TWI602909B - 穩定、可濃縮、無水溶性纖維素之化學機械研磨組成物 - Google Patents

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Description

穩定、可濃縮、無水溶性纖維素之化學機械研磨組成物
本發明係一般有關化學機械研磨領域。具體而言，本發明係有關經穩定之可濃縮且無水溶性纖維素之化學機械研磨組成物；一種製造該化學機械研磨組成物的方法以及一種化學機械研磨半導體材料的方法，以及，更具體而言，一種化學機械研磨半導體晶圓上互連金屬之方法。
典型上，半導體晶圓係含有介電層的矽晶圓，該介電層係含有多個溝槽，該溝槽經排列以形成於該介電層中之電路互連之圖案。該圖案之排列通常具有鑲嵌結構(damascene structure)或雙鑲嵌結構。阻障層(barrier layer)覆蓋該圖案化之介電層，以及金屬層覆蓋該阻障層。該金屬層具有至少足夠厚度，以使用金屬填滿該圖案化之溝槽以形成電路互連。
化學機械研磨製程通常包含多個研磨步驟。例如，第一步驟係於高初始速率移除過多的互連金屬，諸如銅。在該第一步驟移除後，第二步驟研磨可以移除殘留在於該金屬互連外且於阻障層上之金屬。後續研磨係自半導體晶圓之底部介電層移除該阻障層，以在該介電層以及該金屬互連上提供平坦的經研磨之表面。
該半導體基板上溝槽或凹槽中的金屬提供形成金屬電路之金屬線。有待克服的問題之一係該研磨操作傾向於自每一個溝槽或凹槽移除金屬，造成該等金屬凹陷碟化 (dishing)。碟化非所欲者，蓋因其造成該金屬電路中臨界維度(critical dimensions)之變化。為了減少碟化，研磨係於較低研磨壓力進行。然而，僅減少該研磨壓力需要使研磨持續較長的時間。然而，碟化仍將在整個延長的時間中產生。
為了提供強化之用於獨特之客製需求之可修整性(tailorability)，以及為了提供改善之物流運送性質(例如，較低貨運成本，減少之體積產量)，其通常欲以濃縮形式提供化學機械研磨配方。設計用於移除過多的互連金屬用的傳統的化學機械研磨配方，典型上包含以唑為基底之抑制劑。當該等以唑為基底之抑制劑當以較高濃度併入時，係侵向於聚結(agglomerate)以及自溶液中沉澱出。
Comeau等人揭露了一種在將BTA併入研磨配方前先過濾BTA的製程。具體而言，Comeau等人揭露了一種用於形成研磨漿之溶液，其可包含溶在離子性界面活性劑(諸如烷基硫酸鈉溶液)以及或許聚丙烯酸(PAA)溶液中的1H-苯并三唑(BTA)。該溶液可以被過濾以及被用於研磨漿中。此項溶解BTA的嘗試，導致在無需增加外來成分至該漿料中或沒有增加安全危害物下於研磨漿中有高BTA濃度。此外，該溶液因為非常穩定而易於運送(例如，可以冷凍以及解凍)，且相較傳統的嘗試具有較少的體積。再者，因為可能造成刮痕的粒子的移除而使得該研磨漿之功效有著大幅改善。
Comeau等人揭露的溶液係可用在該化學機械研磨配 方的製程中的成分。傳統的化學機械研磨配方係用於研磨半導體晶圓金屬互連，然而，含有多種額外的成分以提供該配方所欲之研磨性質。這些額外的成分亦可在濃縮時影響該最終配方之穩定性。
例如，Wang在美國專利第7,086,935號中揭示無研磨劑銅配方之使用，該配方含有用於圖案化晶圓的甲基纖維素、丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物、苯并三唑(BTA)以及可混合之溶劑。此配方可以在少量銅碟化下移除以及清潔銅，但在快速研磨期間，其在該研磨墊以及晶圓上沉澱出綠色Cu-BTA化合物。這些沉澱需要研磨墊之研磨後清理步驟，以避免與膠狀(gum-like)沉澱物有關之研磨移除速率的下降；以及其要求該晶圓之研磨後清理步驟以避免缺陷產生。這些清潔步驟要求強力以及昂貴的清潔溶液，以及具有因延遲晶圓輸出產量所造成之相關的"所有權成本(cost of ownership)"。
一種改善之配方(其緩和對該綠色沉澱物之疑慮)係揭示於Thomas等人之美國專利案公開第2009/0215266號。Thomas等人揭露一種以研磨墊研磨含有銅互連金屬之圖案化半導體晶圓的方法。該方法包含下列：a)提供水性研磨溶液，該研磨溶液含有苯并三唑(BTA)抑制劑以及銅錯合化合物以及水；b)用該水性研磨溶液以及該研磨墊而採取將銅溶解成Cu+1離子之方式研磨該圖案化之晶圓，該Cu+1離子及BTA抑制劑具有之濃度為[BTA]*[Cu+1]>若該水性溶液不含有該錯合化合物時Cu-BTA沉澱物之Ksp；以及c)氧 化至少部分該銅離子以防止該研磨溶液沉澱出該Cu-BTA沉澱物。
許多傳統的化學機械研磨配方(像是那些Thomas等人例示者)含有與其在製造以及使用該研磨配方之期間與環境以及安全考量兩者有關的銨。許多傳統的化學機械研磨配方亦含有水溶性纖維素材料(例如，羧甲基纖維素)。這樣的纖維素材料常常含有可能造成缺陷表現增加的污染物。
