TWI376741B

TWI376741B - Pad and method for chemical mechanical polishing

Info

Publication number: TWI376741B
Application number: TW096143290A
Authority: TW
Inventors: Chun Fu Chen; Yung Tai Hung; Chin Ta Su; Kuang Chao Chen
Original assignee: Macronix Int Co Ltd
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2012-11-11
Also published as: TW200905738A; US20120040532A1; US20090029551A1; CN101352844A; CN101352844B; US8047899B2

Description

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' 二達編號：TW3400PA 九、發明說明： * 【發明所屬之技術領域】 v 本發明是有關於一種化學機械研磨之研磨塾及其方法’且特別是有關於一種包含腐蝕抑制材料之研磨塾及靡用其之化學機械研磨。【先前技術】次半微米及更小特徵之半導體裝置的可靠生產係超 •大型積體電路（vary large scale integration, VLSI)及極大型積體電路(ultra large-scale integration，ULSI)的下一代關鍵技術之一。然而，當電路技術被發展到極限時，VLSI及 ULSI技術中内導線的收縮尺寸託付於製程能力的額外要求。可靠的内導線結構對於VLSI及ULSI的成功，以及對於持續努力增加個別基枯及晶片（die)之電路密度與品質都是重要的。夕層内導線係在一基材表面透過接續地材料沈積及 • 材料移除技術形成，以構成其特徵。當不同的材料層接續地沈積及移除，基材最上方的表面它的橫向面可能變得不平整、’且在後續的製程之前需將表面平整化。平整化或研磨係為一製程’其係將材料自基材之表面移除以形成一個大體說來更平滑的表面。平整化係在移除過多的沈積材，料、移除不被預期的表面形貌以及表面缺陷以提供一個平 ► 坦的表面至之後的黃光或其它的半導體製程是有助益的，表面缺陷例如是表面的粗糙不平、凝合叢聚的材料、 5 1376741

• 兰^1§諕：TW3400PA 晶格的破壞、擦痕以及受污染的材料或是堆疊層。化學機械平整化或化學機械研磨（chemical mechanical polishing，CMP)是一種常用以平整基材的技術。在傳統的化學機械研磨技術中，一基材承座或研磨頭係被架設於一承載組件，且基材承座或研磨頭在一化學機械研磨設備裡被定位至與一研磨物件相互接觸。承載組件提供一可控制的壓力到基材，使基材相對研磨墊有可控制的壓力。研磨墊係藉由一外部的驅動力相對於基材移動。

因此，當散佈一研磨成分材料而同時造成化學活性及機械活性時，化學機械研磨設備在基材與研磨物件之間產生研磨或摩擦動作。請參照第1圖，其㈣由傳統製程產生的碟型效應 (d—effect)結果之截面圖。然而，沈積在基材ι〇表面上用以填滿形成其定義特徵之材料，經常導致不規則地表面。研磨此表面上多餘的材料，其被稱為覆蓋層 (〇VerbUrden)，可能導致—些殘餘物的留滯，殘^來自一定義特㈣之金屬移除不心過錢光製程( ⑽絲上述之殘餘物，财能導 ^徵25多制金屬被移除4餘* ;•義 :陷，例如是凹穴或座口，如第 = 基材表面上之碟型的特徵及殘迎的，因剌與殘餘物可能不利地材m 舉例來說，碟型導致—不平整=基材後、，的製程。，因而降低後續黃光步 6 1376741 4

