TWI254739B - Slurry for using CMP and CMP method - Google Patents
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Description
1254739
發明背景 本發明係提供有效研磨（grind) A1膜及W膜等金屬膜的 子機械研磨（CMP，Chemical Mechanical Polishing)用研 磨液及化學機械研磨法。 近幾年，在半導體裝置的製造方面，隨著微細化及高密 度化的進展，研發出各種微細加工技術，其中的化學機械 研磨技術，是形成金屬鑲嵌配線上不可或缺的重要技術。 採用過去技術進行金屬化學機械研磨時，是使用以氧化 鋁粒子為主的研磨液。其理由諸如，氧化鋁本身具有高度 的研磨旎力，大多採用硝酸等強酸（pH ;〜2)作為氧化劑， 氧化銘粒子在這個範圍内的分散性良好等。 但是’以氧化鋁為主的研磨液，存在以下所述的三個問 題： 第個問題是，研磨Cu膜及A1膜等金屬膜時，雖然研 磨液的pH值需要保持在中性附近，但是因氧化銘研磨液 在中性附近的分散性不穩定，不易發揮穩定之拋光特性。 第二個問題是，無法確實保持金屬膜對絕緣膜的選擇比 (金屬膜研磨速度/絕緣膜研磨速度）。在形成金屬鑲嵌配線 時’需要確實保持金屬膜對絕緣膜的選擇比。通常是藉由 降低氧化銘濃度或是降低絕緣膜的研磨速度來達成，然而 如此一來，同時也造成金屬膜研磨速度的降低，因此，不 易獲得高的選擇比，無法控制膜變薄（絕緣膜變薄）。 第三個問題是，凹陷（溝内的金屬膜呈現碗狀下陷）變 大。尤其是無法形成過拋光邊緣小，整個晶圓深度平均的 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 五、 發明説明（2 ) 金屬鑲飲配、.泉。因應的對策，雖然可 硬質研磨塾，但這卻是造成像AI等柔軟 =的 因此，若不從研磨液上作改良，就很難解決問題口， t有人嘗試採用氧切粒子研磨液進行 ::題但是卻發生研磨速度慢，研磨面的表面4 如以上所述，過去的金屬化學機械研磨是㈣氧化奸 子的研磨液’但是採用此種研磨液會發生，不』 =的:、定拖光特性，無法確實保持金屬膜對絕緣 選擇比，且凹陷較大等的問題。 發明概要 本發明的目的，是提供一種具備在中性附近保持穩定的 拋光特性，絕緣膜及導電膜之間有高的選擇比，且可以垆 制凹陷（dishing)的化學機械研磨用研磨液及化學機械研^ 法0 ^本發明又化學機械研磨用研磨液，使用含有由氧化矽及 氧化鋁W日曰粒子所構成的研磨粒子。使用研磨粒子由氧化 矽及氧化鋁混晶粒子所構成之研磨液的化學機械研磨，其 研磨速度對負荷的依存性大，可以有效控制凹陷的增加。 本發明的另外目標及優點將在以下的說明中敘述。部份 可由該說明獲得了解，或經由本發明實踐獲知。本發明的 目“及優點可以藉助下列特別指出的手段及方法了解及 獲得。 圖式說明 -5- 本紙張尺^财s χ撕公董) 1254739 A7 B7 五、發明説明（3 ) 附圖係為構成規格之一部份， 77州來表不本發明的最佳具 月豆貫例’同時結合上述一般說明 ^奴W力及下列最佳具體實例的詳 細說明，用來解釋本發明的原理。 圖至圖1C為顯示有關本發明之第】實施例的财 屬鑲嵌配線形成方法的剖面圖。 "圖2為顯示帛i實施例中’氧化石夕及氧化銘混晶粒子的 乳化銘濃度（氧化IS/氧化碎混晶比）與選擇比（a丨膜研磨速 度/Si〇2膜研磨速度）關係的特性圖。 圖3 A至K 3D為顯示有關本發明之帛2實施例的ai金 屬鑲嵌配線形成方法的剖面圖。 圖4為顯不第2實施例中，在氧化石夕及氧化銘混晶粒 子氧化石夕為主及氧化鋁為主的研磨液中添加氧化劑時， 各個Α1研磨速度的特性圖。 