專利名稱：一種鎢研磨用cmp漿料組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在半導(dǎo)體制造工藝中用于CMP (化學(xué)機(jī)械研磨(Chemical MechanicalPolishing))工藝的衆(zhòng)料組合物,尤其涉及可用于鶴金屬膜的平坦化的CMP衆(zhòng)料組合物。
背景技術(shù)：
在集成電路的多重膜研磨工藝或雙鑲嵌工藝等中，為了晶片表面的全面平坦化(global planarization),主要使用CMP工藝。CMP工藝是指,在制造半導(dǎo)體時(shí),通過使用研磨墊和漿料使晶片表面平坦化的研磨方法，在聚氨酯材質(zhì)的研磨墊上滴加漿料組合物使其與晶片接觸之后，實(shí)施結(jié)合了旋轉(zhuǎn)及直線運(yùn)動(dòng)的軌道運(yùn)動(dòng)，對晶片進(jìn)行機(jī)械及化學(xué)研磨的工藝。在CMP工藝中上述漿料通常包含發(fā)揮物理研磨作用的研磨劑(abrasive)和發(fā)揮化學(xué)研磨作用的活性成分，例如蝕刻劑(etchant)或氧化劑,通過物理化學(xué)方法選擇性地蝕刻晶片表面上的突出部分，提供平坦的表面。CMP漿料根據(jù)研磨對象可分為絕緣層研磨用漿料和金屬研磨用漿料，其中，絕緣層研磨用衆(zhòng)料適用于半導(dǎo)體工藝中ILD (層間電介質(zhì)(interlayer dielectric))工藝和STI(淺槽隔離(Shallow trench isolation))工藝,金屬研磨用衆(zhòng)料用于鶴、招或銅配線的連接點(diǎn)(interconnects)及形成鶴接點(diǎn)/通插塞(contacts/via plug)時(shí)或者雙鑲嵌工藝中。圖1表示根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用鎢CMP漿料組合物的半導(dǎo)體元件的制造工藝的順序圖。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的快閃存儲(chǔ)器元件的制造工藝，首選，如圖1所示，在形成有柵電極及源極插塞(source plug)接觸區(qū)域、漏極插塞(drain plug)接觸區(qū)域等的規(guī)定結(jié)構(gòu)物的半導(dǎo)體基板，硅基 板上以1000A 2000A的厚度形成SiO2氧化膜，以使上述源極插塞接觸區(qū)域(106a)暴露的方式對上述SiO2氧化膜進(jìn)行蝕刻來形成接觸孔。接著，如圖1所示，在整個(gè)面上沉積鎢(W)膜，以使得上述接觸孔被完全填埋。為了使上述鎢膜與SiO7氧化膜及氮化膜的粘結(jié)力良好，在沉積上述鎢膜之前在半導(dǎo)體基板的表面上形成Ti粘結(jié)層，為了在形成鎢膜時(shí)防止源極物質(zhì)即WF6與反應(yīng)性高的Ti之間的結(jié)合，在上述粘結(jié)層上還形成TiN阻隔金屬膜。接著，利用使用金屬漿料的I次CMP工藝研磨上述SiO2氧化膜上的鎢膜，在上述接觸孔內(nèi)部形成鎢插塞。完成上述I次CMP工藝后，通過鶴插塞上的過氧化氫水溶液(H2O2)與金屬衆(zhòng)料(metal slurry)之間的化學(xué)反應(yīng),半導(dǎo)體基板處于發(fā)生了嚴(yán)重的氧化缺陷(defect)的狀態(tài)。接著，為了除去上述氧化缺陷，利用氧化物漿料實(shí)施數(shù)秒至數(shù)十秒的2次軟CMP工藝，除去上述鎢插塞上的氧化缺陷，將上述SiO2氧化膜研磨一定厚度。如上所述的半導(dǎo)體元件的制造工藝中上述I次金屬研磨用漿料，其通常包含研磨齊U、氧化劑、氧化輔助劑、分散劑、PH調(diào)節(jié)劑、其他添加劑等，上述成分中，研磨劑用于機(jī)械研磨，氧化劑和氧化輔助劑用于通過金屬層的氧化來促進(jìn)研磨，分散劑起到提高漿料的分散穩(wěn)定性的作用，PH調(diào)節(jié)劑根據(jù)研磨對象即金屬層的性質(zhì)來調(diào)節(jié)容易發(fā)生氧化的pH范圍，可以包含可改善或補(bǔ)充其他漿料的性能的各種添加劑。鎢CMP工藝使用包含氧化劑的漿料，通常在包含有二氧化硅、氧化鋁微粒等研磨劑(abrasive)的楽;料中混合過氧化氫(H2O2)、鐵的硝酸鹽等強(qiáng)氧化劑而使用。