用于平坦化金属层的研磨组成物的制作方法

文档序号:3775744阅读:211来源:国知局
专利名称:用于平坦化金属层的研磨组成物的制作方法
技术领域
本发明有关一种用于平坦化金属层的研磨组成物,目的在提供一种用于化学机械 的研磨组成物,可提高加工对象的平坦化效果。
背景技术
随着电子组件的关键尺寸(Critical Dimension)愈来愈小及导线层数的急遽增 加,电阻/电容时间延迟(RC Time Delay)将严重影响整体电路的操作速度。为了改善随 着金属联机线宽缩小所造成的时间延迟以及电子迁移可靠性问题,所以选择电阻率低与抗 电子迁移破坏能力高的铜导线材料,取代铝合金金属。然而,由于铜金属具有不易蚀刻的特 性,必须改采另一种镶嵌(Damascene)方式来形成铜金属导线。镶嵌(Damascene)方式制程有别于传统先定义金属图案再以介电层填沟的金属 化制程,其方法是先在一平坦的介电上蚀刻出金属线的沟槽后,再将金属层填入,最后将多 余的金属移去,而得到一具有金属镶嵌于介电层中的平坦结构。镶嵌式制程比起传统的金 属化制程具有以下优点(1)可使基底表面随时保持平坦;(2)可排除传统制程中介电材料 不易填入金属导线间隙的缺点(3)可解决金属层料蚀刻不易的问题,特别是铜金属的蚀 刻。另外,为克服传统内联机的制程中接触窗构造与导线图案需分别制作,使得整 个制程步骤极其繁复的缺点,目前另发展出一种双镶嵌(dual damascene)制程,其制作 过程是进行两次选择性蚀刻,分别将导线介电质(line dielectric)与介层介电质(via dielectric)蚀开后,一次做完金属层与插塞的阻障层,并一次将导电金属填入介层窗和内 联机沟槽,达到简化制程步骤的效果。近年来,为配合组件尺寸缩小化的发展以及提高组件 操作速度的需求,具有低电阻常数和高电子迁移阻抗的铜金属,已逐渐被应用来作为金属 内联机的材质,取代以往的铝金属制程技术。铜金属的镶嵌式内联机技术,不仅可达到内联 机的缩小化并且可减少RC时间延迟,同时也解决了金属铜蚀刻不易的问题,因此已成为现 今多重内联机主要的发展趋势。无论是单镶嵌或双镶嵌的铜制程,在完成铜金属的填充后都需要进行平坦化制 程,以将介电层上多余的金属去除。目前,通常藉由化学机械研磨制程来达到此一目的。然 而,在金属化学机械研磨的技术中,在金属层表面仍然常常发生金属碟陷(Dishing)及磨 蚀(Erosion)等研磨缺陷。金属碟陷及磨蚀现象与研磨速率及蚀刻比(RR/DER)有极大的关系,较低的蚀刻 速率可确保图案凹陷处去除率低,藉此有效抑制碟陷缺陷,但在考虑单位时间的产出量下, 研磨速率亦需维持于可接受范围;此外,研磨均勻度也对平坦结果有一定影响,较差的均勻 度则需更多的研磨时间将铜完全磨除,因而造成更严重的金属碟陷及磨蚀现象。为兼顾单位产出量及抑制金属碟陷及磨蚀现象,通常将铜-化学机械研磨制程, 分为二个步骤。第一阶段以较快的研磨速率将大部分的铜移除,以增加单位产出量。第二阶 段则以较慢的研磨速率磨除剩下的少量铜,藉以避免对凹槽内的铜造成过度磨蚀的现象。
3通常,二阶段的铜研磨制程,需要更换不同组成的研磨组成物,以符合不同阶段的铜研磨需 求。然而,更换研磨组成物非但不利于简化制程,亦可能造成废料的增加。美国公开号第2008/0254629号所揭示的研磨组成物包含有胺基酸、重量计约 5ppm至低于700ppm的磨粒、三唑化合物以及水,该研磨组成物在铜相对于阻挡层的去除 选择性上超过50 1 ;而美国第2004/0020135号公开专利文献揭示包括二氧化硅、氧化 剂、胺基酸、三唑化合物、及水的铜金属研磨组成物;再者,美国专利第6,440,186号专利并 揭示一种研磨组成物包含有磨粒、一保护膜层成形剂以及过氧化氢,该磨粒粒径大小为 50 120nm,而占研磨组成物总重的0.5 5重量% (wt% );另外,美国专利第6,679,929 号专利并揭示一种研磨组成物包含有磨粒、具有至少10个碳的脂肪族羧酸、选自于氢氧 化铵等的碱性物质加速剂、腐蚀抑制剂、过氧化氢以及水。然而,上述各专利并未揭示使用 共同抑制剂,可以在维持高研磨去除率的条件下,减缓研磨组成物对于金属的蚀刻速率,而 同时适用于第一与第二阶段的铜金属研磨。

发明内容