. 'ΞΜΜπά TW3400PA 驟印刷高解析線路(high-resolution lines)之能力，且不利地影響基材後續之表面形貌。基材後續之表面形貌影響裝置的結構與良率。碟型也因降低裝置的傳導性並增加裝置的 ^ 電阻而不利地影響裝置的性能，導致裝置的不穩定性及裝置的良率降低。殘餘物可能導致後續材料之不平整研磨，例如是沈積在傳導材料與基材表面之間阻障層（barrier layer)的材料(未繪示）。不平整研磨也會增加裝置的缺陷形成及降低基材的良率。 • 因此在由基材移除材料之平整化過程時，需要有一個成分及方法將基材之破壞降到最低。【發明内容】本發明係有關於一種化學機械研磨兩相鄰結構之方 " 法，其係利用包含腐蝕抑制材料之研磨墊。此方法係可改善碟型效應並降低製造成本。根據本發明之一方面，提出一種用於化學機械研磨之 • 研磨墊。研磨墊包含基底層及腐蝕抑制材料與基底層結合。根據本發明之另一方面，提出一種化學機械研磨半導體裝置兩相鄰結構的方法。化學機械研磨之方法包括：（a) 提供半導體裝置，係包含凹穴形成於半導體裝置之表面，第一材料層形成於表面之上，且第二材料層形成於第一材料層上並填滿凹穴；（b)以研磨墊及實質上無抑制材料 (inhibitor-free)之研磨液實質地研磨第一及第二材料層，且 7 1376741

/ •三達編諕：TW3400PA 研磨塾包含第二材料層之腐_制材料。為讓本發明之上述内容能更 /4, φ, ^ 、，I 尺月…·員易f重，下文特舉一較佳貝础’亚配合所_式，作詳細說明如下：【實施方式】本發明係有關一種包含腐蝕抑制材料在其中之研磨塾用於化學機械研磨（Chemical邮如㈣⑽说㈣

'4'

CMP)。研磨塾包括—基底層及—腐姓抑制材料與基底層結合。結合的方式能以多種方式具體實I請參照第从及 2B圖’第示依照本發明—較佳實施狀—研磨整的示思圖，第2B圖繪示第2A圖沿線段2B-2B，的橫截面圖。在本實施例中，研磨墊100包括一基底層11〇，基底層110係以聚合樹脂製成β聚合樹脂可以是熱塑彈性體、熱固小 s 物、承氣自旨（polyurethanes)，聚稀（polyolefins)， χκ 石反日（polycarbonates)’氣碳化合物（fluorocarbons)，聚丙稀酿胺（polyacrylamides)，聚醚(p〇lyethers)，聚疏胺 (polyamide)，聚醋酸乙烯酯（p〇iyVinyiacetates)，聚乙烯醇 (polyvinylalcohols)，尼龍(nylons)，聚丙烯 (polypropylenes)，彈性橡膠（elastomeric rubbers)，聚乙烯 (polyethylenes)，聚四氟乙婦（polytetrafluoroethylenes)，聚二謎酿1 (polyetheretherketones)，聚乙烯對苯二曱酸酉旨 (polyethyleneterephthalates)，聚醯亞胺(polyimides)，聚酸胺(polyaramides)，聚亞芳（polyarylenes)，聚丙烯酸酯 (polyacrylates)，聚丙稀酸(polyacrylic acids) ’ 聚本乙稀 8 1376741

. 三達編饒：TW3400PA (polystyrenes)，曱基丙烯酸曱酯 (polymethylmethacrylates) ’ 上述成分之共聚物（coP〇lymers) 或上述成分之混合物。基底層110之頂面具有至少一溝 - 槽。基底層110之頂表面較佳地具有多個同心之溝槽115。如第2B圖所示，腐蝕抑制材料120填滿基底層110上之溝槽115。腐蝕抑制材料120包括胺乙酸(glycine)、左旋_ 輔氨酸(L-proline)、氨基丙石夕醇烧(aminopropylsilanol)、氨基丙石夕氧炫(aminopropylsiloxane)、十二胺 φ (dodecylamine)、離胺酸(lysine)、酪胺酸(tyrosine)、麩醯胺酸（glutamine)、麩胺酸(glutamic acid)或胱胺酸 (cystine)。當本實施例之研磨墊1〇〇被用在化學機械研磨時，研磨墊100將被翻轉，如此包含腐蝕抑制材料120的表面可以貼附在被研磨之表面。 " 請參照第3圖’其繪示本發明另一較佳實施例之一研磨墊的示意圖。本實施例之研磨墊200亦包括一基底層21〇及腐姓抑制材料220。基底層210係以研磨材料製成，腐 • 蝕抑制材料22〇與研磨材料混合在一起，以便讓腐蝕抑制材料220被散佈在研磨墊200上。在化學機械研磨製程中’研磨材料及腐蝕抑制材料將會一起與被研磨之表面接觸及反應。化學機械研磨製程被用在微電子裝置之製造，其係在 • 半導體晶片（semiconduct〇r wafer)、場發射顯示器（fidd • emission display)及其他許多微電子基材上形成平整表面。舉例來說，半導體裝置製造通常在—半導體^材的表 9 1376741