衆(zhòng)料內(nèi)的氧化劑使鎢表面氧化制備成氧化鎢(W03)，WO3的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于W的強(qiáng)度，可易于用研磨劑除去。在鎢CMP工藝中，通過漿料內(nèi)的研磨劑及CMP墊的機(jī)械研磨來除去W03，WO3層下面的金屬W通過氧化劑而變成WO3后繼續(xù)被除去，反復(fù)此過程來除去鎢膜(15)。而且，金屬阻隔膜(14)也通過與鎢研磨類似的機(jī)理而除去。已知，金屬CMP工藝中反復(fù)進(jìn)行著研磨顆粒除去由氧化劑形成的氧化物的過程。因此，為了提高研磨率，將從加快氧化過程、順利地除去形成的氧化物的方面考慮而設(shè)計(jì)漿料。容易的是，增加腐蝕金屬的氧化劑的濃度來提高研磨速度的方法，但是隨著腐蝕速度的提高，為了腐蝕坑(corrosion pit)或接觸(contact)部分等元件的電氣特性而需要形成配線層的部分也發(fā)生腐蝕，反而會(huì)減少元件的可靠性和收率。金屬研磨用漿料需要在金屬層與絕緣層之間存在研磨速度差，S卩，在金屬配線中要求高的研磨速度，在絕緣層中要求低的研磨速度。其原因在于，速度差小時(shí)，只有在圖案密度高的部分發(fā)生部分研磨速度提高的現(xiàn)象，從而在圖案密度高處會(huì)發(fā)生侵蝕(erosion)等的缺陷。因此，需要使絕緣層的研磨速度降低而防止部分研磨速度增加現(xiàn)象。目前使用較多的是包含硝酸鐵的CMP漿料。例如嘉柏(Cabot)公司的授權(quán)專利10-0745447號(hào)中記載了包含與氧化劑混合而從基板除去金屬層的過程中有用的、具有多種氧化態(tài)的催化劑及穩(wěn)定化劑的化學(xué)機(jī)械研磨前體組合物，使用的催化劑包含鐵。然而，以往存在如下問題點(diǎn):添加了氧化劑的漿料直接作用于鎢表面引起強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，因此相對于層間絕緣膜的除去速度的鎢膜的除去速度，即研磨選擇比(selectivity)為5(Tl50，非常大，因此發(fā)生過度的插塞凹槽，完成CMP的插塞表面的粗糙度增大。另外，使用包含硝酸鐵的金屬催化劑的情況下，存在發(fā)生由變色引起的墊污染的問題，因此需要開發(fā)一種能夠改善該問題的CMP漿料。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種鎢研磨用CMP漿料組合物，其用于鎢CMP工藝的情況下不發(fā)生由變色引起的墊污染等問題，且金屬層之間的蝕刻選擇比(Etch Selectivity)優(yōu)異技術(shù)方案為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種鎢研磨用CMP漿料組合物，其為包含研磨劑和研磨促進(jìn)劑的鎢研磨用CMP漿料組合物，所述研磨劑包含分散在超純水中的膠體硅(colloid silica)，所述研磨促進(jìn)劑包含過氧化氫水溶液、過硫酸銨及硝酸鐵。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，膠體硅的含量優(yōu)選為2 4重量％。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，過氧化氫水溶液的含量優(yōu)選為0.5^2重量％。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，所述過硫酸銨的含量優(yōu)選為0.05^1重量％。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，硝酸鐵的含量優(yōu)選為0.0Γ0.1重量％。
另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供鎢與氮化鈦的蝕刻選擇比為1:1.5 2，且鎢與氧化膜的蝕刻選擇比為2:1以上的鎢研磨用CMP漿料組合物。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，組合物的pH優(yōu)選為2 4。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明的鎢研磨用CMP漿料組合物以適當(dāng)?shù)慕M成比包含硝酸鐵和過氧化氫水溶液及過硫酸銨，由此解決了以往將含有過量硝酸鐵的漿料組合物用于CMP工藝的情況下產(chǎn)生的變色問題，與氮化鈦及氧化膜的蝕刻選擇比優(yōu)異，可有效地用于鎢CMP工藝中。


