TW200418966A - A slurry composition and a polishing method using the same - Google Patents

Description

200418966 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於使用在化學機械硏磨（在下文中被稱爲 ” C Μ P ”）平坦化技術上的泥漿組成及該泥漿的使用方法， 其中該CMP爲半導體元件製程中的一個步驟。 【先前技術】

在一半導體元件製程中，一由多層絕緣層，金屬層及 類此者所構成的多層化的層疊結構被形成在一基材的淺溝 渠隔離層上。大體上，在多層化的層疊時，必須在該淺溝 渠隔離薄膜之後沉積一層間介電質薄膜於該基材上，用以 讓所產生的不規則接受化學機械硏磨（CMP)的平坦化處理 ，並將一新的配線層層疊到該經過平坦化的表面上。

最近，隨著半導體元件的縮小化在一基材上的一多層 化的層疊結構中每一層中進行著，對於更高的精確度的要 求亦隨著增加。因此之故，對於CMP步驟的需求正提高 中，且一由 CMP實施的平坦化步驟在半導體元件的製程 中變得益形重要。 最近，包含了氧化鋁作爲金屬氧化物硏磨顆粒之使用 在此CMP步驟中的硏磨泥漿組成已被使用在一硬質金屬 薄膜上，像是一鎢薄膜或類此者，及一包含二氧化矽作爲 硏磨顆粒的硏磨泥漿已被使用在一軟質的金屬膜上’如銅 及類此者。在此一硏磨泥漿中，氧化鋁及二氧化矽與一添 加物混合在一起用以控制在一金屬薄膜，一阻障薄膜或一 (2) 200418966

氧化薄膜之間的選擇率。此外，一層間介電質薄膜與一淺 溝渠隔離薄膜的平坦化硏磨中，二氧化矽顆粒及三氧化二 鈽顆粒被用作爲硏磨顆粒。在此一硏磨泥漿組成中，因爲 二氧化矽顆粒只具有機械硏磨功能，一硏磨速率（處理速 率）改善添加物，像是氫氧化鉀及氨，可被添加至該泥獎 組成中。在另一方面，因爲三氧化二姉顆粒與一薄膜的組 成之二氧化硫表面造成一輕微的化學反應’所以不需使用 添加物。又，使用三氧化二鈽顆粒可提供一快速的處理速 率）因此之故，一包含了三氧化二鈽的硏磨泥漿組成被認 爲有較佳的表現且最早被引進業界作爲改善產出率的手段 已經知道的是，當使用只有金屬氧化物顆粒被散布之 硏磨泥漿時，平坦化特性並不會較好。因此之故，處了金 屬氧化物顆粒之外，不同的添加物，像是表面活性劑，水 溶性的有機聚合物，有機酸，及螯合劑，已經爲了改善平 坦化的目的而被添加了。 φ 例如，已經知道的是，一水溶性的有機聚合物，像是 聚氧化乙烯，聚已烯醇，瓜爾膠，羧甲基纖維素，羥甲基 纖維素及聚丙烯酸酯被添加至一硏磨泥漿組成中且金屬氧 化顆粒被散布在水中，因爲平坦化的效果獲得改善所以圓 碟化（dishing)較不會在硏磨層間介電質薄膜，淺溝渠隔離 薄膜，及金屬薄膜等層時發生。 然而，當基材表面層在 CMP處理中常使用的一硏磨 壓力及一平台旋轉速度下用此一硏磨泥漿組成來加以硏磨 -6 - (3) (3)200418966 及平坦化時，就會產生問題。當一水溶性的有機聚合物被 添加至一泥漿組成中時，硏磨速率就會有變慢的傾向。而 且，當將要被硏磨的基材表面層的厚度很小時，硏磨速率 會被減慢。在此同時，刮痕會產生且平坦度明顯地變差。 例如，使用下列的泥漿組成是習知的：一研磨泥漿包 含一三氧化二鈽作爲硏磨顆粒及聚羧酸銨作爲水溶性的由 機聚合物（參見日本專利第3 2 7 8 5 3 2號，其藉由此參照而被 倂於本文中）；一硏磨泥漿組成包含一氧化鋁顆粒作爲硏 磨顆粒及*作爲水溶性的聚合物（參見日本專利第3 1 3 0279 號，其藉由此參照而被倂於本文中）；及一鈽氧化物硏磨 泥漿包含一鈽氧化物顆粒，丙烯酸銨與甲基丙烯酸銨共聚 物，及水（參見 JPU 000- 1 7 1 9 5號，其藉由此參照而被倂 於本文中）。然而，當基材表面層透過使用上述硏磨泥漿 組成中的一者來加以硏磨及平坦化時，刮痕會增加’即使 是圓盤化可被抑制且平坦化可獲改善亦然。 因此之故，必需要在前述的硏磨及平坦化步驟之後實 施一使用具有小且軟質顆粒（如，二氧化矽）的另一泥發的 最終硏磨步驟來去除前述硏磨及平坦化步驟所造成的刮痕 。因爲刮痕的問題，所以必需要實施此一極端麻煩且耗費 時間的最終硏磨步驟來去除刮痕，其典型地包括去除掉前 一平坦化硏磨步驟中所用之硏磨泥獎組成，淸洗β亥硏磨sS 備及硏磨墊，及準被並使用該最終硏磨步驟的寧發。或者 ，如果該最終硏磨步驟使用另一硏磨設備的話’即’使用 一不同於前一平坦化硏磨步驟所用的硏磨設備單元’則被 (4) 200418966 硏磨的基材就必需從一硏磨設備被送到另一硏磨設備處， 這不但會增加成本更是耗費時間。

由硏磨泥漿組成物所造成的括痕與刮痕是由包裹物， 一硏磨墊灰塵及類此者所造成的情況不同，其無法單純地 藉由改善硏磨設備及工作程序的控制，而不基本地改善硏 磨泥漿組成，來加以解決。在將一元件平坦化的處理中， 降低刮痕的產生是很重要的目標，且當元件的小化是無可 避免時，達成此一目標就變得很重要。例如，減緩製程的 許多問題，像是導因於有缺陷的布線（w i r i n g )及有缺陷的 層間介電質薄膜（如，痕容易造成缺陷的低k薄膜）所造成 在導線的電阻及斷裂上的增加，都可藉由降低刮痕的產生 來解決。 因此，一種可有效地減少痕的產生的硏磨泥漿及一種 可減少在實施一經濟的硏磨步騾期間之刮痕的產生是業界 所需求的。

