TW593647B - Chemical mechanical polishing slurry - Google Patents

Description

593647 五、發明說明（1 ) 工藝範圍 本發明係關於一種化學機械硏磨料漿。特別地，本發明 係關於一種化學機械硏磨料漿，其合適於用做在製造半導 體元件的鑲嵌金屬連接線之形成期間的硏磨液體。 發明背景 最近對形成已明顯地精細化及緊密化的半導體積體電路 (諸如ULSI)來說，已期望銅可做爲有用的電連接材料，因 爲銅具有好的電遷移阻抗及較低的電阻。 至今使用的銅連接線有諸如難以使用乾蝕刻圖形化的問 題。特別地，諸如溝槽及連接孔洞等凹槽先在絕緣薄膜中 形成，再於表面上形成障壁金屬薄膜，銅薄膜則利用電鍍 沉積而塡滿凹槽，然後利用化學機械硏磨（於此之後指爲 “CMP”）來硏磨欲平面化的表面，直到凹槽區域外的絕緣薄 膜表面完全地曝露，而形成諸如鑲嵌連接線（凹槽中塡滿 銅）、通道栓塞及接觸器栓塞之電連接。 於此將參考圖1描述形成鑲嵌銅連接線的製程。 在已形成半導體元件（無顯示）的矽基材上形成由含較低 的連接線（無顯示）之絕緣薄膜組成的較低連接線層1。如 圖1 ( a )所顯示，然後在該矽基材上相繼地形成氮化矽薄膜 2及氧化矽薄膜3。在氧化矽薄膜3上形成具有連接線圖 案且到達氮化矽薄膜2的凹槽。 接著，如圖1(b)所顯示，利用濺鍍形成障壁金屬薄膜4 。在該薄膜上利用電鍍於全部的表面上形成銅薄膜5，如 593647 五、發明說明（2) 此凹槽中塡滿該材料。 如圖1 ( c )所顯示，利用CMP硏磨銅薄膜5以使基材表面 平面化。利用CMP繼續硏磨直到在氧化矽薄膜3上之金屬 完全地移除，如圖1 ( d )所顯示。 於上述之形成鑲嵌金屬連接線製程中，可形成由例如鉅 金屬（諸如Ta及TaN)製得之障壁金屬薄膜做爲基礎薄膜， 例如用來防止導電金屬（諸如銅）擴散進入絕緣薄膜。但是 ，當同步硏磨此不同的材料時，障壁金屬薄膜的硏磨速率 明顯地小於導電金屬（例如銅）薄膜。特別地，當使用傳統 的硏磨料漿利用CMP來形成鑲嵌金屬連接線時，在導電金 屬薄膜及障壁金屬薄膜間的硏磨速率已有明顯的差異，而 會造成表面凹陷及磨蝕。 表面凹陷爲一種於凹槽中的導電金屬（例如銅）薄膜過度 地硏磨之現象，所以凹槽中的金屬薄膜中心相對於基材上 之絕緣薄膜平面爲削低的狀態，如圖2所顯示。因爲障壁 金屬薄膜的硏磨速率較低，故需要足夠多的硏磨時間以完 全地移除於絕緣薄膜（氧化矽薄膜3 )上的障壁金屬薄膜4 。但是，銅薄膜之硏磨速率高於障壁金屬薄膜，所以銅薄 膜會過度地硏磨而產生表面凹陷。 磨蝕爲一種於緻密連接線區域處過度地進行硏磨之現象 (相對於稀疏區域，諸如孤立的連接線區域），所以緻密的 連接線區域之表面相對於其它表面會變成削低狀態，如顯 示於圖1(d)。當銅薄膜5中包含許多金屬鑲嵌的緻密連接 -4 - 593647 ----- 五、發明說明（3) 線區域，與於銅薄膜5中包含較少金屬鑲嵌的孤立連接線 區域隔著相當大的距離（例如，在此晶圓中沒有連接線的 區域）時，因爲銅薄膜5硏磨的比障壁金屬薄膜4或氧化 矽薄膜3 (絕緣薄膜）快，故硏磨墊施加至緻密連接線區域 中的障壁金屬薄膜4或氧化矽薄膜3之壓力變成高於孤立 的連接線區域。結果，於CMP製程中在曝露該障壁金屬薄 膜4 (圖1 ( c )及之後的製程）後，已由CMP在緻密的連接線 區域及孤立的連接線區域間產生出硏磨速率上的差異，所 以在緻密連接線區域中的絕緣薄膜會過度地硏磨而產生磨 蝕。 