離子水)、抗腐蝕劑(例如苯并三氮唑)、和氧化劑(例如H2O2)。在CMP方法的預處理相中可提供表面預處理。之後，方法700包括以含有研磨漿的第二組成物(例如第二組成物111)來研磨表面。此研磨處理可在主研磨相執行，其中主研磨相在CMP方法的預處理相中的表面預處理之後立即執行。研磨相包括使用研磨料來移除銅材料。
因此，儘管本發明依照其例示的實施例被揭露，吾人應當理解，其它實施例亦可落入本發明的範疇，例如由隨附的申請專利範圍所定義的。
700‧‧‧化學機械研磨方法
702‧‧‧步驟
704‧‧‧步驟
706‧‧‧步驟

Claims (20)

  1. 一種化學機械研磨系統，包括：一基板，被固持在一基板固持件中，且該基板具有一含銅表面；一研磨墊；以及一分配器，能夠將一第一化學溶液分配在該基板與該研磨墊之間，用以做為引入一研磨漿之一研磨相的一預處理相。
  2. 如請求項1所述之化學機械研磨系統，其中該第一化學溶液在該預處理相中被供應至該分配器，其中該預處理相發生在從一研磨漿供應源引入該研磨漿之前。
  3. 如請求項1所述之化學機械研磨系統，包括一第一組成物供應源，和一研磨漿供應源，該研磨漿供應源與該分配器相連接，其中該第一組成物供應源與該研磨漿供應源為互相分離。
  4. 如請求項1所述之化學機械研磨系統，其中該第一化學溶液包含去離子水、一抗腐蝕劑、和一氧化劑。
  5. 如請求項4所述之化學機械研磨系統，進一步包含一pH調節劑。
  6. 如請求項4所述之化學機械研磨系統，其中該第一化學 溶液缺乏一研磨料。
  7. 如請求項4所述之化學機械研磨系統，其中該第一化學溶液包含介於約97.2%到約98.8%的去離子水。
  8. 如請求項4所述之化學機械研磨系統，其中該第一化學溶液包含：介於約97.2%到約98.8%的去離子水；介於約0.05%到約0.30%的該抗腐蝕劑；以及介於約0.2%到約2.0%的該氧化劑。
  9. 如請求項4所述之化學機械研磨系統，其中該第一化學溶液包含：介於約97.2%到約98.8%的去離子水；介於約0.05%到約0.30%做為該抗腐蝕劑的苯并三氮唑；介於約0.2%到約2.0%做為該氧化劑的H2O2；以及介於約0.05%到約0.5%做為一pH調節劑的NH4OH。
  10. 一種基板處理方法，包括以下步驟：提供具有一含銅表面的一基板；以一第一組成物預處理該含銅表面來形成一鈍化層，其中該第一組成物包含一載劑液體、一抗腐蝕劑、以及一氧化劑；以及接著以一第二組成物來研磨該含銅表面，其中該第二組 成物包含一研磨漿。
  11. 如請求項10所述之基板處理方法，其中該鈍化層具有小於約3nm的厚度。
  12. 如請求項10所述之基板處理方法，其中預處理該含銅表面的步驟包括以下步驟：將該第一組成物分配於一研磨墊上；以及將該第一組成物植入該研磨墊與該基板之間。
  13. 如請求項12所述之基板處理方法，其中將該第一組成物分配於該研磨墊上的步驟發生時間為介於約5秒到約30秒之間。
  14. 如請求項12所述之基板處理方法，其中該第一組成物到該研磨墊上的流速為介於約50mL/min到約500mL/min之間。
  15. 如請求項12所述之基板處理方法，其中該第一組成物進一步包含一pH調節劑。
  16. 如請求項12所述之基板處理方法，其中該第一組成物缺乏一研磨料。
  17. 如請求項12所述之基板處理方法，其中該第一組成物進 一步包含：介於約97.2%到約98.8%的去離子水；介於約0.05%到約0.30%的該抗腐蝕劑；以及介於約0.2%到約2.0%的該氧化劑。
  18. 如請求項12所述之基板處理方法，其中該第一組成物進一步包含：介於約97.2%到約98.8%的去離子水；介於約0.05%到約0.30%做為該抗腐蝕劑的苯并三氮唑；介於約0.2%到約2.0%做為該氧化劑的H2O2；以及介於約0.05%到約0.5%做為一pH調節劑的NH4OH。
  19. 一種適用於基板化學機械研磨的組成物，包含：一載劑液體，含量介於約97.2%到約98.8%之間；一抗腐蝕劑，含量介於約0.05%到約0.30%之間；以及一氧化劑，含量介於約0.2%到約2.0%之間。
  20. 如請求項19所述之組成物，包含：做為該抗腐蝕劑的苯并三氮唑；以及做為該氧化劑的H2O2。
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