TWI432562B - 用於阻擋層化學機械拋光的拋光液 - Google Patents

用於阻擋層化學機械拋光的拋光液 Download PDF

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Michael Ying Song
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Description

用於阻擋層化學機械拋光的拋光液
本發明係關於一種化學機械拋光液，並且特別地，本發明係關於一種用於阻擋層的化學機械拋光液。
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，微電子製程中的近百道製程，尤其是多層佈線、襯底、介質等，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。此外，大規模集成佈線正由傳統的鋁(Al)轉化為銅(Cu)。與鋁相比，銅佈線具有電阻率低；抗電遷移能力高；電阻電容(RC)延遲時間短；可使布層數減少50%；製程成本降低30%以及加工時間縮短40%等優點。因此，銅佈線的優勢已經引起全世界廣泛的關注。
為了保證銅佈線與介質的特性，目前大型積體電路晶片中之多層銅佈線係使用鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)作為阻擋層(Barrier layer)。因此，用於拋光鉭或氮化鉭阻擋層之化學機械拋光液相繼被開發應用，例如，美國專利號第6,719,920號所揭露之一種用於阻擋層的拋光液；美國專利號第6,503,418號所揭露之一種鉭阻擋層的拋光液，該拋光液中含有有機添加劑；美國專利號第6,638,326號所揭露之一種用於鉭以及氮化鉭的化學機械平坦化組合物，中國大陸專利號第02116761.3號所揭露之一種超大型積體電路多層銅佈線中，銅與鉭的化學機械整體平面化拋光液等。然而，該等化學機械拋光液存在著造成局部和整體腐蝕、缺陷率較高以及不同基底的拋光選擇性有限等缺陷。因此，新的用於阻擋層之化學機械拋光液之開發確有其必要性。
因此，本發明之主要範疇在於提供一種用於阻擋層的化學機械拋光液，以解決上述問題。
根據本發明之一較佳具體實施例之用於阻擋層的化學機械拋光液包含一研磨顆粒、一有機膦酸、一聚丙烯酸類及/或其鹽類及/或聚丙烯酸類共聚物、一氧化劑以及一載體。
該研磨顆粒的濃度為1~10%，該有機膦酸的濃度為0.01~1%，該聚丙烯酸類及/或其鹽類及/或聚丙烯酸類共聚物的濃度為0.01~0.5%，該氧化劑的濃度為0.001~1%，該載體為剩下之百分比例，以上%均指占整個化學機械拋光液之重量百分比。
該研磨顆粒的尺寸較佳地為20~200nm，更佳地為30~100nm，最佳地為70nm。並且該研磨顆粒可為習知技術中的各種研磨顆粒，較佳地為氧化矽、氧化鋁、氧化鈰及/或聚合物顆粒(例如，聚乙烯、聚四氟乙烯)，更佳地為氧化矽。
該有機膦酸較佳地為2－膦酸丁烷基－1,2,4－三羧酸，乙二胺四甲叉膦酸及/或二乙烯三胺五甲叉膦酸。
該聚丙烯酸類共聚物的分子量較佳地為1,000~20,000，更佳地為2,000~5,000。此外，該丙烯酸類可為各種聚丙烯酸類物質，較佳地為聚丙烯酸及/或聚馬來酸及其它聚丙烯酸類物質。該鹽類為鉀鹽、銨鹽，並且，該聚丙烯酸類共聚物為聚丙烯酸－聚丙烯酸酯共聚物及/或聚丙烯酸－聚馬來酸共聚物及其它聚丙烯酸類共聚物；更佳地為聚丙烯酸銨。
此外，該氧化劑可為習知技術中的各種氧化劑，較佳地為過氧化氫、過氧化氫脲、過氧乙酸、過氧化苯甲醯、過硫酸鉀及/或過硫酸銨，更加地為過氧化氫。
於本發明之一較佳實施例中，該化學機械拋光液之pH值可為2.0~4.0，較佳地為3.0。此外，所使用之pH調節劑可為氫氧化鉀、硝酸、乙醇胺及/或三乙醇胺等等。此外，該載體較佳地為水。
根據本發明之化學機械拋光液可以進一步包含其他添加劑，例如，表面活性劑、穩定劑、殺菌劑、絡合劑及/或抑制劑等，該等添加劑之組成均可參照習知技術。
根據本發明之化學機械拋光液可以降低研磨顆粒的用量，使缺陷明顯下降；並且，可提高鉭的去除速率，降低銅的去除速率，以獲得不同基材的拋光選擇性；此外，其能防止金屬拋光過程中產生的局部和整體腐蝕，減少襯底表面污染物，以提高產品良率。
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：請參閱表一，表一係列舉根據本發明之數個實施例，包含實施例1~15以及對照實施例10 。
於上述各個實施例中，將各物料按下列順序：研磨顆粒、一半用量的去離子水、有機膦酸、聚丙烯酸類及/或其共聚物以及H2 O2 依次加入反應器中並攪拌均勻，並且補充去離子水，最後以pH調節劑(20%KOH或稀HNO3 ，根據pH值的需要進行選擇)調節至所需pH值，並且繼續攪拌致使其成為均勻流體，靜止10分鐘後，即可得到該等化學機械拋光液。請注意，於此所述之實施例中的原料均為市售之原料。
具體實施例一
分別以上述實施例1~15以及對照實施例10 的化學機械拋光液，對空白之鉭(Ta)、銅(Cu)以及二氧化矽(SiO2 )晶片進行拋光，拋光條件相同，拋光參數如下：Logitech.製造之PM5拋光墊；向下壓力2psi；轉盤轉速/拋光頭轉速60/80rpm；拋光時間120s；化學機械拋光液流速100mL/min。拋光結果請參見表二。
顯而易見地，相較於對照實施例10 ，根據本發明之化學機械拋光液可以在較低的研磨顆粒濃度下，透過加入有機膦酸提高鉭的去除速率；透過調節氧化劑的濃度以改變銅的去除速率；透過加入聚合物表面活性物質以降低表面的污染物的數量；並且可調節研磨顆粒濃度和改變聚合物的濃度，以調節二氧化矽的去除速率，從而在一定程度上控制不同基材的拋光選擇比，滿足不同製程的需要。
較低的研磨顆粒濃度可使缺陷明顯下降並能防止金屬拋光過程中產生的局部和整體腐蝕，減少襯底表面污染物，提高產品良率。請參見圖一以及圖二。圖一為拋光前空白鉭晶片表面之顯微鏡影像，而圖二為使用實施例1的化學機械拋光液拋光後的空白鉭晶片表面之顯微鏡影像。同樣顯而易見地，使用本發明的化學機械拋光液拋光後的鉭晶片表面的點蝕較少。
具體實施例二
對已濺射鉭阻擋層/電鍍銅的二氧化矽測試晶片，拋光銅後，再分別以上述實施例2~4以及6的化學機械拋光液進行拋光，拋光條件相同，拋光參數如下：Logitech.製造之PM5拋光墊；向下壓力2psi；轉盤轉速/拋光頭轉速60/80rpm；拋光時間120s；化學機械拋光液流速100mL/min。拋光結果請參見表三。
顯而易見地，根據本發明之化學機械拋光液能減小測試晶片表面的凹陷的大小，並且測試晶片表面無腐蝕、污染物及其它殘留物。請參見圖三至圖六，圖三至圖六為測試晶片拋光後的晶片表面情況，分別為實施例2~4以及6的化學機械拋光液拋光後的測試晶片之表面影像。由圖三至圖六中可發現，使用本發明的化學機械拋光液後的測試晶片表面的銅線、銅區和基材表面均無污染、腐蝕和其他殘留物，可以顯著地提高產品良率。而該等測試晶片表面之掃描式電子顯微鏡影像也顯示晶片表面無污染；測試晶片剖面之掃描式電子顯微鏡影像則顯示銅線無明顯缺陷。
綜上所述，根據本發明的化學機械拋光液(1)可以降低研磨顆粒的用量，使缺陷明顯下降；(2)可以提高鉭的去除速率，降低銅的去除速率，從而獲得不同基材的拋光選擇性；(3)可以防止金屬拋光過程中產生的局部和整體腐蝕，減少襯底表面污染物，提高產品良率。
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。
11、31．．．Cu
13、33．．．TEOS
圖一為拋光前空白鉭晶片表面之顯微鏡影像。
圖二為拋光後空白鉭晶片表面之顯微鏡影像。
圖三為拋光後測試晶片表面的銅線之顯微鏡影像(TEOS係表示SiO2 )。
圖四為拋光後測試晶片表面的銅區之顯微鏡影像(TEOS係表示SiO2 )。
圖五為拋光後測試晶片表面之掃描式電子顯微鏡影像。
圖六為拋光後測試晶片剖面之掃描式電子顯微鏡影像。