兰達編諕：TW3400PA 面之上涉及各種處理過之材料層，選擇性移除或圖案化這些材料層的部分區域及沈積後續處理過之材料層以形成一半導體晶片。經由下列例子，處理過之材料層可以包括絕緣層、閘極氧化層、導電層及金屬或玻璃之材料層等等。在晶圓製裎的一些步驟中，處理過之材料層的最上層，面係平整的’意即一平坦表面用以沈積後續的材料層通常是令人期待的。化學機械研磨將處理過之材料層平整化，其中關於已沈積的材料，例如是導電材料料，為了後續的製程步驟係被研磨，使晶圓平整化。曰根據本發明之較佳的實施例，化學機械研磨半導體裝置之兩相鄰的結構的方法包括至少兩個步驟。首先，半導 ”表面之中包含一凹穴。一第一材料層形成於此、且第一材料層填滿凹穴並形成於第一材料層夕讲府 '广二所研磨塾及一實質上無抑制材料（inhibit〇r-free) 之研磨液貫質地研磨第一乃筮一技 -㈣2弟及第一材枓層，且研磨墊包括第一材枓層之腐蝕抑制材料除速率大於第一姑袓麻— 奵弟一材枓層的移斑第1料Μρ θ研磨速率製成。當腐#抑制材料止應時’第二材料層的移除速率被抑制以防研磨w用研㈣及化學機械 2A圖之研縣形參金=4^至:圖，其㈣利用第示，一楚一心玩屬裎之杈截面圖。如第4A圖所第一材料層320 (即夤介届、、木 310上且且有-凹氧）破形成於半導體裝置八有八325。之後如第4B圖所示，—第二材 1376741 瓤

• •三: TW3400PA 料層33G (即鎮或銅）填滿凹穴325並 320上。接著如第4C圖所示，3 = 1材料層實施例之研終_及無抑制㈣之抑=幸= 刚係與半導體裝置M0顛倒設置以 =塾

12〇。如第4D圖所示，研磨製程將被持續直到;2 讀鶴或鋼)係實質上與第-材料層二水平面。在研磨製程中，腐料制㈣12抑= 之研磨劑混合並-起與第：材料層现反應方法比較’傳統係以無抑制材料之研磨劑及無抑制研磨墊-起與第二材料層反應，本較佳實施例之研顯不出對第二材料層33G -較慢之移除速率。因此，第: 材料層330之碟型效應可以被改善。另外，具有腐蝕抑：材料之研磨墊可如第3圖之研磨墊2〇〇製成，亦可達到上述效果。在研磨完兩相鄰結構，例如是第一及第二材料層 320及330以後，另一金屬層34〇接觸平坦之第二材料層 330以形成一栓塞，當一電通量施加於金屬層34〇時，電通量流經過第二材料層330直至半導體裝置310。本發明以化學機械研磨兩相鄰結構之研磨墊亦可用在淺溝隔離結構（shallow trench isolation，STI)之部分步驟。請參照第5A至5C圖，其繪示利用第2A圖之研磨塾形成淺溝隔離結構之橫截面圖。如第5A圖所示，第—处構420包括氡化層415及氮化矽層418形成在半導體裂置 410上’並構成凹穴425。如第5B圖所示，第二材料層 430(即高密度電漿(high density plasma, HDP)氧化層）填滿 11 1376741

