TW202319177A - 用於後段應用的瓶中墊及單壓板化學機械平坦化方法 - Google Patents

用於後段應用的瓶中墊及單壓板化學機械平坦化方法 Download PDF

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馬克李納德 歐尼爾
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艾拉 菲利波西安
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Abstract

本發明描述用一種以新穎的瓶中墊(PIB)技術及PIB型CMP漿用於後段CMP應用的單壓板化學機械平坦化(CMP)製程來取代用於後段CMP應用的多重(例如三)壓板化學機械平坦化(CMP)製程。帶有單研磨墊的單壓板係用於包含金屬塊、金屬軟著陸(metal soft landing)及金屬阻障CMP的整個後段CMP製程。

Description

用於後段應用的瓶中墊及單壓板化學機械平坦化方法
相關申請案之相互參照
本案請求2021年11月10日申請的美國臨時申請案第63/278,049號之優先權，在此以引用的方式併入本文。
本揭示內容關於具有多重研磨步驟的單壓板CMP製程例如後段應用。
該單壓板CMP製程採用新穎的瓶中墊(PIB)技術及PIB型先進金屬(例如Cu或Co)塊、PIB型金屬(例如Cu或Co)軟著陸及PIB型金屬(例如Cu或 Co)阻障化學機械平坦化(CMP)漿、系統及方法，在後段應用中使用單壓板進行三研磨步驟。在該壓板上選定的單研磨墊(硬質或軟質)隨後將完成所有三研磨步驟。
按照慣例，對於該後段CMP應用，金屬塊、金屬軟著陸及金屬阻障CMP漿在該CMP研磨設備的三不同壓板上採用三不同研磨步驟，整個研磨製程如圖1上部所示。通常，三不同壓板與用於三CMP漿的至少二不同類型的研磨墊一起使用。
因此，用於後段CMP處理的習用三壓板CMP製程有幾個弱點，例如(a) 在CMP研磨機中使用三不同壓板，這使得該研磨設備大而複雜，(b) 三壓板CMP製程中各壓板皆需要至少二不同類型的研磨墊，(c) 三不同壓板之間的晶圓傳輸時間將降低裝置製造效率。
擁有成本及在昂貴的聚胺酯研磨墊上進行電子裝置製造的成本亦為半導體業在CMP製程中的重要關注點。
在CMP中，聚胺酯(PU)墊上的凹凸不平部由於晶圓接觸而不可逆地變形，並且也被組合物顆粒磨損。因此，必須用金剛砂盤不斷更新該墊表面以確保製程穩定性。因為金剛砂盤必須切削該墊表面以消除舊的凹凸不平部並且產生新的，所以其也使該墊逐漸變薄，迫使其更換。
該墊的凹凸不平部的作用由高品質微米級聚胺酯(PU)珠發揮，其尺寸與工業用研磨墊中的孔隙和凹凸不平部的尺寸相當。PIB型CMP漿含有PU珠。
在新發明的用於後段CMP應用的單壓板CMP製程(如圖1下部所示)中，首先使用選定的第一PIB型銅塊CMP漿去除期望厚度的超載的銅覆蓋層膜，在該步驟1之後，步驟2中將使用選定的第二PIB型銅軟著陸CMP漿以去除遺留的銅覆蓋層(Cu capping layer)以停止於阻障及介電膜上，以提供低銅線淺盤效應，在步驟3中，使用選定的第三PIB型銅阻障去除阻障、介電質及銅膜，在不同待研磨膜之間具有合宜的研磨選擇性以達成獲致進一步降低銅淺盤效應及侵蝕的銅淺盤效應及侵蝕校正，從而提高該電子裝置良率。
這些需求藉由使用本發明揭示的單壓板CMP製程獲得滿足，其中該單壓板與為下列所有三不同PIB型CMP漿單一選定的研磨墊一起使用：該後段CMP製程中使用的PIB型銅塊、PIB型銅軟著陸及PIB型銅阻障CMP漿。
本發明用於後段CMP應用的單壓板CMP製程工將減短該CMP處理時間並且提高半導體裝置製造的產量。
在一態樣中，將一種PIB型銅塊CMP研磨組合物提供到單壓板CMP製程的第一研磨步驟。該PIB型銅塊CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 液體載劑例如水； 及視需要地， 螯合劑或雙螯合劑或三螯合劑； 腐蝕抑制劑； 有機季銨鹽； 殺菌劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為3.0至12.0；5.5至7.5；或6.0至7.5。
在另一態樣中，將一種PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物提供到單壓板CMP製程的第二研磨步驟。該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 銅淺盤效應降低添加物； 液體載劑例如水； 及視需要地， 螯合劑或雙螯合劑或三螯合劑； 腐蝕抑制劑； 有機季銨鹽； 殺菌劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為3.0至12.0；5.5至7.5；或6.0至7.5。
在第三態樣中，將一種PIB型銅阻障CMP研磨組合物提供到單壓板CMP製程的第三研磨步驟。該PIB型銅阻障CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 阻障或介電膜移除速率提高添加物； 液體載劑例如水； 及視需要地， 銅淺盤效應降低添加物； 腐蝕抑制劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH可為酸性或鹼性。對於酸性pH，pH為2.0至6.5；對於鹼性pH的PIB型CMP研磨組合物，pH範圍為8至11。
