TW593644B - Stabilization of peroxygen-containing slurries used in chemical mechanical planarization - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 593644 A7 _ B7 五、發明說明（1 ) 發明領域： 本發明是有關於半導體裝置的製造以及加工，且更 特別的是有關於一種穩定含過氧物之化學機械平坦化用研 漿的方法。 5 發明背景： 兩個存在於半導體裝置製造領域的趨勢，其包括擁 有平坦的結構以及降低位在半導體基底上之結構的污染。 化學機械研磨法(CMP)則是越來越頻繁地被用來達成以上 此二趨勢。大多數的半導體製造廠商使用CMP來平坦化 10 介電層以及一些金屬結構。在CMP製程中，最普通的方 法是使半導體晶圓藉由一托座墊而附著於一個載體上（其 可旋轉或不旋轉），然後使裸露的晶圓表面與一個研磨墊 (其乃位在一個旋轉或不旋轉的平台上）接觸並加以研磨。 此存在於晶圓表面以及研磨墊之間的機械磨耗，導致晶圓 15 表面被研磨。為了輔助研磨以及清除任何在研磨過程中所 釋放出來的顆粒，晶圓表面和研磨墊之間經常被加入一種 研漿。這些研漿中的化學成分會與晶圓表面反應，然後使 得晶圓更容易被研磨，且多餘的研漿可將研磨步驟中晶圓 所釋放出來的材料帶走。 20 目前，半導體工業大多數使用的製程，包括形成一 層導電材料或絕緣材料，接著再進行此材料的平坦化處理 (一般是CMP)。例如，沉積一厚度相較其他結構為厚的介 電層於整個晶圓表面。由於底層的抬樸學，此層上部表面 之同度具有相當可察覺程度的差異。由於該上表面之高度 ----.—^-----衣 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線i

593644 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 差異，利用目前的製版術方法以及儀器，要在此層被定義 成通道洞/溝渠以形成導電互連線時將會有困難。因此， 在定義這些通道洞之前，需要一平坦化步驟。此步驟，通 常是利用CMP來完成，其將產生一相當平坦的介電層上 5 表面。 此外’ CMP可在導電材料(例如鹤、鋼、銘或其他金 屬/金屬組合物）覆蓋形成後被使用，以形成鑲叙的導電結 構，例如通道及/或互連線。相較於如反應性離子蝕刻 (RIE)，CMP的使用是較乾淨且可產生較平坦的結構。通 常，金屬化結構之形成是自利用CMP先在介電層内形成 複數個用於通道及/或互連線之開口，然後再全面性地（或 選擇性地）形成導電材料，填充用於通道及/ 窗 口。為了適當地填充這些開口，較佳地是沉積過量的導電 物材料於此晶圓上。此將在開口以外區域之介電層上，〆 成-導電材料層。CMP製程則被用來去除多餘的二料。< 之丰些金屬化結構中’多餘的導電材料(或介電材料) ^除速率可藉由在CMP過程中導人_種氧化劑，使部 ==材料變成至少部分氧化而被提高。此理由是因 去除γΓΓ材料是較軟的，因而比此材料本身更容易被 制平坦化二：氧 d;此，-些半導體裝置製造商乃 (通常是:過氧化氫或其他氧化劑，使得部分鑛 病結構的了_被氧化，因岐這些部分較易被去 10 15 20 -4- —.—4—衣 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

訂----------線I 本紙張歧細 (210 X 297 公釐） 593644 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ______B7_ 五、發明說明（3 ) 除。這些過氧化物可在使用研漿以研磨欲去除之材料層 前’先加入研漿中，或者分別被加入至墊上。然而，為了 增加控制和操控的簡便性，較佳的是在研漿被傳送到 CMP工具前，以大約1至1〇重量百分比的比例將過氧化 5 氫作匕入研漿中。請參閱John P· Bare & Budge Johl， Evaluation of Manufacturing Handling Characteristics of Hydrogen Peroxide-Based Tungsten CMP Slurry, IEEE/CPMT INTERNATIONAL ELECTRONICS MANUFACTURING TECHNOLOGY SYMPOSIUM 164-171 (1998)。然而，此方 10法有一個問題是含過氧氣之研漿具有短暫的儲存壽命。含 過氧氣之研漿在工業上的觀察通常在靜止的水浴内會以每 天約0·1重量百分比之比率分解，亦即此研漿會每夫明顯 的減少。第1圖之曲線102顯示的是一般商業上可購得之 鎢研漿之過氧化氫分解情況。此過氧化氫的分解結果是使 15用此研漿之CMP製程之速率會以一定速率降低，而無法 兀全達到預定的效果。最後，研磨去除之速率將變得非常 慢’研漿將不可再被使用，而必須被丟棄。 此分解的現象可歸咎於許多不同的理由。許多產業 已w π 外線對研漿的照射、溫度的升高以及一些研漿的 20高酸鹼值是摻入研漿之過氧化氫之分解的控制主因。然 而，本申請案之發明人則發現存在於研漿中之過渡金屬可 控制研漿中之過氧化物的分解。研漿中之過渡金屬將會迅 速地催化過氧化氫的分解，進而形成水和氧氣之副產物。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣 (再填寫太 Ί I I I I I -

