TW565606B - Chemical mechanical polishing slurry and method for polishing a copper layer on an integrated circuit - Google Patents

Description

565606 五、發明說明（1) 先前申請案之參考 此項申明已在1997年10月20曰提出申請美國專利申請號 碼08/954， 190 。 發明範圍 本，明一般上是有關於半導體製造，特別更是有關於包 括過氧化氫、檸檬酸、檸檬酸銨及礬土研磨劑之漿體混合 物，其用途在於研磨積體電路（ICs)上的銅連接處。 發明背景 積體電路（1C)業界目前正在尋找及發展可使用於積體電 = UCs)之新的金屬連接物質碑結構。未來有望使用於積 收電路（1C)連接之金屬物質是銅（Cu)。銅對於積體電路業 2 ί因在於銅比鋁和其他積體電路業界目前使 、 貝更具有改良的抗電移（electron! igrat ion 、’、 舨使用之金屬物質，經由使用銅的連接可夢以大 為改善積體電路裝置之性能。 遝得了精以大 -= I :所知沒有技術可有效地用電漿或濕氣將銅物 I “I :更在積體電路表面上適當地形成有效之銅連接。 制，銅化學機械研磨则已被公認 :電正確構成之另-最有望的方法因 -刚哥找可用以在積體電路（1C)上來杰細、忠 的最佳化學機械研磨（CMP)漿體。 y ’5連接 奴f :白懂仔使用W或⑽4當做漿體内的（L匕鬼以勃-紹研磨。本門技藝亦懂得使用M2、KI〇3、CeH；以執仃 D:\54990. ptd 565606 五 、發明說明（2)

Fe(N〇3)3及1^6(〇!〇6其中之一來研磨鎢物質。亦懂得使用 HNO3、HN4〇H或ΚΜη04其中之一來執行銅研磨。因此， CMP(化學機械研磨）工程師已廣泛地研究該等化學化合物 ^ ¥试發現最佳的銅(化學機械研磨）程序。然而，該 等已知化學物質尚未產生最佳的銅研磨結果。 _，如^ 一些利用上述已知化學作用所執行之試驗曾造成 或更多下列結果，·（1)差勁的去除速率，導致CMP(化學 L械研磨）生產量不適當；（2)銅物質過度凹陷及/或腐 題導致、，裝置性能與裝置生產量減少；（3)層的平面問 ’（4)差勁的IC(積體電路）電氣性能；或（5)比較不傾向 :選取銅而選取隔鄰之氧化物物質（"氧化物”指二 乳，石夕"而此處該兩者可輪流使用。）一一一 用==a Ϊ界需要一種改良的CMP(化學機械研磨）漿體以 CMh化學機=2 :，減少或消除一或更多上述常見的銅 率 :、升研磨）問題。該改良漿體應具有良好去除速 “二陷： ：Ρ』ί學機械研磨)生產量、減少或消除的銅 平$ #某肖蝕猎以改善裝置性能及生產量、改良的銅層 而非氧=ς的積體電路電氣性能及/或較佳傾向於選取銅 ^ 罔八之間早說明 圖1 - 5以截面同％ nq t (_聚體在二=((:^ =本發明之化學機械研磨 將令人認同的' 二)。。上形成一銅連接的方法。 例$ —杜4』的疋，為簡早及清楚說明起見，圖示中所舉 凡 &比例畫出。例如，為清楚起見’其中某些元

1)：\5499〇 565606

圖卜5說明在積體電路（ic)上形成一銅連接的方法。圖工 說明一具有一基層（substrate)12的半導體結構10。圖j 中，基層12具有一通常為一單結晶矽圓盤之基座/底部區 域。然而，亦可使用其他半導體基層，例如鍺 (germanium)、砷化鎵（gaiiium arsenide)、石夕化鍺 (germanium silicon)、絕緣體矽基層（silic〇n_〇n — insulator (SOI) substrates)、碳化矽基層（siHc〇n carbide substrates)、蠢晶層（epitaxial Uyers)、聚 合石夕基層（polysilicon substrate)及類似物質。 圖1中雖未特別說明，實際上是使用傳統積體電路處理 方法在起始基層物質表面上形成場效隔離（field isolation)及主動電氣裝置（例如電容、金氧半導體場效 電晶體（MOSFETs)、雙極裝置、二極體 '邏輯閘等）。圖丄 中這些層是承續性地和集體式地以底部/基座層丨2來說 明。這些形成於基層上的主動裝置是以類似於聚合石夕、非 結晶矽（amorphous si 1 icon)或化合鹽區域（sal icided regions)之半導電層來連接。另一替代方案是，這些主動 電路亦可藉由金屬連接或某些半導電連接與金屬連接的組 合方式來連接。圖1中說明一至少代表這些半導電或金屬 連接結構其中之一的層1 4。如選取該層1 4當做金屬連接， 通常會選擇類似於鎢、鋁及鋁合金、銅、金、銀、耐鎵金 屬、導電氧化物、其合成物或相似的物質。 圖1說明一電介質層1 6形成於該連接結構1 4的一頂面上 。在某一形式下，圖j中該層i β係一四乙基正矽酸鹽

