TWI246532B - Polishing of semiconductor substrates - Google Patents

Description

1246532 A7 B7 五、發明説明（ 本發明係關於由半導體基板化學機械拋光（CMp)自半導體 基板上的下層介電層去除障壁層。 CMP用於自半導體基板（其上構建積體電路）上的下層介電 層去除障壁層。此外，CMP用於提供具有光滑、平坦拋光表 面之介電層。欲經拋光的基板固定於拋光機托架上。托架使 基板偏壓於拋光墊，同時基板和拋光墊發生相對運動。並在 基板和拋光墊之界面施加以水為主的水性拋光組合物。 美國專利第5,676,587號揭示由用中性pH、以矽石為基礎之 漿料進行CMP自下層介電層去除襯膜，在本文中稱為障壁層 。漿料為水性拋光組合物之具體實施例。CMp期間，為去除 障壁層，由拋光墊研磨，用水性拋光組合物使障壁層發生化 學反應，隨後使之溶於化學反應產物之水性拋光組合物。研 磨由拋光組合物具體實施例中存在的研磨顆粒施加。雖然 CMP自下層介電層去除障壁層，但下層介電層會發生不理想 腐蝕。腐！虫指由CMP操作去除介電㉟。所以理想在進行⑽ 以自介電層去除障壁層的同時使腐蝕最小。或者，理想在進 行CMP以自介電層去除障壁層的同時去除控制量介電層。 美國專利第5,614,444號揭示一種具有至少一個非極^组分 《分子之聚料。在進行CMP時，各分子與各表面矽醇結合基 團結合成相結合的非極性分子，且非極性分子本身為疏水 性，形成降低腐蝕之表面薄膜。 根據本發明，水性研麼卸人从目女 汁湛組合物具有研磨顆粒和鹼性， 用以由CMP自介電層去除障壁層’該水性研磨組合物進一步 包括.早極性分子，該分子具有多個與半導體基板水化介電 4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公董） 1246532 A7 ------— B7 · 五、ϋ説明「2 ) — ' ~~ 層上的結合基團形成鍵之極性結合部分，在麻 #力兒層上形 成極性分子之親水性保護膜。 現在以實例及參考附圖描述本發明之具體實施例。 圖1為具有金屬層的半導體基板之橫截面圖。 圖2為類似於圖1之視圖，其金屬層已自半導體基片之暴露 障壁層去除。 + "备 圖3為類似於圖2之視圖，其金屬層已自下層氧化物層或介 電層去除。 圖1揭示一種半導體基板，在基板13上具有導電金屬材料 層10、障壁層11及下層介電層12。介電層12具有渠溝14 (顯示 一個），各渠溝以導電材料填充。導電材料包括鋼、鎢及鋁。 圖3揭示，障壁層11襯墊在渠溝内，防止金屬離子遷入介電 層。障壁層11包括姮、氮化鈕、鈦及/或氮化鈦或其合金。介 電層包括氧化矽，例如自原矽酸四乙酯(TE0S)衍生的氧化碎。 圖2揭示類似圖1之半導體基板，其圖1的導電金屬層1〇去 除’產生暴露的障壁層21和以金屬填充的渠溝22。該金屬層 10係由已知CMP操作去除。 圖3揭示半導體基板由CMP選擇去除障壁層後，在介電層 上得到平坦表面31，其腐蝕最小，且渠溝32以金屬填充。 參考圖2，CMP自下層介電層‘ 12選擇去除障壁層21，而CMP 對介電層12的腐蝕性最小。水性拋光組合物由以拋光整和水 性拋光組合物拋光自下層介電層12充分去除Ta或TaN障壁層 2卜其具有研磨顆粒和鹼性pH水。 根據一具體實施例，該水性拋光組合物包括〇 〇〇〇1，0 05， -5- 本紙張尺1適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇X297公釐)~ 1246532 A7

1246532 A7 B7 五、發明説明（4 ) 面31上形成親水性保護膜。 根據一具體實施例，水性拋光組合物包括與水化介電層 上結合基團形成键的單極性分子。根據一具體實施例’各分 子係自含氮聚合化合物衍生，其包括（但不限於）聚丙晞醯胺 、聚乙晞基吡碇酮、聚乙烯亞胺及聚乙烯亞胺。 例如，聚乙烯亞胺分子在結合部位的核上具有氮原子，結 合部位與介電層表面上的各個矽醇結合基團形成分子間氫 键，並在實施CMP去除障壁層期間形成抑制介電層去除的親 水膜。聚乙烯亞胺具有一般化學結構： (-NH-CHrCHr) m(-N(-CHrCH2-NH2) -CHrCH2) η 其中m和η為可相互獨立變化的整數，且分別具有大於或 等於1之數值。 分枝聚乙烯亞胺具有一般化學結構： H2N+CHrCHrNR-) m-(-CHrCHrNH_) η- 其中R為（-CHrCHrN-)，且m和η分別大於或等於1。 