本发明的主要目的即在提供一种用于平坦化金属层的研磨组成物,可提高加工对 象的平坦化效果。本发明的又一目的在于提供一种同时适用于二阶段金属研磨的研磨组成物。为达上揭目的,本发明研磨组成物至少包含有重量计约750ppm至低于5000ppm的 磨粒、过氧化氢、加速剂、共同腐蚀抑制剂以及水,其中,该共同腐蚀抑制剂包含有第一、第 二腐蚀抑制剂,该共同腐蚀抑制剂应用于平坦化金属层中,可以在维持金属层的高研磨去 除率的同时,兼具抑制金属蚀刻的特性,能够减少碟陷与磨蚀等研磨缺陷。


图1为磨粒浓度与研磨去除率关系图;图2为粒径较大之磨粒具有斜率较大之线性表现图;图3为磨粒之浓度与金属碟陷之结果图。
具体实施例方式本发明的特点,可参阅本案图式及实施例的详细说明而获得清楚地了解。本发明用于平坦化金属层的研磨组成物,该研磨组成物至少包含有重量计约 750ppm至低于5000ppm的磨粒、过氧化氢、加速剂、共同腐蚀抑制剂以及水,其中,该共同腐 蚀抑制剂包含有第一、第二腐蚀抑制剂,而该共同腐蚀抑制剂用于平坦化金属层中,可于化 学机械研磨时于加工对象的表面形成一层保护膜,以避免加工对象受到过度腐蚀,可提高 加工对象的抑制腐蚀能力。该磨粒的重量计约750ppm至低于5000ppm,而又以IOOOppm至低于3000ppm为较 佳,且该磨粒的粒径小于90nm(其中以小于50nm为较佳),而该磨粒的实例包括,但非限于 锻烧的二氧化硅;自硅酸钠或硅酸钾水解、或硅烷水解及缩合而成的二氧化硅溶胶;沉淀 或锻烧的二氧化铝;沉淀或锻烧的二氧化钛;高分子材料;及金属氧化物及高分子材料混 合体(hybrid)。较佳者是二氧化硅溶胶。若磨粒用量过低,不利于机械研磨,无法达到所期望的研磨去除率;另一方面,若磨粒用量过高则会加速机械研磨的效应,增加阻障层及绝缘 氧化层的去除率,也容易产生表面磨蚀的研磨缺陷。该氧化剂占组成物总重的0. 25至5重量%;而用于该研磨组成物的加速剂的实例 包括,但非限于柠檬酸、草酸、酒石酸、组胺酸、丙胺酸、或甘胺酸以及其铵盐、钠盐、钾盐或 锂盐。该加速剂用于促进待研磨金属,例如铜的溶解。提高研磨组成物中的加速剂添加量, 有助于提升金属层的研磨去除率,适用于第一阶段的金属层研磨。然而,提高研磨组成物中 的加速剂添加量,也会同时增加静态蚀刻的速率,不利于第二阶段的细微研磨。于一具体实 例中,该加速剂占组成物总重的0. 01至5重量%。该共同腐蚀抑制剂在高研磨去除率的条件下,有效抑制静态蚀刻速率,以适 用于第一阶段与第二阶段的研磨光制程,本发明的第一腐蚀抑制剂选自I-H-苯并三 唑、N-醯基肌胺酸(N-acyl sarcosine)、烷基硫酸盐(Alkyl sulfate)或烷基磺酸 盐(Alkyl sulfonate),而该第二腐蚀抑制剂选自1,2,3-三唑、1,2,4-三唑、甲苯三 唑(totyltriazole)、5-胺基四唑(5-amino tertraazole)、3-胺基-1,2,4-三唑 (3-Amino-l,2,4-triazole)、4_ 胺基 _4Η_1,2,4,-三唑(4-Amino-4H_l,2,4-triazole)、 3-硝基-1,2,4-三唑(3-Nitro-l, 2,4-triazole)、3_ 巯基-1,2,4-三唑(3-Mercapto-l, 2,4-triazole)UH-1,2,3- H 唑-1-乙醇(1H-1,2,3TRIAZ0LE-1-ETHAN0L)、苯并咪 唑(benzimidazole)、咪唑(imidazole)、吡咯(Pyrrole)、吡咯啉(Pyrroline)、恶唑 (Oxazole)、异恶唑(Isoxazole)、吲唑(INDAZ0LE)或吲嗪(IND0LIZINE),且该共同腐蚀抑 制剂占组成物总重的0. 001至1重量%。以下藉由特定的具体实施例进一步说明本发明的特点与功效,但非用于限制本发 明的范畴。实施例1-5根据表1所列,使用包括二氧化硅溶胶磨粒、甘胺酸、过氧化氢、I-H-苯并三唑 (BTA)、1,2,4-三唑以及水的研磨浆料组成物实施样品进行测试。表 1 研磨试验根据下列条件进行。:Mirra polisher (Applied Materials)晶圆类型8”、15KA Copper blanket wafer (Ramco Co)研磨下压力3、1· 5以及Opsi