因此，我們需要的是一種化學機械研磨組成物以及一種含有金屬互連之圖案化之半導體晶圓的化學機械研磨的方法，其中，該化學機械研磨組成物含有唑抑制劑且可安定地濃縮；以及，較佳為同時無銨(亦即，<0.001重量%(wt%))以及無水溶性纖維素(亦即，<0.001wt%)。
本發明係提供一種有用於化學機械研磨含有互連金屬之半導體晶圓之化學機械研磨組成物，其包括(基本上組成為)下列初始成分：水；唑抑制劑；鹼金屬有機界面活性劑；增溶劑(hydrotrope)；含磷試劑；視需要地，非醣類(non-saccharide)水溶性聚合物；視需要地，式I之水溶性酸化合物： 其中，R係選自氫以及C1-5烷基，以及其中，x係1或2；視需要地，錯合劑；視需要地，氧化劑；視需要地，有機溶劑；以及，視需要地，研磨劑。
本發明係提供一種有用於化學機械研磨含有互連金屬之半導體晶圓之化學機械研磨組成物，其包括(基本上組成為)下列初始成分：水；唑抑制劑；鹼金屬有機界面活性劑；增溶劑；含磷試劑；視需要地，非醣類水溶性聚合物；視需要地，式I之水溶性酸化合物，其中，R係選自氫以及C1-5烷基，以及其中，x係1或2；視需要地，錯合劑；視需要地，氧化劑；視需要地，有機溶劑；以及，視需要地，研磨劑；其中，該化學機械研磨組成物含有<0.001 wt%之銨，以及其中，該化學機械研磨組成物含有<0.001 wt%之水溶性纖維素。
本發明係提供一種製備本發明之化學機械研磨組成物之方法，其包括：提供水；提供唑抑制劑；提供鹼金屬有機界面活性劑；提供增溶劑；提供含磷試劑；視需要地，提供視需要的非醣類水溶性聚合物；視需要地，提供視需要的式I之水溶性酸化合物：
其中，R係選自氫以及C1-5烷基，以及其中，x係1或2；視需要地，提供視需要的錯合劑；視需要地，提供視需要的氧化劑；視需要地，提供視需要的有機溶劑；視需要地，提供視需要的研磨劑；組合該水、該鹼金屬有機界面活性劑、該增溶劑、任何視需要的非醣類水溶性聚合物、任何視需要的式I之水溶性酸化合物、任何視需要的錯合劑、任何視需要的氧化劑、任何視需要的有機溶劑以及任何視需要的研磨劑而形成混合物；以及，添加該唑抑制劑以及該含磷試劑至該混合物中，而形成該化學機械研磨組成物。
本發明係提供一種化學機械研磨基板之方法，其包括：提供基板，其中，該基板係具有銅互連之半導體晶圓；提供本發明之化學機械研磨組成物；視需要地，添加氧化劑至該化學機械研磨組成物中；提供化學機械研磨墊；伴隨0.69至34.5千帕(kPa)之向下力在該化學機械研磨墊以及該基板間之界面創造動態接觸；以及將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該化學機械研磨墊與該基板間之界面處或該界面附近；其中，該化學機械研磨組成物呈現透過添加磷酸、氫氧化鎂以及氫氧化鋰中之至少一 者而調整至pH為2至6之pH。
本發明係提供一種化學機械研磨基板之方法，其包括：提供基板，其中，該基板係具有銅互連接之半導體晶圓；提供呈濃縮物之本發明之化學機械研磨組成物；以水稀釋該化學機械研磨組成物；視需要地，添加氧化劑至該化學機械研磨組成物中；提供化學機械研磨墊；伴隨0.69至34.5kPa之向下力在該化學機械研磨墊以及該基板間之界面創造動態接觸；以及將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該化學機械研磨墊與該基板間之界面處或該界面附近；其中，該化學機械研磨組成物呈現透過添加磷酸、氫氧化鎂以及氫氧化鋰中之至少一者而調整至pH為2至6之pH。
本發明係提供一種化學機械研磨基板之方法，其包括：提供基板，其中，該基板係具有銅互連之半導體晶圓；提供本發明之化學機械研磨組成物，其中，該化學機械研磨組成物以4倍濃縮物提供；以水稀釋該化學機械研磨組成物，而使稀釋後初始成分之量係如下所示：0.2至0.4wt%之苯并三唑；0.05至1wt%之辛烷磺酸鈉；0.45至1wt%之增溶劑，其係選自甲苯磺酸鈉、二甲苯磺酸鈉以及其混合物；0.5至2wt%之含磷試劑，其係選自磷酸三鉀、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀以及其混合物；0.05至1wt%之甲基丙烯酸以及丙烯酸之共聚物；0.4至2wt%之亞胺基二乙酸(iminodiacetic acid)；以及，0.1至0.5wt%之蘋果酸；添加氧化劑至該化學機械研磨組成物中；提供化學機械研磨墊；伴隨0.69至34.5kPa之向下力在該化學機械研磨墊 以及該基板間之界面創造動態接觸；以及將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該化學機械研磨墊與該基板間之界面處或該界面附近；其中，該化學機械研磨組成物呈現透過添加磷酸、氫氧化鎂以及氫氧化鋰中之至少一者而調整至pH為2至6之pH；以及，其中，該化學機械研磨組成物在200毫米(mm)研磨機，伴隨平台速度每分鐘61轉(revolution)、載體速度每分鐘57轉、化學機械研磨組成物流動速率200毫升(ml)/分鐘、以及標稱向下施力(nominal down force)為13.8kPa之下呈現至少4,000Å/分鐘之銅移除速率，其中，該機械研磨墊包括含有聚合物中空核微粒子之聚氨酯研磨層以及覆膜子墊(coated film subpad)。