各單極性分子中的多個氮原子（如聚乙晞亞胺分子）位於用 於與水化介電層上矽醇結合基團形成分子間氫鍵的各部位 之核，以產生經結合的極性分子之保護膜，該膜能夠在進行 CMP以去除障壁層期間控制介電層腐蝕量，或使腐蝕最小。· 實例1 — 用本發明之中性pH至鹼性pH拋光組合物將半導體基板拋 光，該基板具有銅（渠溝中）、TEOS(二氧化矽介電層）及钽障 壁層。IPEC 472拋光機以200毫升/分鐘之水性拋光組合物流速 使用。各調配物包括，約〇·〇1重量％濃度殺生物劑，Neolone 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1246532 A7 B7 五、發明説明（ M50，自賓夕法尼亞州，費城，羅姆·哈斯公司獲得；約0.1重 量苯并三唑（BTA)，防止渠溝中金屬凹曲的抑制劑；約2重量 %銅上界面活性劑；及以拋光組合物重量計約8.5重量％之膠 體矽石的抑制劑，已知為Klebesol 1501-50 [自克菜瑞恩公司獲 得（Clariant Corp)]。用不同濃度各分子量的聚乙烯亞胺（PEIs) 觀察去除速率，以埃/分鐘表示，結果列入以下表中。 樣品 編號 PEI (800K) PEI (50K) PEI (750K) pH TEOSRR 埃/分鐘 TaRR 埃/分鐘 Ta ： TEOS 選擇性比 1 — — — 7 729 400 0.5 ·· 1 2 •魏 — — 11 715 400 0.55 ： 1 3 0.25 — — 11 11 298 27.1 ： 1 4 — 0.68 — 11 122 462 3.8 : 1 5 -- 0.2 — 11 33 387 11.7 : 1，見以下 註解⑴ 6 — — 0.2 11 50 200 4:1 註解（1):該資料組用AMAT米拉(Mirra)拋光機代表IPEC 472拋 光機獲得，拋光使用具3磅/平方英寸向下壓力的1C 1010拋光 墊[自德拉瓦州，耐瓦吉，羅德公司獲得（Rodel, Inc., Newark， Delaware) ]、103/分鐘托架速度、200毫升/分鐘之水性拋光組合 物流速及60秒鐘拋光時間。 選擇性比包括在CMP期間障壁層21去除速率對介電層去除 速率之比。選擇性比進一步指表中揭示的Ta : TEOS之選擇性 比。表顯示一出乎預料結果，當聚乙晞亞胺的單極性分子平 均分子量自750K增加到800K時，Ta : TEOS選擇性比自4增加到 27.1 (6.78倍），而此等分子的重量百分比濃度實質相同，如表 中所示，名義量自0.2重量％變化到0.25重量％濃度。因此，最 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1246532 A7 B7 五、發明説明（6 小腐姓與平均分子量自較低分子量增加到至少800K提供的 高選擇比相符合。 平均分子量自800K降低到750K使選擇性比降低。而平均分 子量自750K降低至50K使選擇性比更低。然而，由50K平均分 子量產生3.8之選擇性比需要6.8%濃度。可以得出結論，分子 的平均分子量增加選擇性比增加，與介電層去除速率降低 相對應。此外，選擇分子量（例如，選擇較低分子量）調節選 擇性比（例如，調節選較低選擇性比），以在由CMP去除障壁 層21時去除控制量介電層。另外，應選擇分子濃度（例如，選 擇較低濃度）調節選擇性比，以在由CMP去除障壁層21時去 除控制量介電層。現在說明調節選擇性比的重要性。 參考圖2，CMP製程有時去除渠溝22中的銅，對製程產生影 響，如凹曲。因為凹曲，渠溝22中的一些銅比介電層12具有 更低高度。本發明之特徵為使此製造影響反向。本發明之水 性拋光組合物將選擇性比朝更低數值調節，以在進行CMP去 除障壁層21時，有目的去除控制量介電層12。去除控制量介 電層，將降低介電層高度，直到介電層與渠溝中的銅實質為 同平面。介電層和渠溝中的銅同平面包含理想製造效果，稱 為平面化作用。平面化作用為我們所熟悉，如本文所述，可 由另一替代—性名詞4‘化學機械平面作用’’進一步瞭解化學機 械拋光。 