平台转速93rpm载具转速87rpm研磨垫IC1010 (Rohm Hass Electronic Materials)研浆流速150ml/min。该晶圆使用4点探针测量研磨前后铜膜的厚度以计算速率,其结果如表2 表2 其中,该RR指研磨去除率(Removal Rate),而DER指动态蚀刻速率(Dynamic etching rate),即在Opsi下的去除率。根据表2结果可知,该实施例1、2可说明共同腐蚀抑制剂的功效,其中实施例2使 用共同腐蚀抑制剂,该结果显示其具有较高RR/DER值,而该共同腐蚀抑制剂中的BTA用于 研磨去除机制中粗调节的功能,1,2,4_三唑则用于细调节的功能;而实施例4、5中,加速剂 含量越多,则研磨去除率越高,但是动态蚀刻速率亦会随的升高,需调整抑制剂作为控制, 故最理想的研磨组成物必须在研磨去除率以及RR/ER值间取得平衡。实施例5-6根据表3所列,使用包括二氧化硅溶胶磨粒、甘胺酸、过氧化氢、I-H-苯并三唑 (BTA)、1,2,4-三唑以及水的研磨浆料组成物实施样品进行测试。表3 研磨试验根据下列条件进行,其结果纪录于表4。晶圆类型MIT854 patterned wafer (Ramco Co)研磨下压力3psi平台转速93rpm载具转速87rpm研浆流速150ml/min。利用HRP220profiler (KLA-Tenco)仪器量测研磨后各测量处金属碟陷的程度,测量时以100x100微米的铜线为测量点,测量晶圆的圆心、中段和边缘部位的晶粒结果记录 于表4:表 4 这些金属碟陷值为end point后再进行30%过度研磨(over-polished),根据表 4结果可知,这些数值均低·800Α (Angstrom)。对于晶片制程而言,此乃是极具实用性的表 面轮廓(Topographies)。本案所研发出来的组成物具优异的功效且经证实可供用作为晶片 制程的CMP。实施例7-13根据表5所列,使用包括二氧化硅溶胶磨粒、甘胺酸、过氧化氢、苯并三唑、1,2, 4-三唑以及水的研磨组成物对照样品进行测试。表 5 表5的各实施例于Mirra polisher (Applied Materials)的研磨机台上,并依照 实施例1-5中所列的条件进行研磨试验,所研磨的晶圆有Cu、Ta及TaN Blanket wafers, 其结果如表6,以及图1 :表 6 根据表6结果可知,该磨粒浓度越高,则铜研磨去除率越高,此现象于磨粒粒径较 大者更明显;而当磨粒浓度到达一定的含量后,该研磨去除率会达到一持平区域不再升高, 且粒径较大会比粒径较小的磨粒较快达到该持平区域。此一结果显示,经由二氧化硅浓度 来达成去除率的提升将会遭遇局限;无论运用小粒径或大粒径的二氧化硅在此一方面均无 差异。由于二氧化硅的浓度在去除率的提升上有其限制,所以在应用上可选取适当有效的 浓度范围。实施例8-11根据表7所列,使用实施例8以及实施例11于不同研磨下压力下进行。表 7 表7的各实施例于Mirra polisher (Applied Materials)的研磨机台上,并依照 实施例1-5中所列的条件,而其中研磨下压力(Df)分别为1.5、2以及3psi进行研磨试验, 并使用4点探针进行量测,其结果如表8,以及图2 表8 根据表8结果可知,在研磨下压力为3psi条件下,粒径大(87nm)的磨粒具有较高 的铜研磨去除率,在研磨下压力为1. 5psi条件下,粒径小(32nm)的磨粒具有较高的铜研磨 去除率,图2显示该粒径较大的磨粒具有斜率较大的线性表现,即粒径较大的磨粒于高研 磨下压力条件下较有效用;然而,在先进的Cu CMP制程中,高下压力下存在一缺点,亦即对 于低k值材料会造成损害且会产生缺陷(defects)。所以大部分化学机械研磨制程尽量避 免使用大于2. 5psi的研磨下压力,故于化学机械研磨制程中有必要将磨粒的粒径限制于 较小的范围。根据表7所列,同样利用实施例8以及实施例11对图案化晶圆(类型为 MIT854)于相同参数条件下进行研磨。图案化晶圆为end point后再进行30%过度研磨 (over-po 1 ished),测量时以100x100微米的铜线为测量点,测量晶圆的圆心、中段和边缘 部位的晶粒处金属碟陷的结果记录于表9 表9