圖5為顯不第2實施例中，採用氧化矽及氧化鋁混晶粒 子’以及氧化銘為主的研磨液時，各個配線寬度與凹陷關 係的特性圖。 圖6Α為顯示第2實施例中，採用氧化矽及氧化鋁混晶 粒子’以及氧化銘為主的研磨液時，各個負荷與A1研磨速 度關係的特性圖。 圖顯不第2實施例，在不同狀況下的負荷差異。 圖7A為顯示第2實施例中，在氧化矽及氧化鋁混晶粒 了一 、 以及氧化銘為主的研磨液中添加奎哪咬酸（qUinaldinic acid)時，鋁研磨速度的特性圖。 圖7B顯示第2實施例的研磨速度與凹陷速度。 -6- 本紙張尺度適標準(CNS) A4規格(21G:297公爱) 1254739
圖8 A至圖8 D為親—«a ,
二 、、’〜不有關本發明之第3實施例的W金 鑲嵌配線形成方法的剖面圖。 圖9A二圖9D為顯不有關本發明之第*實施例的a金 屬镇嵌配線形成方法的剖面圖。 圖式詳述 以下參照圖式說明本發明的實施情形(以下稱實施例）： (第1實施例） 圖1A 土圖1 C為顯不有關本發明之第i實施例的A1金 屬鑲嵌配線形成方法的工程剖面圖。 如圖1A所π，在形成元件（圖式上未顯示）的氧化矽基板 1上’堆積作為層間絕緣膜的Si〇2膜2。 再如圖1B所示，在Si〇2膜2的表面形成配線溝3後， 將整個表面堆積八丨膜4 ,充填配線溝3内部的厚度為6〇〇 nm 〇 最後如圖1C所示，藉由採用研磨粒子為氧化矽及氧化 鋁混晶粒子，pH值為7之研磨液的化學機械研磨，清除配 線溝3外部剩餘的A1膜4，完成A1金屬鑲嵌配線4。 採用本實施例的研磨液時，如圖2所示，只要改變氧化 銘對氧化矽的氧化鋁濃度[%](氧化鋁/氧化矽混晶比），即 可控制A1膜對Si〇2膜的選擇比（A1研磨速度/Si〇2研磨速 度）。 例如，使用氧化鋁濃度為10%，氧化矽濃度為90%的 氧化矽及氧化鋁混晶粒子（固體成分：3 wt%)，pH值為7 的研磨液，在負荷·· 300 g/cm2，頂環（top ring)轉數：60 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1254739
ΓΡΠ1，盤轉數：100 rPm的條件下，進行CPM時，A1膜對 Si02膜的選擇比為1〇6 (=Αι研磨速度：i59 [nm/min]/Si〇2 研磨速度：1.5 [nm/minD。 —過去的化學機械研磨只採用30左右的選擇比，根據本 實施例所獲得的選擇比要比過去高出3倍以上。因此根據 本實施例可以製成比過去更薄（thinningH々A1金屬鑲嵌配 、、泉4且如第2實施例的詳細說明，也可以有效控制凹陷 (dishing)的增加。 此外，根據本實施例可以達到比過去更快的研磨速度， 因此，在保持比過去更快的研磨速度狀況下，可以減低研 磨液濃度。減低研磨液濃度，即可節約這個部分的成本， 同時還可以減少研磨液的廢棄量，處理程序符合環保要 求。 (第2實施例） 圖3A至圖3D為顯示有關本發明之第2實施例的Μ金 屬镶嵌配線形成方法的工程剖面圖。本實施例說明有關使 用襯塾（liner)膜的Nb膜的A1金屬鑲嵌配線形成方法。 首先如圖3 A所示，在矽基板1丨上堆積作為層間絕緣膜 的8〇(5膜12，再於800膜12的表面上形成配線溝13, 以上除了層間絕緣膜的種類之外，與第1實施例相同。 其次如圖3B所示，在全面堆積厚度為30 nm之Nb襯墊 膜14後，再於Nb襯墊膜14上堆積使配線溝13内部充填 厚度達600 nm的A1膜1 5。 