在另一態樣中，提供一種單壓板CMP研磨方法。該單壓板CMP研磨方法包含下列步驟： 提供具有單一成本有效的研磨墊之單壓板； 提供具有選自由銅、阻障、穿矽通孔(TSV)銅、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的群組中之至少一膜的半導體圖案化晶圓； 提供上述PIB型銅塊CMP研磨組合物； 將該銅膜研磨至控制厚度，其中該銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅塊CMP研磨組合物接觸； 提供上述PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物； 研磨上次研磨留下的銅膜並且停在阻障膜上，其中上次研磨留下的銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物接觸； 提供上述PIB型銅阻障CMP研磨組合物； 研磨選自由該阻障、穿矽通孔(TSV)銅膜、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的群組中之至少一膜，並且其中該至少一膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅阻障CMP研磨組合物接觸。
在另一態樣中，提供一種單壓板CMP研磨系統。該單壓板CMP研磨系統包含： 提供具有單一成本有效的研磨墊之單壓板； 提供具有選自由銅、阻障、穿矽通孔(TSV)銅、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的群組中之至少一膜的半導體圖案化晶圓； 提供上述PIB型銅塊CMP研磨組合物以將該銅膜研磨至控制厚度，其中該銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅塊CMP研磨組合物接觸； 提供上述PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物以研磨上次研磨留下的銅膜並且停在阻障膜上，其中上次研磨留下的銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物接觸； 提供上述PIB型銅阻障CMP研磨組合物以研磨選自由該阻障、穿矽通孔(TSV)銅、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的群組中之至少一膜，其中該至少一膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅阻障CMP研磨組合物接觸。
該研磨料包括，但不限於，膠態氧化矽或高純度膠態氧化矽；該膠態氧化矽的晶格內摻雜其他金屬氧化物的膠態氧化矽粒子，例如摻雜氧化鋁的氧化矽粒子；膠態氧化鋁，其包括α-、β-及γ-型氧化鋁；膠態和光敏性二氧化鈦、氧化鈰、膠態氧化鈰、奈米級無機金屬氧化物粒子，例如氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯、氧化鈰等等；奈米級金剛砂粒子、奈米級氮化矽粒子；單峰、雙峰、多峰膠態研磨料粒子；基於有機聚合物的軟性研磨料、表面塗佈或改質的研磨料或其他錯合物粒子及其混合物。
該含矽酮分散劑包括，但不限於，含有水不溶性矽酮骨幹及許多水溶性聚醚側基，例如若干重複單元的環氧乙烷(EO)及環氧丙烷(PO) (EO-PO)官能基，以提供表面潤濕性質的矽酮聚醚。
該腐蝕抑制劑包括但不限於芳族環中含有氮原子的雜芳族化合物系，例如1,2,4-三唑、阿米唑(amitrole) (3-胺基-1,2,4-三唑)、苯并三唑和苯并三唑衍生物、四唑和四唑衍生物、咪唑和咪唑衍生物、苯并咪唑和苯并咪唑衍生物、吡唑和吡唑衍生物及四唑和四唑衍生物。
該螯合劑包括，但不限於，胺基酸、胺基酸衍生物、有機胺。
該胺基酸及胺基酸衍生物包括，但不限於，甘胺酸、D-丙胺酸、L-丙胺酸、DL-丙胺酸、β-丙胺酸、纈胺酸、白胺酸、異白胺酸、苯胺、脯胺酸、絲胺酸、蘇胺酸、酪胺酸、麩醯胺酸、天冬醯胺酸、麩胺酸、天冬胺酸、色胺酸、組胺酸、精胺酸、離胺酸、甲硫胺酸、半胱胺酸、亞胺基二乙酸及其組合。
該有機胺包括，但不限於，2,2-二甲基-1,3-丙二胺及2,2-二甲基-1,4-丁二胺、伸乙二胺、1,3-二胺丙烷、1,4-二胺丁烷等等。
具有兩個一級胺部分的有機二胺化合物可稱作為二元螯合劑(binary chelating agent)。
該殺菌劑包括但不限於來自Dow Chemical公司的Kathon™、Kathon™ CG/ICP II。其具有5-氯-2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮或/及2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮的活性成分。
該銅淺盤效應降低劑包括但不限於非離子有機表面活性劑，例如乙炔乙氧基化物型的表面活性劑Dynol607™、Dynol604™或聚乙二醇醚結構的 Tergitol™型非離子表面活性劑，例如Tergitol™ Min Form 1x、Tergitol™ L-62、Tergitol™ L- 64，或陰離子表面活性劑，例如有機烷基磺酸鹽、有機烷基磷酸鹽或有機羧酸鹽。該陰離子表面活性劑的實例為十二烷基磺酸銨鹽或鉀鹽、辛基磷酸銨鹽或鉀鹽及辛基羧酸銨鹽或鉀鹽。
該阻障或介電膜移除速率提高添加物包括，但不限於，不同矽酸鹽，例如矽酸銨、矽酸鈉、矽酸鉀或矽酸四烷酯。