如上所述，在形成半導體元件之電連接製程中所產生的 表面凹陷會使得互連線電阻及連接電阻增加，且趨向於發 生電遷移而導致元件具有差的信賴度。磨蝕會相反地影響 基材表面的平坦度且於多層結構中會變得更顯著，進而發 生諸如連接線電阻增加及分散的問題。 JP-A 8-83780已描述CMP製程中的表面凹陷可藉由使用 含苯并三唑或其衍生物的硏磨料漿於銅表面上形成一保護 膜而防止。JP-A 11-238709亦已描述將三唑衍生物包含在 CMP料漿中可改善銅硏磨的平坦度。但是，該技術藉由減 低銅薄膜的硏磨速率來控制表面凹陷，所以需花較長的時 間來硏磨銅薄膜而會降低生產量。 另一方面，已揭示一種藉由調整硏磨料漿之黏度的技術 ，試圖改善料漿之硏磨特性。 593647 五、發明說明（4) JP-A 2000 - 1 6983 1已描述使用含無反應性的多元醇（選 自於甘油及聚乙二醇）做爲增稠劑之料漿組合物來防止CMP 中的表面凹陷。該料漿組合物包括0 · 1至50體積％的增稠 劑以將料漿黏度調整爲3.4至12cps (毫泊·秒） JP-A 1 1 - 307484已描述使用具有BTngham流動性的硏磨 液體（其包含一羧基乙烯基聚合物）來防止CMP中的表面凹 陷。於此並無描述特定範圍的硏磨液體黏度，但是已例示 出包含羧基乙烯基聚合物至〇 . 1重量％的硏磨液體。 JP-A 2000 - 1 601 37已描述一種CMP用之硏磨液體，但是 不用於金屬硏磨，其包括氧化鈽粒子、水及可塗佈至淺溝 間隙（s h a 1 1 〇 w t r e n c h s e p a r a t i ο η )之陰離子表面活性劑 。如此製備的硏磨液體可使得在氧化矽薄膜及氮化矽薄膜 間之硏磨速率比率較大。於此已描述硏磨液體的黏度較佳 地爲1.0至2.5毫泊·秒。 但是，難以僅使用先述技藝中之調整硏磨料漿黏度來以 較高的硏磨速率進行CMP，同時可防止表面凹陷。 發明槪述 本發明之目標爲提供一種化學機械硏磨料漿，藉此可以 較高的硏磨速率（即以較高的生產量）形成具優良的電特性 之可信賴的鑲嵌電連接，同時可防止在硏磨於基材的含凹 槽絕緣薄膜上形成之金屬薄膜時會產生的表面凹陷。 本發明提供一種化學機械硏磨料漿，其可用來硏磨在基 材的含凹槽絕緣薄膜上形成之金屬薄膜，其中該料漿包括 五、發明說明（5) 一增稠劑，而該增稠劑不含與硏磨材料表面上的電荷相反 符號之離子基團，該增稠劑的含量對料漿總量來說爲 〇 . 001重量％或更多而少於〇 . 05重量％，且該料漿的黏度爲 1毫泊·秒至5毫泊·秒。 本發明之化學機械硏磨料漿（於此之後指爲"硏磨料漿"） 可合適地使用於CMP而用來硏磨於基材的含凹槽絕緣薄膜 上形成之金屬薄膜。 該料漿可有效地使用於一製程中，該製程爲於含凹槽的 絕緣薄膜上形成一障壁金屬薄膜（做爲基礎薄膜）；於該障 壁金屬薄膜上形成一導電金屬薄膜，如此該凹槽塡滿該導 電金屬薄膜；及藉由CMP硏磨基材以平面化該基材表面直 到障壁金屬薄膜或絕緣薄膜曝露，所以形成諸如於凹槽中 塡滿導電金屬之鑲嵌連接線的電連接、栓塞及接觸器。當 該導電金屬爲銅系金屬及該障壁金屬爲鉅系金屬時該料漿 更有效。 本發明之硏磨料漿可使用於CMP以於較高的硏磨速率（ 即較高的生產量）下形成具優良的電特性之可信賴的鑲嵌 電連接，同時可防止表面凹陷或磨蝕。 圖式簡單說明 圖1爲製程的部分截面圖，其闡明一傳統用來形成鑲嵌 銅連接線的製程。 