【發明內容】 本發明提供一種用在硏磨半導體基材上之硏磨泥漿組 成，該半導體基材具有一金屬薄膜’ 一淺溝渠隔離薄膜， 或一介電質薄膜中的至少一者。該泥發組成包含一金屬氧 化顆粒，至少一水溶性的有機聚合物及水。該硏磨泥漿組 成的特徵在於，當該基材藉由與設置在該基材與一相對於 該基材運動的硏磨墊之間的泥漿組成接觸來加以硏磨使得 在該硏磨基材與該基材之間有一固定的壓力，並在一範圍 (5) (5)200418966 內改變該硏磨墊的運動速率時，該硏磨泥漿組成可在該固 定壓力下讓基材移除速率對硏磨墊-基材運動速率曲線表 現出一峰値，其中該該硏磨墊運動速率改變範圍是一半導 體基材的化學機械硏磨在一固定的硏磨壓力下所使用的範 圍。該固定的硏磨壓力是在lpsi(6.9kPa)至9psi(62.1kPa) 之間且該硏磨墊是備提供在一旋轉平台上。該相對運動被 界定爲該硏磨墊相對於基材的旋轉運動，及其中在基材移 除速率對硏磨墊-基材運動速率曲線上的峰値是在1 2rpm 至1 5 0 r p m的硏磨墊旋轉速率中被發現的。 在本發明的一實施例中，該硏磨泥漿組成包含複數種 水溶性的有機聚合物，其中每一種水溶性的有機聚合物都 具有一平均分子量，其中至少一較輕的水溶性有機聚合物 具有一平均分子量其爲另一較重的水溶性有機聚合物的平 均分子量的1 5 %至9 5 %。該較重的水溶性有機聚合物的重 量對該較輕的水溶性有機聚合物的重量的比例爲從95: 5至 5 : 9 5。又，該等水溶性有機聚合物的至少一者爲聚丙烯酸 鹽，聚乙烯醇，聚氧化乙烯，聚乙二醇，藻元酸，瓜爾膠 ，羧甲基纖維素，羥甲基纖維素，或它們的鹽，或它們的 組合。該水溶性聚合物的含量爲以該硏磨泥漿組成的總重 量的〇 . 〇 1重量％至3 %重量°/。之間。或者，該水溶性聚合物 的含量爲該硏磨泥漿組成的總重量的〇.〇5重量％至1.5重量 %之間。 此外，根據金屬氧化的選擇，可被使用的硏磨泥漿組 成有數種實施例。在一實施例中，使用在硏磨泥漿組成中 (6) 200418966

的金屬氧化物顆粒包含三氧化二鈽其具有一平均粒徑’其 中該三氧化二鈽的平均粒徑爲0.03微米至0.5微米，其中 在該泥漿組成內的金屬氧化物顆粒的固體含量是該泥漿組 成的總量的〇.1重量％至2 0重量°/。。在一第二實施例中’使 用在硏磨泥漿組成中的金屬氧化物顆粒包含二氧化矽其具 有一平均粒徑，其中該二氧化矽的平均粒徑爲0.03微米至 〇 . 5微米，其中在該泥漿組成內的金屬氧化物顆粒的固體 含量是該泥漿組成的總量的〇 · 1重量％至2 0重量％。在一第 三實施例中，使用在硏磨泥漿組成中的金屬氧化物顆粒包 含氧化鋁其具有一平均粒徑，其中該氧化鋁的平均粒徑爲 0.03微米至0.5微米，其中在該泥漿組成內的金屬氧化物 顆粒的固體含量是該泥漿組成的總量的〇. 1重量％至20重量 % 〇

本發明亦提供一種硏磨半導體的方法，其包含：提供 一基材；提供一依據本發明的硏磨泥漿組成，其中該硏磨 泥漿組成被設置在該基材與一硏磨墊之間；固持該墊及基 材的一部分用以產生一硏磨壓力；及移動該硏磨墊及該基 材中的至少一者用以在該硏磨墊與該基材之間獲得一相對 運動速率，藉以硏磨該半導體基材。在一實施例中，介於 該硏磨墊與該基材之間的相對運動速率爲可在該硏磨壓力 下提最高的基材移除速率之相對運動速率的30%以內。在 第二實施例中，介於該硏磨墊與該基材之間的相對運動速 率爲可在該硏磨壓力下提最高的基材移除速率之相對運動 速率的1 5 %以內。在第三實施例中，介於該硏磨墊與該基 -10- (7) 200418966 材之間的相對運動速率爲在該硏磨壓力下提最高的基材移 除速率之相對運動速率。在第四實施例中，介於該硏磨墊 與联基材之間的相2彳運動速率會改變，其中介於該硏磨塾 與該基材之間的相對運動速率爲可在該硏磨壓力下提最高 的基材移除速率之相對運動速率的3 〇 %以內。在第五實施 例中，介於該硏磨墊與該基材之間的相對運動速率會改變 ’其中介於該硏磨墊與該基材之間的相對運動速率爲可在

該硏磨壓力下提最高的基材移除速率之相對運動速率的 1 5 %以內。

依據本發明的方法，該硏磨步驟包含一第一平坦化步 驟及一最終硏磨步驟，其中本發明的硏磨泥漿組成的任何 一實施例都可被實施在該第一平坦化步驟及該最終硏磨步 驟中。此外，相同的硏磨泥漿組成可被同時使用在該第一 平坦化步驟及該最終硏磨步驟中。在平坦化步驟中介於該 硏磨墊與該基材之間的相對運動速率高於在最終硏磨步驟 中之介於該硏磨墊與該基材之間的相對運動速率。在平坦 化步驟中的硏磨速率低於在最終硏磨步驟中的硏磨壓力， 其中在平坦化步驟及在最終硏磨步驟中，介於硏磨墊與基 材之間的相對運動是在該硏磨壓力下提最高的基材移除速 率之相對運動速率的30%以內。在另一實施例中，在平坦 化步驟中的硏磨速率低於在最終硏磨步驟中的硏磨壓力， 其中在平坦化步驟及在最終硏磨步驟中，介於硏磨墊與基 材之間的相對運動是在該硏磨壓力下提最高的基材移除速 率之相對運動速率的1 5%以內。在另一實施例中，在平坦 -11 - (8) (8)200418966 化步驟中的硏磨速率低於在最終硏磨步驟中的研磨壓力， 其中在平坦化步驟及在最終硏磨步驟中，介於研磨墊與基 材之間的相對運動相同於在該硏磨壓力下提最高的基材移 除速率之相對運動速率。又，在平坦化步驟中的硏磨速率 低於在最終硏磨步驟中的硏磨壓力，其中在平坦化步驟中 之介於硏磨墊與基材之間的相對運動大於在最終硏磨步驟 中之介於硏磨墊與基材之間的相對運動。