該氧化劑包括，但不限於，高碘酸、過氧化氫、碘酸鉀、高錳酸鉀、過硫酸銨、鉬酸銨、硝酸鐵、硝酸、硝酸鉀及其混合物。
作為銅移除速率提高劑及缺陷減少劑的有機季銨鹽包括，但不限於，具有不同相對離子(counter ion)的膽鹼鹽，例如碳酸氫膽鹼、氫氧化膽鹼、檸檬酸二氫膽鹼鹽、乙醇胺膽鹼鹽、酒石酸氫膽鹼等等。
該pH調節劑包括，但不限於，下列各者：硝酸、鹽酸、硫酸、磷酸、其他無機或有機酸及其混合物。pH調節劑也包括鹼性pH調節劑，例如氫化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨、氫氧化四烷基銨、有機胺類及其他能夠朝偏鹼性方向調節pH的化學試劑。
本揭示內容教導一種用單一相同研磨墊之單壓板CMP研磨，其以PIB型金屬塊、PIB型金屬軟著陸及PIB型金屬阻障CMP漿用於後段CMP應用，例如三步驟銅CMP製程。
本案揭示一種新穎的技術，其中藉由高品質微米級聚胺酯(PU)珠發揮墊子凹凸不平部的作用。該PU珠的尺寸與市售研磨墊的細孔和凹凸不平部的大小相當。
使該珠粒懸浮於銅CMP研磨組合物中，該組合物具有研磨料粒子例如煅燒的氧化鈰、膠態氧化矽或複合粒子，輔以潤濕劑(或表面活性劑)作為分散劑將聚胺酯珠分散於水性組合物中。
該珠粒藉由下述方式與該晶圓表面接觸以與習知凹凸不平部大致相同的方式促進研磨。
藉由選擇該珠粒的尺寸及其於該組合物中的濃度，可更好地控制與該晶圓接觸的“頂端”的高度、曲率及面密度，控制與該晶圓接觸的頂端實質上減少與習用凹凸不平部接觸相關的製程變數。
珠粒的使用仍然需要用於進行研磨的第二表面或相對面，在我們的案例中仍然是習用基於聚胺酯的墊子，只是需要最少的修整，因為其不再是發生研磨的主要表面。或者，可使用便宜且經過部分修整的墊子作為該相對面。
研磨機通常為後段CMP應用使用三個具有二或三墊子的壓板並且使用三不同CMP研磨組合物。在本揭示內容中，使用同一研磨墊及三不同CMP漿的單壓板製程將取代三壓板CMP製程用於後段CMP應用中。該單壓板製程在半導體裝置製程中提供顯著的成本降低並且提高了半導體裝置的整體製造效率。
由於移除用過的墊子、安裝及驗證新墊子可能得花數小時，因此由於設備停機及用以驗證新墊子的消耗品而導致的工程及產品損失也很大。與使用二至三不同研磨墊的三壓板製程相比時，使用利用同一研磨墊的單壓板製程可顯著減少此墊子的更換時間。
至於研磨墊，在必須剝離並丟棄該墊子之前僅使用了一墊子厚度的約三分之二。對於修整器(conditioner)來說，數以萬計中僅用幾百顆金剛砂控制產品的壽命，之後該修整器就必須丟棄。再者，回收或再利用選項並不適用於墊子及修整器。我們的研究解決了上述EHS問題並且藉由排除大量墊子及鑽石盤修整器的使用為當前標準CMP製程提供了新穎的解決方案。
本發明揭示的用於單壓板後段CMP應用的三不同型CMP研磨組合物中使用的聚胺酯珠具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸。
將本發明的幾個具體態樣概述如下。
在一態樣中，將一種PIB型銅塊CMP研磨組合物提供到單壓板CMP製程的第一研磨步驟。該PIB型銅塊CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 液體載劑例如水； 及視需要地， 螯合劑或雙螯合劑或三螯合劑； 腐蝕抑制劑； 有機季銨鹽； 殺菌劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為3.0至12.0；5.5至7.5；或6.0至7.5。
在另一態樣中，將一種PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物提供到單壓板CMP製程的第二研磨步驟。該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 銅淺盤效應降低添加物； 液體載劑例如水； 及視需要地， 螯合劑或雙螯合劑或三螯合劑； 腐蝕抑制劑； 有機季銨鹽； 殺菌劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為3.0至12.0；5.5至7.5；或6.0至7.5。
在第三態樣中，將一種PIB型銅阻障CMP研磨組合物提供到單壓板CMP製程的第三研磨步驟。該PIB型銅阻障CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 阻障或介電膜移除速率提高添加物； 液體載劑例如水； 及視需要地， 銅淺盤效應降低添加物； 腐蝕抑制劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH可為酸性或鹼性。對於酸性pH，pH為2.0至6.5；對於鹼性pH的PIB型CMP研磨組合物，pH範圍為8至11。
在另一態樣中，提供一種單壓板CMP研磨方法。該單壓板CMP研磨方法包含下列步驟： 提供具有單一成本有效的研磨墊之單壓板； 提供具有選自由銅、阻障、穿矽通孔(TSV)銅、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的群組中之至少一膜的半導體圖案化晶圓； 提供上述PIB型銅塊CMP研磨組合物； 將該銅膜研磨至控制厚度，其中該銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅塊CMP研磨組合物接觸； 提供上述PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物； 研磨上次研磨留下的銅膜並且停在阻障膜上，其中上次研磨留下的銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物接觸； 提供上述PIB型銅阻障CMP研磨組合物； 研磨選自由該阻障、穿矽通孔(TSV)銅膜、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的群組中之至少一膜，並且其中該至少一膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅阻障CMP研磨組合物接觸。