第2圖爲當鑲嵌銅連接線使用傳統的化學機械硏磨料漿 來形成時的連接線截面形狀圖。 593647 五、發明說明（6) 具體實施例之詳細說明 現在將描述本發明之較佳具體實施例。 本發明之硏磨料漿包含一硏磨材料、一氧化劑、一增稠 劑及水。較佳地加入質子提供者（d ο η 〇 r )做爲氧化輔助劑 以促進金屬薄膜由氧化劑氧化且獲得穩定的硏磨。再者， 較佳地加入一抗氧化劑以防止因硏磨料槳的化學作用而過 度地侵飩。 可於本發明中使用的硏磨材料之實例包括氧化鋁諸如α _ 氧化鋁及Θ -氧化鋁；二氧化矽，諸如燻二氧化矽及膠體氧 化砂；二氧化鈦；氧化鍩；氧化鍺；二氧化鈽；及二種或 多種選自於這些金屬氧化物硏磨顆粒之組合。在這些當中 ，氧化鋁或二氧化矽較佳，雖然當使用硏磨材料之混合物 時，較佳地混合於顆粒表面上的電荷具有相同符號之物質 〇 硏磨材料之平均粒子尺寸較佳地爲5奈米或更大，更佳 地爲10奈米或更大，及較佳地爲500奈米或較少，更佳 地爲300奈米或較少，例如，可利用光散射繞射測量而按 照硏磨速率、分散穩定性及硏磨表面之表面粗糙度決定。 硏磨料漿中之硏磨材料含量對硏磨料漿的總量來說，可 根據不同的因素諸如硏磨效率及硏磨準確性而合適地選擇 在〇. 1至50重量％。較佳地爲1重量％至10重量％。 於本發明中使用的氧化劑可按照不同的因素諸如硏磨準 確性及硏磨效率而合適地選自於水-可溶的氧化劑。例如 593647 五、 發明說明（7) J 不 會 '、出 成重金屬離子污染物的物質包括過 氧 化 物類 ’ 諸 如 h2〇 2 Na 202、Ba 202 及（C6H5C) 202 ;次氯酸 (HC10)； 局 氯 酸 硝 酸 ;臭氧水；及有機酸過氧化物類， 諸 如 過醋 酸 及 硝 基 苯 Ο 在這些當中，過氧化氫（H202 )爲較 佳 因爲 其 不 包含 金 屬 組分且不會產生有害的副產物。 本 發 明 之硏磨料漿中的氧化劑含量較佳地至少爲 0 . 01 重 量 % 更佳地至少0 · 0 5重量％，進一步較 佳 地 至少 0 丨· 1 重 a 里 %以獲得適當的加入效應，而其較佳地爲 15 重量％或 較 少 更 佳地爲1 0重量％或較少以防止表面 凹 陷 且可 將 硏 磨 速 率 調 整至適合的値。當使用相當易受老 化 變 質影 響 的 氧 化 劑 (諸如過氧化氫）時，可分別地製備含 提 供 的氧 化 劑 濃 度 之 溶 液及在加入含氧化劑的溶液後可獲 得 所 需的 硏 磨 料 漿 之 組 合物，然後僅在使用之前結合。 本 發 明 中之增稠劑必需爲一種化合物，其 不 含 與硏 磨 材 料 顆 粒 的 表面電荷具相反符號之離子基團。 若使 用含 與 硏 磨 材料 顆 粒的表面電荷具相反符號之離子基 團 的 化合 物 做 爲 增 稠 劑 ，則該增稠劑會吸附在硏磨顆粒表 面 所 以無 法 獲 得 想 要 的 增稠效應或該料漿會傾向於凝膠化 即 無法 獲 得 想 要 的硏 磨料漿。 當 使 用 氧化鋁做爲硏磨材料時，可使用陽 離 子 或非 離 子 增 稠 劑 因爲氧化鋁粒子的表面呈正電荷， 雖 然 可加 入 陰 離 子 分 散 劑來改善料漿中氧化錕硏磨材料的 分 散 性， 較 佳 地使 用 非 離子增稠劑來防止分散系統中斷。 -9- 當 加 入分 散 劑 593647 五、發明說明（8 ) 時，其含量對硏磨料漿總量來說通常爲〇 〇5重量％至〇 ^ 重量％。 晶使用一氧化砂做爲硏磨材料時，可使用陰離子或非離 子增稠劑’因爲二氧化矽粒子之表面爲負電荷。陰離子增 稠劑特別佳。