[實施方式】 依據本發明的硏磨泥漿組成將於下文中加以說明。 本發明提供一種用在硏磨一半導體基材上的泥發組成 ，其包含一金屬氧化物顆粒，一水溶性有機聚合物，及水 。該泥漿組成的特徵在於可在一固定的硏磨壓力下藉由改 變設在一硏磨設備上的硏磨墊的速率來硏磨具有一金屬薄 膜，一淺溝渠隔離薄膜或一介電質薄膜的基材，並達到一 最大的硏磨速率。 0 在本文中，” 一硏磨墊-硏磨速率曲線表現出一峰値” 係指，當一基材用本發明的硏磨泥漿組成且在CMP處理 中經常採用的硏磨墊運動速率的範圍內改變硏磨墊運動速 率來硏磨，同時保持一固定的硏磨壓力，則該硏磨速率隨 著硏磨墊運動速率從從一最小値逐漸增加，亦最終將達到 一最大値。在該硏磨速率達到一最大値之後，該硏磨速率 將不會超過該最大値，即使是該硏磨墊速率進一步增加亦 然。在一較佳的實施例中，該峰値爲在一旋轉平台系統中 -12- 200418966 Ο) 之一般CMP硏磨壓力範圍內的最大値，其中該峰値代表 一最大的移除速率。在較高的硏磨墊速率下的移除 比在峰値時的移除速率低。所有其它的的基材移除速率都 低於該最大移除速率，且在該峰軸之上及之下的硏磨墊速 率其硏磨速率都比該最大的移除速率低。應被瞭解的是’ 當使用不同的硏磨壓力時，該峰値會發生在不同的硏磨速 率 〇

在另一方面，在一般的CMP條件下，在先前技藝中 硏磨泥漿組成的本質爲，其硏磨速率會與硏磨壓力及硏磨 墊速率的增加成正比。

藉由使用可在一固定的硏磨壓力下達到最大的移除速 率之硏磨泥漿組成來硏磨半導體基材，該被平坦化的表面 表現出的刮痕程度是極小的。此外，當使用上述的泥漿組 成於一包含了一平坦化硏磨步驟及一最終硏磨步驟的半導 體基材硏磨步驟中時，同一種尼將組成可被使用在這兩個 步驟中。 以前的泥漿組成與本發明之上述的硏磨泥漿組成之間 在工作上是如何不同將於下文中說明。 硏磨係依據介於基材與作爲硏磨性組成的金屬氧化物 顆粒之間的剪應力的大小來實施的。然而，因爲此剪應力 會隨著硏磨墊的速率增加而變大，所以硏磨墊速率的升高 意謂著更多的硏磨。然後，在本發明的硏磨泥漿組成中的 水溶性有機聚合物可促進金屬氧化物顆粒與基材之間的滑 動，而被促進的滑動則會導致在硏磨力上的降低。因此之 -13 - (10) (10)200418966 故’當在一固定的硏磨壓力下使用本發明的泥漿組成以一 加快的處理速率來實施硏磨時，在硏磨墊速率達到該硏磨 墊速率最大値時，在該泥漿組成中之該水溶性有機聚合物 的滑動特性即開始佔優勢。 相反地，關於以前的硏磨泥漿組成，即使是該硏磨墊 速率增加至 CMP處理所經常採用的範圍，硏磨力的升高 通常是伴隨著金屬氧化物顆粒的剪力的增加，而這總是超 過水溶性聚合物的滑動特性。處理速率係隨著硏磨墊速率 而成等比例的增加。 當然，此一機制只是一個假設，且本發明並不侷限於 此機制。 使用本發明的硏磨泥漿組成時，一 ”測試基材”以該泥 漿組成來加以硏磨，其結果被畫成硏磨墊速率對硏磨速率 的圖表。該”測試基材”並沒有特別限制是何種類，只要其 爲包含一金屬薄膜，一淺溝渠隔離薄膜或一絕緣薄膜（層 間介電質薄膜，氮化物薄膜，等等）的基材即可。 此外，施加在該測試基材上的固定的硏磨壓力可以是 在 CMP處理中常用的硏磨壓力範圍，而較佳地是在 lpsi(6.9kPa)至 9psi(62.1kPa)之間。 使用在本發明中的硏磨設備種類並沒有特別限制，只 要該測試基材的中心對於硏磨墊的相對運動速率是在 CMP處理採用的一般範圍內即可。適合的硏磨設備種類 包括：（1 ) 一旋轉平台系統，其具有一可旋轉的平台，其 上結合有一硏磨墊及一用來固持該基材的機構（即，一載 -14 - (11) (11)200418966 具）；（2 )—輸送帶系統，其具有一輸送帶，其上結合有一 硏磨墊移動於一預定的直線方向上及一用來固持該基材的 機構（即，一載具）；（3)一軌道式系統，其具有一平台其上 結合有該硏磨墊移動於一橢圓的軌道上及一用來固持該基 材的機構（即，一載具）；及（4)一 〇Ptidi an系統。在本發明 中，使用的是一*旋轉式平台系統。 例如，當採用一旋轉平台系統時，該被硏磨的基材的 中心對於該硏磨墊的運動速率可如下所述地加以計算。例 如，當Ebara EP0222D式的硏磨設備（平台直徑約610mm) 被用作爲硏磨設備時，頂環的中心位在離該平台的中心約 1 7 0mm處且當該平台的旋轉速率爲1 2rpm時，基材中心的 相對運動速率爲 2x17.0x3· 14x1 2 cm/min，即爲 12.81 m/min 。此外，當該平台的旋轉速率爲l〇〇rpm時，則爲 106.76m/min 〇 此外，該硏磨墊速率可變動於CMP處理所採用的一 般範圍內。當採用一旋轉平台系統時，最好是在硏磨墊速 率（平台的轉速）在12rpm至150rpm的範圍內時硏磨速率達 到該最大値，及更佳的是在硏磨墊速率在15rPm至60rpm 的範圍內時硏磨速率達到該最大値。 在此例子中，用來固定並轉動基材的該頂環的轉數最 好是該平台的轉數的0.5至2 . 5倍，更佳地爲1至].3倍。例 如，當該平台的轉數爲12rpm時，該頂環的轉數爲12-1 6 r p m。 尺用在本發明的硏磨泥漿組成中的金屬氧化物顆粒的 -15- (12) 200418966 例子包括氧化鋁，二氧化矽，三氧化二鈽及類此者。