在另一態樣中，提供一種單壓板CMP研磨系統。該單壓板CMP研磨系統包含： 提供具有單一成本有效的研磨墊之單壓板； 提供具有選自由銅、阻障、穿矽通孔(TSV)銅、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的群組中之至少一膜的半導體圖案化晶圓； 提供上述PIB型銅塊CMP研磨組合物以將該銅膜研磨至控制厚度，其中該銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅塊CMP研磨組合物接觸； 提供上述PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物以研磨上次研磨留下的銅膜並且停在阻障膜上，其中上次研磨留下的銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物接觸； 提供上述PIB型銅阻障CMP研磨組合物以研磨選自由該阻障、穿矽通孔(TSV)銅、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的群組中之至少一膜，其中該至少一膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅阻障CMP研磨組合物接觸。
該研磨料係奈米級粒子，其包括，但不限於，膠態氧化矽或高純度膠態氧化矽；該膠態氧化矽的晶格內摻雜其他金屬氧化物的膠態氧化矽粒子，例如摻雜氧化鋁的氧化矽粒子；膠態氧化鋁，其包括α-、β-及γ-型氧化鋁；膠態和光敏性二氧化鈦、氧化鈰、膠態氧化鈰、奈米級無機金屬氧化物粒子，例如氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯、氧化鈰等等；奈米級金剛砂粒子、奈米級氮化矽粒子；單峰、雙峰、多峰膠態研磨料粒子；基於有機聚合物的軟性研磨料、表面塗佈或改質的研磨料或其他錯合物粒子及其混合物。
該膠態氧化矽可由矽酸鹽製成，該高純度膠態氧化矽可由TEOS或TMOS製成。該膠態氧化矽或高純膠態氧化矽可具有窄或寬的粒徑分佈，有單峰或多峰，大小不一及包括球狀、繭狀、聚集狀及其他形狀的多樣形狀。
該奈米級粒子也可具有不同形狀，例如球、繭及聚集體等。
該銅CMP漿中使用的研磨料的粒徑介於5nm至500nm、10nm至250nm或25nm至100nm。
該銅阻障CMP研磨組合物包含0.0025重量%至25重量%的研磨料；0.0025重量%至2.5重量%；0.005重量%至0.5重量%。
該CMP研磨組合物包含含矽酮分散劑以將該聚胺酯珠分散於水溶液中。該含矽酮分散劑也發揮表面潤濕劑分散劑的作用。
該含矽酮的分散劑包括，但不限於，含有水不溶性矽酮骨幹及許多水溶性聚醚側基，例如若干重複單元的環氧乙烷(EO)及環氧丙烷(PO) (EO-PO)官能基，以提供表面潤濕性質的矽酮聚醚。
該含矽酮分散劑的實例包括Silsurf®E608、Silsurf®J208-6、Silsurf®A208、Silsurf®CR1115、Silsurf®A204、Silsurf® A004-UP、Silsurf® A008-UP、Silsurf® B608、Silsurf®C208、Silsurf® C410、Silsurf® D208、Silsurf® D208、Silsurf® D208-30、Silsurf®Di-1010、Silsurf® Di-1510、Silsurf®Di-15-I、Silsurf®Di-2012、Silsurf®Di-5018-F、Silsurf®G8-I、Silsurf®J1015-O、Silsurf®J1015-O-AC、Silsurf®J208、Silsurf®J208-6、Siltech®OP-8、Siltech®OP-11、Siltech®OP-12、Siltech®OP-15、Siltech®OP-20；來自加拿大，安大略省，多倫多市，M4H 1G5，Wicksteed大道225號的Siltech公司的產品。
該含矽酮分散劑的濃度範圍為0.01重量%至2.0重量%、0.025重量%至1.0重量%或0.05重量%至0.5重量%。
該CMP漿含有各種尺寸的聚胺酯珠。
該聚胺酯珠的濃度範圍為0.01重量%至2.0重量%、0.025重量%至1.0重量%或0.05重量%至0.5重量%。
作為銅移除速率提高劑及缺陷減少劑的有機季銨鹽包括，但不限於，膽鹼鹽，例如碳酸氫膽鹼鹽或膽鹼與所有其他陰離子相對離子之間形成的鹽。
該CMP漿含有0.005重量%至0.5重量%、0.001重量%至0.25重量%或0.002重量%至0.1重量%的有機季銨鹽。
該CMP漿含有0.1重量%至18重量%；0.5重量%至15重量%；或1.0重量%至10.0重量%的至少一螯合劑、雙螯合劑或三螯合劑。
該螯合劑包括，但不限於，胺基酸、胺基酸衍生物、有機胺。