本發明之化學機械研磨組成物當濃縮至使用當下濃度之4倍，較佳為至8倍時為安定。此特徵給予該化學機械研磨組成物重要之價值。該機械研磨組成物能用較小之製造底面積，提供減少製程涉及流量(即為，減少水的體積)。該機械研磨組成物亦能有較低運輸以及儲存成本。最後，該機械研磨組成物提供對末端使用者而言改進之彈性，而客製化在使用當下之化學機械研磨以符合他們的獨特操作要求。
本說明書以及隨附之申請專利範圍中，當提到本發明之化學機械研磨組成物時所用之術語「可濃縮」意指該化學機械研磨組成物可以以較少的水被製造、儲存以及運 輸，此係相較於在使用當下包含在該化學機械研磨組成物中之水量。
本說明書以及隨附之申請專利範圍中，當提到本發明之化學機械研磨組成物而使用之術語「使用當下(point of use)」意指該化學機械研磨組成物處於當其用於研磨基板之時點。
本說明書以及隨附之申請專利範圍中，當提到本發明之化學機械研磨組成物而使用之術語「無銨」意指該化學機械研磨組成物含有<0.001 wt%的銨(更佳為，<0.0001 wt%的銨)。
本說明書以及隨附之申請專利範圍中，當提到本發明之化學機械研磨組成物而使用之術語「無水溶性纖維素」意指該化學機械研磨組成物含有<0.001 wt%的水溶性纖維素(更佳為，<0.0001 wt%的水溶性纖維素)。
本發明之化學機械研磨組成物係可濃縮以及在濃縮形式保持穩定。例如，可以提供本發明之化學機械研磨組成物呈使用當下濃度之4倍(較佳為8倍)之濃縮物提供(參照，例如，實施例中的表3以及相應內容)。為了達到使本發明更易於明了之目的，將在此詳述有關於本發明之化學機械研磨組成物之使用當下之組成物。儘管，本領域中具有通常技術者將理解如何改變本發明之化學機械研磨組成物配方為濃縮物(即，該濃縮形式之化學機械研磨組成物)。
對於用於本發明之化學機械研磨方法之化學機械研磨組成物之特殊配方的選擇，係提供與可濃縮性以及安定性 兩者組合之目標金屬互連移除速率之關鍵。
適用於本發明之該化學機械研磨方法的化學機械研磨用基板包括半導體基板，較佳為具有金屬互連(諸如銅或銅合金)的半導體基板；更佳為具有金屬互連(諸如具有底部介電層及銅或銅合金)半導體基板。
本發明之化學機械研磨組成物較佳為依賴餘量去離子水或蒸餾水以限制偶發雜質。
本發明之化學機械研磨組成物含有抑制劑，以控制藉由靜態蝕刻(static etch)或其他移除機制進行之非鐵金屬移除，諸如銅互連移除速率。調整該抑制劑之濃度係藉由保護該金屬免於靜態蝕刻而調整該互連金屬移除速率。較佳為該化學機械研磨組成物含有0.01至15wt%，更佳為0.1至5wt%，尤佳為0.2至0.4wt%的抑制劑。最佳為，該化學機械研磨組成物含有0.2至1.0wt%抑制劑。視需要地，該抑制劑包括抑制劑之混合物。較佳為該抑制劑係選自唑抑制劑，其對於研磨具有銅以及銀互連的晶圓特別有效。更佳為該抑制劑選自苯并三唑(BTA)、巰基苯并三唑(MBT)、甲苯并三唑(tolytriazole，TTA)、咪唑以及其組合。唑抑制劑之組合可以增加或減少銅移除速率。最佳為該抑制劑係BTA，其為對銅以及銀特別有效之抑制劑。
本發明之化學機械研磨組成物包括界面活性劑。較佳為該化學機械研磨組成物包括0.01至5wt%，更佳為0.05至1wt%，尤佳為0.1至1wt%，最佳為0.2至0.8wt%之界面活性劑。較佳為該界面活性劑係鹼金屬有機磺酸鹽。更 佳為該界面活性劑係鹼金屬有機磺酸鹽，其中，該鹼金屬係選自鈉、鉀、鋰以及鎂；以及，其中，該有機基係具有2至16個碳原子的脂肪基。尤佳為該界面活性劑係選自辛烷磺酸鈉、辛烷磺酸鉀、辛烷磺酸鋰、十二烷磺酸鈉、十二烷磺酸鉀以及十二烷磺酸鋰。最佳為該界面活性劑係辛烷磺酸鈉。
本發明之化學機械研磨組成物較佳為包括增溶劑。較佳為該化學機械研磨組成物包括0.05至5wt%，更佳為0.1至5wt%，尤佳為0.1至1wt%，最佳為0.45至1wt%增溶劑。較佳為該增溶劑係選自苯磺酸鹽、烷基苯磺酸鹽類(例如，甲苯磺酸鹽、異丙苯磺酸鹽(cumene sulfonate))以及二烷基苯磺酸鹽類(例如，二甲苯磺酸鹽、異丙基甲苯磺酸鹽(cymene sulfonate))以及其鹽類。更佳為該增溶劑係選自苯磺酸鹽；甲苯磺酸鹽；異丙苯磺酸鹽；二甲苯磺酸鹽；異丙基甲苯磺酸鹽；以及，其鈉、鋰、鈣、鉀以及銨鹽類。尤佳為本發明之無銨化學機械研磨組成物中，該增溶劑係選自苯磺酸鹽；甲苯磺酸鹽；異丙苯磺酸鹽；二甲苯磺酸鹽；異丙基甲苯磺酸鹽；以及，其鈉、鋰、鈣以及鉀鹽類。尚佳為，該增溶劑係選自甲苯磺酸鈉以及二甲苯磺酸鈉。最佳為，該增溶劑係二甲苯磺酸鈉。