氧化鋁顆粒種類的例子包括：（1 ) α氧化鋁其被鍛燒 且包含少量的r氧化鋁；及（2) —氧化鋁顆粒其可藉由硏 磨及篩析α氧化鋁來獲得。使用具有0.0 3微米至0.5微米 的平均粒徑的氧化鋁是較佳的。氧化鋁的另一個例子包括 包含r氧化鋁或柏買石（bo ehmit)之膠態的氧化鋁，但這並 非是較佳的，因爲此類的顆粒太軟。二氧化矽顆粒的例子 包括膠態的二氧化矽及高純度的膠態二氧化矽，其可藉由 從水玻璃中去除掉鹽及將二氧化矽聚合物化來獲得。高純 度的膠態二氧化矽可藉由水解四甲氧基矽烷或四乙氧基矽 烷其爲一有機烷氧化物，並將水解物轉變爲一可被使用的 膠態來獲得。使用在本發明的硏磨泥漿組成中的三氧化二 鈽顆粒的一個例子可藉由讓氫氧化鈽及類此者與铈的硝酸 鹽，硫酸鹽或氯化物的水溶液反應來獲得，其然後被中性 化或加熱老化，用水洗，乾燥，鍛燒，並被硏磨與篩析。 使用在本發明的硏磨泥漿組成中的三氧化二鈽顆粒的另一 個例子可藉由使用鈽的氯化物，硝酸鹽或有機酸鹽類作爲 原材料並依據霧化的超細微二氧化係所用的處理來處理來 獲得。在另一實施例中，三氧化二鈽亦可利用超細微的鈽 氧化物來製備，其中該超細微的鈽氧化物可藉由使用一有 機鈽化合物的化學氣相沉積來獲得。另一種可能性爲使用 散布在水中的膠態三氧化二鈽，其可藉由將鈽的硝酸鹽， 硫酸鹽或氯化物的水溶液，或鈽的烷氧化物水解來獲得。 在本發明中，該金屬氧化物顆粒爲二氧化矽或三氧化 -16- (13) 200418966 二鈽是較佳的，且更佳地該金屬氧化物顆粒是三氧化二铈 在本發明中，該金屬氧化物顆粒的純度爲鹼金屬’像 是鉀，鈉，鋰，的濃度爲]〇〇〇ppm或更少及重金屬’像是 鎳，鋅及鉛，的濃度爲1 或更少。更佳的是’在泥 漿組成中之這些雜質的含量是上述濃度的I/10至1/10(3 ’ 甚至更低。

使用在本發明中之金屬氧化物顆粒的平均粒徑是在 0.03微米至0.5微米之間，詳言之0.08微米至0.3微米的平 媼粒徑是較佳的。小於〇 · 〇 3微米的顆粒太小，會使得處理 速度太慢而不經濟。此外，當使用的金屬氧化物顆粒的直 徑超過〇 . 5微米時，處理速度會較快，但會有較多的括痕 產生。

在本發明中，在硏磨泥漿組成中的金屬氧化物顆粒的 固體含量最好是總組成的〇 . 1重量％至2 0 · 0重量％，而0 · 2重 量％至1 0.0重量％則是較佳的範圍。當固體含量少於〇 · 1重 量％時，處理速度有變面的傾向，這是不能被接受的。在 固體含量超過20.0重量％時，會很難將硏磨條件設定在可 達成最大移除率的狀況，且很難獲得引定的硏磨狀況，這 亦是不能被接受的。 包含在本發明的硏磨泥漿組成中之水溶性有機聚合物 的例子包括聚丙烯酸鹽，聚乙烯醇，聚氧化乙烯，聚乙二 醇，藻元酸，瓜爾膠，羧甲基纖維素，羥甲基纖維素，或 它們的鹽。最好是使用聚丙烯酸或聚丙烯酸鹽，及更佳地 -17- (14) (14)200418966 係使用聚丙烯酸銨。 在本文中，”水溶性有機聚合物，，一詞中的”水溶性，，不 只包括聚合物完全溶解在水中的狀態，更包括聚合物散布 在水中且只部分地溶解在水中的狀態。 在本發明中，可藉由包括兩種或更多種水溶性有機聚 合物（其據有不同於前述的水溶性有機聚合物的重量平均 分子量）來獲得於固定硏磨壓力下可達到最大移除率的硏 磨泥漿組成。 當本發明的硏磨泥漿組成包含兩種或更多種具有不同 的重量平均分子量的水溶性有機聚合物時，這些水溶性聚 合物會在泥漿組成中獨立地表現，所以在一被平坦化的基 材表面上舉有一極少括痕數量的硏磨結果。如前所述，水 溶性聚合物在本發明的泥漿組成中提供滑動效果，且此效 果會隨著水溶性聚合物的種類而有所不同。被假設的是， 正面地防止由金屬顆粒所造成的括痕的效果是由金屬氧化 物顆粒的部分附著或金屬氧化物顆粒的散布所表現的。 當然，此一機制只是一個假設，且本發明並不侷限於 此一假設。 在本發明中，在泥漿組重中之此兩種或更多種水溶性 有機聚合物的總固體含量最好是在該泥漿組成的組量的 0.01重量％至3.0重量％之間，更佳地是在0.05重量％至1.5 重量％之間。當總固體含量少於〇. 01重量％時，很難將硏 磨條件設定在可達成最大移除率的狀態，這是無法被接受 的。在另一方面，當該總固體含量超過3.0重量％時，處理 (15) 200418966 速度會變得非常慢讓其不合經濟效益，同時讓泥漿的散布 性降低且讓防止括痕形成的效果變差，這些都是無法被接 受的。