因爲二氧化矽硏磨材料（特別是燻二氧化砂 或膠體氧化矽）具有如此好的分散性，其可如分散劑般的 分散’故可不使用分散劑而製備令人滿意的硏磨料漿。 本發明中之增稠劑含量必需爲0.001重量％或更多及少 於0.05重量％。較佳地爲0.002重量％或更多，更佳地爲 0.005重量％或更多，同時較佳地爲〇.〇2重量％或較少，更 佳地爲0.015重量％或較少。若增稠劑之含量太少，無法 令人滿意地防止表面凹陷或磨蝕，然而含量太大時會導致 不適當的硏磨速率。 在加入增稠劑後之硏磨料槳黏度必需爲1毫泊·秒至5 毫泊5。較佳地爲1 . 5毫泊·秒至4毫泊·秒。若料漿的黏 度太低，則無法令人滿意地防止表面凹陷或磨蝕，然而若 料漿黏度太高時會導致不適當的硏磨速率。 本發明之增稠劑實例包括表面活性劑類及水-可溶的聚 合物類，其可依使用的硏磨材料粒子之表面電荷而分爲陰 離子、陽離子或非離子型。 可使用的陰離子表面活性劑之實例包括可溶的鹽類，諸 如磺酸鹽類、硫酸鹽類、羧酸鹽類、磷酸鹽及膦酸鹽類； 其可爲鹼金屬、鹼土金屬、銨或胺鹽類，較佳地爲銨鹽； -10- 593647 五、發明說明（9) 例如，烷基硫酸鹽類，諸如烷基苯磺酸鹽類及十二院基硫 酸鹽類；脂肪酸鹽類，諸如硬脂酸鹽類；聚羧酸鹽類；院 基磷酸鹽類及六聚偏磷酸鹽類。 陽離子表面活性劑類有胺鹽類，包括鹽-形式的一級、 二級或三級胺及其改質的鹽類；鏺化合物類，諸如四級錢 、鱗及毓鹽類；環形含氮化合物類及雜環化合物類，諸如 吡啶鏺、喹啉鏺及咪唑啉鐵鹽類，例如氯化月桂基-三甲 基-錢、氯化十六院基-二甲基銨（CTAC)、溴化十六院基_ 三甲基-銨（OTAB)、溴化十六烷基-二甲基-苄基-銨、氯化 十六烷基吡啶鏺、氯化十二烷吡啶鐵、氯化烷基二甲基_ 氯苄基-銨及氯化烷基-萘-吡啶鐵。 非離子表面活性劑類包括利用環氧乙烷的加成聚合反應 而製備之環氧乙烷濃縮表面活性劑類，包括醚類，諸如聚 伸氧乙基烷基醚類及聚伸氧乙基烷基苯基醚類；醚酯類， 諸如聚伸乙基甘油脂肪酸酯類；及酯類，諸如聚乙二醇脂 肪酸酯類，特別是POE( 10)單月桂酸酯、P〇E(.10、25、40 、45或55 )單硬脂酸酯、P〇E( 21或25 )月桂基醚、POE( 1 5 、20、23、25、30或40)十六烷基醚、P〇E(20)硬脂基醚 、POE(2、3、5、7、10、15、18 或 20)壬基苯基醚，其中 POE代表聚伸氧乙基及圓括號內的數目爲加入的環氧乙烷 之莫耳數。 可使用之陰離子水-可溶的聚合物類包括聚羧酸鹽水-可 溶的聚合物類，例如，聚丙烯酸酯水-可溶的聚合物類， -11- 五、發明說明（1〇 ) 諸如聚丙烯酸及其鹽類和丙烯酸-(甲基）丙烯酸酯共聚物 類及其鹽類；藻酸鹽類；及纖維素衍生物類，諸如羧基甲 基纖維素。可使用之非離子水-可溶的聚合物類包括纖維 素衍生物，諸如經乙基纖維素；聚乙儲醇；聚乙烯基吡咯 烷酮；聚乙二醇；及聚丙烯醯胺。 陽離子水-可溶的聚合物可爲聚乙烯亞胺。 當使用水-可溶的聚合物時，較佳地選自於具適合分子 量的那些物質。若分子量太小時無法顯露所需的增稠程度 效應，所以無法適當地防止表面凹陷或磨蝕。若分子量太 大，則無法獲得適當的硏磨速率或其溶解度會減低，所以 難以製備硏磨料漿。水-可溶的聚合物之分子量（特別是聚 丙烯酸酯聚合物）較佳地爲1 0000或更多，更佳地爲50000 或更多，再者較佳地爲1 00000或更多，然而較佳地爲 5000000或較少，更佳地爲2000000或較少。 