專利名稱：用于平坦化金屬層的研磨組成物的制作方法
技術領域：
本發明有關一種用于平坦化金屬層的研磨組成物，目的在提供一種用于化學機械 的研磨組成物，可提高加工對象的平坦化效果。
背景技術：
隨著電子組件的關鍵尺寸(Critical Dimension)愈來愈小及導線層數的急遽增 加，電阻/電容時間延遲(RC Time Delay)將嚴重影響整體電路的操作速度。為了改善隨 著金屬聯機線寬縮小所造成的時間延遲以及電子遷移可靠性問題，所以選擇電阻率低與抗 電子遷移破壞能力高的銅導線材料，取代鋁合金金屬。然而，由于銅金屬具有不易蝕刻的特 性，必須改采另一種鑲嵌(Damascene)方式來形成銅金屬導線。鑲嵌(Damascene)方式制程有別于傳統先定義金屬圖案再以介電層填溝的金屬 化制程，其方法是先在一平坦的介電上蝕刻出金屬線的溝槽后，再將金屬層填入，最后將多 余的金屬移去，而得到一具有金屬鑲嵌于介電層中的平坦結構。鑲嵌式制程比起傳統的金 屬化制程具有以下優點(1)可使基底表面隨時保持平坦；(2)可排除傳統制程中介電材料 不易填入金屬導線間隙的缺點(3)可解決金屬層料蝕刻不易的問題，特別是銅金屬的蝕 刻。另外，為克服傳統內聯機的制程中接觸窗構造與導線圖案需分別制作，使得整 個制程步驟極其繁復的缺點，目前另發展出一種雙鑲嵌(dual damascene)制程，其制作 過程是進行兩次選擇性蝕刻，分別將導線介電質(line dielectric)與介層介電質(via dielectric)蝕開后，一次做完金屬層與插塞的阻障層，并一次將導電金屬填入介層窗和內 聯機溝槽，達到簡化制程步驟的效果。近年來，為配合組件尺寸縮小化的發展以及提高組件 操作速度的需求，具有低電阻常數和高電子遷移阻抗的銅金屬，已逐漸被應用來作為金屬 內聯機的材質，取代以往的鋁金屬制程技術。銅金屬的鑲嵌式內聯機技術，不僅可達到內聯 機的縮小化并且可減少RC時間延遲，同時也解決了金屬銅蝕刻不易的問題，因此已成為現 今多重內聯機主要的發展趨勢。無論是單鑲嵌或雙鑲嵌的銅制程，在完成銅金屬的填充后都需要進行平坦化制 程，以將介電層上多余的金屬去除。目前，通常藉由化學機械研磨制程來達到此一目的。然 而，在金屬化學機械研磨的技術中，在金屬層表面仍然常常發生金屬碟陷(Dishing)及磨 蝕(Erosion)等研磨缺陷。金屬碟陷及磨蝕現象與研磨速率及蝕刻比(RR/DER)有極大的關系，較低的蝕刻 速率可確保圖案凹陷處去除率低，藉此有效抑制碟陷缺陷，但在考慮單位時間的產出量下， 研磨速率亦需維持于可接受范圍；此外，研磨均勻度也對平坦結果有一定影響，較差的均勻 度則需更多的研磨時間將銅完全磨除，因而造成更嚴重的金屬碟陷及磨蝕現象。為兼顧單位產出量及抑制金屬碟陷及磨蝕現象，通常將銅-化學機械研磨制程， 分為二個步驟。第一階段以較快的研磨速率將大部分的銅移除，以增加單位產出量。第二階 段則以較慢的研磨速率磨除剩下的少量銅，藉以避免對凹槽內的銅造成過度磨蝕的現象。
3通常，二階段的銅研磨制程，需要更換不同組成的研磨組成物，以符合不同階段的銅研磨需 求。然而，更換研磨組成物非但不利于簡化制程，亦可能造成廢料的增加。美國公開號第2008/0254629號所揭示的研磨組成物包含有胺基酸、重量計約 5ppm至低于700ppm的磨粒、三唑化合物以及水，該研磨組成物在銅相對于阻擋層的去除 選擇性上超過50 1 ；而美國第2004/0020135號公開專利文獻揭示包括二氧化硅、氧化 劑、胺基酸、三唑化合物、及水的銅金屬研磨組成物；再者，美國專利第6，440，186號專利并 揭示一種研磨組成物包含有磨粒、一保護膜層成形劑以及過氧化氫，該磨粒粒徑大小為 50 120nm，而占研磨組成物總重的0.5 5重量％ (wt% )；另外，美國專利第6，679，929 號專利并揭示一種研磨組成物包含有磨粒、具有至少10個碳的脂肪族羧酸、選自于氫氧 化銨等的堿性物質加速劑、腐蝕抑制劑、過氧化氫以及水。然而，上述各專利并未揭示使用 共同抑制劑，可以在維持高研磨去除率的條件下，減緩研磨組成物對于金屬的蝕刻速率，而 同時適用于第一與第二階段的銅金屬研磨。
發明內容