本發明之化學機械研磨組成物包含含磷化合物。較佳為該化學機械研磨組成物包括0.01至15wt%，更佳為0.05至10wt%，尤佳為0.1至5wt%，最佳為0.5至2wt%的含磷化合物。為達本說明書之目的，「含磷」化合物係任何含有 磷原子的化合物。較佳為該含磷化合物係選自磷酸鹽(酯)化合物(phosphate compound)、焦磷酸鹽(酯)化合物(pyrophosphate compound)、多磷酸鹽(酯)化合物(polyphosphate compound)、膦酸鹽(酯)化合物(phosphonate compound)，包含其酸類、鹽類、混合酸鹽類、酯類、偏酯類(partial ester)、混合酯類、以及其混合物。更佳為該含磷化合物係選自磷酸鋅、焦磷酸鋅、多磷酸鋅、膦酸鋅、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨、磷酸三銨、焦磷酸銨、多磷酸銨、膦酸銨、膦酸二銨、焦磷酸二銨、多磷酸二銨、膦酸二銨、磷酸胍、焦磷酸胍、多磷酸胍、膦酸胍、磷酸鐵、焦磷酸鐵、多磷酸鐵、膦酸鐵、磷酸鈰、焦磷酸鈰、多磷酸鈰、膦酸鈰、磷酸伸乙二胺、磷酸哌、焦磷酸哌、膦酸哌、磷酸三聚氰胺、磷酸二(三聚氰胺)、焦磷酸三聚氰胺、多磷酸三聚氰胺、膦酸三聚氰胺、磷酸蜜白胺(melam phosphate)、焦磷酸蜜白胺(melam pyrophosphate)、多磷酸蜜白胺(melam polyphosphate)、膦酸蜜白胺(melam phosphonate)、磷酸蜜勒胺(melem phosphate)、焦磷酸蜜勒胺(melem pyrophosphate)、多磷酸蜜勒胺(melam polyphosphate)、膦酸蜜勒胺(melam phosphonate)、磷酸雙氰胺(dicyanodiamide phosphate)、磷酸脲、磷酸鉀、其酸類、鹽類、混合酸鹽類、酯類、偏酯類、混合酯類、以及其混合物。尤佳為該含磷化合物係選自氧化膦，硫化膦以及磷雜環烷(phosphorinanes)以及膦酸鹽(酯)類(phosphonate)、亞磷酸鹽(酯)類以及次膦酸 鹽(酯)類(phosphinite)、其酸類、鹽類、混合酸鹽類、酯類、偏酯類以及混合酯類。尚佳為該含磷化合物係選自磷酸三銨、磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、磷酸三鉀、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀以及其組合。尚更佳為，該含磷化合物係選自磷酸二氫銨、磷酸三鉀、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀。最佳為該化學機械研磨組成物係為無銨，其中，該磷含有化合物係選自磷酸三鉀、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀以及其混合物。
本發明之化學機械研磨組成物視需要地含有非醣類水溶性聚合物。該化學機械研磨組成物含有0至5wt%，較佳為0.05至5wt%，更佳為0.05至3wt%，最佳為0.05至1wt%之非醣類水溶性聚合物。
該非醣類水溶性聚合物較佳包含丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物以及利用丙烯酸單體或甲基丙烯酸單體合成之共聚物。為達本說明書之目的，該非醣類水溶性聚合物亦包含各種分子量之聚合物以及低分子量之寡聚合物。共聚物包含那些形成自丙烯酸以及甲基丙烯酸之組合者；以及具體而言，形成自丙烯酸以及甲基丙烯酸的莫耳比在1：30至30：1之範圍；較佳為在1：9至9：1之範圍；以及最佳為約2：3之共聚物。該共聚物較佳具有在1K至1000K之範圍(K=千)之重量平均分子量；較佳為在10K至500K之範圍。
或者，該非醣類水溶性聚合物係兩性聚合物，諸如形成自丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物。本說明書中之該兩性 聚合物係包含親水性片段以及疏水性片段之嵌段共聚物(block copolymers)。該疏水性片段可以為碳數自2至250改變之聚合鏈片段。為達本說明書之目的，碳數係表示親水性片段之碳原子數目。較佳為該碳數係5至100以及最佳為5至50。該親水性片段係離子性。該親水性片段之單體單元的數量較佳為自1至100改變。