加入硏磨料漿中用以促進由氧化劑進行的氧化反應或用 來穩定硏磨劑之質子提供者（氧化反應輔助劑）可包括熟知 的有機酸類，諸如熟知的羧酸類及胺基酸類。 羧酸之實例包括草酸、丙二酸、酒石酸、蘋果酸、戊二 酸、檸檬酸、順丁烯二酸、蟻酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊 酸、丙烯酸、乳酸、琥珀酸、菸鹼酸及其鹽類。 胺基酸可以酸、鹽或水合物的形式加入。那些可加入的 實例包括精胺酸、鹽酸精胺酸、精胺酸苦味酸鹽、精胺酸 黃素酸鹽、離胺酸、鹽酸離胺酸、二鹽酸離胺酸、離胺酸 -12- 593647 五、發明說明（11 ) 苦味酸鹽、組胺酸、鹽酸組胺酸、二鹽酸組胺酸、麩胺酸 、鹽酸麩胺酸、麩胺酸鈉單水合物、麩醯胺酸、麩胱甘肽 、甘胺醯甘胺酸、丙胺酸、β -丙胺酸、γ -胺基丁酸、ε -胺 基戊酸、天冬胺酸、天冬胺酸單水合物、天冬胺酸鉀、天 冬胺酸鉀三水合物、色胺酸、酥胺酸、甘胺酸、胱胺酸、 半胱胺酸、鹽酸半胱胺酸單水合物、羥脯胺酸、異白胺酸 、白胺酸、甲硫胺酸、鹽酸鳥胺酸、苯丙胺酸、苯基甘胺 酸、脯胺酸、絲胺酸、酪胺酸及纈胺酸。 上述的有機酸類（諸如羧酸類及胺基酸類）可爲其二種或 多種不同的混合物。 硏磨料漿中之有機酸含量對硏磨料漿之總量來說較佳地 爲至少0 . 0 1重量％，更佳地至少0 . 05重量％以獲得加入做 爲質子提供者的適當效應，同時較佳地爲5重量％或較少 ，更佳地爲3重量％或較少以防止表面凹陷且可將硏磨速 率調整至適合的値。當結合二種或多種有機酸類時，上述 的含量指爲各別的有機酸類之總和。 當在本發明之硏磨料漿中加入氧化劑時，較佳地可進一 步加入抗氧化劑。抗氧化劑之加入可使導電金屬薄膜之硏 磨速率容易調整且可適當地防止表面凹陷。 抗氧化劑之實例包括苯并三唑、1，2，4 -三唑、苯并呋喃 咢烷、2，1，3 -苯并噻唑、鄰-伸苯基二胺、間-伸苯基二胺 、ca thee hoi、鄰-胺基酚、2-锍苯并噻唑、2-锍苯并咪唑 、2 -锍苯并咢唑、馬來胺及其衍生物。在這些當中，苯并 -13- 一—— 593647 五、發明說明（12 ) 一 Di及其衍生物爲較佳。本幷三D坐衍生物之實例包括經取 代的苯并三唑類，其苯環以羥基；烷氧基，諸如甲氧基及 乙氧基；胺基；硝基；烷基，諸如甲基、乙基及丁基；鹵 素，諸如氟、氯、溴及碘取代。丨，2，4 -三唑衍生物之實例 包括於5 -員環中具有任何如上所述的取代基之經取代的 1，2，4 -三唑。 抗氧化劑的含量對硏磨料漿之總量來說較佳地爲至少 0 · 000 1重量％，更佳地爲至少0 . 〇〇 1重量％以獲得其加入的 適當效應，同時較佳地5.0重量％或較少，更佳地2 . 5重 量％或較少以將硏磨速率調整至適合的値。 對本發明之硏磨料漿來說，pH較佳地爲3或更大，更佳 地爲4或更大，同時較佳地爲9或較少，更佳地爲8或較 少，按照硏磨材料的硏磨速率、腐蝕、料漿黏度及分散穩 定性而定。可使用熟知的程序使用鹼來調整pH硏磨料漿 ’諸如鹼金屬氫氧化物類，諸如氫氧化鈉及氫氧化鉀；鹼 金屬碳酸鹽酯類，諸如碳酸鈉及碳酸鉀；氨；及胺類。 本發明之硏磨料漿可包括多種通常加入至硏磨料漿的添 加劑（諸如分散劑類及緩衝劑類），只要其不降低料漿特性 即可。 較佳地調整本發明之硏磨料漿的組合物比率，使得CMP 對金屬薄膜的硏磨速率變成較佳地至少400奈米/分鐘， 更佳地至少500奈米/分鐘。