該胺基酸及胺基酸衍生物包括，但不限於，甘胺酸、D-丙胺酸、L-丙胺酸、DL-丙胺酸、β-丙胺酸、纈胺酸、白胺酸、異白胺酸、苯胺、脯胺酸、絲胺酸、蘇胺酸、酪胺酸、麩醯胺酸、天冬醯胺酸、麩胺酸、天冬胺酸、色胺酸、組胺酸、精胺酸、離胺酸、甲硫胺酸、半胱胺酸、亞胺基二乙酸及其組合。
該有機胺包括，但不限於，2,2-二甲基-1,3-丙二胺及2,2-二甲基-1,4-丁二胺、伸乙二胺、1,3-二胺丙烷、1,4-二胺丁烷等等。
具有兩個一級胺部分的有機二胺化合物可稱作為二元螯合劑。
該腐蝕抑制劑可為任何習知報導的腐蝕抑制劑。
該腐蝕抑制劑，舉例來說，包括但不限於芳族環中含有氮原子的雜芳族化合物系，例如1,2,4-三唑、阿米唑(3-胺基-1,2,4-三唑)、苯并三唑和苯并三唑衍生物、四唑和四唑衍生物、咪唑和咪唑衍生物、苯并咪唑和苯并咪唑衍生物、吡唑和吡唑衍生物及四唑和四唑衍生物。
該CMP漿含有0.005重量%至1.0重量%；0.01重量%至0.5重量%；或0.025重量%至0.25重量%的腐蝕抑制劑。
具有用於提供該銅阻障化學機械研磨組合物更穩定的保存時間的活性成分之殺菌劑皆可使用。
該殺菌劑包括但不限於來自Dow Chemical公司的Kathon™、Kathon™ CG/ICP II。其具有5-氯-2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮及/或2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮的活性成分。
該CMP漿含有0.0001重量%至0.05重量%；0.0001重量%至0.025重量%；或0.0001重量%至0.01重量%的殺菌劑。
酸性或鹼性化合物或pH調節劑皆可用以將CMP研磨組合物的pH調節至最佳化pH值。
該pH調節劑包括，但不限於，下列各者：硝酸、鹽酸、硫酸、磷酸、其他無機或有機酸及其混合物。pH調節劑也包括鹼性pH調節劑，例如氫化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨、氫氧化四烷基銨、有機胺類及其他能夠朝偏鹼性方向調節pH的化學試劑。
該CMP漿含有0重量%至1重量%；0.01重量%至0.5重量%；或0.1重量%至0.25重量%的pH調節劑。
該銅淺盤效應降低劑包括但不限於非離子有機表面活性劑，例如乙炔乙氧基化物型的表面活性劑Dynol607™、Dynol604™或聚乙二醇醚結構的 Tergitol™型非離子表面活性劑，例如Tergitol™ Min Form 1x、Tergitol™ L-62、Tergitol™ L- 64，或陰離子表面活性劑，例如有機烷基磺酸鹽、有機烷基磷酸鹽或有機羧酸鹽。該陰離子表面活性劑的實例為十二烷基磺酸銨鹽或鉀鹽、辛基磷酸銨鹽或鉀鹽及辛基羧酸銨鹽或鉀鹽。
該銅淺盤效應降低添加物的濃度介於0.0005重量%至0.25重量%，較佳的濃度範圍為0.001重量%至0.125重量%。更佳的濃度範圍為0.025重量%至0.10重量%。
該阻障或介電膜移除速率提高添加物包括，但不限於，不同矽酸鹽，例如矽酸銨、矽酸鈉、矽酸鉀或矽酸四烷酯。
該CMP漿含有0重量%至2重量%；0.1重量%至1.5重量%；或0.25重量%至1重量%的阻障或介電膜移除速率提高添加物。
該PIB型銅塊及銅軟著陸研磨組合物的pH為約3.0至約12.0；較佳的pH範圍為5.5至7.5；最佳的pH範圍為6.0至7.5。
該PIB型銅阻障CMP研磨組合物的pH可為酸性或鹼性。對於酸性pH，pH為2.0至6.5；對於鹼性pH的PIB型CMP研磨組合物，pH範圍為8至11。 實驗段 參數： Å：埃-長度單位 BP：背壓，以psi為單位 CMP：化學機械平坦化 = 化學機械研磨 CS：載具速度 DF：下壓力：CMP期間施加的壓力，單位psi min：分鐘 ml：毫升 mV：毫伏 psi：每平方吋磅數 PS：研磨設備的壓板旋轉速度，以rpm (每分鐘轉數)為單位 SF：研磨組合物流量，ml/min 移除速率(RR)： Cu RR 0.5 psi     該CMP設備在0.5 psi下壓力下測得的銅移除速率 Cu RR 1.0 psi     該CMP設備在1.0 psi下壓力下測得的銅移除速率 Cu RR 2.0 psi     該CMP設備在2.0 psi下壓力下測得的銅移除速率 Cu RR 2.5 psi     該CMP設備在2.5 psi下壓力下測得的銅移除速率 TEOS RR 0.5 psi      該CMP設備在0.5 psi下壓力下測得的TEOS移除速率 TEOS RR 1.0 psi 該CMP設備在1.0 psi下壓力下測得的TEOS移除速率 TEOS RR 2.0 psi 該CMP設備在2.0 psi下壓力下測得的TEOS移除速率 TaN RR 0.5 psi  該CMP設備在0.5 psi下壓力下測得的TaN移除速率 TaN RR 1.0 psi  該CMP設備在1.0 psi下壓力下測得的TaN移除速率 TaN RR 2.0 psi  該CMP設備在2.0 psi下壓力下測得的TaN移除速率 BD RR 0.5 psi    該CMP設備在0.5 psi下壓力下測得的BD移除速率 BD RR 1.0 psi    該CMP設備在1.0 psi下壓力下測得的BD移除速率 BD RR 2.0 psi    該CMP設備在2.0 psi下壓力下測得的BD移除速率 TiN RR 1.0 psi   該CMP設備在1.0 psi下壓力下測得的TiN移除速率 TiN RR 2.0 psi   該CMP設備在2.0 psi下壓力下測得的TiN移除速率 通用實驗程序