再如圖3C所示，採用含有研磨粒子為氧化矽（4〇%)與氧 -8 - 1紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) ' '—-- 1254739 A7 _________ B7 五、發明説明（6 ) 化铭（60%)的混晶粒子（固體成分：〇 5⑽％)，pH值為 5〜6.5，1%的過氧二硫酸銨氧化劑，用於提高墊上粒子固 定力及抑制氧化的奎哪啶酸〇 〇5 wt%成分的研磨液，以負 % · 300 g/cm ’ 頂環轉數：6〇rpm，盤轉數·· lOOrpm，研 磨時間：2分鐘的化學機械研磨，來研磨A1膜丨5，直到露 出Nb襯墊膜14的表面為止。 本工程採用含有過氧二硫酸銨及奎哪啶酸的理由，是為 了可以加快A1膜1 5的研磨速度。 具體來說，過去在以氧化矽為主的研磨液及以氧化鋁為 主的研磨液中分別添加氧化劑時，如圖4所示，A1膜的研 磨速度充其I分別只有200 nm/min及280 nm/min,而在使 用氧化石夕及氧化鋁混晶粒子作為研磨粒子的研磨液中添 加過氧二硫酸铵及奎哪違酸時，A1膜的研磨速度可達到 700 nm/min。換言之，根據本實施例所獲得的研磨速度是 過去的2倍。 A1膜15的厚度通常為600〜800 nm。而整個Ai膜15的 研磨時間宜在2分鐘左右。因此可以說，若不採用本實施 例的研磨液，就不容易在上述的適當研磨時間内清除剩餘 的A1膜15。 此外，過氧二硫酸銨氧化劑也具有不會改變研磨液pH 值的優點。若使用過氧化氫液作為氧化劑，也可以達到以 上所述的效果。 另外，若採用過去的研磨液來進行圖3 C的工程時，會 造成屬於過去技術問題之一的A1膜15上形成較大的凹 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 1254739 A7 -—-___B7 五、發明説明（7 ) ’右是採用本方法，則可以有效控制凹陷的形成。 男際上進行過拋光（適切（just) + 5〇%)來調查凹陷與配線 寬度的關係時，如圖5所示，若採用本方法，則可以控制 過去凹陷的1/5左右。 結果如圖6A所示，氧化矽及氧化鋁的混晶粒子（本發明） 與過去的研磨粒子比較，其研磨速度對負荷的依存性較 大’亦即隨著負荷的增加而增加研磨速度。 其理由如下所述，研磨中，因墊的彈性變形，而在配線 溝3内的A1膜15表面進行研磨。如圖6B所示，基本上 這個部分屬於低負荷，其他部分，亦即s〇G膜12則屬於 南負荷。因此，負荷愈低，研磨速度愈慢的研磨液，凹陷 就愈小。 因此，使用以氧化矽及氧化鋁所構成之混晶粒子，作為 P退負荷增加而增加研磨速度之研磨粒子的研磨液，即可有 效的控制凹陷的產生。 由於氧化碎及氧化銘所構成的混晶粒子，在S 0 G膜 12上的研磨速度快（例如負荷為3〇〇 g/cm2時，研磨速度為 700 nm/min)，因此可以縮短過拋光的時間。 最後，如圖3D所示，藉由化學機械研磨或cDE等的乾 式蝕刻來清除配線溝1 3外部的剩餘A1膜1 5及Nb襯墊膜 14後，即完成A1金屬鑲嵌配線丨5。 此處以化學機械研磨清除時，可以使用含有研磨粒子為 氧化珍（40%)及氧化鋁（6〇%)的混晶粒子（固體成分：3 Wt%)，及奎哪啶酸為0 05%的研磨液。 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 1254739 A7 ____ B7 五、發明説明（8 ) ~ —^ ^- 通常進行修飾（touch up)化學機械研磨（如圖8c的化 學機械研磨）時，是為了清除凹部金屬膜的殘留、配線部及 絕緣膜部的損傷，而使用柔軟的研磨墊，因此备產生大的 凹陷。例如在負荷為300 g/cm2，頂環轉數為6〇汀瓜，盤 轉數為1 00的條件下進行時。 本發明的研磨液，如圖7A及圖7B所示，由於凹陷部的 研磨速度DV比在平面（field)上的研磨速度慢，因此可 以形成侵触較小的金屬鑲嵌配線。這是因為奎哪咬酸促使 研磨塾及研磨粒子的相互作用變大，使得造成凹陷原因的 游離粒子堆積在溝部較少之故。 