结果显示虽然较大粒径的磨粒可提供高研磨去除率(较短研磨时间),但是随的 而来的却使金属碟陷等研磨缺陷更加恶化,所以较小粒径的磨粒在化学机械研磨制程中是 较为有利的。实施例14-17根据表10所列,使用包括二氧化硅溶胶磨粒、甘胺酸、过氧化氢、苯并三唑、1,2, 4-三唑以及水的研磨组成物实施样品进行测试。表 10 表10的各实施例于Mirra polisher (Applied Materials)的研磨机台中并对毯 覆式铜晶圆(Blanket Cu wafers)及图案化晶圆(类型为MIT854)进行研磨,其中,该研磨 去除率以及研磨后晶圆的圆心、中段和边缘晶粒各测量处金属碟陷的平均值等结果记录于 表11及图3 表11 表11揭露该研磨去除率随着磨粒浓度的增加而缓慢提升,但是此增加幅度是非 常微小的,举例来说,比较实施例14以及16,该研磨去除率仅增加18%,但是需要增加超过 10倍以上的浓度才得以达成。而在图3中,可明显得知磨粒的浓度确实会影响金属碟陷的 结果,亦即磨粒越多(浓度越高),则金属碟陷等研磨缺陷更加恶化。为确保金属碟陷控制 于可接受程度,磨粒浓度势必局限于一定范围。本发明的技术内容及技术特点已揭示如上,然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的揭示而作各种不背离本案发明精神的替换及修饰。因此,本发明的保护范围应不 限于实施例所揭示者,而应包括各种不背离本发明的替换及修饰,并为以下的申请专利范 围所涵盖。
权利要求
一种用于平坦化金属层的研磨组成物,该研磨组成物至少包含有磨粒,该磨粒的重量计750ppm至低于5000ppm;过氧化氢;加速剂;共同腐蚀抑制剂,该共同腐蚀抑制剂包含有第一、第二腐蚀抑制剂;以及水。
2.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该磨粒的重量为IOOOppm 至低于3000ppm。
3.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该磨粒的粒径小于90nm。
4.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该磨粒的粒径小于50nm。
5.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该磨粒选自锻烧的二氧化 硅;自硅酸钠或硅酸钾水解、或硅烷水解及缩合而成的二氧化硅溶胶;沉淀或锻烧的二氧 化铝;沉淀或锻烧的二氧化钛;高分子材料;金属氧化物及高分子材料混合体所组成的组 群。
6.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该磨粒为二氧化硅溶胶。
7.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该过氧化氢占组成物总重 的0. 25至5重量%。
8.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该加速剂选自柠檬酸、草 酸、酒石酸、组胺酸、丙胺酸、甘胺酸以及其铵盐、钠盐、钾盐或锂盐所构成的组群。
9.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该加速剂占组成物总重的 0. 01至5重量%。
10.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该第一腐蚀抑制剂选自 I-H-苯并三唑、N-醯基肌胺酸、烷基硫酸盐或烷基磺酸盐。
11.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该第二腐蚀抑制剂选自 1,2,3-三唑、1,2,4-三唑、甲苯三唑、5-胺基四唑、3-胺基-1,2,4-三唑、4-胺基_4H_1,2, 4,-三唑、3-硝基-1,2,4-三唑、3-巯基-1,2,4-三唑、1H-1,2,3-三唑-1-乙醇、苯并咪 唑、咪唑、批咯、批咯啉、恶唑、异恶唑、吲唑或吲嗪。
12.如权利要求1所述用于平坦化金属层的研磨组成物,其中该共同腐蚀抑制剂占组 成物总重的0. 001至1重量%。
全文摘要
本发明用于平坦化金属层的研磨组成物,研磨组成物至少包含有重量计约750ppm至低于5000ppm的磨粒、过氧化氢、加速剂、共同腐蚀抑制剂以及水,其中,该共同腐蚀抑制剂包含有第一、第二腐蚀抑制剂,该共同腐蚀抑制剂应用于平坦化金属层中,可以在维持金属层的高研磨去除率的同时,兼具抑制金属蚀刻的特性,能够减少碟陷与磨蚀等研磨缺陷。
文档编号C09G1/02GK101928520SQ20091014777
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者何明彻, 张松源, 陆明辉 申请人:盟智科技股份有限公司
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