TWI408215B

TWI408215B - 化學機械拋光液

Info

Publication number: TWI408215B
Application number: TW94145483A
Authority: TW
Inventors: Andy Chun-Xiao Yang; Chris Chang Yu; Danny Zheng-Long Shiao; Judy Jian-Fen Jing
Original assignee: Anji Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2013-09-11
Also published as: TW200724651A

Description

化學機械拋光液

本發明係關於一種化學機械拋光液。

隨著微電子技術的發展，大型積體電路晶片集成度已高達幾十億個元器件，特徵尺寸已進入奈米等級。因此，微電子工藝中的近百道工藝，尤其是多層佈線、襯底、介質，皆必須進行化學機械全面平整化，而化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)已被證明是最好的平整化方法。

在典型的化學機械拋光方法中，將基底欲被拋光之表面直接與旋轉拋光墊接觸，同時在基底背面施加壓力。在拋光期間，拋光墊隨操作臺旋轉，同時在基底背面保持向下的力，將磨料和化學活性溶液組成的液體(如化學機械拋光液)塗布於拋光墊上，化學機械拋光液會與正在拋光的薄膜發生化學反應，並且配合機械作用開始進行拋光過程。化學機械拋光液在CMP中是一種重要的因素，而可根據製程的需要來選取拋光液中的氧化劑來調節化學機械拋光液的拋光性能。

在典型的金屬化學機械拋光中，缺陷程度通常較高，尤其是存在點蝕、邊蝕、腐蝕等問題。而且，拋光速率也很高，對金屬表面的損傷程度較大，易產生如劃傷、表面粗糙等問題。如美國專利第5,209,816號、第6,039,891號、第6,1502,60號、第5,980,775號、第6,068,787號、第5,958,288號、第6,451,697號以及第6,6167,17號中所描述。

因此，本發明之主要範疇在於提供一種化學機械拋光液，以解決上述問題。

根據本發明之一較佳具體實施例的化學機械拋光液包含至少一種研磨顆粒、一種化學添加劑以及一種載體。並且，該化學添加劑係聚羧酸類化合物及/或其鹽類。

根據本發明之化學機械拋光液可以拋光下列金屬薄膜材料：鋁、銅、鉭、氮化鉭、鈦、氧化鈦、銀、金以及釕等等，並且主要用於拋光鋁薄膜。相較於典型的金屬材料化學機械拋光液，本發明使用特定的化學添加劑來明顯地降低金屬拋光缺陷程度，提高金屬表面平坦化程度。典型的金屬材料化學機械拋光液都具有較高的金屬拋光速率，因而不利於維持金屬表面的完好程度，而根據本發明的化學機械拋光液則可以顯著地降低金屬的拋光速率，並防止金屬腐蝕，從而降低金屬拋光缺陷程度及提高金屬表面平坦化程度，以提高金屬表面的品質，從而顯著地提高晶圓產品的良率。

本發明的化學機械拋光液不但可以拋光上述金屬薄膜材料，並且可拋光有圖案的晶片。在拋光有圖案的晶片時，同時對晶片上的不同材料進行拋光，如由鋁、銅或鉭與二氧化矽組成的圖案的晶片。

根據本發明的一個顯著的特點係在於根據本發明之化學機械拋光液可以不含有氧化劑，而可以達到與典型的含有氧化劑的化學機械拋光液同樣的拋光水準。於典型的用於拋光金屬的化學機械拋光液中，氧化劑是一個不可缺少的組成成分，而氧化劑相對於化學機械拋光液中其他成分來說更不穩定，因此氧化劑的使用對化學機械拋光液的性能以及壽命會造成一定的影響。當然，根據本發明之化學機械拋光液也可以含有氧化劑，以進一步提高金屬表面之拋光性能。

並且，上述該聚羧酸類化合物係聚丙烯酸類化合物及/或丙烯酸類化合物的共聚物，上述該鹽類為銨鹽、鉀鹽或鈉鹽，其分子量在2,000~3,000,000之間。

上述該聚丙烯酸類化合物係下列式I化合物，上述該丙烯酸類化合物之共聚物係苯乙烯、順丁烯二酸酐或丙烯酸酯與丙烯酸類化合物的共聚物：

其中，R₁、R₂分別係氫原子或碳原子數小於3的烷基。

該聚丙烯酸類化合物較佳地為聚丙烯酸，即上述式I中的R₁、R₂獨立地為氫原子；該丙烯酸類化合物的共聚物較佳地為丙烯酸酯丙烯酸共聚物；它們的分子量係在2,000~1,000,000之間，該聚丙烯酸的分子量係30,000。

該研磨顆粒可以係現有技術中的任何研磨顆粒，較佳地為二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈰、二氧化鈦及/或高分子研磨顆粒。