ί達編號：TW3400PA 凹穴425並形成於第一結構420上。第二材料層430由前述較佳實施例之研磨塾100及無抑制材料之研磨液研磨。研磨塾100係與半導體裝置410顛倒設置以承載腐蝕抑制材料120。如第5C圖所示，研磨製程將被持續直到第二材料層430(即高密度電漿氧化層）係實質上與第一結構42〇位於相同之水平面。在研磨製程中，腐蝕抑制材料12〇與無抑制材料之研磨劑混合並一起與第二材料層43〇反應^ 與傳統研磨方法比較，傳統係以無抑制材料之研磨劑料抑制材料之研磨墊-起與第二材料層43〇反應，本較佳實磨製程顯示出對第二材料層一較慢之移除速材料層430 (即高密度鐵化層）之碟孓效應可㈣似之方法被改b舉，、 (L-P_ne)在化學機械研磨時可化 /脯^酸研磨塾咖製成，亦可達到上可如第3圖之兩相鄰結構例如是第一結構42〇2 ”5。圖所示，密度電衆氧化層），被研磨以^及第二材料層430 (即高之製程》一平垣表面以進行後續本發明之研磨墊與化學 ^有許多優點。與研磨塾結合之腐^兩相鄰結構之方法提供—更經濟及更有效之卩制材料代替研磨液之消耗材料，研磨劑在 f劑係昂貴且為高花費係為高成本製造的-主c程中被重要地使用合之腐餘抑制材料係夠整硬而緩二研磨塾混反厲知，腐蝕抑制材 12 1376741 *

、 : TW3400PA 料會在化學機械研磨製程中不停及接連地被提供。研磨塾之成本比研磨液要低許多’且在一次研磨製程中，研磨塾的消耗率係比消耗之研磨液少許多。因此，本發明之研磨 ’ 墊及應用其之化學機械研磨提供一更有效地方法改善化學機械研磨中之碟型效應。綜上所述’雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通 • 常知識者’在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種 φ 之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

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/ '三達編_ : TW3400PA 【圖式簡單說明】第1圖繪示由傳統製程產生的碟型效應結果之截面圖； ' 第2A圖繪示依照本發明一較佳實施例之一研磨墊的不意圖，第2B圖繪示第2A圖沿線段2B-2B’的橫截面圖； - 第3圖繪示本發明另一較佳實施例之一研磨墊的示意圖； φ 第4A至4E圖繪示利用第2A圖之研磨墊成一金屬栓之橫截面圖；以及第5A至5C圖繪示利用第2A圖之研磨墊形成淺溝隔離結構之橫截面圖。 * 【主要元件符號說明】 10 :基材 15、25 :定義特徵 • 30 :碟型 100、200 :研磨墊 • 110、210 :基底層 115 :溝槽 120、220 :腐蝕抑制材料 - 310、410 :半導體裝置 320:第一材料層 325、425 :凹穴 14