本發明的主要目的即在提供一種用于平坦化金屬層的研磨組成物，可提高加工對 象的平坦化效果。本發明的又一目的在于提供一種同時適用于二階段金屬研磨的研磨組成物。為達上揭目的，本發明研磨組成物至少包含有重量計約750ppm至低于5000ppm的 磨粒、過氧化氫、加速劑、共同腐蝕抑制劑以及水，其中，該共同腐蝕抑制劑包含有第一、第 二腐蝕抑制劑，該共同腐蝕抑制劑應用于平坦化金屬層中，可以在維持金屬層的高研磨去 除率的同時，兼具抑制金屬蝕刻的特性，能夠減少碟陷與磨蝕等研磨缺陷。
圖1為磨粒濃度與研磨去除率關系圖；圖2為粒徑較大之磨粒具有斜率較大之線性表現圖；圖3為磨粒之濃度與金屬碟陷之結果圖。
具體實施例方式本發明的特點，可參閱本案圖式及實施例的詳細說明而獲得清楚地了解。本發明用于平坦化金屬層的研磨組成物，該研磨組成物至少包含有重量計約 750ppm至低于5000ppm的磨粒、過氧化氫、加速劑、共同腐蝕抑制劑以及水，其中，該共同腐 蝕抑制劑包含有第一、第二腐蝕抑制劑，而該共同腐蝕抑制劑用于平坦化金屬層中，可于化 學機械研磨時于加工對象的表面形成一層保護膜，以避免加工對象受到過度腐蝕，可提高 加工對象的抑制腐蝕能力。該磨粒的重量計約750ppm至低于5000ppm，而又以IOOOppm至低于3000ppm為較 佳，且該磨粒的粒徑小于90nm(其中以小于50nm為較佳)，而該磨粒的實例包括，但非限于 鍛燒的二氧化硅；自硅酸鈉或硅酸鉀水解、或硅烷水解及縮合而成的二氧化硅溶膠；沉淀 或鍛燒的二氧化鋁；沉淀或鍛燒的二氧化鈦；高分子材料；及金屬氧化物及高分子材料混 合體(hybrid)。較佳者是二氧化硅溶膠。若磨粒用量過低，不利于機械研磨，無法達到所期望的研磨去除率；另一方面，若磨粒用量過高則會加速機械研磨的效應，增加阻障層及絕緣 氧化層的去除率，也容易產生表面磨蝕的研磨缺陷。該氧化劑占組成物總重的0. 25至5重量％;而用于該研磨組成物的加速劑的實例 包括，但非限于檸檬酸、草酸、酒石酸、組胺酸、丙胺酸、或甘胺酸以及其銨鹽、鈉鹽、鉀鹽或 鋰鹽。該加速劑用于促進待研磨金屬，例如銅的溶解。提高研磨組成物中的加速劑添加量， 有助于提升金屬層的研磨去除率，適用于第一階段的金屬層研磨。然而，提高研磨組成物中 的加速劑添加量，也會同時增加靜態蝕刻的速率，不利于第二階段的細微研磨。于一具體實 例中，該加速劑占組成物總重的0. 01至5重量％。該共同腐蝕抑制劑在高研磨去除率的條件下，有效抑制靜態蝕刻速率，以適 用于第一階段與第二階段的研磨光制程，本發明的第一腐蝕抑制劑選自I-H-苯并三 唑、N-醯基肌胺酸(N-acyl sarcosine)、烷基硫酸鹽(Alkyl sulfate)或烷基磺酸 鹽(Alkyl sulfonate)，而該第二腐蝕抑制劑選自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_ 巰基-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)、惡唑 (Oxazole)、異惡唑(Isoxazole)、吲唑(INDAZ0LE)或吲嗪(IND0LIZINE)，且該共同腐蝕抑 制劑占組成物總重的0. 001至1重量％。以下藉由特定的具體實施例進一步說明本發明的特點與功效，但非用于限制本發 明的范疇。實施例1-5根據表1所列，使用包括二氧化硅溶膠磨粒、甘胺酸、過氧化氫、I-H-苯并三唑 (BTA)、1，2，4-三唑以及水的研磨漿料組成物實施樣品進行測試。表 1 研磨試驗根據下列條件進行。:Mirra polisher (Applied Materials)晶圓類型8”、15KA Copper blanket wafer (Ramco Co)研磨下壓力3、1· 5以及Opsi
平臺轉速93rpm載具轉速87rpm研磨墊IC1010 (Rohm Hass Electronic Materials)研漿流速150ml/min。該晶圓使用4點探針測量研磨前后銅膜的厚度以計算速率，其結果如表2 表2 其中，該RR指研磨去除率(Removal Rate)，而DER指動態蝕刻速率(Dynamic etching rate)，即在Opsi下的去除率。