該載體較佳地為無機載體，如水；也可以係無機載體以及有機載體之混合物，如水以及丙三醇之混合物。

於根據本發明的化學機械拋光液中，該研磨顆粒的濃度為1~20wt%、該化學添加劑的濃度為0.001~10wt%，而該載體為餘量。

本發明的化學機械拋光液較佳地包含一抑制劑。

該抑制劑的濃度較佳地為0.001~5wt%，該抑制劑係苯並三唑、咪唑及/或吡唑，較佳地係苯並三唑。

根據本發明之含有該抑制劑的化學機械拋光液，可以包括一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸及/或其鹽類。

該一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸及/或其鹽的濃度係0.1~10wt%，較佳地係0.3~1.0wt%。

該一元羧酸較佳地係乙酸，該二元羧酸較佳地係草酸、丁二酸及/或酒石酸。該多元羧酸較佳地係檸檬酸、環己二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、乙二胺四乙酸及/或丹寧酸，該鹽類較佳地係銨鹽、鉀鹽及/或鈉鹽。

根據本發明之不含有該抑制劑的化學機械拋光液，也可以包含一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸及/或其鹽類。

根據本發明之化學機械拋光液較佳地包含一氧化劑。該氧化劑可以係習知技術中的任何氧化劑，較佳地係過氧化氫、硝酸鐵、有機過氧化物及/或無機過氧化物。

根據本發明之化學機械拋光液較佳地包含表面活性劑及/或絡合劑(Complexing agent)。

該表面活性劑較佳地係脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙烯醇、聚氧乙烯烷基胺及/或烷基醇醯胺。

該絡合劑較佳地係含有磷酸基、羥胺基、胺鹽及/或胺基之化合物。

根據本發明之化學機械拋光液也可以包含分散劑、催化劑以及pH調節劑中的一種或多種。

本發明之另一範疇是提供本發明的化學機械拋光液在拋光金屬中的用途，該金屬可以係鋁、銅、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、銀或金，較佳地係鋁。

根據本發明之化學機械拋光液可以明顯降低缺陷率，提高金屬表面平坦化程度，顯著地降低金屬的拋光速率，並且優化電介質的拋光速率。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述得到進一步的瞭解。

為達到上述有關本發明之範疇，所採用之技術手段及其餘功效，茲舉數個較佳實施例加以說明如下：

第一實施例

化學機械拋光液1：20.0wt%二氧化矽顆粒、10.0wt% PAA(分子量為2000)和餘量為水，pH為7.7。

第二實施例

化學機械拋光液2：20.0wt%二氧化矽顆粒、10.0wt%丙烯酸酯丙烯酸共聚物(分子量為2,000)和餘量為水， pH為7.7。

第三實施例

化學機械拋光液3：20.0wt%的二氧化矽顆粒、10.0wt%PAA(分子量為2,000)、10.0wt%丁二酸和餘量為水，pH為7.7。

第四實施例

化學機械拋光液4：20.0wt%的二氧化矽顆粒、10.0wt% PAA(分子量為2,000)、5.0wt% BTA和餘量為水，pH為7.7。

第五實施例

化學機械拋光液5：5.0wt%的二氧化矽顆粒、0.1wt% PAA(分子量為30,000)、0.1wt%BTA、0.5wt%丁二酸和餘量為水，pH為4.25。

第六實施例

化學機械拋光液6：3wt%的二氧化矽顆粒、0.006wt%聚丙烯酸(簡稱為PAA)的銨鹽(分子量為30,000)和餘量為水，pH為3。

第七實施例

化學機械拋光液7：3wt%的二氧化矽顆粒、0.006wt%PAA銨鹽(分子量為30,000)、0.1wt%BTA(苯並三唑)和餘量為水，pH為3。

第八實施例

化學機械拋光液8：3wt%的二氧化矽顆粒、0.004wt%PAA銨鹽(分子量為30,000)，0.1wt%BTA、0.5wt%二乙三胺五乙酸和餘量為水，pH為3。

第九實施例

化學機械拋光液9：6wt%二氧化矽顆粒、0.12wt%PAA銨鹽(分子量為30,000)、0.05wt%BTA和餘量為水，pH為3。

第十實施例

化學機械拋光液10：6wt%二氧化矽顆粒、0.200wt% PAA銨鹽(分子量為30,000)、0.001wt%BTA和餘量為水，pH為3。

第十一實施例

化學機械拋光液11：1wt%二氧化矽顆粒、0.001wt%PAA(分子量為3,000,000)和餘量為水，pH為3。

第十二實施例

化學機械拋光液12：1wt%二氧化矽顆粒、0.001wt%丙烯酸酯丙烯酸共聚物(分子量為3,000,000)和餘量為水，pH為3。

第十三實施例

化學機械拋光液13：1wt%二氧化矽顆粒、0.001wt% PAA(分子量為3,000,000)、0.1wt%丁二酸和餘量為水，pH為3。

第十四實施例

化學機械拋光液14：1wt%二氧化矽顆粒、0.001wt%PAA(分子量為3,000,000)、0.1 wt% BTA和餘量為水，pH為3。

第十五實施例

化學機械拋光液15：5.0wt%二氧化矽顆粒、0.1wt% PAA(分子量為30,000)、0.1wt.% BTA、0.5wt%丁二酸、0.5wt% H₂O₂和餘量為水，pH為4.25。