D:\54990.ptd 第10頁 565606 五、發明說明（5) (tetraethylorthosilicate(TEOS))層及 / 或一臭氧 TE0S(四乙基正矽酸鹽）層。在其他形式下，該層ι6可以是 一低-k絕緣體、石夕硼構玻璃（borophoshosilicate glass (BPSG))、氟化TE0S(四乙基正矽酸鹽）（FTE0S)、聚合物、 加強電漿式TE0S(四乙基正矽酸鹽）（PETE0S)、其合成物或 類似物質。該層1 6的典型厚度是介於大約2 0 0 0 β (埃）與 8 0 0 0 Α (埃）之間，而該等電介質層通常是由某些形式的化 學蒸汽沉澱（CVD)所形成。 然後一钱刻堵塞層（etch stop layer)18形成於該層16 的一頂面上。層18通常是由一加強電漿式氮化物（pen)、 一氮氧化矽（S i ON)物質、其合成物、類似於暴露在氧化物 蝕刻物質時具有和氧化物不同的蝕刻速率之層所形成。該 層1 8的典型厚度是介於大約1 〇 〇肩（埃）與3 〇 0 Z (埃）之間。 必須注意的是可使用時間钱刻（t i m e e t c h i n g)使任何需要 屬於圖1之結構的蝕刻堵塞層變成不需要。因此，蝕刻堵 塞層1 8並非必要的。 在該蝕刻堵塞層1 8形成後，一電介質層2 〇形成於該蝕刻. 堵塞層1 8的一頂面上。該層2 〇之物質成份類似於先前討論 的層16。此外，該層20之厚度可與先前討論的層16之厚度 相比擬，或製造成使該層1 6的厚度最多比該層2 〇之厚度大 二倍。然後利用已知的石版影印處理術 (p h 〇 t ο 1 i t h 〇 g r a p h i c p r 〇 c e s s i n g)及傳統蝕刻技術以形成 一通過該層1 6之通道（v i a)開口和一通過該層2 〇之溝槽連 接開口。就如先前的雙嵌入（dual inlaid)技藝，這些通

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圓（triazole)或二氮二烯伍圓衍社4 ·丄.、 土初 Uriazole denvauve)。特別是，該聚體中可用的氧化 氫（HJ2)。經驗顯示對於銅的去除报疋過乳化 ’丁、1有效之碳酸酵 稀伍圓衍生物或二氮二稀伍圓溶液加入該漿體中。例如， 經試驗顯示，將1、2、4-二氮二烯伍圓加入該銅化學機械 括類似於一4更多^蒙酸銨或檸檬酸卸的許多棒 中之-。㈣驗顯示可產生良好的鋼去除及平面化之；型 研磨劑是礬土研磨@ ’但亦可以⑦研磨劑取代該緣土研磨 劑或與該礬土研磨劑一起使用。此外，亦可選擇將二氮二 研磨（C Μ Ρ)漿體中可藉由減少銅陷入氧化物溝槽開口的數 量而改善銅的平面化。圖2的漿體24中所用之典塑溶劑是 一或更多去離子水（Η20)或一酒精。 概言之，該漿體24之氧化劑（Η2 02 )可在大約〇. 2重量百分 比（wt%)至5.0重量百分比（wt%)的任何範圍内。該碳酸酵 素鹽或檸檬酸鹽可在大約0. 2重量百分比至大約2 0重量百 分比的範圍内。該研磨漿體（礬土研磨劑）大約是在該漿體 2 4的1. 0重量百分比至1 2 · 0重量百分比之間。此外，可選 擇在該漿體24内提供一二氮二稀伍圓（triazole)或二氮二 烯伍圓衍生物（triazole derivative)使其大約在該漿體 24的0.05重量百分比至2.0重量百分比之間。該漿體24的 其餘部分通常為去離子水及/或酒精溶液。 在一較佳形式中，經試驗顯示使用一 1. 〇重量百分比至 1.5重量百分比範圍之過氧化氫、一濃度在0.8重量百分比 至1· 3重量百分比範圍内之檸檬酸鹽、一濃度在2· 0重、量百

