TW527259B - Method of initiating copper CMP process - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印^4 527259 A7 " _______B7 _ 五、發明說明（/ ) 【發明背景】 “本發明大體而了係關於金屬研磨。特別的，它是有關 於平坦化銅及/或銅合金金屬於半導體裝置的製造中。 積體電路含有多重導電圖形，被包含在矽基片層内或 上面。薇導電圖形包括導電線，它是被絕緣物質分開，以 及一多重的内部連接線。導電圖形在不同層是以填滿通道 孔洞的導電栓連接導電。 '形成此一導電圖形的傳統方法，是先被全面性的沉積 一金屬膜在晶圓表面上，然後使用已知的蝕刻技術蝕刻該 金屬膜，以形成在該層所期望的導電圖形。接下來，一絕 緣膜被沉積覆蓋該蝕刻金屬線，以及在絕緣層中被蝕刻的 通道，以允許導電連接到被沉積在該絕緣層上的下一層金 屬。此技術要求蝕刻該金屬，以及一沉積製程，使在該絕 緣及金屬層之間，具有良好的間隔填滿能力。 另一種相互連接的製造技術，所知如刻花紋構造技術 曾被開發，其中並無金屬蝕刻被要求，而且其中該間隔填 滿能力，僅被要求用於該金屬沉積製程，而並非用於該絕 緣沉積製程。觀察金屬蝕刻以及絕緣間隔填滿這二種技術 在半導體工業的最大挑戰，在於轉移到較小尺寸的裝置。 此外，銅是合適的金屬選擇，用於形成該導電圖形，在下 一世代的積體電路中，是有名的難於蝕刻。因此，發現刻 花紋技術在半導體製造的使用量增加。 一種特別刻花蚊技術的方法，是雙邊的刻花紋技術 (dual damascene technology )。在一個方法中，使用雙邊 刻花紋技術，一中間絕緣層被沉積覆蓋圖形，然後隨即平 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

527259 A7 五、發明說明（> ) 坦化。接下來使用已知的成像及蝕刻技術，將定義該第二 導電層之渠溝圖形形成在絕緣層中。該溝渠被蝕刻以後， 用來形成渠溝之該抗蝕刻層被剝除，且第二抗蝕刻層被沉 積以及圖形化，以定義打開或通道到下一層導電層。該通 道被蝕刻，該第二抗蚀刻層被剝除，且金屬被沉積以填滿 該通道及溝渠。在此，該導電材料是金屬，例如銅，該填 滿製程以全面的金屬沉積被完成。該沉積製程提供過量的 導電材料在絕緣層表面上，它必須被移除。化學機械研磨 (CMP )是一種典型的用以移除的方法。 在化學機械研磨中，一個研磨墊片被用來與在絕緣層 上含有過量材料的基片接觸。當對基片之背部施壓時，墊 片相對於該基片移動。於研磨期間，一化學反應以及時常 用作研磨料的化學組成物被提供到墊片。該化學組成物與 基片反應，並起動該研磨製程。研磨被繼續，直到該表面 過量的材料被移除。 各種組成物曾被提出使用在化學機械研磨技術中。在 一曾被報導特別有用於鎢研磨的方法中，一種包含一氧化 劑、一研磨料以及去離子水之漿料被使用。該氧化劑是硫 酸銅或高氯酸銅，且該漿料的酸鹼値被維持在4及6之間。 另一化學機械研磨組成物在文獻中被討論，其係一在 去離子水中包含一氧化劑、一催化劑以及一研磨料之漿 料。該催化劑是典型地選自具有多重氧化狀態的金屬化合 物（例如，鐵、銅及銀），使用鐵催化劑較佳。一安定化 合物可以隨意地被包含在該漿料中。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 527259 Λ7 B7

I I 訂 線 I 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 t 527259 A7 發明說明（4) 該化學機械研磨組成物，包含一氧化劑以及一銅（II) 化合物。該組成物隨意地，包括一或更多下述的化合物型 態：一錯合劑；一腐蝕抑制劑；一酸；以及，一研磨料。 在-具體的例子中’該氧化劑是過氧化氫、硝酸鐵或一蛾 鹽。在另—具體的例子中，該銅（II)化合物是硫酸銅。 該化學機械研磨方法，包含使用一包含一氧化劑及一 銅（II)化合物之組成物於研磨銅層之步驟。該組成物以 各種不同的万法被形成。在—具體的例子中，其形成係藉 由〇、加銅（II )化合物到_在去離子水中包含有氧化劑及 任何被包3 Pn、的化合物形式的溶液中。在另—具體的例 子中，匕被形成，是以添加一在去離子水中含有銅（Η ) 訂 化合物夜’到-在去離子水中包含有氧化劑以及任何 被包含隨意的化合物形式的溶液中。 廷些及其他本發明的具體例子，以及其特徵與若干潛 線 在的優點’被更詳細的描述在下面的文字及所依附的圖表 中。 【圖示簡要説明】 經 濟 部 智 慧 貝才 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 第1圖係化學機械研磨裝置的分解結構示意圖。 第2Α圖係化學機械研磨裝置的側面剖示圖。 第2B圖是-模擬傳送二種不同溶液到研磨藝片的部 分化學機械研磨裝置示意圖。 第3圖是-代表四種不同化學機械研磨實驗的線圖。 【圖號説明】 本紙張尺玉適用準(CNS)A4規格^ 527259 A7 五、發明說明（夕）