Claims

1376741 100. 7. 2 5 年月日修正替換頁丨00年7月25曰修正替換頁十、申清專利範圍： 1·. 一種研磨墊，其係用於化學機械研磨，該研磨墊包括：一基底層；以及複數個腐财卩㈣料^其係同讀舰設置於該基底層中’其中同心排列的該些腐#抑制材料是露出於該基底層之上表面。 2. 如申睛專利範圍第1項所述之研磨墊，其中該基底層係以一聚合樹脂製成。 3. 如申請專利範圍第2項所述之研磨墊，其中該聚合樹脂係為一熱塑彈性體、熱固聚合物、聚氨酯 (polyurethanes) ’ 聚烯(p〇iy〇iefins)，聚碳酸酉旨 (polycarbonates)，氟碳化合物（fiuorocarb〇ns)，聚丙烯醯胺 (polyacrylamides) ’ 聚 _(polyethers)，聚魏胺（polyamide)，聚醋酸乙烯酯（polyvinylacetates)，聚乙浠醇 (polyvinylalcohols)，尼龍(nylons)，聚丙烯 (polypropylenes)，彈性橡膠（elastomeric rubbers)，聚乙烯 (polyethylenes)，聚四氟乙稀（polytetrafluoroethylenes)，聚二鍵酮(polyetheretherketones)，聚乙烯對苯二甲酸醋 (polyethyleneterephthalates)，聚it亞胺（polyimides)，聚蕴胺(polyaramides)，聚亞芳（P〇lyarylenes)，聚丙烯酸酉旨 (polyacrylates)，聚丙特酸(P〇lyacrylic acids) ’ 聚苯乙烯 (polystyrenes)，甲基丙烯酸甲醋 (polymethylmethacrylates)，上述成分之共聚物（copolymers) 1376741 100. 7. 25 年月曰修正替換頁 100年7月25曰修正替換頁或上述成分之混合物 4.如申請專利範圍第1項所述之研磨塾，其中該基底層之頂面具有至少一溝槽，且該腐蝕抑制材料係填充於該溝槽。 5. 如申請專利範圍第1項所述之研磨墊，其中該腐触抑制材料包含胺乙酸(glycine)、左旋-脯氨酸 (L-proline)、氦基丙矽醇烷（aminopropylsilanol)、氨基丙石夕氧烷（aminopropylsiloxane)、十二胺（dodecylamine)、離胺酸（lysine)、酪胺酸(tyrosine)、麩醯胺酸(glutamine)、越胺酸（glutamic acid)或胱胺酸(cystine)。 6. —種化學機械研磨一半導體元件兩相鄰結構的方法，該方法包括：提供一半導體元件，係包含一表面，一第一材料層形成於該半導體元件之該表面之上，一凹穴形成於該第一材料層之中，且一第二材料層形成於該第一材料層上並填滿該凹穴；以及以一研磨塾及一實質上無抑制材料（inhibitor-free)之研磨液實質地研磨該第一及該第二材料層，且該研磨墊包含抑制該第二材料層被蝕刻之一腐蝕抑制材料。 7. 如申請專利範圍第6項所述之方法’其中該第一材料層係為一氧化物層，且該第二材料層包含鎢或銅。 8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該第一材料層係為一氮化物層，且該第二材料層係為一氧化物層0 17 1376741 10{TK 修正替換頁 100年7月25曰修正替換頁 9

9.如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該研磨墊包含一基底層係與該腐蝕抑制材料結合，該基底層係以一聚合樹脂製成。 10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該聚合樹脂係為一熱塑彈性體、熱固聚合物、聚氨酯 (polyurethanes)，聚烯(p〇iyolefins)，聚碳酸酯 (polycarbonates)’ 氟碳化合物（fiuorocarb〇ns)，聚丙烯醯胺 (polyacrylamides) ’ 聚醚（p〇iyethers)，聚巯胺（p〇lyamide)，聚醋酸乙烯酯（polyvinylaeetates)，聚乙烯醇 # (polyvinylalcohols) ’ 尼龍(nylons)，聚丙烯 (polypropylenes) ’ 彈性橡膠（elastomeric rubbers)，聚乙嫦 (polyethylenes) ’ 聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylenes)，聚二醚酮（polyetheretherketones)，聚乙烯對苯二曱酸醋 (polyethyleneterephthalates)，聚醯亞胺（p〇lyimides)，聚醯胺(polyaramides) ’ 聚亞芳（polyarylenes)，聚丙烯酸酯 (polyacrylates)，聚丙稀酸(polyacrylic acids)，聚苯乙烯 (polystyrenes)，曱基丙烯酸曱醋鲁 (polymethylmethacrylates)，上述成分之共聚物（COp〇iymers) 或上述成分之混合物。 11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該基底層之頂面具有至少一溝槽，且該溝槽係被該腐蝕抑制材料填滿。 12. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該腐蝕抑制材料包含胺乙酸(giydne)、左旋-脯氨酸(L-proline)、 18 1376741 too. 7. 2 5 ---1 年月曰修正替換頁1 100年7月25日修正替換頁 . 氨基丙矽醇烷（aminopropylsilanol)、氨基丙矽氧烧 (aminopropylsiloxane)、十二胺（dodecylamine)、離胺酸 (lysine)、酪胺酸(tyrosine)、麵醯胺酸（glutamine)、麵胺酸 (glutamic acid)或胱胺酸(cystine)