除非另行指明，否則該組合物中的所有百分比皆為重量百分比。
在下文所呈現的實施例中，使用下文指定的程序及實驗條件進行CMP實驗。該實施例中使用的CMP設備係300mm APD-800 ®研磨機，由Fujikoshi Machinery公司(日本長野)製造。墊子藉由研磨25個仿氧化物(藉由電漿強化CVD由TEOS前驅物，PETEOS沉積的)晶圓來磨合。為了驗證該設備設定及該墊子磨合，在基線條件下用Planarization Platform of Versum Materials股份有限公司提供的Syton ®OX-K膠態氧化矽研磨二PETEOS監視器。研磨實驗使用空白銅、TEOS、TaN、TiN及BD晶圓進行。這些空白晶圓係購自加州95126，坎貝爾大道1150號的Silicon Valley Microelectronics。研磨墊，硬研磨墊，IC1010，係由美國DuPont公司提供。Fujibo軟墊，由日本Fujibo股份有限公司提供。該硬研磨墊由剛性微孔性聚胺酯材料製成。該硬研磨墊可為具有約0.5%至4.0%的壓縮率及約52至62的硬度(Shore D)的IC 1010。硬研磨墊及軟研磨墊分別用在該單壓板上，用於銅塊、銅軟著陸及阻障空白晶圓研磨研究。 工作實施例 實施例1 – 在單壓板製程時使用IC1010硬墊
在該單壓板處理時，PIB銅塊CMP研磨組合物包含5.20重量%甘胺酸、2.40重量%丙胺酸、0.016重量%阿米唑、0.0231重量%碳酸氫膽鹼、0.0016重量% Neolone M10殺菌劑、0.2705重量%高純度膠態氧化矽作為研磨料、0.050重量% Silsurf E608作為分散劑及0.10重量% 35微米級聚胺酯珠。
以含EO-PO潤濕官能基的Silsurf E608用作該含矽酮分散劑。
在該單壓板處理時，PIB銅軟著陸CMP研磨組合物包含EMD Electronics銅軟著陸漿Cu3086，添加0.050重量%的Silsurf E608作為分散劑及0.10重量%的35微米級聚胺酯珠。
在該單壓板處理時，PIB阻障CMP 研磨組合物包含EMD Electronics的BAR6610R漿，添加0.050重量%的Silsurf E608作為分散劑及0.25重量%的35微米級聚胺酯珠。
2.5重量%的H 2O 2在使用時加於該PIB銅塊CMP組合物中以在單壓板上進行該研磨測試。
1.0重量%的H 2O 2在使用時加於該PIB銅軟著陸CMP組合物中以在單壓板上進行該研磨測試。
1.0重量%的H 2O 2在使用時加於該PIB BAR6610R阻障CMP組合物中以在單壓板上進行該研磨測試。
該研磨測試係在單壓板製程時用IC1010硬墊配合不同外加的下壓力及滑動速度進行。
將單壓板製程時使用IC1010硬研磨墊的研磨結果列於表1至表3。 表1. 在IC1010墊上的PIB型銅塊CMP漿研磨結果
晶圓類型 下壓力(PSI) 滑動速度(m/s) 中間值COF 膜RR (Å/min.)
Cu 1 1 0.372 8400
1 1.5 0.372 9674
2 1 0.381 10790
2 1.5 0.376 13832
2.5 1 0.374 12980
2.5 1.5 0.368 17780
TEOS 1 1 0.463 0
1 1.5 0.511 0
2 1 0.531 3
2 1.5 0.568 3
TaN 1 1 0.463 11
1 1.5 0.498 9
2 1 0.530 6
2 1.5 0.568 11
如表1所列的研磨結果，在使用IC1010硬墊的單壓板製程時利用PIB銅塊CMP漿於2.5psi下壓力及1.5m/s滑動速度下實現最高的銅移除速率。該PIB型銅塊漿在單壓板製程時於2.0psi下壓力及1.5m/s滑動速度下提供＞4500：1的高Cu：TEOS研磨選擇性及＞1200：1的Cu：TaN研磨選擇性。
在單壓板上完成PIB型銅塊漿CMP研磨製程以後，其後在該單壓板製程時使用銅軟著陸CMP漿進行該第二步驟CMP製程。將結果列於表2。 表2. 在IC1010墊上的PIB型銅軟著陸CMP漿研磨結果
晶圓類型 下壓力(PSI) 滑動速度(m/s) 中間值COF 膜RR (Å/min.)
Cu 0.5 0.5 0.392 463
0.5 1 0.564 1089
1 0.5 0.411 880
1 1 0.552 1847
TEOS 0.5 0.5 0.411 1
0.5 1 0.281 1
1 0.5 0.365 1
1 1 0.274 1
TaN 0.5 0.5 0.292 23
0.5 1 0.266 23
1 0.5 0.305 27
1 1 0.286 9
BD 0.5 0.5 0.448 0
0.5 1 0.456 0
1 0.5 0.460 0
1 1 0.476 0
如表2所列的研磨結果，在該單壓板製程時利用PIB銅塊CMP漿於1.0psi下壓力及1.0m/s滑動速度下實現最高的銅移除速率。該PIB型銅軟著陸漿在單壓板製程時提供高Cu：TEOS研磨選擇性、高Cu：BD研磨選擇性及良好的Cu：TaN研磨選擇性。在該單壓板製程時使用的PIB型銅軟著陸CMP漿使用IC1010硬研磨墊研磨介電膜、TEOS及BD，同時提供幾乎完全停止的CMP研磨性能。
在單壓板上完成PIB型銅軟著陸漿CMP研磨製程以後，其後在該單壓板製程時使用PIB型阻障CMP漿進行該第三步驟CMP製程。將結果列於表3。 表3. 在IC1010墊上的PIB型銅阻障CMP漿研磨結果
晶圓類型 下壓力(PSI) 滑動速度(m/s) 中間值COF 膜RR (Å/min.)
