专利名称：化学机械研磨组合物的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种化学机械研磨组合物及方法。本发明的研磨组合物可有效应用于半导体晶片(wafer)表面的研磨。
化学机械研磨技术(简称CMP)是为解决集成电路(IC)制造时因镀膜高低差异而导致微影加工上聚焦的困难而开发出来的一项平坦化技术。化学机械研磨技术首先被少量应用在0．5微米元件的制造上，随着尺寸的缩小，化学机械研磨应用的层数也越来越多。到了0．25微米时代，化学机械研磨已成为主流且为必要的平坦化技术。一般而言，用于制造金属线路的研磨方法，是将半导体晶片置于配有研磨头的旋转研磨台上，于晶片表面施用包含研磨粒子与氧化剂的研磨浆液，以增进研磨功效。
在IC加工中，Ta或TaN薄膜常被用来提高金属导线，例如铜对氧化硅绝缘层的粘着性。另外，Ta和TaN薄膜亦可用作为阻挡膜(barrier film)的金属。理论上，Ta和TaN的移除速率应和Cu的移除速率相近，然而Ta金属是具有高度抗化学性的金属，由于其不易氧化，在铜加工中，Ta金属的研磨一直是工艺中最难以克服的。
美国专利5225034公开一种化学机械研磨浆液，其包含AgNO3、固体研磨物质、与选自H2O2、HOCl、KOCl、KMgO4或CH3COOOH的氧化剂。此研磨浆液是用于研磨半导体晶片上的铜层，以制造晶片上的铜线。
美国专利5209816公开一种使用化学机械研磨浆液以将含有Al或Ti金属层磨光的方法，其研磨浆液除包含固体研磨物质外，尚包含约0．1-20体积％的H3PO4与约1-30体积％的H2O2。
美国专利4959113系关于一种使用水性研磨组合物以磨光金属表面的方法。此水性研磨组合物包含水、研磨剂(例如CeO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、SiC、SnO2及TiC)、与一种盐类，此盐类包含元素周期表IIA、IIIA、IVA或IVB族的金属阳离子与氯离子、溴离子、碘离子、硝酸根、硫酸根、磷酸根或过氯酸根的阴离子。此美国专利亦教示使用盐酸、硝酸、磷酸或硫酸以将其水性研磨组合物调配成pH=1-6。
美国专利5391258公开了一种用于磨光含硅、硅石或硅酸盐之复合物的研磨组合物，其除包含研磨颗粒外，尚包含过氧化氢与邻苯二甲酸氢钾。
美国专利5114437系关于一种用于磨光铝基材的磨光组合物，其包含平均颗粒尺寸介于0．2至5μm的氧化铝磨光剂及选自硝酸铬(III)、硝酸镧、硝酸铈(III)铵或硝酸钕的磨光促进剂。
美国专利5084071系关于一种使用化学机械磨光浆液以将电子元件基材磨光的方法，其所使用的磨光浆液包含小于1重量％的氧化铝、研磨颗粒(例如，SiO2、CeO2、SiC、Si3N4或Fe2O3)、作为研磨效率促进剂的过渡金属螯合盐(例如，EDTA铁铵)、及供该盐使用的溶剂。
美国专利5336542公开了一种磨光组合物，其包括氧化铝研磨颗粒，及一选择自多氨基羧酸(例如，EDTA)或其钠或钾盐的螯合剂。此磨光组合物可进一步包含勃姆石或铝盐。
美国专利5340370公开了一种用于例如钨或氮化钨薄膜之化学机械磨光的浆液，其包含供薄膜使用的氰铁酸钾氧化剂、研磨剂与水，其中该浆液具有2至4的pH值。
美国专利5516346公开了一种用于化学机械磨光钛薄膜的浆液，其包含浓度足以与该钛薄膜络合(complex)的氟化钾与研磨剂(例如氧化硅)，其中该浆液具有低于8的pH值。
WO96／16436公开一种化学机械磨光浆液，其包含具有小于0．400微米平均粒径的研磨颗粒、铁盐氧化剂及丙二醇与对羟基苯甲酸甲酯的水性界面活性剂悬浮液。
美国专利5527423公开了一种用于化学机械磨光金属层的浆液，其包含氧化金属络合物(例如硝酸铁)的氧化剂、含至少50％γ-相的熔融氧化铝颗粒、与例如聚烷基硅氧烷或聚氧化伸烷基醚的非离子性界面活性添加剂。
半导体加工技艺中，仍需寻求更为经济且更具效能的化学机械研磨组合物。
本发明系提供一种用于半导体加工的化学机械研磨组合物，其包含80-99．5重量％的水性介质；0．5-15重量％的研磨颗粒；及0．01-5重量％的阻挡层(barrier layer)研磨促进剂，其中该研磨促进剂是包含选自由碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐、硫酸盐、及其混合物所组成的组的无机盐类。本发明化学机械研磨组合物较佳用于研磨晶片表面上，含有金属层、阻挡层及介电层的复合物中的阻挡层。本发明的化学机械研磨组合物可进一步包含氧化剂。
本发明系提供一种用于半导体加工的化学机械研磨组合物，其包含80-99．5重量％的水性介质；0．5-15重量％，较佳为0．5-10重量％，更佳为0．5-5重量％的研磨颗粒；及0．01-5重量％，较佳为0．03-3重量％的阻挡层研磨促进剂，其中该研磨促进剂是包含选自由碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐、硫酸盐、及其混合物所组成的组的无机盐类。