此外，研磨液中也可以不含氧化劑，以CDE清除時，則 使用如CF4/02等的反應氣體。 ’ (第3實施例） 圖8A至圖8D為顯示有關本發明之第3實施例的w金 屬鑲嵌配線形成方法的工程剖面圖。 首先如圖8A所示’在形成元件（圖式上未顯示）的石夕基板 21上，堆積作為層間絕緣膜的Si〇2膜22,再於以〇2膜22 的表面上形成配線溝2 3。 再如圖8B所示，將整個表面堆積厚度達30 nm的Ti槪 塾膜24’繼續以500 °C的氮化退火，在Ti襯整膜24的表 面上形成TiN襯塾膜25後，在TiN襯塾膜25上堆積w膜 26，使配線溝23的内部充填厚度為500 nm。 其次如圖8C所示，使用含有3 %的過氧化氫氧化劑、3 %琥珀酸的氧化抑制劑，以及3 %由氧化矽（6〇%)及氧化銘 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 x 297公釐) 1254739 A7 B7 五、發明説明（9 ) (40%)構成之混晶粒子成分的研磨液，以使用負荷為25〇 g/cm2，頂環轉數為50 rpm，盤轉數為50 rpm條件之研磨 液的化學機械研磨，研磨W膜26，直至露出TiN襯整膜 25的表面為止。 最後，如圖8D所示，以使用研磨粒子為氧化矽（4〇%) 及氧化鋁（60%)混晶粒子（固體成分：〇.5 wt%)的研磨液， 負荷：300 g/cm2，頂環轉數：60 rpm，盤轉數：1〇〇 rpm， 研磨時間：1分鐘條件的化學機械研磨，研磨w膜26、丁iN 襯塾膜25及Ti襯墊膜24’直至露出矽基板完成…金 屬鑲嵌配線26。 圖8D工程中，22、24及25各膜的研磨速度不宜太快。 在圖8A-圖8D的工程中使用研磨液時，22、24及25各膜 的研磨速度保持在10〜20 nm/min的範圍内，研磨速度不必 太快。此外，22、24及25各膜可以在相同的條件下進行 研磨，且過拋光邊緣較大，可以達到在不致產生凹陷及變 薄的狀況下穩定的拋光。 過去W膜的化學機械研磨是在pH 1〜2的強酸下進行， 根據本實施例，則是在pH 5的中性範圍内進行w膜的化 學機械研磨，因此不致造成W膜的腐蝕。 (第4實施例） 圖9A至圖9D為顯示有關本發明之第4實施例的Cu金 屬鑲嵌配線形成方法的剖面圖。如圖9A所示，在形成元 件的矽基板31上堆積作為層間絕緣膜的以〇2膜32，並在 其表面形成深度達3 00 nm的配線溝3 3。 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1254739
再如圖9B所tf ’全面堆積戶命、去 F積与度達20 nm的TaN膜34， 再於TaN膜34上堆積厚户邊Arm 、塞， 子度達600 nm的Cu膜35，使配線 溝33用Cu膜35來充填。 其次，如圖9C所示，佶m 士、试〆 /Λ c 使用由過氧二硫酸銨氧化劑 .5%)、奎哪㈣氧化抑制劑（G4%)、氧化料⑽及氧 化銘為15%的混晶粒子（〇 5%)形< k〇h水溶液，調整成 pH為8.5的研磨液，來研磨cu膜^ . lu腰35，直至露出TaN膜 3 4的表面。 取後，如圖9D所示，造杆笛9奋、a 7 ,丄， 延仃弟2貝她例中採用的修飾化 學機械研磨，完成Cu金屬鑲嵌配線36。 本實施例具有可抑制侵蝕的優點。這個優點是靠混晶粒 子來達成。 研磨液中的氧化矽含量若為100%時，粒子是帶負電， 因此與帶正㈣Cu基板充分結合。當粒子過剩時:、就會 堆積在Cu表面上，而進行侵餘。 本實施例中，以氧化矽為主(氧化矽佔85%，氧化鋁佔 15%)的混晶粒子，具有與氧化矽為1〇〇%時相同的機械性 研磨力。而且由於局部存在的氧化鋁是帶正電，所以與Cu 基板相排斥，如此可以減少粒子的堆積，因而可以抑制侵 ϋ 〇 在上述的貫知例中，尚未論及適用於本發明的裝置，適 用的裝置如DRAM等的半導體記憶體及邏輯混載電路、邏 輯電路等。 此外，構成配線的導電膜（A1膜、W膜），並不限於上述 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