該兩性聚合物之較佳的數目平均分子量係50至5,000-本說明書中所意指之兩性聚合物係以數目平均分子量標示以及藉由使用配有折射率檢測器以及磷酸鈉緩衝洗提液之TSKGEL pn/08025 GMPWx以及TSK-GEL pn/08020 G2500PWx串聯管柱，進行水性膠滲透層析鑑定。更佳為該數目平均分子量係介於50以及4,000之間以及最佳為該數目平均分子量係介於100以及3,000之間。離子性片段包含陽離子性、陰離子性、以及兩性離子(聚兩性電解質類以及聚甜菜鹼類)。較佳為該親水性片段係陰離子性，諸如聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸。該親水性片段較佳為含有聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、或丙烯酸以及甲基丙烯酸之共聚物。將該等片段組合於共聚物中製造出與其相對之均聚物不同的性質且易於清理而無過多的金屬互連碟化之分子。該聚合物之疏水端可包含烴鏈或烷基硫醇。最佳為該疏水性以及親水性片段以嵌段共聚物之形態組合。
本發明之化學機械研磨組成物視需要地含有式I之水溶性酸化合物： 其中，R係選自氫以及C1-5烷基，以及其中，x係1或2。較佳為該化學機械研磨組成物含有0至10wt%；較佳為0.05至5wt%，更佳為0.4至2wt%之式I之水溶性酸化合物。較佳為該式I之水溶性酸化合物係選自亞胺基二乙酸(IDA)、乙二胺四乙酸(EDTA)、以及其組合。最佳為該式I之水溶性酸化合物係IDA。
該式I之水溶性酸化合物有能力錯合具有單價(+1)以及二價(+2)銅離子。於研磨期間，該水溶性酸化合物傾向與足夠數量之銅離子錯合以減少Cu-BTA沉澱物之形成以及控制Cu+2離子之形成速率，如下列式(2)所示：
為達本說明書之目的，Cu-BTA沉澱物包含非液體諸如固體、膠體以及聚合物且可包含Cu+2離子、尖晶石(spinel)沉澱物、類尖晶石沉澱物以及雜質。自研磨經驗來看，當該銅離子(+1)以及BTA之濃度之乘積在該研磨條件下超過Cu-BTA之Ksp時，會形成不可溶之Cu-BTA沉澱物。該Cu-BTA沉澱一事於酸性研磨溶液中看來遵循下列平衡式(1)：
本發明之化學機械研磨組成物視需要地含有非鐵金屬之錯合劑。該錯合劑可以促進該金屬膜(諸如銅)之移除速率。較佳為該化學機械研磨組成物含有0至15wt%，更佳為0.01至5wt%，尤佳為0.1至5wt%，最佳為0.1至0.5 wt%之錯合劑。例示性錯合劑包含，舉例而言，乙酸、檸檬酸、乙醯乙酸乙酯、甘醇酸、乳酸、蘋果酸、草酸、水楊酸、二乙基二硫代胺基甲酸鈉(sodium diethyl dithiocarbamate)、琥珀酸、酒石酸、硫代甘醇酸、甘胺酸、丙胺酸、天門冬胺酸、伸乙基二胺、三甲基二胺、丙二酸、戊二酸、3-羥基丁酸、丙酸、酞酸、異酞酸、3-羥基水楊酸、3,5-二羥基水楊酸、五倍子酸(gallic acid)、葡萄糖酸、兒茶酚(pyrocatechol)、五倍子酚(pyrogallol)、鞣酸(tannic acid)，包含其鹽類以及混合物。較佳為該錯合劑係選自乙酸、檸檬酸、乙醯乙酸乙酯、甘醇酸、乳酸、蘋果酸、草酸以及其組合。最佳為該錯合劑係蘋果酸。
本發明之化學機械研磨組成物視需要地含有氧化劑。在一些具體實施例中，該化學機械研磨組成物含有0至25 wt%，較佳為1至15wt%，更佳為5至10wt%之氧化劑。在一些具體實施例中，該氧化劑係選自過氧化氫(H2O2)、單過硫酸鹽、碘酸鹽，過酞酸鎂、過乙酸以及其他的過酸、過硫酸鹽、溴酸鹽、過碘酸鹽、硝酸鹽、鐵鹽、鈰鹽、Mn(III)鹽、Mn(IV)鹽Mn(VI)鹽、銀鹽、銅鹽、鉻鹽、鈷鹽、鹵素、次氯酸鹽以及其混合物。在一些具體實施例中，該氧化劑係過氧化氫。當該化學機械研磨組成物含有非穩定氧化試 劑(諸如過氧化氫)時，其係較佳在使用當下將該氧化劑併入到該化學機械研磨組成物中。
本發明之化學機械研磨組成物視需要地含有可與水互溶之醇或酮。該可與水互溶之醇或酮，在經改性之纖維素化合物存在時，幫助促進可接受之金屬移除速率以及低碟化之銅金屬清潔。典型上，可與水互溶之醇或酮包含下列至少一者：甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、乙二醇、1,2-丙二醇、丙三醇、丙酮、以及甲基乙基酮。較佳為該組成物含有0至10wt%，更佳為0.005至10wt%，尤佳為0.01至7.5wt%，最佳為0.02至5wt%之可與水互溶之醇或酮。
本發明之化學機械研磨組成物視需要地含有0至3 wt%之研磨劑以促進金屬層移除。在此範圍內，其欲具有以少於或等於1重量百分比的量存在之研磨劑。最佳為該研磨組成物係無研磨劑。