使用在本發明中的兩種或更多種，最好是兩種至三種 水溶性有機聚合物具有不同的重量平均分子量。在兩種水 溶性有機聚合物的例子中，一具有較輕的分子量的一水溶 性有機聚合物的平均分子量爲另一具有較重的分子量之水 溶性有機聚合物的平均分子量的1 5 %至9 5 %，更佳地是在 2 5 %至7 5 %，最佳地是在3 0 %至6 0 %之間。依據分子量是如 何被測量的，重量平均分子量有8000-24000及26000-50000，更佳地爲 10000-20000 及 27000-40000，兩組群可 作爲此重量平均分子量的例子。第一組群的含量及第二組 群的寒量的比例爲9 5 ·· 5至5 : 9 5，更佳地爲9 0 : 1 〇至5 0 : 5 0 在使用三種或更多種水溶性有機聚合物（其皆具有不 同的分子量）於本發明的例子中，其包括了兩種水溶性有 機聚合物中的每一者的分子鏈被打斷使得這三種或更多種 水溶性有機聚合物被包含在該硏磨泥漿組成中。 這些水溶性有機聚合物的重量平均分子量可用膠滲透 層析（G P C )分析設備來測量。根據此方法可量測數百至數 千的分子量，且可量測兩種或更多種的水溶性有機分子的 重量平均分子量。應注意的是，該Gp C係使用聚乙二醇 作爲一標準材質來良測重量平均分子量。 兩種或更多種水溶性有機聚合物的組合例包括： -19- (16) (16)200418966 (1) 使用含量比例爲7 0 : 3 0- 90 : 1 0之具有約12〇〇 〇至 約2 0 0 0 0的重量平均分子量的聚丙烯酸銨，及具有約2 2 0 0 0 至約40000的重量平均分子量的聚丙烯酸銨，及 (2) 使用含量比例爲6 0 : 40-90 : 1 0之具有約14〇〇〇至 約22000的重量平均分子量的聚丙烯酸銨，及具有約26〇〇〇 至約42 0 00的重量平均分子量的聚丙烯酸銨。 該硏磨泥漿組成的pH値並沒有特別限制，但最好是 在4 - 1 0之間，更佳地是在4 - 6之間。 例如，在使用含有〇 · 1 2微米的粒徑的三氧化二鈽顆粒 ，及具有約165Q0的重量平均分子量的聚丙烯酸銨及具有 約3 0 5 0 0的重量平均分子量的聚丙烯酸銨作爲水溶性有機 聚合物的本發明硏磨泥漿組成時，可獲得括痕數量極少的 被平坦化表面。 本發明的硏磨泥漿組成可藉由添加一預定數量的水至 一備有一攪拌器的容器中，在攪拌期間添加一金屬氧化物 品粉末或膠體，將它們均勻混合，用以散布設備來處理它 們來消除積塊，例如使用膠體磨機，高速散布機，超音波 散布機及一球磨，及進一步滟加與混合一水溶性有機聚合 物來製成。當使用兩種或更多種水溶性有機聚合物時，它 們可被預先混合，或它們可在之後被直接添加。關於添加 t屬氧化顆粒粉末或膠體及水溶性有機聚合物的順序及關 於將它們攪拌與散布的方法，任何順序及方法都可被使用 ’只要本發明之減少刮痕的有利效果可被保持即可。 不同的添加物可被添加至本發明的硏磨泥漿組成中， -20- (17) (17)200418966 只要不妨礙到本發明的有利效果的發揮即可。此等添加物 的例子包括一表面活性劑，一流動性調整劑，一氧化劑， 一抗腐蝕劑，一腐蝕劑，一緩衝溶液，及一螯合劑。 而且’本發明提供一種硏磨方法其包含了使用本發明 之上述的硏磨泥漿組成來硏磨一半導體基材。依據本發明 的硏磨方法，可獲得一被平坦化的基材表面其具有極少的 刮痕數量。 依據本發明的硏磨方法，不僅是在硏磨步驟被分成一 平坦化硏磨步驟及一最終硏磨步驟的情形中，而且在硏磨 步驟是在一單一步驟中被實施的情形中，都可使用同一泥 漿組成來實施硏磨。 依據本發明的硏磨方法，在前面平坦化硏磨步驟中， 亦即’在實施平坦化處理使得被形成有圖案的晶圓的不同 表面層（如，一層間介電質層及一阻障層）的厚度被降低的 步驟中，必需要有一硏磨泥漿組成其具有一大處理速率及 較佳的平坦化特性。在另一方面，在後面的最終硏磨步驟 中，一不同於前面的步驟使用的泥漿之泥漿被製備，且在 前面步驟中所產生的刮痕被去除掉。 相反地，在本發明的方法中，因爲同一泥漿組成可被 使用在平坦化硏磨步驟及最終硏磨步驟中，所以不需要改 變泥漿組成。改變泥漿組成會產生許多問題。例如，這些 問題都與硏磨設備的淸洗及新的硏磨設備的準備有關。這 些問題都可在本發明中加以解決。本發明不需要使用到多 平台設備，即在一硏磨設備中設有複數個平台。此外，硏 -21 - (18) 200418966 磨步驟所需的時間可被縮短，同時產生其它的好處，像是 省掉用來儲存泥漿的筒子，省掉供應管路，及類此者。

在本發明的硏磨方法中，一形成在基材上的薄膜被硏 磨同時本發明的泥漿組成被用在硏磨設備的硏磨墊上。關 於該硏磨設備，上文所述的任何硏磨設備種類都可被使用 。關於硏磨條件，在CMP中一般被採用的硏磨條件都可 被使用。關於硏磨墊，一般的不織布，可延展的聚胺基乙 酸酯，及多孔性氟樹脂都可被使用，但並不侷限於這些種 類的硏磨墊。此外，最好是在硏磨墊上實施溝槽處理使得 泥漿組成可留在墊上。