裝置20 傳遞站23 中心軸25 下方孔26 透明窗36 光學監視系統40 光源（雷射）44偵測器40 化學機械研磨研磨組成物（漿料）5 0 研磨組成物供應源54 研磨組成物供應源54B

基片10 可旋轉平台24 研磨墊片30 雷射光束42 偵測電腦48 研磨組成物供應系統52 研磨組成物供應源54A

^ 55A 閥 55B 閥58 研磨頭系統70 研磨頭80 線100 線106 74 82 訂 研磨組成物傳送通道56 旋轉座支撐平台66 放射孔72 驅動軸 中心軸81 壓力源 ^ 102 線 104 【具體例詳細説明】 I、序論 "f發明在一銅化學機械研磨中，允許增加基片生產率 ("銅”在本發明的上下文中係指銅及銅合金二者）。在一 典型>的銅化學機械研磨製程中，有—個遲滞時間（㈣伽^ 或"無效期間（dead period)"，其中研磨並未導致從基片 $面移除金屬。該無效期間可以在製程中延續一段眞實部 刀（例如，用於一特別銅化學機械研磨製程的1分鐘製程 有超出22 #)’因此導致在所給定的一段時間中，可以被 研磨基片的數目顯著的變慢。本發明揭露添加+2氧化狀 本紙張尺度綱中(CNS)A4規格⑵G χ 297 五、發明說明（6) 態銅離子（例如，Cu(11)離子）到一化學機械研磨研磨組成 物，大大地減少無效期間，並增加基片的生產量。 II、銅化學機械研磨研磨組成物 ，本發明义化學機械研磨研磨組成物是適用於各種銅研 磨製程之巾，包含無研磨料銅化學機械研磨、傳統的漿料 銅化學機械研磨，以及固定研磨料銅化學機械研磨。該組 成物包含-氧化劑以及一 Cu(11)化合物在一適當的溶劑 中，例如去離子水。纟一具體的例子中，冑組成物包含一 氧化劑、-Cu(11)化合物以及—錯合試劑。在另一且體的 例子中，該組成物包含一氧化劑、一 Cu(n)化合物、一錯 合劑以及-腐㈣制劑。—個組成物的具體例子，包各— 氧化劑、-Cu(n)化合物、—錯合劑、_腐#抑制劑:及 一酸〇 孩Cu(II)化合物，可以被以各種方式加入到組成物 f。在-具體的例子中，該Cu(11)化合物，被加到一含有 氧化劑及任何被包括隨意的化合物型態的溶液中。在^ — 具體的例子中，-含有Cu(11)化合物的溶液被加入到—含 有氧化劑及任何被包括隨意的化合物型態的溶液中。。 當一含有Cu(II)化合物的溶液被加入到—各有其他元 素的溶液中以形成組成物時，兩種溶液可以同_:到研 :塾片中。在此一具體的例子中，加入該含有 化人 物的溶液，可以發生在開始的期間（例如，前Η秒 及全邵的研磨製程期間。雖然，該含t Cu⑼化合物的凉 527259 A7 ^ ---— B7______ 五、發明說明（7 ) 液被加入，只有在研磨製程開始的期間，其它溶液的加入 被持續到遍佈整個研磨製程。 典型地，該產出的組成物，每升的組成物含有介於大 約〇·〇1克/升及0.5克/升之間的Cu(II)化合物（例如，硫酸 銅）。在一具體的例子中，該組成物含有介於大約0」克/ 升及〇·4克/升之間的Cu(II)化合物。在另一具體的例子中， 該組成物含有介於大約0.2克/升及0.3克/升之間的Cu(II) 化合物。 