該研磨劑具有小於或等於500奈米(nm)之平均粒徑以防止過多的金屬碟化、介電侵蝕，以及改善平坦化。為達本說明書之目的，粒徑意指該研磨劑之平均粒徑。更佳為，其欲使用具有少於或等於100nm之平均粒徑之膠體研磨劑係。再者，在膠體氧化矽具有小於或等於70nm之平均粒徑時發生減少之介電侵蝕以及金屬碟化。此外，該較佳之膠體研磨劑可包含添加劑，諸如分散劑、界面活性劑、緩衝劑、以及除生物劑以改善該膠體研磨劑之穩定性。一種這樣的膠體氧化矽係取自Clariant S.A.(Puteaux,France)。亦可利用其他的研磨劑，包含那些研磨劑的燻型(fumed)、 沉澱型、聚結型研磨劑等。
該化學機械研磨組成物視需要地包含用於金屬互連層之「機械」移除之研磨劑。研磨劑之例包含無機氧化物、無機氫氧化物、無機氫氧化物氧化物(inorganic hydroxide oxide)、金屬硼化物、金屬碳化物、金屬氮化物、聚合物粒子以及包括該前述者中至少一者的混合物。適合的無機氧化物包含，例如，矽石(SiO2)、礬土(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、二氧化鈰(CeO2)、二氧化錳(MnO2)、二氧化鈦(TiO2)或包括該前述氧化物中之至少一者的組合。適合的無機氫氧化物氧化物包含，例如，氫氧化鋁氧化物(「水鋁礦」，(boehmite))。若有需要，亦可利用該等無機氧化物之改質型(modified form)，諸如，塗佈有無機氧化物粒子以及塗佈有無機物之粒子。適合的金屬碳化物、硼化物以及氮化物包含，例如，碳化矽、氮化矽、碳氮化矽(SiCN)、碳化硼、碳化鎢、碳化鋯、硼化鋁、碳化鉭、碳化鈦，或包括該前述金屬碳化物、硼化物以及氮化物中之至少一者的組合。若有需要，亦可使用金剛石作為研磨劑。替代性研磨劑亦包含聚合粒子、經塗佈聚合粒子、以及經界面活性劑穩定之粒子。若有利用研磨劑的話，該較佳之研磨劑係矽石。
本發明之化學機械研磨組成物在廣泛pH範圍內提供功效。本發明之化學機械研磨組成物之有用的pH範圍自2延伸至5。在本發明一些具體實施例中，該化學機械研磨組成物在使用當下呈現pH係2至5，較佳為2至4，更佳為2.5至4。適合用於調整本發明之化學機械研磨組成物 之pH之酸類包含，例如，硝酸、硫酸、鹽酸、以及磷酸；較佳為磷酸。適合用於調整本發明之化學機械研磨組成物之pH之鹼類包含，例如，氫氧化銨、氫氧化鎂、氫氧化鋰以及氫氧化鉀。本發明之化學機械研磨組成物較佳為無銨，其中，適合用於調整該pH之鹼類係選自氫氧化鎂以及氫氧化鋰。
本發明之化學機械研磨組成物較佳為在濃縮形式(即為，在使用當下濃度4倍；更佳為在>使用當下濃度8倍)呈現儲存穩定性。本說明書以及隨附之申請專利範圍中所使用之術語「儲存穩定性」意指自該濃縮物儲存在5℃至少5天後，該濃縮物保持視覺上澄清且無觀察到固體自其沉澱出來。
在製備本發明之化學機械研磨組成物的方法中，該化學機械研磨組成物之各種初始成分係較佳為依使得唑抑制劑以及含磷試劑添加於其中之水之體積最大化之順序組合在一起。最佳為該唑抑制劑以及該含磷試劑係最後添加至本發明之化學機械研磨組成物的製備的成分。
較佳為在本發明之用於基板之化學機械研磨的方法中，其包括：提供基板；提供本發明之化學機械研磨組成物；視需要地，添加氧化劑至該化學機械研磨組成物中；提供化學機械研磨墊；伴隨0.69至34.5kPa向下力在該化學機械研磨墊以及該基板間之界面創造動態接觸；以及將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該化學機械研磨墊與該基板間之界面處或該界面附近；其中，該化學機 械研磨組成物呈現透過添加磷酸、氫氧化鎂以及氫氧化鋰中之至少一者而調整至pH為2至6之pH。該基板為半導體基板。較佳為該基板係具有金屬互連之半導體基板，該金屬互連諸如銅、銀、鋁、鎢、鉑、鈀、金、銥以及其合金(更佳為銅或銅合金)。尤佳為該基板係具有底部介電層及金屬互連之半導體基板。最佳為該基板係具有底部介電層及銅互連之半導體基板。為達本說明書之目的，術語介電意指半導體材料之介電常數(k)，該半導體材料包含低k以及超低k介電材料。本發明之化學機械研磨組成物以及方法係對防止多種晶圓構成要素之侵蝕優異者，該等晶圓構成要素例如，多孔以及非多孔低k介電、有機以及無機低k介電、有機矽酸鹽玻璃(OSG)、氟矽酸鹽玻璃(FSG)、碳摻雜氧化物(CDO)、原矽酸四乙酯(TEOS)以及衍生自TEOS的矽石。本發明之化學機械研磨組成物亦可用於電化學機械研磨(ECMP)。