Claims (10)

  1. 一種用於阻擋層(Barrier layer)的化學機械拋光液(Chemical mechanical polishing slurry)，包含：一研磨顆粒(Grinding grain)；一有機膦酸(Organic phosphonic acid)；一聚丙烯酸類(Polyacrylic acid)及/或其鹽類(Salt)及/或聚丙烯酸類共聚物(Copolymer)；一氧化劑(Oxidant)；以及一載體(Carrier)其中該有機膦酸為2-膦酸丁烷基-1,2,4-三羧酸(2-Butanephosphate 1,2,4-tricarboxylic acid,PBTC)，乙二胺四甲叉膦酸(Ethylenediaminetetramethylene phosphonic acid,EDTMP)及/或二乙烯三胺五甲叉膦酸(Diethylenetriaminepentamethylene phosphonic acid,DTPMP)，該氧化劑係過氧化氫、過氧化氫脲、過氧乙酸、過氧化苯甲醯、過硫酸鉀及/或過硫酸銨，且該有機膦酸的濃度為0.01~1%。該聚丙烯酸類及/或其鹽類及/或聚丙烯酸類共聚物的濃度為0.01~0.5%，該氧化劑的濃度為0.001~1%。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械拋光液，其中該研磨顆粒的濃度為1~10%，，，該載體為剩下之百分比例。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械拋光液，其中該研磨顆粒的尺寸為20~200nm。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之化學機械拋光液，其中該研磨顆粒的尺寸為30~100nm。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之化學機械拋光液，其中該聚丙烯酸類的分子量為1,000~20,000，該聚丙烯酸類共聚物的分子量為1,000~20,000。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之化學機械拋光液，其中該聚丙烯酸類的分子量為2,000~5,000，該聚丙烯酸類共聚物的分子量為2,000~5,000。
  7. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之化學機械拋光液，其中該聚丙烯酸類係聚丙烯酸及/或聚馬來酸(Polymaleic acid)，該鹽類係鉀鹽(Sylvite)、銨鹽(Ammonium salt)，該聚丙烯酸類共聚物係聚丙烯酸-聚丙烯酸酯共聚物及/或聚丙烯酸-聚馬來酸共聚物。
  8. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之化學機械拋光液，其中該研磨顆粒係氧化矽、氧化鋁、氧化鈰(CeO2 )及/或聚合物顆粒。
  9. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之化學機械拋光液，其中該化學機械拋光液之pH值為2.0~4.0。
  10. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之化學機械拋光液，進一步包含一表面活性劑、一穩定劑及/或一殺菌劑。
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