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 593644 A7 五、發明說明（4 ) 發明概要： 本發明之一實施例是_種在利用化學機械平坦化之 半導體基底上製造電子裝置的方法，其包括下列步驟：形 成一材料層於該半導體晶圓上；利用一研磨墊以及一種含 5過氧氣之研漿研磨該材料層；且其中該研漿更包括一種穩 定劑，其可阻礙該研漿内之過氧氣的分解。較佳地是，此 穩定劑選自下列群：焦磷酸、多膦酸、多鱗酸、乙二胺四 乙酸、一種該焦磷酸的鹽、一種該多膦酸的鹽、一種該多 磷酸的鹽、一種該乙二胺四乙酸的鹽以及其任意組合。此 10外，此穩定劑可選自下列群：十水焦磷酸鈉及/或8-氫氧 基嗅淋。研聚中之過氧氣的分解是被該研漿内所含之過霁 金屬所催化，且可被研漿之酸鹼值所影響。此材料層較佳: 的是遠自下列群·鎢、鋼、鋁、介電材料以及其任意組: 合。 ， 15 本發明之另一貫施例是一種化學機械研磨位在半導 體基底表面之層的方法，其包括下列步驟：將一種含過氧 氣-之物質以及-種穩定劑與研㈣合，形成—種研漿混合 物；將該研漿混合物保存一段時間；利用該研聚混合物以 及-個化學韻研磨機械於半導縣録面上的該層 20進行平坦化；且其中該穩定劑選自下列群：十水焦構酸 納、焦碟酸、多膦酸、多鱗酸、乙二胺四乙酸、一種該焦 磷酸的鹽、一種該多膦酸的鹽、一種該多磷酸的鹽、一種 該乙二胺四乙酸的鹽、8-氫氧基嗜琳以及其任意組合。較 佳地是此穩定劑更包括十水焦碟酸鈉。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇X 297公釐） ------------------r--，訂---------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 593644 A7 發明說明（ 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 圖式之簡單說明： 第1圖顯示的是摻混過氧 研漿之過氧化氫對時間之分解圖；氧作為氧化劑之W2_ 第2圖顯示的是本發一徐A W2000研漿内之過氧化氫的濃度/施例巾摻混穩定劑之 弟3圖顯示的是本發明—〜 獅〇〇研_之過氧化氫的施财摻混穩定劑之 之w:〇4二顯:的是本發明—較佳實施例中摻混穩定劑 之W2〇00研漿内之過氧化氫的濃度。 弟5圖顯示的是本發明另 ^ ^月另一較佳實施例中摻混穩定 劑之W2000研漿内之過氧化氫的濃度。 圖式之詳細說明： 雖然，以下描述的是使用過氧化氫之嫣CMP製程， 但本發明可用於任何使用含過氧氣之研椠的⑽製程。 例如，可去除除鎢以外的導電材料。此外，任何穩定劑均 可被使用，只要其具有町特性：⑴有能力與水溶性或有 機性基質内之過渡金屬（包括但不限於，例如鐵、銅、 鈷猛、鎳和鉻)結合；（2)實質未被過渡金屬污染；（3)其 在含過氧氣之研漿混合物中是可溶的；（4)穩定劑不會在 CMP過程中阻礙被研磨層之研磨速率；（5)不會顯著地改 變CMP研漿中之研磨顆粒的大小。這些例子包括：焦填 酸、多膦酸、多磷酸、乙二胺四乙酸(EDTA)、上述之酸的 鹽’以及上述之酸和上述酸之鹽的組合物，以及氫氧基嗜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —.—.-----------,—訂—-----線. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 593644 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（6 ) · 啉。此外’此研聚可由任何形式的研聚所組成，其中之過 渡金屬如同污染物般存在於研毁中。 以下的圖示要顯示的H r ^ J疋Cabot月又伤有限公司開發出 來用以研磨含鎢層之研激（以W2〇〇〇表示）内的過氧化氮濃 5度。請參閱第1圖，曲線1〇2顯示的是㈣⑻研褒内不 穩定的過氧化氫之分解。如第i圖所示，過氧化氯在加入 W2000研漿内9天後之濃度為原本摻混時之百分之6〇。 第2圖和第3圖顯示的是不同的螯合劑，例如 EDTA、EDTA鹽、膦酸和氫氧基喹啉，不必然提供其所 10需要的穩定度。事實上，每一種測試過的螯合劑均會促進 過氧化氫的分解。然而，假使這些螯合劑之用量不同、或 純化以去除任何污染，例如過渡金屬，或者與不同的研漿: 使用或與其他化學品（其本身可為穩定劑或不為穩定劑）合 併使用，這些螯合劑中的一種或數種（單獨或合併使用或: 15與其他化學品合併使用）則可提供適當的穩定度。熟習此 技藝者，在參閱本發明之說明書所揭露之技術後，當可在 不f任何過度的實驗下達成此類混合物或者用量。 第4圖顯示的是本發明之一較佳實施例的穩定圖解 (圖形402)，其中過氧化氫原本之濃度較佳的是摻混過氧 20 化氫後之W2000研漿之大約2重量百分比。在此實施例 中，由於使用的鎢CMP製程之動力學，穩定劑較佳用量 是約2克焦磷酸鈉/每2000克的研漿混合物，且氳氣濃度 之下限則是約1.5重量百分比。