在本發明的硏磨方法中，在前面的平坦化硏磨步驟中 之硏磨墊速率高於在後面的最終硏磨步驟中的硏磨墊速率 是較佳的，且在平坦化硏磨步驟中的硏磨壓力低於在最終 硏磨步驟中的硏磨壓力是較佳的。當此等硏磨條件被採用 時，刮痕減少的效果可獲得進一步的增進。 當一旋轉式平台系統被使用作爲硏磨設備時，在前面 的平坦化硏磨步驟中，硏磨最好是使用2?以（13.81^3)-3?5丨（20.71^&)的硏磨壓力及1〇(^]3]11的平台轉速來實施， 及在後面的最終硏磨步驟中，硏磨最好是使用 5psi(34.5kPa)-7psi(48.3kPa)的硏磨壓力及 15-35rpm 的平 台轉速來實施。或者，藉由適當地設定硏磨條件，在前面 的步驟及在後面的步驟中的該硏磨壓力及硏磨墊轉速可以 是相同的。這可藉由選定接近最終硏磨步驟中所採用的硏 磨條件來作爲前面的平坦化硏磨步驟中的硏磨條件來達成 -22- (19) (19)200418966 將被本發明的硏磨方法所硏磨的半導體基材的較佳例 子包括具有二氧化矽薄膜的矽晶圓，且更佳的例子包括被 提供有一層間介電質薄膜（包括第k薄膜）或一淺溝渠隔離 薄膜的元件晶圓。此外，基材的例子還包括被提供有金屬 薄膜的基材。 如上所述的，藉由使用本發明的硏磨泥漿組成，可獲 得刮痕數極少的被平坦化基材表面。此外，藉由使用本發 明的硏磨泥漿組成，在前技中必需使用不同的泥漿組成的 硏磨步驟現在可使用一種泥漿組成來實施。此外，藉由使 用本發明的硏磨泥漿組成，可防止在下層中之金屬氧化物 顆粒的沉澱及分離，並可獲得較佳的顆粒散布性。因此， 就不需要在硏磨之前將該泥漿組成再散布，並藉以解決在 硏磨期間的許多問題。 本發明的例子將於下文中說明，但本發明的技術範圍 並不侷限於此。 (1)硏磨墊速率-硏磨速率曲線 根據列在表1中的組成，有八種泥漿組成被製備（A-J) 且分別獲得其硏磨墊速率-硏磨速率曲線。 在表1中，PAANHU代表聚丙烯酸銨及PVA代表聚乙 烯醇。聚乙烯醇係使用購自Shin-EtsuChemical公司（其重 量平均分子量被示於表]中，其是由上述公司所提供）。 關於硏磨設備，係使用 Ebara EPO-222D。關於硏磨 -23- (20) (20)200418966 墊，係使用IC- 1 000/SUBA400。此外，關於測試基材，係 使用具有被臭氧TEOS且厚度爲]5000埃（A)的ILD平面薄 膜之一 200 mm晶圓。 關於硏磨條件，負載被保持固定在2 0 0 g / c m2，硏磨泥 漿組成的流率爲l2〇ml/min，平台的轉速被改變於15rpm 至6〇rpni之間，及頂環的轉速爲平台轉速的κ2倍。

-24- (21)200418966

s 〇 〇 cn § oo 寸· oo to 〇\ 水溶性有機聚合物2 含量 (wt%) 0.05 1 0.012 1 0.25 1 0.15 0.075 1 1 分子量 30, 0 00 1 30, 0 00 售 30, 0 00 1 28, 0 00 27, 0 00 1 1 種類 PAANH4 1 paanh4 1 paanh4 1 paanh4 PVA 1 1 水溶性有機聚合物1 含量 (wt%) 0.20 1 0.048 1 0.25 ! '0.15 0.35 0.425 6.00 Ο 分子量 16, 500 1 16, 500 1 1 9, 000 1 14, 000 9, 000 | 30, 000 8, 000 種類 PAANH4 1 paanh4 1 paanh4 Hectorlte clay paanh4 PVA 聚丙烯酸銨 ραανη4 含量 (wt°/o) 〇 〇 0.25 0.25 in o 〇 ο ο 粒徑 (nm) 0.12 0.12 0.12 ] 0.12 ( 0.30 0.30 0.20 0.15 0.60 0.30 IMsI 種類 三氧化二鈽 三氧化二姉丨 三氧化二姉 三氧化二鈽 三氧化二鈽 I 三氧化二鈽 氧化鋁 二氧化矽 三氧化二鈽 三氧化二姉 < PQ Ο Q 〇 h-H

-25- (22) 200418966 關於這八種硏磨泥漿組成的每一種，在處理速率及每 一平台轉速上的改變都被匯出用以檢驗在該處理速率中是 否存在一最大値（峰値）。處理速率的測量是使用 N a η 〇 m e 11· i c s公司的N a η 〇 s p e c 6 1 0 0薄膜測量設備來實施的 ο 處理速率及每一平台轉速的測量結果被示於表2中。 根據表2畫出的硏磨墊速率-硏磨速率曲線被示於第1圖（Α-F)及第2圖（G-J)中。 -26- (23)200418966 峰値 _ Kn 蝦.Κπ εΚ Κπ _ 蝴 Κπ Κπ ε gn 100 3900 1400 2600 150 2850 2100 2700 2650 I 3850 50rpm 100 3400 1650 2000 200 2700 2250 2850 2600 1 ! 3400 1 、 O j 寸 ) 100 2700 1750 1850 250 2500 2050 2400 2500 3100 p M ? 1250 2000 1600 1800 1400 2200 1800 1950 2400 1700 丨 s CN 1250 j 1350 1450 1350 1500 1750 1600 1500 2350 2400 s Λ f < 1000 750 850 700 1100 1200 1450 1050 2150 2000 泥漿組成 -27- (24) 200418966 在表2中，處理速率（硏磨速率）的單位是人/min ° 如表2中所見，硏磨泥漿組成A爲本發明的泥發組成 其在2 4 1. p m - 3 0 r p m的平台轉速時具有最大的硏磨速率値’ 而泥漿組成C是在4〇rpm，泥漿組成E是在24rpm ’及泥 漿組成G是在5 〇rpm時時具有最大的硏磨速率値。此外’ 泥漿組成A被用4倍的水稀釋用以製備該泥漿組成。該硏 磨墊速率-硏磨速率曲線藉由找出該處理速率在40rpm時 具有一最大數値來檢驗此關係。 (2)硏磨測試（硏磨泥漿組成A-D)