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分比至4· 〇重量百分比範圍内之礬 約0 . 1重吾百分比曼〇 ?舌县π、 ⑷ 八 里么白刀比至U」重！百分比之間的二氮二稀伍圓 (tnazole)而其餘部分為溶劑，可達到適當之銅（Cu)研 f。，範圍内已曰使用過之較佳溶液是12重量百分比的過 軋匕氫1.1重量百分比的檸檬酸銨、3, 〇重量百分比的 土漿體'°，12重量百分比的1、2、4—二氮二稀伍®而其餘 部分為去離子水（h2 0)。 ' 圖3說明先前所述的層22a已藉由該漿體24連同該研磨 墊2 6之機械動作而予以去除。隨著研磨的進展及氧化物質 之去除，氧化層22b連續不斷地形成。該等氧化層225隨時 間連續不斷地形成且新的CU(銅）原子暴露於該漿體，藉由 該漿體24之相互化學作用連同該研磨襯墊26的相互機械作 用而不斷地將該等氧化層22b去除。因此，如圖3所示，香 疊於該絕緣體20之層22的整體厚度減少，同時該層22之軟 體平面隨時間漸漸改善。 a 圖4說明使用該漿體24之化學機械研磨（CMP)持續不斷直 到如圖4所示形成一銅連接28。在一較佳形式中，該連接 2 8係形成於該層2 〇之頂面的同一平面上。然而，大部分化 學機械研磨（C Μ P)系統可能會發生該銅層2 2之凹陷/凹窟， 結果產生如圖4所示的四陷連接2 8。必須注意的是經試驗 顯示該化學機械研磨（CMP)漿體中二氮二烯伍圓 (triazole)或二氮二烯伍圓衍生物（triazole derivative)之存在可減少該銅連接28的有害凹陷。然 而，在所有應用中均不可能完全消除該層2 8之凹陷。圖4

D:\54990. ptd 第15頁 565606 五、發明說明（10) 亦說明在該連接層28的一頂面上可能殘留一薄銅氧化物層 2 2c。 曰 圖5說明圖4所述之銅凹陷問題可藉由執行圖2_4所述的 銅研磨然後繼續執行氧化物研磨來補救。為執行氧化物研 磨’在半導體結構10的頂面上應用一第二漿體3〇及_第二 研磨概塾32以執行第二化學機械研磨（CMP)作業。圖5之研 磨觀塾32及圖3的襯墊26可以是同一化學機械研磨（CMP)工 具上之同一襯墊，同時襯墊26及32可以是相當不同的化學 ，械研磨（CMP)工具上之不同研磨襯墊。該等漿體3〇及2: 是以不同為較佳，藉以使該漿體30最適於以氧化物去除方 式選擇性地去除銅，同時使該漿體24最適於以銅去除方式 選，性地去除氧化物。圖5中，該漿體3〇通常是包括K〇H及 去離子水之砍研磨劑。該漿體3 0連同該研磨襯墊3 2將有效 地去除層2 0之一薄頂面部分，藉以使該層2 0再次與該銅連 接28的頂面位於同一平面上。 图0中 銅又嵌入連接係藉由使用此處所教的銅化學機 械研磨（CMP)漿體來完成。 雖然已在參考特定具體實施例下描述及說明本發明， 部然意將本發明限制於該等說明用的具體實施例。該等熟 悉本技藝之專家將認知到可在不偏離本發明的精神與範圍 下進行修改及變動。例如，隨著石版印刷影片 (lithographic feature)尺寸的縮小及技術進展，此處所 討論之厚度極可能隨時間而縮小。其他類似於低壓CVD(化 學蒸汽沉殿）（LPCVD)、加強電漿式CVD(化學蒸汽沉澱）