較佳地調整組合物比率使得 硏磨速率較佳地變成1 500奈米/分鐘或較少，更佳地1000 -14- 593647 五、發明說明（13 ) 奈米/分鐘或較少，按照硏磨準確性及表面凹陷之防止而 定。 本發明之硏磨料漿可使用一般製備無顆粒水性硏磨料漿 組合物之製程來製備。特別地，加入適合量的硏磨顆粒（ 硏磨材料粒子）及，若需要的話，適合量的分散劑至水性 溶劑。於此狀態中，該些顆粒呈聚集狀。因此，藉由進行 硏磨顆粒混合物的分散將聚集的硏磨材料粒子分散成具想 要的粒子尺寸之粒子。於此分散製程中，可使用適當的設 備，包括超音波分散器、小珠硏磨器、揉捏器及球磨機。 本發明之增稠劑可在分散製程之前或之後加入。 例如，使用本發明之硏磨料漿的CMP可使用下列描述的 程序來進行。首先，製備基材，於此基材上形成絕緣薄膜 ，於絕緣薄膜上形成具提供的圖案之凹槽，及在凹槽上沉 積金屬薄膜。將該基材放置在晶圓載體（諸如轉軸）上。將 該基材的金屬薄膜表面在提供的壓力下與黏附在表面板（ 諸如旋轉板）上之硏磨墊接觸。同時在基材及硏磨墊間提 供硏磨料漿，藉由相對地移動基材（晶圓）與硏磨墊（例如 ，旋轉二者）開始硏磨。該硏磨料漿可從硏磨墊上的個別 供應管或從表面板側邊供應。若需要的話，將墊調節器與 硏磨墊的表面接觸以調整硏磨墊的表面。 上述描述之本發明的硏磨料漿，當使用CMP在基材上進 行硏磨以形成電連接（諸如金屬鑲嵌連接線）、通道栓塞及 接觸器检塞時可最有效’其中在該基材上沉積著一含凹槽 -15- 五、發明說明（14) (諸如溝渠及連接孔洞）的絕緣薄膜，而該障壁金屬薄膜沉 積在該絕緣薄膜上’及該導電金屬薄膜在整個表面上形成 同時在凹槽中塡滿該金屬。絕緣薄膜之實例包括氧化矽薄 膜、BPSG薄膜及SOG薄膜。導電金屬薄膜的實例包括由銅 、銀、黃金、鉛、鈦、鎢、鋁及其合金類製得之導電金屬 薄膜。障壁金屬薄膜的實例包括由鉬系金屬，諸如鉬（Ta ) 、氮化鉅及氮化鉬矽；鈦系金屬，諸如鈦（T 1 )及氮化鈦； 鎢系金屬，諸如鎢（W )、氮化鎢及氮化鎢矽製得之障壁金 屬薄膜。在其他當中，本發明之硏磨料漿當導電金屬薄膜 爲銅系金屬薄膜（銅薄膜或含銅做爲主要組分的銅合金薄 膜）時可更有效地使用。特別地，該料漿當導電金屬薄膜 爲銅系金屬薄膜且障壁金屬薄膜爲鉬系金屬薄膜時可有效 地使用。 實例 本發明將參考實例更特別地描述。 欲硏磨的基材 ^ 如下列描述製備欲硏磨的基材，其中在含凹槽的絕緣薄 膜上形成一金屬薄膜。於已形成半導體元件（諸如電晶體） 的6英吋晶圓（矽基材）上沉積由含較低的連接線之氧化矽 薄膜製得的較低連接線層。在該較低的連接線層上形成一 氮化矽薄膜，而於其上形成約500奈米的氧化矽薄膜。該 氧化矽薄膜利用光微影光刻程序及反應性的離子蝕刻而圖 案化，以形成互連線及連接孔洞用之溝槽，其寬度爲0.2 3 -16- 593647 五、發明說明（15 ) 微米至10微米及深度爲500奈米。接著，利用濺鍍形成 50奈米的Ta薄膜，利用濺鍍形成50奈米的銅薄膜，然後 利用電鍍形成約800奈米的銅薄膜。 CMP條件 使用Speedfam-Ipec型式的SH-24設備進彳了 CMP。使用 硏磨墊（Rodel-Nitta 1C 1 400 )已黏合至表面板的硏磨器 。硏磨條件如下：硏磨負載（硏磨墊的接觸壓力）：27 . 6千 泊；表面板旋轉速度：5 5 r pm ;載體旋轉速度：5 5 I· pm ;及 硏磨料漿進料速率：100毫升/分鐘。 硏磨速率之測量 從硏磨之前及之後的表面電阻率値評估硏磨速率。將四 探針電極排列在晶圓所提供的區間上。