當該Cu(II)化合物溶液，被直接地加到研磨墊片時， i將會被祭知该Cu(II)化合物溶液，將會比所產出的研磨 組成物含有較高濃度的Cu(II)化合物。那是因為該cu(II) 化合物溶液在接觸到產出組成物之其他組成份時被稀釋。 例如，如果有人使用等體積之CU(II)化合物溶液和一溶液 含有其他的組成物成份之溶液，其必須添加一含有〇 · 4克 Cu(II)化合物之Cu(II)化合物溶液，以達到一組成物最後帶 有〇·2克/升濃度的Cu(II)化合物。 本發明組成物中之氧化劑加速金屬氧化，因此增加化 學機械研磨的速率。除了它必須是可溶解於水之外該氧化 劑的結構並無限制。氧化劑的例子包括下述化合物··過氧 化氫；高錳酸衍生物，例如高錳酸鉀；鉻酸衍生物，例如 鉻酸鈉；硝酸以及硝酸衍生物；過氧酸衍生物，例如過氧 一硫酸；含氧酸衍生物，例如高氯酸；過渡金屬的鹽，例 如鐵氰化以及有機氧化劑，例如過氧醋酸—硝基苯。 在-具體的例子中，該氧化劑是過氧化氯、硝酸鐵或一蛾 鹽。在另一具體的例子中，該氧化劑是過氧化氫。典型地， 本紙張尺度適用中關家標準（。奶从4規格（2】Q χ 297思爱) -------------鼋 (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 ^---------^ — φ--------------------- 527259 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（9 ) 該氧化劑的濃度，在組成物中是介於大約0 · 5重量百分比 及8.0重量百分比之間。 該被包含在該銅研磨組成物中之銅化合物，係為一以 Cu(II)為基礎的化合物。該Cu(II)化合物或鹽之例子包括 CuS04 (硫酸銅）、Cu(CH3C〇2)2 (醋酸銅）、 Cu(CH3COCHC(0)CH3)2 (乙醯丙酉同酸銅）、CuC03 (碳酸 銅）、Cu(H0CH2[CH(0H)]4C02)2 (葡萄酸銅）、Cu(N03)2 (硝酸銅）以及Cu(C1〇4)2 (過氯酸銅）。在一具體的例子 中’該Cu(II)鹽是硫酸銅。以一個習知的技術即可以容易 地決定在銅研磨組成物中Cu(II)鹽的適當量。Cu(II)鹽典型 的濃度範圍是介於大約0.01克/升及0.5克/升之間。在一 具體的例子中，在該組成物中，該Cu(II)鹽濃度是介於大 約0.2克/升及大約〇·4克/升之間。在另一具體的例子中， 在該組成物中，該Cu(II)鹽濃度是介於大約〇·2克/升及ο] 克/升之間。 本發明的研磨組成物，隨意地包含至少一種錯合劑。 錯合劑包括酸例如檸檬酸、乳酸、酒石酸、琥珀酸與草酸， 以及氣基版、氣基硫故、胺類、氨基化合物、二氨類與醇 氨。在一具體的例子中，該錯合劑是乙二胺四乙酸、乙二 胺或甲基甲醯胺。典型地，當含有錯合劑時，其在組成物 中之濃度是介於大約0.2重量百分比及3.0重量百分比之 間0 另一組成份，有時會被加入研磨組成物中的是一腐姓 抑制劑。腐蝕抑制劑包含含有環形氮化合物，例如味口坐、 三口坐甲基苯、苯并咪口坐以及苯并口塞口坐。這些化合物的衍 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2Ι〇χ 297公釐）