一硏磨測試藉由使用在（1 )中所獲得的硏磨泥漿組成 A-D並使用在（1)中所使用的硏磨設備及硏磨墊來實施。 關於將被硏磨的基材，一形成有圖案的晶圓被使用，其中 一厚度爲人之15000?-了£03氧化物薄膜被形成在一20〇111111 的矽晶圓上。該晶圓亦具有一圖案其具有寬度1 〇微米的外 凸部分及一寬度爲5微米的內凹部分，其厚度差爲5 000人 關於硏磨條件，在前面的平坦化硏磨步驟中該硏磨泥 漿組成的流率爲120ml/min。硏磨是在38g/cm2的負載下用 6 5 rpm的平台轉速實施2分鐘。此外，在後面的最終硏磨 步驟中，硏磨是在]80g/cm2的負載下用14rpm的平台轉速 實施2分鐘。在硏磨之後，基材用水淸洗I分鐘，並用一旋 轉乾燥機加以乾燥。之後，測量導因於基材刮痕的缺陷數 量。關於測量設備，係使用K L A - T e n c ο 1.公司的K L A 2 3 5 1 -28- (25) (25)200418966 其結果爲，產生在使用本發明的硏磨泥漿組成A所 硏磨的基材上，尺寸爲〇·2微米或更大的刮痕數量爲每片 基材有5個。相同地，在使用本發明的硏磨泥發組成C的 例子中，刮痕數爲1 1個。相反地，在使用前技泥漿組成的 泥漿組成B的例子中，刮痕數爲62個。在使用前技泥漿組 成的泥漿組成D的例子中，刮痕數爲7 7個，這個數量實 在太多了。 此外，只包含後面的最終硏磨步驟的硏磨在使用本發 明的泥漿組成A下被實施5分鐘，此外上文所述的淸洗及 乾燥處理亦被實施。刮痕數目被測量並且發現每片基材上 的刮痕數爲1 2個，這是很少的數量。相反地，只包含後面 的最終硏磨步驟的硏磨在相同的條件下使用前技的硏磨泥 漿組成B被實施。而，其被測量到的刮痕數爲43個，這實 在是太多了。

(3)硏磨測試（硏磨泥漿組成E，F , I及J) 在使用在（1)中所獲得的硏磨泥漿組成E，F，I及J 下與（2)相同的硏磨測試被實施，其中將被硏磨的基材爲 一有圖案的晶圓其具有一淺溝渠隔離薄膜，該薄膜具有特 定的層，其是藉由以5 〇 %的圖案密度，〗〇微米的節距及 4 0 0 0人的深度來形成一圖案溝槽於2 〇 〇 m m矽晶圓平面上 ，並將一厚度爲6000人的高密度電漿TEOS氧化物薄膜埋 於其上，來獲得的。 -29- (26) 200418966 此外，關於硏磨條件，在前面的平坦化硏磨步驟中硏 磨是在1 〇 〇 g / C m 2的負載下用6 5 rp m的平台轉速實施2分鐘 。此外，在後面的最終硏磨步驟中，硏磨是在4 0 0 g / c m 2的 負載下用1 2rpm的平台轉速實施2分鐘。

其結果爲，產生在使用本發明的硏磨泥漿組成E所硏 磨的基材上，尺寸爲微米或更大的刮痕數量爲每片基 材有2 5個，這是非常少的。相反地，在使用前技泥漿組成 的泥漿組成F的例子中，刮痕數爲1 3 6個，在使用前技泥 漿組成的泥漿組成I的例子中，刮痕數爲2 1 8個，及在使 用前技泥漿組成的泥漿組成J的例子中，刮痕數爲1 7 7個 ，這些數量實在太多了。 (4)硏磨測試（硏磨泥漿組成F，G及H)

在使用在（1 )中所獲得的硏磨泥漿組成F，G及Η下與 (2)相同的硏磨測試被實施，其中將被硏磨的基材爲一有 圖案的晶圓其是藉由形成一厚度爲7000人的臭氧TEOS薄 膜於一 2 0 0 m m矽晶圓上，以5 0 %的圖案密度，1 〇微米的節 距及3 00 0人的深度來形成一圖案溝槽，形成一 TaN阻障 層於其上，及進一步形成由沉積銅構成之厚度爲15000 A 的金屬薄膜於其上，來獲得的。 此外，關於硏磨條件，只有一步驟被實施，其是在 ]2 0g/cm2的負載下用1 2rpm的平台轉速實施3分鐘。 其結果爲，產生在使用本發明的硏磨泥漿組成G所 硏磨的基材上，尺寸爲〇. 1 4微米或更大的刮痕數量爲每片 -30- (27) 200418966 基材有6 5個。相同地，在使用本發明的硏磨泥漿組成Η 的例子中，刮痕數爲4 7個，這是非常少的。相反地，在使 用前技泥漿組成的泥漿組成F的例子中，刮痕數爲2 6 3個 ，這些數量實在太多了。 【圖式簡單說明】

第1圖爲一圖表，其顯示使用 A - F硏磨泥漿組成所獲 得之硏磨速率，其中橫軸代表硏磨速率及縱軸代表硏磨墊 速率。 第2圖爲一圖表，其顯示使用硏磨泥漿組成所獲 得之硏磨速率，其中橫軸代表硏磨速率及縱軸代表硏磨墊 速率。

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Claims (1)

1. 200418966 Ο) 拾、申請專利範圍

   1 . 一種用在硏磨半導體基材上之硏磨泥漿組成’該半 導體基材具有一金屬薄膜，一淺溝渠隔離薄膜，或一介電 質薄膜中的至少一者，該硏磨泥漿組成包含：一金屬氧化 顆粒，至少一水溶性的有機聚合物，及水，該研磨泥漿組 成的特徵在於，當該基材藉由與設置在該基材與一相對於 該基材運動的硏磨墊之間的泥漿組成接觸來加以硏磨使得 在該硏磨基材與該基材之間有一固定的壓力，並在一範圍 內改變該硏磨墊的運動速率時，該硏磨泥漿組成可在該固 定壓力下讓基材移除速率對硏磨墊-基材運動速率曲線表 現出一峰値，其中該該硏磨墊運動速率改變範圍是一半導 體基材的化學機械硏磨在一固定的硏磨壓力下所使用的範 圍。