苐16頁 D:\54990.ptd 565606 五、發明說明（11) (PECVD)、物理蒸汽沉澱（PVD)、非電解式電鍍、喷濺 (s p u 11 e r i n g )及類似技術的沉殿方法可用以形成此處之各 種層。可使用H2 02 (過氧化氫）以外的其他氧化劑，其中此 處所教的氧化劑可以是任何將銅氧化之化學物質。因此， 用意在於使本發明涵蓋在以下申請專利範圍内的所有變動 及修改。

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Claims (1)

1. 565606 案號 六、申請專利範圍 1 · 一種 4

   年//月》曰 漿體（24 j，其包括： 一 0.2 wt%至5 wt%之量的氧化劑； 一 0. 2 wt%至20 wt%之量的碳酸酵素鹽； 一 1.0 wt%至12 wt%之量的研磨漿體，及一溶劑。 2. —種用以研磨積體電路（10)上的銅層（22)之方法，該 方法包括下述步驟： 形成一具有頂面之電介質層（20); 在該電介質層（20)中形成一開口； 在該開口内及該電介質層之頂面上形成一含銅層 (22);及 利用包括一氧化劑、一檸檬酸鹽、一研磨漿體及一溶 劑之漿體（24)來研磨該含銅層（22)，其中重疊於該電介質 層頂面上之含銅層的一部分被去除而該含銅層之一部分留 在該開口中。 3. —種用以研磨積體電路（10)上銅層（22)之方法，該方 法包括下列步驟： 形成一第一電介質層（16); 在該第一電介質層（18)中形成一钱刻中止層（etch stop layer) ； · 在該蝕刻中止層上形成一第二電介質層（20)，其中該 第二電介質層具有一頂面； 藉由該第一電介質層形成一通道（via); 藉由該第二電介質層形成一連接溝槽，其中該通道位 於該連接溝槽底下；

   O:\54\54990.ptc 第20頁 565606 _案號87117239 年"月》9 修正_ 六、申請專利範圍 在該連接溝槽及該通道中形成一障礙層； 在該連接溝槽中、該通道中、該第二電介質層之頂面 上及該障礙層上形成一含銅層（22);及 利用含有氧化劑、檸檬酸鹽、研磨漿體、二氮二烯伍 圓衍生物及溶劑之漿體（2 4 )來研磨該含銅層，該含銅層的 一部份留在該通道及該連接溝槽中，而覆蓋於該第二電介 質層頂面之一部份則被移除。 4. 一種用以研磨積體電路（10)上的銅層（22)之方法，該 方法包括下述步驟： 形成一具有頂面之電介質層（20); 在該電介質層（2 0 )中形成一開口； 在該開口内及該電介質層之頂面上形成一含銅層 (22);及 利用一槳體（24)來研磨該含銅層（22)，以去除重疊於 該電介質層頂面上之含銅層的一部分並留含銅層之一部分 於該開口中，其中該漿體包括一氧化劑、一擰檬酸銨鹽、 一研磨漿體、一二氮二烯伍圓或二氮二烯伍圓衍生物及一 溶劑，其中重疊於該電介質層頂面上之含銅層的一部分被 去除而該含銅層之一部分留在該開口中。 5. —種用以研磨積體電路（10)上的銅層（22)之方法，該 方法包括下述步驟： 形成一具有頂面之電介質層（20); 在該電介質層（2 0 )中形成一開口； 在該開口内及該電介質層之頂面上形成一含銅層

   O:\54\54990.ptc 第21頁 565606 案號 87117239 办年//月Z2曰 修正 六、申請專利範圍 (22);及 利用一漿體（24)來研磨該含銅金屬層（22)，以去除重疊 於該電介質層頂面上之含銅層的一部分並留該含銅層之一 部分於該開口中，其中該漿體包括： 1.0重量百分比（wt % )1至1.5重量百分比（wt % )之過氧化 氮； 0 . 8重量百分比（w t % ) 1至2 0重量百分比（w t % )之檸檬酸銨 鹽； 2.0重量百分比（wt%)l至4.0重量百分比（wt%)之礬土研 磨劑；及 0. 05重量百分比（wt%)l至2.0重量百分比（wt%)之二氮二 烯伍圓或二氮二烯伍圓衍生物。

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