對照實施例

對照化學機械拋光液1’：3wt%二氧化矽顆粒、餘量為水，pH為3。

第一具體實施例

檢測上述化學機械拋光液1’、1、5~9以及15對拋光速率的影響。本具體實施例係利用該等上述化學機械拋光液針對鋁薄膜進行拋光，拋光時之參數為：下壓力2psi、拋光盤(300mm直徑)的轉速100rpm、拋光頭轉速105rpm、拋光漿料流速200ml/min。

檢測結果請參見下表一。

顯而易見地，根據本發明之化學機械拋光液均能將鋁的拋光速率降到400A/min以下。

第二具體實施例

檢測上述化學機械拋光液1’以及1~14對去除腐蝕的影響。於本具體實施例中，將該等化學機械拋光液應用於一晶片上的鋁薄膜表面之拋光，拋光時之參數為：下壓力2psi、拋光盤(300mm直徑)的轉速100rpm、拋光頭轉速105rpm、拋光漿料流速200ml/min。實驗結果請參見圖一A以及圖一B。圖一A為對照化學機械拋光液1’拋光該晶片上的鋁薄膜表面之結果；圖一B為上述之化學機械拋光液6拋光該晶片上的鋁薄膜表面之結果。

顯而易見地，使用本發明的化學機械拋光液可以顯著地除去該晶片表面的鋁薄膜之腐蝕。使用本發明的含PAA的化學機械拋光液拋光後的鋁晶片表面沒有腐蝕(如圖一B所顯示)，而使用不含有PAA的對照化學機械拋光液1’的鋁晶片表面有大量的腐蝕(如圖一A所顯示)。化學機械拋光液1~5、7~14的結果與化學機械拋光液6相同，在此不一一贅述。

第三具體實施例

檢測上述化學機械拋光液1’、1~7、9~11以及15對去除殘留顆粒的影響。將該等化學機械拋光液用於拋光晶片上的鋁薄膜表面，拋光時的參數為：下壓力2psi、拋光盤(300mm直徑)的轉速100rpm、拋光頭轉速105rpm、拋光漿料流速 200ml/min。拋光後，化學機械拋光液在鋁膜上保持30分鐘，然後用去離子水及PVA滾筒刷洗鋁薄膜表面。實驗結果請參見圖二A以及圖二B。圖二A為對比化學機械拋光液1’拋光晶片上的鋁薄膜表面之結果；圖2B為上述化學機械拋光液6拋光晶片上的鋁薄膜表面結果。

顯而易見地，使用本發明的化學機械拋光液可以顯著地除去鋁晶片表面邊緣的殘留顆粒。使用本發明的含PAA的化學機械拋光液拋光後的鋁晶片表面邊緣沒有殘留顆粒(如圖二B所顯示)，而使用不含有PAA之對照化學機械拋光液1’的鋁晶片表面邊緣有大量的殘留顆粒(如圖二A所顯示)。化學機械拋光液1~5、7、9~11以及15的結果均與化學機械拋光液6相同，在此不一一贅述。

第四具體實施例

檢測上述化學機械拋光液1’以及1~14對去除點蝕的影響。將該等化學機械拋光液用於拋光晶片上的鋁薄膜表面，拋光時的參數為：下壓力2psi、拋光盤(300mm直徑)的轉速100rpm、拋光頭轉速105rpm、拋光漿料流速200ml/min。實驗結果請參見圖三A以及圖三B，圖三A為對照化學機械拋光液1’拋光晶片上的鋁薄膜表面之結果；圖三B為上述化學機械拋光液6拋光晶片上的鋁薄膜表面之結果。

顯而易見地，本發明之化學機械拋光液可以去除晶片表面的點蝕。使用本發明的含PAA之化學機械拋光液拋光後的鋁晶片表面沒有點蝕(如圖三B所顯示)，而使用不含有PAA的對照化學機械拋光液1’拋光後的鋁晶片表面有大量的點蝕(如圖三A所顯示)。化學機械拋光液1~5以及7~14的結果均與化學機械拋光液6相同，在此不一一贅述。