在外側二個探針間 施加提供的電流而偵測在二個內側探針間之電壓差異以測 量電阻（R’），進一步將該値乘以修正因子RFC(電阻率修正 因子）而獲得表面電阻率（P s J。測量已知厚度（T)(奈米） 的晶圓薄膜之表面電阻率（ps)。表面電阻率與厚度成反比 。因此，當表面電阻率ps’的厚度爲d時，方程式： d(奈米）=(ps xT) / ps’ 爲真。使用該方程式可測得厚度d。再者，將硏磨之前及 之後的變化除以硏磨時間而評計硏磨速率。使用四探針電 阻偵測器（三菱化學工業，Lo r e s t a - GP )測量表面電阻率 ο 料漿黏度之測i -17- 593647 五、發明說明（16 ) 硏磨料漿之黏度使用旋轉黏度計（HAAKE有限公司， Rotovisco RV20)藉由於25°C測量剪應力而測量，同時變 化切速從0至1 000 Π/秒]。 表面凹陷及磨蝕之評估 以偵測頭於經硏磨的晶圓表面上藉由追蹤連接線-形成 區域做步繼測量。使用HRP-100(KLA Tencol有限公司）做 爲步繼測量設備，從內層絕緣薄膜上不形成連接線的區域 進行掃描，經過連接線或緻密的連接線區域而至內層絕緣 薄膜的相反邊。 實例1至3及比較例1 製備下列硏磨料漿，其包含5重量％平均粒子尺寸爲50 奈米的Θ-氧化鋁、5重量％的過氧化氫溶液（濃度：30重量 %)、0.5重量％的檸檬酸、1重量％的甘胺酸、0.01重量％的 苯并三唑及0 . 0 1重量％的增稠劑。 對實例1、2及3來說，增稠劑類各別地爲P〇E( 1 0)壬基 苯基醚（非離子表面活性劑）、氯化月桂基-三甲基-銨（陽 離子表面活性劑）及羥乙基纖維素（水-可溶的聚合物）。 上述實例的測量結果，與以上述描述的實例相同的方法 製備但不加入增稠劑的硏磨料漿（比較例1 )之結果一起顯 示在表1。結果指出根據本發明可將表面凹陷程度減低至 約一半或較少，但沒有明顯地減低硏磨速率。 -18- 593647 五、發明說明（17) Μ_L 黏度（毫泊·秒） 硏磨速率（奈米/分鐘） 表面凹陷程度（奈米） 實例1 2.0 595 39 實例2 2.0 565 38 實例3 3.5 550 23 比較例1 1.5 580 75 實例4辛9及比較例2 製備下列硏磨料漿，其包含3重量％平均粒子尺寸20奈 米的膠體氧化矽、5重量％的過氧化氫溶液（濃度：30重量 % )、2重量％的甘胺酸、0 · 3重量％的1 , 2，4 -三唑及〇 . 〇 1重 量％的增稠劑。 增稠劑爲銨聚丙烯酸酯（其爲陰離子水-可溶的聚合物） ，其分子量顯示於表2。其分子量爲重量平均分子量（Mw) 利用GPC在下列條件下測量：管柱：SHODEX GF-7MHQ ;偵 測器：UV(波長214奈米）；溶離劑：0 · 1%的磷酸鈉溶液 (PH7);流速：0.5毫升/分鐘；溫度：35°C ;標準物：聚 丙儲酸標準物（Sowa Kagaku有限公司）。 上述實例的測量結果，與以上述描述的實例相同的方法 製備但不加入增稠劑的硏磨料漿（比較例2 )之結果一起顯 示在表2。結果指出根據本發明可將表面凹陷程度減低至 一半或較少，但沒有減低硏磨速率。 -19- 593647 五、發明說明（18) 表 2 分子量 黏度（毫泊·秒） 硏磨速率（奈米/分鐘） 表面凹陷程度（奈米） 實例4 50000 1.4 472 14 實例5 100000 1.5 470 14 實例6 200000 1.7 484 11 實例7 800000 2.0 一 587 10 實例8 1200000 2.8 546 12 實例9 5000000 4.5 485 15 比較例2 — 1.3 466 30 實例1 0及比較例_』 如於實例7所描述製備硏磨料漿’除了增稠劑的含量選 自於表3所顯示的那些。