根據一具體實施例，單極性分子由一種聚合化合物提供， 其包括平均分子量在以下約100、200、500、600、700、800、900 、1000、2000、3000 ' 4000、5000、6000、7000、8000、9000、10,000 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1246532 A7 B7 五、發明説明（7 ) 、20,000、30,000、40,000、50,000、100,000、200,000、300,000、 400,000、500,000、600,000或 700,000至約 1，000,000範圍之一的聚乙 晞亞胺（PEI)。此等範圍分別包括使選擇性比Ta : TEOS最佳得 到最小腐蝕的至少800K分子量之最佳範圍。此等範圍分別包 括調節選擇性比Ta : TEOS以去除控制量介電層的低於800K分 子量之較佳範圍。 根據一具體實施例，平均分子量由聚乙烯亞胺的單極性 分子單一平均分子量分佈獲得。根據另一具體實施例，為獲 得平均分子量，按照得到所需平均分子量的比例混合不同 分子量的聚乙烯亞胺之混合物。例如，由聚乙晞亞胺之混合 物得到所需分子量，該混合物一些包括第一分子量分佈（例 如，在約100至約5,000範圍之分佈），一些包括另一分子量分 佈（例如，在約5,000至約1，000,000範圍之分佈）。 水性拋光組合物具有研磨顆粒和鹼性pH水，以由CMP自介 電層去除障壁層，且該水性抛光組合物進一步單極性分子， 各分子具有各個與半導體基板水化介電層上之結合基團形 成鍵的極性結合部位，以在介電層上形成極性分子之親水 性保護膜。 水性拋光组合物包括與水化介電層上結合基團形成鍵的 單極性分子 > 根據一具體實施例，該分子係自含氮聚合化合 物衍生，其包括（但不限於）聚丙烯醯胺、聚乙烯基吡咯啶酮 、聚乙烯亞胺及聚乙烯亞胺。 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1246532 第91 1 00298號專利申請案 申請專利範圍修正本 -種水性拋光組合物，1呈有 (94年8月16曰) 自介+ Μ丄队立 八有研磨顆粒，和用於由CMP "兒層去除Ρ早壁層之鹼性 ,,,^ ^ %〖生ΡΗ水，其特徵為，單極性 來乙烯亞胺分子具有多個 平r 1土 雷駄 另可與半導體基板水化介 曰上之結合基團形成鍵結的極性結合 入： 層上形成單極性分子之親水伴 °。。刀，以在"電 早目士 視水保濩膜，以及聚乙烯亞胺分 2 子”有5,000至_〇，_之平均分子量。 如申請專利範圍第1項之水 性八$ 6 4 丨扎先組合物，其中該單極 r生分子包括800,000平均公$曰 ,^ 卞勺刀子I之聚乙烯亞胺。 如申請專利範圍第1項之水柯 生拋先組合物，其進一步特 铽為，該單極性分子之平均 卞里係、，匕選擇，以調節障 土層去除速率對介電層去除 逆丰之遠擇性比，以在進行 P去除障壁層時去除控制量介電層。 4·如申請專利範圍第u之水性拋光組曰合物，其進一步特 徵為，該單極性分子之漠度係經選擇，以調節障壁層去 經濟部中央標準局員工福利委員會印^^ I 除速率對介電層去除速率之選擇性比，以在進行⑽ 去除障壁層時去除控制量介電層。 一種對化學機械拋光製程所用拋光組合物調節障壁声 去除速率對介電層去除速率之選擇性比之方法，該^ 用於自半導體晶圓上的介電層去除障壁層，其特徵為包 括以下步騾·· 提供具有一定濃度聚乙歸亞胺分子之拋光組合 -本紙張尺度適用中CNS) A4規 (修正本）9304丨L 1246532 H3 物，該分子具有多個與介電層上結合基團結合之結合部 位，且選擇5，000至1，000,000之平均分子量以調節選 擇性比，以在用化學機械拋光自半導體晶圓上之介電層 去除障壁層時去除控制量介電層，及 用拋光組合物及拋光墊進行化學機械拋光，以自半 導體晶圓上的介電層去除障壁層，並去除控制量介電 層。 一種對化學機械拋光製程所用拋光組合物調節障壁層 去除速率對介電層去除速率之選擇性比之方法，該方法 用於自半導體晶圓上的介電層去除障壁層，其特徵為包 括以下步驟： 提供具有一定濃度聚乙烯亞胺分子之拋光組合 物，該分子具有多個與介電層上結合基團結合之結合部 位、5,000至1，〇〇〇,〇〇〇之平均分子量，選擇拋光組合物 中的分子濃度，以調節選擇性比，以在用化學機械拋光 自半導體晶圓上之介電層去除障壁層時去除控制量介 電層，及 經濟部中央標準局員工福利委員會印製 用拋光組合物及拋光墊進行化學機械拋光，以自半 導體晶圓上的介電層去除障壁層，並去除控制量介電 層0 2 (修正本）9304 1L 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 X 297公餐）