根據表2結果可知，該實施例1、2可說明共同腐蝕抑制劑的功效，其中實施例2使 用共同腐蝕抑制劑，該結果顯示其具有較高RR/DER值，而該共同腐蝕抑制劑中的BTA用于 研磨去除機制中粗調節的功能，1，2，4_三唑則用于細調節的功能；而實施例4、5中，加速劑 含量越多，則研磨去除率越高，但是動態蝕刻速率亦會隨的升高，需調整抑制劑作為控制， 故最理想的研磨組成物必須在研磨去除率以及RR/ER值間取得平衡。實施例5-6根據表3所列，使用包括二氧化硅溶膠磨粒、甘胺酸、過氧化氫、I-H-苯并三唑 (BTA)、1，2，4-三唑以及水的研磨漿料組成物實施樣品進行測試。表3 研磨試驗根據下列條件進行，其結果紀錄于表4。晶圓類型MIT854 patterned wafer (Ramco Co)研磨下壓力3psi平臺轉速93rpm載具轉速87rpm研漿流速150ml/min。利用HRP220profiler (KLA-Tenco)儀器量測研磨后各測量處金屬碟陷的程度，測量時以100x100微米的銅線為測量點，測量晶圓的圓心、中段和邊緣部位的晶粒結果記錄 于表4:表 4 這些金屬碟陷值為end point后再進行30%過度研磨(over-polished)，根據表 4結果可知，這些數值均低·800Α (Angstrom)。對于晶片制程而言，此乃是極具實用性的表 面輪廓(Topographies)。本案所研發出來的組成物具優異的功效且經證實可供用作為晶片 制程的CMP。實施例7-13根據表5所列，使用包括二氧化硅溶膠磨粒、甘胺酸、過氧化氫、苯并三唑、1，2， 4-三唑以及水的研磨組成物對照樣品進行測試。表 5 表5的各實施例于Mirra polisher (Applied Materials)的研磨機臺上，并依照 實施例1-5中所列的條件進行研磨試驗，所研磨的晶圓有Cu、Ta及TaN Blanket wafers, 其結果如表6，以及圖1 :表 6 根據表6結果可知，該磨粒濃度越高，則銅研磨去除率越高，此現象于磨粒粒徑較 大者更明顯；而當磨粒濃度到達一定的含量后，該研磨去除率會達到一持平區域不再升高， 且粒徑較大會比粒徑較小的磨粒較快達到該持平區域。此一結果顯示，經由二氧化硅濃度 來達成去除率的提升將會遭遇局限；無論運用小粒徑或大粒徑的二氧化硅在此一方面均無 差異。由于二氧化硅的濃度在去除率的提升上有其限制，所以在應用上可選取適當有效的 濃度范圍。實施例8-11根據表7所列，使用實施例8以及實施例11于不同研磨下壓力下進行。表 7 表7的各實施例于Mirra polisher (Applied Materials)的研磨機臺上，并依照 實施例1-5中所列的條件，而其中研磨下壓力(Df)分別為1.5、2以及3psi進行研磨試驗， 并使用4點探針進行量測，其結果如表8，以及圖2 表8 根據表8結果可知，在研磨下壓力為3psi條件下，粒徑大(87nm)的磨粒具有較高 的銅研磨去除率，在研磨下壓力為1. 5psi條件下，粒徑小(32nm)的磨粒具有較高的銅研磨 去除率，圖2顯示該粒徑較大的磨粒具有斜率較大的線性表現，即粒徑較大的磨粒于高研 磨下壓力條件下較有效用；然而，在先進的Cu CMP制程中，高下壓力下存在一缺點，亦即對 于低k值材料會造成損害且會產生缺陷(defects)。所以大部分化學機械研磨制程盡量避 免使用大于2. 5psi的研磨下壓力，故于化學機械研磨制程中有必要將磨粒的粒徑限制于 較小的范圍。根據表7所列，同樣利用實施例8以及實施例11對圖案化晶圓(類型為 MIT854)于相同參數條件下進行研磨。圖案化晶圓為end point后再進行30%過度研磨 (over-po 1 ished)，測量時以100x100微米的銅線為測量點，測量晶圓的圓心、中段和邊緣 部位的晶粒處金屬碟陷的結果記錄于表9 表9
結果顯示雖然較大粒徑的磨粒可提供高研磨去除率(較短研磨時間)，但是隨的 而來的卻使金屬碟陷等研磨缺陷更加惡化，所以較小粒徑的磨粒在化學機械研磨制程中是 較為有利的。實施例14-17根據表10所列，使用包括二氧化硅溶膠磨粒、甘胺酸、過氧化氫、苯并三唑、1，2， 4-三唑以及水的研磨組成物實施樣品進行測試。表 10 表10的各實施例于Mirra polisher (Applied Materials)的研磨機臺中并對毯 覆式銅晶圓(Blanket Cu wafers)及圖案化晶圓(類型為MIT854)進行研磨，其中，該研磨 去除率以及研磨后晶圓的圓心、中段和邊緣晶粒各測量處金屬碟陷的平均值等結果記錄于 表11及圖3 表11 表11揭露該研磨去除率隨著磨粒濃度的增加而緩慢提升，但是此增加幅度是非 常微小的，舉例來說，比較實施例14以及16，該研磨去除率僅增加18%，但是需要增加超過 10倍以上的濃度才得以達成。