該些料漿的測量結果與比較例2 及實例7 —起顯示於表3。結果指出過量的增稠劑會明顯 地減低硏磨速率。 表3 增稠劑含量（重量％) 黏度（毫泊·秒） 硏磨速率（奈米/分鐘） 實例10 0.005 1.5 510 實例7 0.01 2.0 587 比較例3 0.10 6.5 160 _ 比較例2 〇 1.3 466 _ 實例1 1及比較例4 製備一種硏磨料漿，其包含3重量％平均粒子尺寸30奈 米的膠體氧化矽、5重量％的過氧化氫溶液（濃度·· 30重量 -20- $93647 五、發明說明（19) % )、2重量％的甘胺酸、0 · 3重量％的1，2，4 -三唑及〇 · 〇1重 釁％的銨聚丙烯酸酯（Mw: 800000 )(做爲增稠劑）（實例11) 。如上所述製備另一種硏磨料漿，除了不使用增稠劑（比 較例4)。 使用這些硏磨料漿對欲硏磨的基材進行CMP。於比較例 4中，於緻密連接線區域（連接線寬度/間隔寬度=4微米/ 1 微米）之磨蝕程度爲80奈米，同時於實例1 1中則減低至 5〇奈米。於比較例4中，於寬度1 〇微米的孤立連接線中 的表面凹陷程度爲80奈米，同時於實例1 1中則減低至5 5 奈米。 元件符號對照表 1 較低的互連層 2 氮化矽薄膜 3 氧化矽薄膜 4 障壁金屬薄膜 5 銅薄膜 -21 -

Claims (1)

1. 593647 六、申請專利範圍 第9 0 1 2 9 1 1 7號「化學機械硏磨料漿」專利案 (92年9月1日修正本） Λ申請專利範圍： 1 . 一種化學機械硏磨料漿，其用來硏磨於基材的含凹槽絕 緣薄膜上形成之金屬薄膜， 其中該料漿包含一具有表面電荷之硏磨材料及相對於 料漿之總量爲0.001重量％到0.05重量％之增稠劑，其 不含與硏磨材料的表面電荷相反符號之離子基團； 其中料漿的黏度爲1毫泊•秒至5毫泊•秒； 其中增稠劑爲表面活性劑或水-可溶的聚合物。 2 .如申請專利範圍第丨項之化學機械硏磨料漿，其中增稠 劑之含量爲0.002重量％至0.02重量％。 3 .如申請專利範圍第丨項之化學機械硏磨料漿，其中硏磨 材料爲氧化鋁，且增稠劑爲非離子或陽離子表面活性劑 或水-可溶的聚合物。 4 ·如申請專利範圍第1項之化學機械硏磨料漿，其中硏磨 材料爲氧化鋁，且增稠劑爲非離子表面活性劑或水-可 溶的聚合物； 其中料漿包括用於分散硏磨材料之陰離子分散劑。 5 ·如申請專利範圍第1項之化學機械硏磨料漿，其中硏磨 材料粒子爲二氧化矽，且增稠劑爲陰離子表面活性劑或 水-可溶的聚合物。 6 .如申請專利範圍第1項之化學機械硏磨料漿，其中硏 593647 六、申請專利範圍 磨材料粒子二氧化矽，且增稠劑爲聚羧酸鹽水-可溶的 聚合物。 7 ·如申請專利範圍第1項之化學機械硏磨料漿，其中硏 磨材料爲矽且增稠劑爲陰離子表面活性劑，以及 其中該料漿不含用於分散硏磨材料的分散劑。 8 ·如申請專利範圍第1項之化學機械硏磨料漿，其中水 -可溶的聚合物具有10,000至5，000,000之分子量。 9 ·如申請專利範圍第1項之化學機械硏磨料漿’其進一 步包括0.0 1至1 5重量％之離子化劑及〇 · 〇 1至5重量％ 之有機酸。 1 0 ·如申請專利範圍第9項之化學機械硏磨料漿’其進一 步包括0.000 1至5重量％之抗氧化劑。