五、發明說明（7 ) 當該環形氮化合料被取代㈣基、氨基、亞胺基， 2、硫醇、確基，以及垸基也都被包括。在—具體的例 ，孩腐錢抑制劑是三口坐甲基苯、硫醇三口坐甲基苯， 基·1_三口坐甲基苯。典型地，當被包括，該腐蝕 1 ”4的濃度在孩組成物中，是介於大約〇 〇2重量百分比 及大約1.0重量百分比之間。 成物的酸鹼値介於大約5及大約8之間。 該研磨組成物有時也包含至少一種酸。該酸可以是有 機或無機酸。當該酸是一有機酸，它是—羧酸。在一且體 的例子中，該酸是醋酸、韻，或硝酸。如果被包括，該 奴是典型地被加人龍組成物中，以使該組成物的酸驗値 介於大、約3及大約10之間的量。在—具體的例子中，該組 在此要求，任何人可以加入一研磨料到研磨組成物。 該研磨料是典型地金屬氧化物，選自包含氧化鋁、氧化鈕、 氧化錯、二氧化鍺、二氧化矽、氧化鈽，以及該氧化物的 混合物之群。該金屬氧化物確信具有高純度，且具有表面 積從大約5平方公尺/克到大約5〇〇平方公尺/克的範圍。當 被包括，研磨料顆粒是典型地結合進入組成物，在一濃度 介於大約0· 1重量百分比及40重量百分比之間。 該用於銅化學機械研磨研磨組成物的溶劑，是典型地 去離子水。該組成物的組成份是被溶於該溶劑中。被加入 到此組成物中的組成份次序可以是各式各樣的不同，具有 一個用通常的技術就可以被容易地辯明的適當加入參數。 III、典型的化學機械研磨研磨裝置 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 527259 A7 -—-—-^― ___ 五、發明說明（θ ) 本發明之化學機械研磨研磨組成物可以被用於任何標 卞的化學機械研磨裝置，例如裝置2〇 (第1圖及第2圖）。 在一個典型的製程中，一基片被以一載入裝置（圖未示） 載入到傳遞站23上。該載入裝置執行多種功能，包括清洗 暴片、載入基片到研磨頭上、從研磨頭接收基片、再次清 洗基片，以及轉移該基片回到載入裝置。 、咸傳遞站23轉移該基片到四個研磨頭系統7〇之其中 疋。一在一研磨頭系統70上之研磨頭80，夾住該基片 抵住一位於一可旋轉平台24上面之研磨墊片3〇。研磨頭 8〇使用壓力源82均勾地分布—向下壓力穿過該基片的背 部表面，並從驅動軸74轉移扭力到該基片。 本發明 <化學機械研磨研磨組成物5〇,被儲存在一研 磨組成物供應源54中，它藉由一閥58流體地連接到一研 磨組成物傳送通道56。該研磨組成物供應源54、閥58以 及傳^送通道56包含研磨組成物供應系統52。研磨組成物 50藉由供應系統52傳送到研磨墊片3〇的表面。 一為研磨基片該平台24對其中心軸25旋轉。在此 同寺彳磨^80對其中心軸8 i旋轉，並經由形成於旋轉 座支撑平台66的放射孔72而在研磨塾片表測向移動。一 光學監視系統40，被用於決定何時要停止研磨。 孩光學監視系統40被固定在平台24之下之孔％。該 光學監視系統包含一光源44以及一偵測器46。該光源產 生一光束42,它延伸穿過透明窗36以及漿料％，以照射 該基片10的曝露表面上。該雷射光束42被從雷射44射 本纸張尺度刺㈣㈣鮮（CNS)A4娜⑵ ------------- (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 S I 11 f ----I----111------I___ 527259 A7 B7 五、發明說明（丨丨） 出，並被偵測器46偵測到。電腦48被程式設計以偵測該 研磨終點。 訂 卜當一在去離子水的Cu(H)化合物溶液，同時與一含有 氧化劑及任何適當元素的溶液—起添加時，一些稍微不同 之處理步驟可被典型地使用。第2B圖展示組成物供應源 54A，它儲存一含有除了 Cu(n)化合物之外（第一溶液）之 /谷液的全部組成物組成份。一含有化合物（第二溶 液）之溶液被儲存在另一組成物供應源54B中。閥55A可 被打開的以允許該第一溶液流動。打開閥55B可允許該第 二溶液流動。打開閥58,以使同步添加第一及第二溶液到 研磨墊片之表面。在一具體的例子中，在一相當於一典型 的研磨供效（dead )時間（係一位熟悉此項技藝人士所容 易決定的）的一段時間之後，閥55B被關閉而閥55八及58 處於打開狀態。該研磨製程之實施如上述，當到達製程之 終點閥55A及58被關閉。 線 Ϊ V、使用本發明減少無效時間 本發明之化學機械研磨研磨組成物之具體的例子是用 於平坦化銅基片。該研磨組成物之製備係藉由混合過氧化 氫（最終濃度大約1.5%以體積）、三口坐甲基苯（， 最終濃度大約1.5%重/體積）、乙二胺（最終濃度大約i 2 %以體積）以及磷酸，其被加入於不同量的在去離子水中 之硫酸銅直到落液酸鹼値大約7〇。該研磨製程被引導到 AMAT Mirra化學機械研磨系統中，使用下述參數··研磨 壓力3psi，速度52/20 (平台/研磨頭）rpm ;以及，一 IC1000研磨塾片。 本紙張尺度適用申國國家標準（CNS)A4規 527259 五、發明說明（ι>) 弟3圖疋一線形圖，代表四種 A ，、 種不同的化學機械研磨實 驗。該X軸係時間，以秒為單位丨彳 、 1例如，20、4〇及6〇 =係銅之移除，以埃為單位（例如，從基片移除2_ 埃的銅）。線1GG代表使用-不含硫酸銅（Υ=44 25 χ· 972.33 )之組成物的移除速率。該圖顯示㈣始到銅的移 除它用了大约22秒（即，22秒無效時間）。線ι〇2代表 使用含有（Μ克/升硫酸銅（y=44.13x_ 586 )之第二的也 成物銅的移除速率，。使用第二的組成物，無效時間被減 少到少於！5秒。、線1〇6代表使用含有Ο克/升硫酸銅（y = 50.89 X - 250.5 )之第三的組成物銅的移除速率，以及線ι〇4 代表使用含有0.3克/升硫酸銅（y = 52.63 x_ 254.5 )之第 四的組成物銅的移除速率。使用第三或第四的組成物，無 效的時間被減少到大約5秒。 ^只有本發明的某幾個具體例子被展示描述在目前的揭 露書中。任何人將理解，本發明是可以使用各種其他的組 合與環境，且在此陳述，在本發明思想的範圍内能被改變 及修改。 當該被描述的具體例子被直接用於平坦化銅表面，任 何人將理解其相同的原理，可以被應用於其他金屬，例如 鎢、銘、歛及Is。 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 f