   2 .如申請專利範圍第1項所述之硏磨泥漿組成，其中 該固定的硏磨壓力是在lpsi(6.9kPa)至9psi(62.1kPa)之間 且該硏磨墊是被提供在一旋轉平台上，及其中該相對運動 被界定爲該硏磨墊相對於基材的旋轉運動，及其中在基材 移除速率對硏磨墊-基材運動速率曲線上的峰値是在1 2rpm 至1 5 0 r p m的硏磨墊旋轉速率中被發現的。 3 .如申請專利範圍第〗或2項所述之硏磨泥漿組成，其 中該泥漿組成包含複數種水溶性的有機聚合物，其中每一 種水溶性的有機聚合物都具有一平均分子量，其中至少一 較輕的水溶性有機聚合物具有一平均分子量其爲另一較重 的水溶性有機聚合物的平均分子量的1 5 %至9 5 %。 -32、 (2) (2)200418966 4 .如申請專利範圍第3項所述之硏磨泥漿組成，其ψ 該較重的水溶性有機聚合物的重量對該較輕的水溶性有· _ 聚合物的重量的比例爲從9 5 : 5至5 : 9 5之間。 5 .如申請專利範圍第1項所述之硏磨泥漿組成，其ψ 該等水溶性有機聚合物的至少之一爲聚丙烯酸鹽。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之硏磨泥漿組成，其+ 該等水溶性有機聚合物的至少之一爲聚乙烯醇。 7 .如申請專利範圍第1項所述之硏磨泥漿組成，其+ 該等水溶性有機聚合物的至少之一爲聚氧化乙烯，聚乙^ 醇，藻元酸，瓜爾膠，羧甲基纖維素，羥甲基纖維素，$ 它們的鹽，或它們的組合。 8 ·如申請專利範圍第1項所述之硏磨泥漿組成，其中 該水溶性聚合物的含量爲該硏磨泥漿組成的總重量的0. 〇 i 重量％至3 %重量％之間。 9 .如申請專利範圍第1項所述之硏磨泥漿組成，其中 該水溶性聚合物的含量爲該硏磨泥漿組成的總重量的〇 . 〇 5 重量％至1.5重量％之間。 1 0 ·如申請專利範圍第1項所述之硏磨泥漿組成，其中 該金屬氧化物顆粒包含二氧化二铈其具有一平均粒徑，其 中該三氧化二鈽的平均粒徑爲〇·〇3微米至0.5微米，其中 在該泥漿組成內的金屬氧化物顆粒的固體含量是該泥漿組 成的總量的0.1重量％至2〇重量％之間。 1 1 ·如申請專利範圍第1項所述之硏磨泥漿組成，其中 該金屬氧化物顆粒包含二氧化矽其具有一平均粒徑，其中 -33 - (4) 200418966 該硏磨壓力下提最高的基材移除速率之相對運動速率° 1 7 ·如申請專利範圍第1 3項所述之硏磨半導體的方法 ，其中介於該硏磨墊與該基材之間的該相對運動速率會改 變，其中介於該硏磨墊與該基材之間的該相對運動速率爲 可在該硏磨壓力下提最高的基材移除速率之相對運動速率 的3 0 %以內。

   1 8 .如申請專利範圍第1 3項所述之硏磨半導體的方法 ，其中介於該硏磨墊與該基材之間的該相對運動速率會改 變，其中介於該硏磨墊與該基材之間的該相對運動速率爲 可在該硏磨壓力下提最高的基材移除速率之相對運動速率 的1 5 %以內。 1 9 .如申請專利範圍第1 3項所述之硏磨半導體的方法 ，其中該硏磨步驟包含一第一平坦化步驟及一最終硏磨步 騾，其中申請專利範圍第1至1 2項中任一項所述的硏磨泥 漿組成可被使用在該第一平坦化步驟及該最終硏磨步驟中

   〇 2 0 ·如申請專利範圍第1 9項所述之方法，其中相同的 硏磨泥漿組成可被同時使用在該第一平坦化步驟及該最終 硏磨步驟中。 2 ；!.如申請專利範圍第19項所述之方法，其中在平坦 化步驟中J h故硏磨墊與該基材之間的相對運動速率高於 在最終硏磨步驟中之介於該硏磨墊與該基材之間的相對運 動速率。 22.如申請專利範圍第19項所述之方法’其中在平坦 -35- (5) 200418966 化步驟中的硏磨速率低於在最終硏磨步驟中的硏磨壓力， 及其中在平坦化步驟及在最終硏磨步驟中，介於硏磨墊與 基材之間的相對運動是在該硏磨壓力下可提最高的基材移 除速率之相對運動速率的30%以內。

   2 3 .如申請專利範圍第1 9項所述之方法，其中在平坦 化步驟中的硏磨速率低於在最終硏磨步驟中的硏磨壓力， 及其中在平坦化步驟及在最終硏磨步驟中，介於硏磨墊與 基材之間的相對運動是在該硏磨壓力下可提最高的基材移 除速率之相對運動速率的1 5%以內。 24 .如申請專利範圍第1 9項所述之方法，其中在平坦 化步驟中的硏磨速率低於在最終硏磨步驟中的硏磨壓力， 及其中在平坦化步驟及在最終硏磨步驟中，介於硏磨墊與 基材之間的相對運動相同於在該硏磨壓力下可提最高的基 材移除速率之相對運動速率。

   25 .如申請專利範圍第1 9項所述之方法，其中在平坦 化步驟中的硏磨速率低於在最終硏磨步驟中的硏磨壓力， 及其中在平坦化步驟中之介於硏磨墊與基材之間的相對運 動大於在最終硏磨步驟中之介於硏磨墊與基材之間的相對 運動。 26 .如申請專利範圍第1 3項所述之方法，其中該半導 體基材爲一元件晶圓，其被提供至少一種選自於由層間介 電質薄膜，一淺溝渠隔離薄膜及一金屬薄膜所構成的組群 中的薄膜。 -36-