裝 訂 線 1254739
實施例中所說明的，還可以使用從w，Ti，M〇，Nb，u 及v等各金屬群中選擇之金屬所構成的單層金屬膜或是從
Cn ’ A卜W ’ Ti，Mo，Nb，Ta及v等各金屬群中選擇之 疊層金屬膜，或是以上述金屬群中選擇之金屬為主要成分 的合金膜、氮化膜、硼化膜或是氧化膜。任何一種導電膜， 只要改變氧化鋁及氧化矽的混晶比，就可以防止凹陷及傲 薄。 又 此外在進行化學機械研磨時，宜在準備研磨的導電膜表 面事先形成氧化膜。 上述實施例中是針對金屬鑲嵌配線作說明，本發明對雙 道金屬鑲嵌配線也有效。 另外優點及修改對於熟悉本工藝者是必然要發生的 事，所以，本發明在其廣闊的領域上，不受本文顯示及敘 述的代表具體實例及特點細節所限制。因此，各種可能完 成的修改並不會背離申請專利範圍及其相當文件定義的 一般發明觀念的範圍或精神。 圖式符號之說明 [圖式符號之說明1 1 矽基板 11 矽基板 2 SiOJ 12 SOG膜 3 配線溝 13 配線溝 4 A1金屬鑲嵌配線4 14 Nb襯墊膜 -14 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇X 297公爱Ϊ 1254739 A7 B7 五、發明説明（12 15 A1膜 32 SiO— 21 矽基板 33 配線溝 22 3102膜 34 TaN襯蟄膜 23 配線溝 35 Cu膜 24 Ti襯墊膜 36 Cu金屬鑲嵌配線 25 TiN襯墊膜 FV 平面上研磨速度 26 W膜 DV 凹陷速度 31 矽基板 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)
Claims (1)
- 1254739 A8 第089104250號申請案 漂 |_中文申請專利範圚替換太(93年1月）D8 六、申請專利範圍 ~Γ 、 年Λ 0 1. 一種化學機械研磨用研磨液，其特徵在於包含由氧化矽 及氧化鋁的混晶粒子所構成之研磨粒子，形成上述混晶 粒子之氧化矽及氧化鋁中，上述氧化鋁之混合比率為 10〜90% ，而pH值設定在4〜7的範圍内。 2·如申請專利範圍第丨項之化學機械研磨用研磨液，其中 前述研磨液内含有過氧二硫酸銨或過氧化氫為氧化劑。 3 ·如申請專利範圍第1項之化學機械研磨用研磨液，其中 前述研磨液内含有氧化抑制劑、研磨粒子、分散劑及有 機紅中至少一種者。 4· 一種化學機械研磨法，其特徵為使用申請專利範圍第i 項之化學機械研磨用研磨液，來研磨導電膜。 5 · —種化學機械研磨法，其特徵為使用申請專利範圍第1 項之化學機械研磨用研磨液，藉由將有溝之絕緣膜上所 形成的導電膜，研磨至露出前述絕緣膜的表面，藉而在 前述溝内部選擇性的殘留前述導電膜。 6·如申請專利範圍第5項之化學機械研磨法，其中前述導 電膜為選自含Al，W，Cu，Ti，Mo，Nb，Ta及V之金 屬群中之金屬所構成的單層金屬膜或是疊層金屬膜，或 是以選自上述金屬群中之金屬為主要成分的合金膜、氮 化膜、硼化膜或是氧化膜。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 號專利申請案 中文圖式修正頁(91年1月）42 圖1C
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