Cu 1 0.5 0.465 0
1 1 0.422 0
2 0.5 0.434 0
2 1 0.414 0
TEOS 1 0.5 0.507 80
1 1 0.437 146
2 0.5 0.622 140
2 1 0.412 290
TaN 1 0.5 0.583 49
1 1 0.643 76
2 0.5 0.575 122
2 1 0.643 199
BD 1 0.5 0.536 0
1 1 0.561 0
2 0.5 0.509 0
2 1 0.565 0
TiN 1 0.5 0.497 820
1 1 0.513 1330
2 0.5 0.533 1366
2 1 0.564 2174
如表3所列的研磨結果，於四不同外加下壓力及滑動速度組合條件下實現較高的TiN移除速率。該PIB阻障漿也在該單壓板製程時利用IC1010硬研磨墊於不同下壓力及滑動速度組合條件下研磨銅及BD膜時提供該完全停止的CMP研磨性能。該PIB型阻擋CMP漿在單壓板製程時使用IC1010硬研磨墊，同時提供合理的TEOS及TaN移除速率。 實施例2–在單壓板製程時使用Fujibo軟墊
在該單壓板處理時，PIB銅塊CMP研磨組合物包含5.20重量%甘胺酸、2.40重量%丙胺酸、0.016重量%阿米唑、0.0231重量%碳酸氫膽鹼、0.0016重量% Neolone M10殺菌劑、0.2705重量%高純度膠態氧化矽作為研磨料、0.050重量% Silsurf E608作為分散劑及0.10重量% 35微米級聚胺酯珠。
以含EO-PO潤濕官能基的Silsurf E608用作該含矽酮分散劑。
在該單壓板處理時，PIB銅軟著陸CMP研磨組合物包含EMD Electronics銅軟著陸漿Cu3086，添加0.050重量%的Silsurf E608作為分散劑及0.10重量%的35微米級聚胺酯珠。
在該單壓板處理時，PIB阻障CMP 研磨組合物包含EMD Electronics的BAR6610R漿，添加0.050重量%的Silsurf E608作為分散劑及0.25重量%的35微米級聚胺酯珠。
2.5重量%的H 2O 2在使用時加於該PIB銅塊CMP組合物中以在單壓板上進行該研磨測試。
1.0重量%的H 2O 2在使用時加於該PIB銅軟著陸CMP組合物中以在單壓板上進行該研磨測試。
1.0重量%的H 2O 2在使用時加於該PIB BAR6610R阻障CMP組合物中以在單壓板上進行該研磨測試。
該研磨測試係在單壓板製程時用Fujibo軟墊配合不同外加的下壓力及滑動速度進行。
將單壓板製程時使用Fujibo軟研磨墊的研磨結果列於表4至表6。 表4. 在Fujibo墊上的PIB型銅塊CMP漿研磨結果
晶圓類型 下壓力(PSI) 滑動速度(m/s) 中間值COF 膜RR (Å/min.)
Cu 1 1 0.507 8656
1 1.5 0.546 9564
2 1 0.499 12366
2 1.5 0.502 15954
2.5 1 0.495 14440
2.5 1.5 0.483 18700
TEOS 1 1 0.702 0
1 1.5 0.693 1
2 1 0.636 0
2 1.5 0.572 2
TaN 1 1 0.692 6
1 1.5 0.743 5
2 1 0.654 4
2 1.5 0.599 11
如表4所列的研磨結果，在使用Fujibo軟墊的單壓板製程時利用PIB銅塊CMP漿於2.5psi下壓力及1.5m/s滑動速度下實現最高的銅移除速率。使用Fujibo軟墊獲得的銅移除速率比於相同下壓力及滑動速度下使用IC1010硬墊獲得的銅移除速率又更高。該PIB型銅塊漿在單壓板製程時於2.0psi下壓力及1.5m/s滑動速度下使用Fujibo軟墊提供＞7900：1的極高Cu：TEOS研磨選擇性及約1450：1的Cu：TaN研磨選擇性。因此，在相同的外加下壓力及滑動速度下使用相同的PIB型銅塊漿時，Fujibo軟墊提供比使用IC1010硬墊獲得的選擇性更高的Cu：TEOS及Cu：TaN選擇性。
在單壓板上完成PIB型銅塊漿CMP研磨製程以後，其後在該單壓板製程時使用銅軟著陸CMP漿進行該第二步驟CMP製程。將結果列於表5。 表5. 在Fujibo墊上的PIB型銅軟著陸CMP漿研磨結果
晶圓類型 下壓力(PSI) 滑動速度(m/s) 中間值COF 膜RR (Å/min.)
Cu 0.5 0.5 0.484 881
0.5 1 0.466 1074
1 0.5 0.479 1278
1 1 0.427 1512
TEOS 0.5 0.5 0.649 0
0.5 1 0.511 0
1 0.5 0.549 0
1 1 0.474 0
TaN 0.5 0.5 0.544 0
0.5 1 0.507 0
1 0.5 0.537 0
1 1 0.490 0
BD 0.5 0.5 0.607 0
0.5 1 0.557 0
1 0.5 0.659 0
1 1 0.609 0
如表5所列的研磨結果，在使用Fujibo軟墊的單壓板製程時利用PIB銅塊CMP漿於1.0psi下壓力及1.0m/s滑動速度下實現最高的銅移除速率。該PIB型銅軟著陸漿在單壓板製程時提供極高Cu：TEOS研磨選擇性、極高Cu：BD研磨選擇性及極高Cu：TaN研磨選擇性。在該單壓板製程時使用的PIB型銅軟著陸CMP漿使用Fujibo軟研磨墊研磨介電膜、TEOS及BD，同時提供完全停止的CMP研磨性能。
在單壓板上完成PIB型銅軟著陸漿CMP研磨製程以後，其後在該單壓板製程時使用PIB型阻障CMP漿進行該第三步驟CMP製程。將結果列於表6。 表6. 在Fujibo墊上的PIB型阻障CMP漿研磨結果
晶圓類型 下壓力(PSI) 滑動速度(m/s) 中間值COF 膜RR (Å/min.)