根据本发明，于研磨组合物中添加无机盐类可有效促进晶片表面上，含有金属层(例如铜、钨、或铝)、阻挡层(例如钛、氮化钛、钽、或氮化钽)及介电层的复合物中的阻挡层的研磨速率。本发明所使用的无机盐类较佳为非金属无机盐类，其例如可选自碳酸铵、硝酸铵、磷酸铵、亚磷酸铵、硫酸铵或其混合物。本发明的化学机械研磨组合物可进一步包含氧化剂，以进一步促进阻挡层的研磨速率。发现在未添加无机盐类而仅添加氧化剂的情况下，研磨组合物并无法有效促进阻挡层的研磨速率。
根据本发明，研磨组合物所使用的研磨颗粒可为一般市售者，例如SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2、Si3N4或其混合物。此等研磨颗粒具有较高纯度、高比表面积及狭窄粒径分布等优点，因此适用于研磨抛光组合物中作为研磨颗粒。
本发明的化学机械研磨组合物可包含，例如，水作为介质。在制备过程中，可使用水以使研磨抛光组合物呈浆液状，较佳使用熟知的去离子水。
本发明的化学机械研磨组合物尚可包含其它化学机械研磨技艺中所已知但不致对本发明研磨组合物功效造成不利影响的成份。例如在铜加工中，可包含熟知研磨组合物所使用的苯并三唑及／或其衍生物，以抑制铜的快速腐蚀。
根据本发明，当使用80-99．5重量％去离子水作为水性介质时，浆液的固体含量为0．5-15重量％，较佳为0．5-10重量％，更佳为0．5-5重量％。然后将如上文所述的添加剂导入所得的高纯度浆液中，再加入酸或碱以控制浆液的pH值在所需范围之间。
以下实施例将对本发明作进一步的说明，并非用以限制本发明的范围，任何熟悉此项技艺的人士可轻易达到的修饰及改变，均涵盖于本发明的范围内。
研磨测试A．仪器IPEC／Westech 472B．条件压力4psi背压0．5psi温度25℃主轴转速55rpm台板转速50rpm
垫座型式IC1400浆液流速150毫升／分钟C．晶片铜薄膜及氮化钽薄膜，购自Silicon ValleyMicroelectinics．Inc．，系以PVD技术于6英寸硅晶片上沉积0．5微米±5％的氮化钽薄膜。
D．浆液取所得的浆液与30％H2O2以14∶1的体积比均匀搅拌后进行测试，或以不添加H2O2的浆液直接进行研磨测试。
研磨测试流程在研磨前后，均须以膜厚测定仪测定膜的厚度。金属膜以四点探针量测薄膜的片电阻，在经以下公式换算得膜的厚度T×R=电阻系数其中T为薄膜厚度()，及R为片电阻(Ω／cm2)，对各种金属薄膜而言，电阻系数(Ω／cm)系一常数。
本发明系采用KLA-Tencor公司的RS 75型机器测定金属层的膜厚。磨光速率的测定方法系先以上述RS 75型机器测得金属层膜厚T1，分别以下述实施例所制得的浆液研磨1分钟后，以固态仪器公司(Solid State Equipment Corporation)的Evergreen Model 10X型机器清洗晶片，之后，将晶片吹干。再以RS 75型机器测定金属层的膜厚T2。将T1-T2即为金属层的磨光速率。
实施例1以胶态二氧化硅作为研磨颗粒来配制研磨浆液。浆液组成如下胶态二氧化硅含量1．0重量％其余含量为调整pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例2以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下胶态二氧化硅含量1．0重量％
碳酸铵含量1．0重量％其余含量为调整pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例3以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下胶态二氧化硅含量1．0重量％硝酸铵含量1．0重量％其余含量为调整pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例4以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下胶态二氧化硅含量1．0重量％(NH4)H2PO4含量1．0重量％其余含量为调整pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例5以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下胶态二氧化硅含量1．0重量％硫酸铵含量1．0重量％其余含量为调整pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例6以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下胶态二氧化硅含量1．0重量％