第五具體實施例

檢測上述化學機械拋光液5~11對鋁表面的粗糙度的影響。將該等化學機械拋光液應用於拋光晶片上的鋁薄膜表面，拋光時的參數為：下壓力2psi、拋光盤(300mm直徑)的轉速100rpm、拋光頭轉速105rpm、拋光漿料流速200ml/min。實驗結果請參見圖四A以及圖四B。

顯而易見地，本發明的化學機械拋光液可以顯著地降低晶片表面的粗糙度。使用本發明的化學機械拋光液拋光之前的鋁晶片表面的Rms(粗糙度)為18.7A，而使用本發明的含PAA的化學機械拋光液6拋光後的鋁晶片表面的Rms(粗糙度)降低至1.86A，約降低10倍，效果非常顯著。化學機械拋光液5以及7~11的結果均與化學機械拋光液6相同，在此不一一贅述。

第六具體實施例

將上述化學機械拋光液5~9分別用於拋光由鋁和二氧化矽組成圖案的晶片。拋光時的參數為：下壓力2psi、拋光盤(300mm直徑)的轉速100rpm、拋光頭轉速105rpm、拋光漿料流速200ml/min。鋁和二氧化矽的拋光速率請參見表二。

顯而易見地，根據本發明的化學機械拋光液不但可以拋光金屬晶片，也可以拋光含有圖案的晶片。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

圖一A為不含PAA化學機械拋光液拋光後，晶片表面腐蝕的顯微鏡暗場圖(Dark-field image)，圖中的黑色部分為金屬鋁，白色部分為腐蝕。

圖一B為根據本發明的含PAA的化學機械拋光液拋光後，晶片表面腐蝕的顯微鏡暗場圖。

圖二A為不含PAA化學機械拋光液拋光後，晶片表面殘留顆粒的顯微鏡暗場圖，圖中的黑色部分為金屬鋁，白色圓點部分為殘留顆粒。

圖二B為根據本發明的含PAA的化學機械拋光液拋光後，晶片表面殘留顆粒的顯微鏡暗場圖。

圖三A為不含PAA化學機械拋光液拋光後，晶片表面點蝕的顯微鏡明場圖(Bright-field image)，圖中的黑色斑點為點蝕。

圖三B為根據本發明的含有PAA的化學機械拋光液拋光後，晶片表面點蝕的顯微鏡明場圖。

圖四A為使用本發明的含有PAA的化學機械拋光液拋光前，晶片表面粗糙度的原子力顯微鏡圖(Atomic force microscape image)。

圖四B為使用本發明的含PAA的化學機械拋光液拋光後，晶片表面粗糙度的原子力顯微鏡圖。

Claims

一種化學機械拋光液(CMP slurry)，包含：至少一研磨顆粒(Abrasive particles)；聚羧酸類化合物及/或其鹽；表面活性劑；一載體(Carrier)；以及一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸及/或其鹽類，其特徵在於，該一元羧酸是乙酸，該二元羧酸是草酸、丁二酸及/或酒石酸，所述多元羧酸為檸檬酸、環己二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、乙二胺四乙酸及/或丹寧酸，所述的鹽為銨鹽、鉀鹽和/或鈉鹽，該表面活性劑為脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙烯醇、聚氧乙烯烷基胺及/或烷基醇醯胺，其中該至少一研磨顆粒之濃度是1至20 wt%、聚羧酸類化合物和/或其鹽之濃度是0.001至10 wt%，該一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸及/或其鹽類之濃度是介於0.1至10 wt%之間，該聚羧酸類化合物是聚丙烯酸類化合物及/或丙烯酸類化合物的共聚物，並且其鹽類為銨鹽、鉀鹽或鈉鹽，其分子量是介於2,000至3,000,000之間。
一種化學機械拋光液(CMP slurry)，包含：至少一研磨顆粒(Abrasive particles)；聚羧酸類化合物及/或其鹽；表面活性劑；一載體(Carrier)；抑制劑；以及一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸及/或其鹽類，其特徵在於，該一元羧酸是乙酸，該二元羧酸是草酸、丁二酸及/或酒石酸，所述多元羧酸為檸檬酸、環己二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、乙二胺四乙酸及/或丹寧酸，所述的鹽為銨鹽、鉀鹽和/或鈉鹽，該表面活性劑為脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙烯醇、聚氧乙烯烷基胺及/或烷基醇醯胺，其中該至少一研磨顆粒之濃度是1至20 wt%、聚羧酸類化合物和/或其鹽之濃度是0.001至10 wt%，該一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸及/或其鹽類之濃度是介於0.1至10 wt%之間，抑制劑之濃度是0.001至5wt%，該聚羧酸類化合物是聚丙烯酸類化合物及/或丙烯酸類化合物的共聚物，並且其鹽類為銨鹽、鉀鹽或鈉鹽，其分子量是介於2,000至3,000,000之間。