而在圖3中，可明顯得知磨粒的濃度確實會影響金屬碟陷的 結果，亦即磨粒越多(濃度越高)，則金屬碟陷等研磨缺陷更加惡化。為確保金屬碟陷控制 于可接受程度，磨粒濃度勢必局限于一定范圍。本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術的人士仍可能基于本發明的揭示而作各種不背離本案發明精神的替換及修飾。因此，本發明的保護范圍應不 限于實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明的替換及修飾，并為以下的申請專利范 圍所涵蓋。
權利要求
一種用于平坦化金屬層的研磨組成物，該研磨組成物至少包含有磨粒，該磨粒的重量計750ppm至低于5000ppm；過氧化氫；加速劑；共同腐蝕抑制劑，該共同腐蝕抑制劑包含有第一、第二腐蝕抑制劑；以及水。
2.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該磨粒的重量為IOOOppm 至低于3000ppm。
3.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該磨粒的粒徑小于90nm。
4.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該磨粒的粒徑小于50nm。
5.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該磨粒選自鍛燒的二氧化 硅；自硅酸鈉或硅酸鉀水解、或硅烷水解及縮合而成的二氧化硅溶膠；沉淀或鍛燒的二氧 化鋁；沉淀或鍛燒的二氧化鈦；高分子材料；金屬氧化物及高分子材料混合體所組成的組 群。
6.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該磨粒為二氧化硅溶膠。
7.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該過氧化氫占組成物總重 的0. 25至5重量％。
8.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該加速劑選自檸檬酸、草 酸、酒石酸、組胺酸、丙胺酸、甘胺酸以及其銨鹽、鈉鹽、鉀鹽或鋰鹽所構成的組群。
9.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該加速劑占組成物總重的 0. 01至5重量％。
10.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該第一腐蝕抑制劑選自 I-H-苯并三唑、N-醯基肌胺酸、烷基硫酸鹽或烷基磺酸鹽。
11.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該第二腐蝕抑制劑選自 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-巰基-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、惡唑、異惡唑、吲唑或吲嗪。
12.如權利要求1所述用于平坦化金屬層的研磨組成物，其中該共同腐蝕抑制劑占組 成物總重的0. 001至1重量％。
全文摘要
本發明用于平坦化金屬層的研磨組成物，研磨組成物至少包含有重量計約750ppm至低于5000ppm的磨粒、過氧化氫、加速劑、共同腐蝕抑制劑以及水，其中，該共同腐蝕抑制劑包含有第一、第二腐蝕抑制劑，該共同腐蝕抑制劑應用于平坦化金屬層中，可以在維持金屬層的高研磨去除率的同時，兼具抑制金屬蝕刻的特性，能夠減少碟陷與磨蝕等研磨缺陷。
文檔編號C09G1/02GK101928520SQ20091014777
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者何明徹, 張松源, 陸明輝 申請人:盟智科技股份有限公司