Cu 1 0.5 0.562 46
1 1 0.614 37
2 0.5 0.580 40
2 1 0.639 71
TEOS 1 0.5 0.443 211
1 1 0.454 358
2 0.5 0.454 398
2 1 0.450 679
TaN 1 0.5 0.573 190
1 1 0.570 373
2 0.5 0.598 353
2 1 0.585 721
BD 1 0.5 0.648 8
1 1 0.709 114
2 0.5 0.648 30
2 1 0.658 105
TiN 1 0.5 0.622 708
1 1 0.650 1428
2 0.5 0.628 1320
2 1 0.630 2774
如表5所列的研磨結果，於四不同外加下壓力及滑動速度組合條件下實現較高的TiN移除速率。該PIB阻障漿也合宜的銅移除速率、良好的TEOS、TaN及BD膜移除速率。
以上所列的研磨可使用IC1010硬研磨墊或Fujibo軟墊於不同外加下壓力及滑動速度條件下導致表1至表6，三不同的CMP研磨組合物、PIB銅塊、PIB銅軟著陸及PIB阻障漿可成功地藉著單壓板CMP製程用於後段CMP應用。
上文列出的本發明的具體實例為可由本發明完成的眾多具體實例的示範。預期該製程的許多其他配置皆可使用，並且該製程中使用的材料可選自已明確揭示的那些材料之外的許多材料。
圖1. 以習用三壓板CMP製程與本揭示內容的單壓板CMP製程進行比較。
Step:步驟
P1,P2,P3:P1壓板，P2壓板，P3壓板

Claims (13)

  1. 一種用於後段銅製程之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨方法，其包含下列步驟： 提供具有單研磨墊之該單壓板； 提供具有由銅、阻障、穿矽通孔(TSV)銅、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的之至少一膜的該半導體圖案化晶圓； 提供PIB型銅塊CMP研磨組合物； 將該銅膜研磨至一控制厚度，其中該銅膜的至少一部分同時與該單研磨墊及該PIB型銅塊CMP研磨組合物接觸； 提供PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物； 研磨上次研磨留下的銅膜並且停在阻障膜上，其中上次研磨留下的銅膜的至少一部分同時與該單研磨墊及該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物接觸； 提供PIB型銅阻障CMP研磨組合物； 研磨選自該阻障、穿矽通孔(TSV)銅膜、低k、超低k及/或其他介電膜中之至少一膜，並且其中該至少一膜的至少一部分同時與該單研磨墊及該PIB型銅阻障CMP研磨組合物接觸。
  2. 如請求項1之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨方法，其中該PIB型銅塊CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 液體載劑例如水； 及視需要地， 螯合劑或雙螯合劑或三螯合劑； 腐蝕抑制劑； 有機季銨鹽； 殺菌劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為3.0至12.0；5.5至7.5；或6.0至7.5。
  3. 如請求項1之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨方法，其中該單研磨墊包含微孔性聚胺酯材料。
  4. 如請求項1之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨方法，其中該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 銅淺盤效應降低添加物； 液體載劑例如水； 及視需要地， 螯合劑或雙螯合劑或三螯合劑； 腐蝕抑制劑； 有機季銨鹽； 殺菌劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為3.0至12.0；5.5至7.5；或6.0至7.5。
  5. 如請求項1之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨方法，其中該PIB型銅阻障CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 阻障或介電膜移除速率提高添加物； 液體載劑例如水； 及視需要地， 銅淺盤效應降低添加物； 腐蝕抑制劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為用於酸性pH的2.0至6.5，或用於鹼性pH的8至11。
  6. 如請求項1之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨方法，其中該微米級聚胺酯(PU)珠具有介於30至50μm的尺寸。
  7. 一種用於後段銅製程之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨系統，其包含： 提供具有一單一成本有效的研磨墊之該單壓板； 提供具有由銅、阻障、穿矽通孔(TSV)銅、低k、超低k及/或其他介電膜所組成之至少一膜的該半導體圖案化晶圓； 提供PIB型銅塊CMP研磨組合物以將該銅膜研磨至一控制厚度，其中該銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅塊CMP研磨組合物接觸； 提供PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物以研磨上次研磨留下的銅膜並且停在阻障膜上，其中上次研磨留下的銅膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物接觸； 提供PIB型銅阻障CMP研磨組合物以研磨選自由該阻障、穿矽通孔(TSV)銅膜、低k、超低k及/或其他介電膜所組成的群組中之至少一膜，其中該至少一膜的至少一部分同時與該研磨墊及該PIB型銅阻障CMP研磨組合物接觸。
  8. 如請求項7之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨系統，其中該PIB型銅塊CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 液體載劑例如水； 及視需要地， 螯合劑或雙螯合劑或三螯合劑； 腐蝕抑制劑； 有機季銨鹽； 殺菌劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為3.0至12.0；5.5至7.5；或6.0至7.5。
  9. 如請求項7之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨系統，其中該單研磨墊包含微孔性聚胺酯材料。
  10. 如請求項7之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨系統，其中該PIB型銅軟著陸CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 銅淺盤效應降低添加物； 液體載劑例如水； 及視需要地， 螯合劑或雙螯合劑或三螯合劑； 腐蝕抑制劑； 有機季銨鹽； 殺菌劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為3.0至12.0；5.5至7.5；或6.0至7.5。
  11. 如請求項7之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨系統，其中該PIB型銅阻障CMP研磨組合物包含： 研磨料； 微米級聚胺酯(PU)珠，其具有介於2至100μm、10至80μm、20至70μm或30至50μm的尺寸； 含矽酮分散劑； 阻障或介電膜移除速率提高添加物； 液體載劑例如水； 及視需要地， 銅淺盤效應降低添加物； 腐蝕抑制劑； pH調節劑； 在使用時添加的氧化劑；並且 該組合物的pH為用於酸性pH的2.0至6.5，或用於鹼性pH的8至11。
  12. 如請求項7之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨系統，其中該單研磨墊包含微孔性聚胺酯材料。
  13. 如請求項7之單壓板化學機械平坦化(CMP)研磨系統，其中該微米級聚胺酯(PU)珠具有介於30至50μm的尺寸。
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