硫酸铵含量1．0重量％苯并三唑含量0．1重量％其余含量为调整pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例7以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下胶态二氧化硅含量5．0重量％硫酸铵含量1．0重量％苯并三唑含量0．1重量％其余含量为pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例8以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下胶态二氧化硅含量0．5重量％硫酸铵含量0．5重量％其余含量为pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
实施例9以如实施例1所述相同方式制备浆液，其组成如下胶态二氧化硅含量0．5重量％硫酸铵含量0．5重量％其余含量为pH值的酸或碱及去离子水。
所得浆液的研磨速率如表1所示。
表1
权利要求
1.一种用于半导体晶片表面上含有金属层、阻挡层、及介电层的复合物中的阻挡层的化学机械研磨组合物，其包含80-99．5重量％的水性介质；0．5-15重量％的研磨颗粒；及0．01-5．0重量％的研磨促进剂，该研磨促进剂是包含选自由碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐、硫酸盐、及其混合物所组成的组的无机盐类。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中该研磨颗粒系选自SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2、Si3N4或其混合物。
3.根据权利要求1所述的组合物，其系包含0．5-10重量％的研磨颗粒。
4.根据权利要求3所述的组合物，其系包含0．5-5．0重量％的研磨颗粒。
5.根据权利要求1所述的组合物，其系包含0．03-3．0重量％的该研磨促进剂。
6.根据权利要求5所述的组合物，其系包含0．03-1．0重量％的该研磨促进剂。
7.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包含氧化剂。
8.根据权利要求1所述的组合物，其中该无机盐类是非金属盐类。
9.根据权利要求8所述的组合物，其中该非金属盐类系选自碳酸铵、硝酸铵、磷酸铵、亚磷酸铵、硫酸铵或其混合物。
10.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包含三唑化合物及／或其衍生物。
11.一种用于半导体晶片表面上含有金属层、阻挡层、及介电层的复合物中的阻挡层的方法，其包括于晶片表面上施用一化学机械研磨组合物，该组合物包含80-99．5重量％的水性介质；0．5-15重量％的研磨颗粒；及0．01-5．0重量％的研磨促进剂，该研磨促进剂是包含选自由碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐、硫酸盐、及其混合物所组成的组的无机盐类。
12.根据权利要求11所述的方法，其中该研磨颗粒系选自SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2、Si3N4或其混合物。
13.根据权利要求11所述的方法，其系包含0．5-10重量％的研磨颗粒。
14.根据权利要求13所述的方法，其系包含0．5-5．0重量％的研磨颗粒。
15.根据权利要求11所述的方法，其系包含0．03-3．0重量％的研磨促进剂。
16.根据权利要求15所述的方法，其系包含0．03-1．0重量％的研磨促进剂。
17.根据权利要求11所述的方法，其进一步包含氧化剂。
18.根据权利要求11所述的方法，其中该无机盐类是非金属盐类。
19.根据权利要求18所述的方法，其中该非金属盐类系选自碳酸铵、硝酸铵、磷酸铵、亚磷酸铵、硫酸铵或其混合物。
20.根据权利要求11所述的方法，其进一步包含三唑化合物及／或其衍生物。
全文摘要
本发明是提供一种用于半导体加工的化学机械研磨组合物,其包含80—99.5重量%的水性介质;0.5—15重量%的研磨颗粒;及0.01—5重量%的阻挡层研磨促进剂,其中该研磨促进剂是包含选自由碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐、硫酸盐、及其混合物所组成的组的无机盐类。本发明的化学机械研磨组合物可进一步包含氧化剂。
文档编号C09K3/14GK1288927SQ9911961
公开日2001年3月28日 申请日期1999年9月21日 优先权日1999年9月21日
发明者李宗和, 叶翠萍 申请人:长兴化学工业股份有限公司