I I 气丁 i I - 297¾)

Claims (1)

1. 527259 A8B8C8D8 六 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 ι·―:種用於平坦化銅基片的化學機械研磨組成物，其中 孩組成物包含一氧化劑以及一銅cn)化合物。 2.如申請專利範圍第i項之化學機械研磨組成物，其中 孩組成物更進一步包含一錯化劑。 3·如申請㈣第丨項之化學機械研磨組成物 該組成物更進一步包含一腐蝕抑制劑。 (，申請專利範圍第i項之化學機械研磨組成物 遠組成物更進一步包含一研磨料。 5.=請專利範圍第i項之化學機械研磨組成物 孩氧化劑是過氧化氫、硝酸鐵或一碘鹽。 \如申請專利範圍帛p員之化學機械研皿磨組成物 遠銅（11)化合物是硫酸銅。 7. 如申請專利範圍第6項之化學機械研磨組成物，立中 孩組成物，更進-步包含一錯合劑、一腐姓抑制劑及 一酸。 8. 如申請專利範圍第7項之化學機械研磨組成物，立中 該氧化劑是過氧化氫，且其中該錯合劑是乙二胺^ 及其中该腐蚀抑制劑是三口坐甲基苯。 9. 如申請專利範圍第8項之化學；械研磨組成物，其中 该在組成物中之硫酸銅濃度’是介^ Q i克/升及 克/升之間。 10. 如申請專利範圍第9項之化學機械研磨組成物，盆中 該組成物更進-步包含—研磨料，且其中該研磨料 氧化鋁或二氧化矽。 其中 其中 其中 其中 -------------% (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) * i -lsj· 1111 線丨· ‘紙張尺度適財關家標準（CNS)A4規格（21Q χ 2971容发)- ^27259

   申請專利範圍 14 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 19 u.:種平坦化銅的方法，包含使用_在去離子水中包各 一乳化劑以及一銅（11)化合物之組成物於研磨 之步騾。 曰 12. 如申請專利範圍第⑴頁之方法，其中該組成物之形 成係藉由添加該銅（II)化合物到一在去離子水中包 含有氧化劑之溶液中。 13. 如申請專利範圍第⑴頁之方法，其中該組成物被形 成係藉由同時傳送一包含銅（11)化合物之第一溶液 以及一包含該氧化劑之第二溶液到一在一化學機械 研磨裝置中的研磨襯墊。 如申請專利範圍第12項之方法，其中該銅（⑴化合 物是硫酸銅。 15.如申請專利範圍第13項之方法，其中該第—及第二 液之傳送是連續的遍及該研磨製程。 如申請專利範圍第13項之方法，其中該第—溶液之 傳送於該平坦化製程期間是被停止的，且其中該第二 /容液之傳送是連續的遍及該研磨製程。 17.如申請專利範圍第14項之方法，其中該氧化劑是過 氧化氫、硝酸鐵或一碘鹽。 18 ·如申叫專利範圍第17項之方法，其中該組成物更進 一步包含一錯合劑、一腐蝕抑制劑及一酸。 如申凊專利範圍第18項之方法，其中該氧化劑是過 氧化氫，且其中該錯合劑是乙二胺，以及其中該腐蝕 抑制劑是三口坐甲基苯〇 表紙張尺度適財關家標準（cns)A4規格（21Q x 297$爱- · I n n »i n n n 一•口，» m n m «^1 n - I ·ϋ i n n n n n ϋ— I n n n n ϋ I n n - I n ϋ n . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)