較佳為在本發明之方法中，本發明之化學機械研磨組成物呈濃縮物提供(更佳為以使用當下4倍之濃縮物；最佳為以使用當下8倍之濃縮物)；其中，該方法復包括：以水稀釋該化學機械研磨組成物；視需要地，添加氧化劑至該化學機械研磨組成物中；提供化學機械研磨墊；伴隨0.69至34.5kPa之向下力在該化學機械研磨墊以及該基板間之界面創造動態接觸；以及將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該化學機械研磨墊與該基板間之界面處或該界面附近上；其中，該化學機械研磨組成物 呈現透過添加磷酸、氫氧化鎂以及氫氧化鋰中之至少一者而調整至pH為2至6之pH。
較佳為在本發明用於該基板之化學機械研磨之方法中，係包括：提供基板，其中，該基板係具有銅互連之半導體晶圓；提供本發明之化學機械研磨組成物，其中，該化學機械研磨組成物呈8倍濃縮物提供；以水稀釋該化學機械研磨組成物，進而使稀釋後之初始成分之量係如下所示：0.2至0.4wt%之苯并三唑；0.05至1wt%之辛烷磺酸鈉；0.45至1wt%之增溶劑，其係選自甲苯磺酸鈉、二甲苯磺酸鈉以及其混合物；0.5至2wt%之含磷試劑，其係選自磷酸三鉀、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀以及其混合物；0.05至1wt%之甲基丙烯酸以及丙烯酸之共聚物；0.4至2wt%之亞胺基二乙酸；以及，0.1至0.5wt%之蘋果酸；添加氧化劑至該化學機械研磨組成物中；提供化學機械研磨墊；伴隨0.69至34.5kPa之向下力在該化學機械研磨墊以及該基板間之界面創造動態接觸；以及將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該化學機械研磨墊與該基板間之界面處或該界面附近上；其中，該化學機械研磨組成物呈現透過添加磷酸、氫氧化鎂以及氫氧化鋰中之至少一者而調整至pH為2至6之pH；以及，其中，該化學機械研磨組成物在200mm研磨機上伴隨平台速度每分鐘61轉、載體速度每分鐘57轉、化學機械研磨組成物流動速率200ml/分鐘以及標稱向下施力(nominal down force)為13.8kPa之下呈現至少4,000Å/分鐘之銅移除速率，其中該化學機械研磨墊包 括含有聚合物中空核微粒子之聚氨酯研磨層以及覆膜子墊。
本發明之化學機械研磨組成物以及方法係特別有用於具有銅互連的半導體晶圓之化學機械研磨，較佳為具有底部介電層及銅互連者。即使，咸信本發明之化學機械研磨組成物亦適合於研磨含有其他導體金屬互連的半導體晶圓，諸如鋁、鎢、鉑、鈀、金、或銥；阻障層或襯膜，諸如鉭、氮化鉭、鈦、或氮化鈦；以及底部介電層。為達本說明書之目的，術語介電意指介電常數(k)，其包含低k以及超低k介電材料之半導電材料。本發明之化學機械研磨組成物以及方法係對防止各種晶圓構成要素之侵蝕優異者，該等晶圓構成要素例如，多孔以及非多孔低k介電、有機以及無機低k介電、有機矽酸鹽玻璃(OSG)、氟矽酸鹽玻璃(FSG)、碳摻雜氧化物(CDO)、原矽酸四乙酯(TEOS)以及衍生自TEOS的矽石。本發明之化學機械研磨組成物亦可用於電化學機械研磨(ECMP)。
下列實施例中將詳細描述一些本發明之具體實施例。
比較實施例A以及實施例1至7 化學機械研磨組成物之製備
用於比較研磨實施例PA以及研磨實施例P1至P7以及該比較穩定性實施例SA以及穩定性實施例S1至S7(即，分別為化學機械研磨組成物A以及1至7)之化學機械研磨組成物係藉由組合列於表1的該成分與量製備(其中對於比較研磨實施例A以及研磨實施例S1至S7復添加H2O2至9wt%濃度)。
比較研磨實施例PA以及研磨實施例P1至P7
每個實施例中之研磨實驗係使用表2所述之配方(於研磨前將濃縮之配方稀釋至1X POU濃度)在覆銅晶圓上進行研磨。在裝設有ISRM偵測系統之Applied materials,Inc.Reflexion 200mm研磨機，使用取得自羅門哈斯電子材料CMP公司之有K7溝槽圖案之VisionPadTM500聚胺酯研磨墊，以向下施力條件為2.0磅/平方英吋(psi)(13.8 kPa)、研磨溶液流動速率為200ml/分鐘，平台速度為每分鐘61轉(61 RPM)、以及載體速度為57 RPM，其伴隨研磨溶液滴加在距該研磨墊中心3.5英吋(8.89公分)之處而研磨。使用Diagrid® AD3BG-150855金剛石墊修整器(conditioner)(可自Kinik Company商購取得)修整該研磨墊。於研磨前，在該修整器中使用向下施力為9.0 psi(62.1 kPa)下20分鐘，接著向下施力為7.0 psi(48.3 kPa)20分鐘之下使該研磨墊破裂。進一步使用向下施力為7.0 psi(48.3 kPa)在用於一晶圓與下晶圓間修整該研磨墊。銅移除速度係使用Jordan Valley JVX-5200T測量工具予以測量。每個研磨實驗重複進行二次。該結果係提供於表2。
穩定性
表3所述的研磨組成物的穩定性係藉由儲存所述之樣品在所述溫度下五天以及觀察經老化材料的澄清度來評估。非穩定配方一旦儲存在所述條件下，將觀察到變成混濁或形成沉澱物。