焦磷酸鈉之用量可視提供 較佳的穩定度而加以改變。假使使用不同的研漿，更多或 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----一---f--------I------- ^ . I---I I I I « (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 593644 A7 ________B7__— __ 五、發明說明（7 ) 更少穩定劑（或甚至不同的穩定劑）均是可行的。 弟5圖顯示的是本發明另一個較佳實施例之數個穩 定度圖形，其中過氧化氫之開始濃度較佳的是佔摻混過氧 化氫之W2000研漿之大約4重量百分比。在此實施例 5 中，由於使用的鎢CMP製程之動力學，穩定劑較佳的是 約0.25至3克（更佳的是約〇·25至1克，甚至更佳的是約 0·5克）焦磷酸鈉/每1000克的研漿，且氫氣濃度之下限是 約百分之3.8。焦磷酸鈉之用量可視提供較佳的穩定度而 加以改變。假使使用不同的研漿，更多或更少穩定劑（或 10 甚至不同的穩定劑）均是可行的。 雖然，本發明已揭露如上所述之實施例，然其並非 用以限定本發明之專利範圍。本發明之許多實施例，對於 熟習此技藝者在參閱本發明之說明書所揭露的方法與技術 後是顯而易見的。 -----r--訂· C請先閲讀背面之浲意事頊瑚填寫本貢) 項并填寫. 經濟部智慧財彦局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 593644 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 … 專利申請案第88120488號 ROC Patent Appln. No. 88120488 修正後無劃線之中文申請專利範圍修正本-附件二 Amended Claims in Chinese - Enel. (II) 5 (民國93年5月7曰送呈） (Submitted on May 7 , 2004) 1. 一種在利用化學機械平坦化之半導體基底上製造電子 裝置的方法，該方法包括下列步驟： 10 提供一半導體晶圓； 形成一材料層於該半導體晶圓上； 利用一研磨墊以及一種含過氧氣及過渡金屬之混合物 之研漿研磨該材料層；及 將該研漿以一種穩定劑穩定化，該穩定劑係選自十水 15 焦磷酸鈉、焦磷酸、多膦酸、多磷酸、乙二胺四乙 酸、一種該焦填酸的鹽、一種該多膦酸的鹽、一種該 多磷酸的鹽、一種該乙二胺四乙酸的鹽以及其任意組 合所組成的群集，其中該穩定劑可阻礙該包含該過渡 金屬之研漿内之過氧氣的分解。 20 2.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該穩定劑係 包括十水焦鱗酸納。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該穩定劑包 括選自下列群：焦磷酸、多膦酸、多磷酸、乙二胺四 乙酸、一種該焦磷酸的鹽、一種該多膦酸的鹽、一種 25 該多磷酸的鹽、一種該乙二胺四乙酸的鹽以及其任意 組合之化學品。 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該穩定劑包 括8-氫氧基喳咁。 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） 88435B 接 593644 A8 B8 C8 _D8_ 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該研漿中 之過氧氣的分解是被該研漿内之過渡金屬所催化。 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該研漿中之 過氧氣之分解受該研漿之酸驗值所影響。 5 7.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該材料層選 自下列群：鎢、銅、鋁、介電材料以及其任意組合。 8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該穩定劑的 量為每1000克該研漿有0.25至1克。 9. 一種化學機械研磨位在半導體基底表面之層的方法， 10 其包括下列步驟： 將一種含過氧氣之物質以及一種穩定劑與研漿混合， 形成一種包含過渡金屬之研漿混合物； 將該研漿混合物保存一段時間；及 利用該研漿混合物以及一個化學機械研磨機械對位於 15 半導體基底表面上的該層進行平坦化； 該穩定劑具有阻礙該研漿中會過氧氣物質之分解的能 力，並包括選自下列群之化學品：十水焦磷酸鈉、焦 磷酸、一種該焦磷酸的鹽以及其任意組合。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該穩定劑包括十 20 水焦鱗酸鈉。 11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該穩定劑的 量為每1000克該研漿有0.25至1克。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210x297公釐）