Claims (9)

  1. 一種製備化學機械研磨組成物的方法，其包括：提供水；提供0.1至5wt%之唑抑制劑；提供0.05至1wt%之鹼金屬有機界面活性劑；提供0.05至5wt%之增溶劑；提供0.1至5wt%之含磷試劑；提供0.05至5wt%之非醣類水溶性聚合物；提供0.05至5wt%之式I之水溶性酸化合物： 其中，R係選自由氫以及C1-5烷基所組成之群組，以及其中，x係1或2；提供0.01至5wt%之錯合劑；提供0至25wt%之氧化劑；提供0至10wt%之有機溶劑；組合該水、該鹼金屬有機界面活性劑、該增溶劑、該非醣類水溶性聚合物、該式I之水溶性酸化合物、該錯合劑、任何視需要的氧化劑、任何視需要的有機溶劑以及任何視需要的研磨劑而形成混合物；以及 添加該唑抑制劑以及該含磷試劑至該混合物，而形成該化學機械研磨組成物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該化學機械研磨組成物含有<0.001wt%之銨，以及其中該化學機械研磨組成物含有<0.001wt%之水溶性纖維素。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該化學機械研磨組成物包括下列初始成分：水；0.1至5wt%之該唑抑制劑，其中，該唑抑制劑為苯并三唑；0.05至1wt%之該鹼金屬有機界面活性劑，其中，該鹼金屬有機界面活性劑為辛烷磺酸鈉；0.1至1wt%之該增溶劑；0.1至5wt%之該含磷試劑，其係選自由磷酸三鉀、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀以及其混合物所組成之群組；0.05至3wt%之該非醣類水溶性聚合物，其中，該非醣類水溶性聚合物為甲基丙烯酸以及丙烯酸之共聚物；0.05至5wt%之該式I之水溶性酸化合物，其中，該式I之水溶性酸化合物為亞胺基二乙酸；0.1至5wt%之該錯合劑，其中，該錯合劑為蘋果酸；以及0至25wt%之該氧化劑。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，該化學機械 研磨組成物含有<0.001wt%之銨。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，復包括提供研磨劑。
  6. 一種化學機械研磨基板之方法，其包括：提供基板，其中，該基板係具有銅互連之半導體晶圓；提供申請專利範圍第1項所述之方法所製備的化學機械研磨組成物；視需要地，添加氧化劑至該化學機械研磨組成物中；提供化學機械研磨墊；伴隨0.69至34.5kPa之向下力在該化學機械研磨墊以及該基板之間的界面創造動態接觸；以及將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該化學機械研磨墊與該基板間之該界面處或該界面附近；其中，該化學機械研磨組成物呈現透過添加磷酸、氫氧化鎂以及氫氧化鋰中之至少一者而調整至pH值為2至6之pH。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，所提供之該化學機械研磨組成物為濃縮形式；以及其中，該方法復包括：以水稀釋該化學機械研磨組成物。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，該化學機械 研磨組成物以4倍濃縮物提供；以及其中，該方法復包括：以水稀釋該化學機械研磨組成物，進而使該稀釋後初始成分之量係如下所示：0.2至0.4wt%之苯并三唑；0.05至1wt%之辛烷磺酸鈉；0.45至1wt%之增溶劑，其係選自由甲苯磺酸鈉、二甲苯磺酸鈉以及其混合物所組成之群組；0.5至2wt%之含磷試劑，其係選自由磷酸三鉀、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀以及其混合物所組成之群組；0.1至1wt%之羧甲基纖維素；0.05至1wt%之甲基丙烯酸以及丙烯酸之共聚物；0.4至2wt%之亞胺基二乙酸；以及0.1至0.5wt%之蘋果酸；以及添加氧化劑至該化學機械研磨組成物中。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該化學機械研磨組成物在平台速度每分鐘61轉、載體速度每分鐘57轉、化學機械研磨組成物流動速率200ml/分鐘、以及標稱向下力13.8kPa的200mm研磨機上呈現至少4,000Å/分鐘之銅移除速率，其中，該化學機械研磨墊包括含有聚合物中空核微粒子之聚氨酯研磨層以及覆膜子墊。
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