圖1為適用本發(fā)明的漿料組合物的通常的鎢CMP工藝的概略圖。圖2為表示比較例I的對于CMP漿料組合物的W、TiN、氧化物(Oxide)的研磨率的圖。圖3為表示比較例2的對于CMP漿料組合物的W、TiN、氧化物的研磨率的圖。圖4為表示比較例3的對于CMP漿料組合物的W、TiN、氧化物的研磨率圖(3a)以及漿料變色照片(3b)。圖5為表示隨著硝酸鐵的濃度增加變化的變色結(jié)果的照片。圖6為表示比較例4的對于CMP漿料組合物的W、TiN、氧化物的研磨率的圖。圖7為表示比較例5的對于CMP漿料組合物的W、TiN、氧化物的研磨率的圖。圖8為表示隨著實(shí)施例的CMP漿料組合物的APS濃度變化的對于W、TiN、氧化物的研磨率的圖。圖9為表示隨著實(shí)施例的CMP漿料組合物的硝酸鐵濃度變化的研磨率的圖。
具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明，但這些實(shí)施例不限制本發(fā)明的范圍。根據(jù)本發(fā)明的鎢研磨用CMP漿料組合物的特征為，其包含研磨劑和研磨促進(jìn)劑，其中，研磨劑包含分散在超純水中的膠體硅，上述研磨促進(jìn)劑包含過氧化氫水溶液、過硫酸銨及硝酸鐵。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，膠體硅的含量優(yōu)選為2 4重量％。膠體硅的含量為2重量％以下時(shí)研磨率低,4重量％以上時(shí)發(fā)生劃傷(scratch)的可能性高。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，過氧化氫水溶液的含量優(yōu)選為0.5^2重量％。過氧化氫水溶液的含量為0.5重量％以下時(shí)不形成鎢的氧化而研磨率減少,過氧化氫水溶液的含量為2重量％以上時(shí)鶴氧化物飽和(saturation)而使2重量％以上的過氧化氫水溶液濃度沒有意義。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，所述過硫酸銨的含量優(yōu)選為0.05^1重量％。過硫酸銨的量為0.05重量％以下時(shí)由于TiN與W的選擇比類似，因此不適用于CMP工藝。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，硝酸鐵的含量優(yōu)選為0.0Γ0.1重量％。硝酸鐵的含量為0.1重量％以上時(shí)發(fā)生漿料變色，使得適用于CMP工藝時(shí)有可能發(fā)生墊(pad)污染等問題，硝酸 鐵的含量為0.01重量％以下時(shí)由于鎢研磨率低，難以使用。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供鎢與氮化鈦的蝕刻選擇比為1:1.5 2，且鎢與氧化膜的蝕刻選擇比為2:1以上的鎢研磨用CMP漿料組合物。根據(jù)本發(fā)明的漿料組合物適用于形成了氮化膜的鎢，因此，鎢與氮化鈦的蝕刻選擇比為1:1.5以下或1:2以上時(shí)，以及鎢與氧化膜的蝕刻選擇比為2:1以下時(shí)，將在鎢插塞
中產(chǎn)生缺陷。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，組合物的pH優(yōu)選為2 4。pH2以下時(shí)，難以用強(qiáng)酸處理且危險(xiǎn)，PH4以上時(shí)，產(chǎn)生基于腐蝕(coirosion)的研磨而不是基于鎢氧化物形成的研磨所導(dǎo)致的在表面產(chǎn)生腐蝕坑(corrosion pit)。以下，以優(yōu)選的實(shí)施例為例，對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明，這僅僅是為了有助于發(fā)明的理解而舉例提出的，本發(fā)明的范圍不限定于此。使用了在硅晶片(silicon wafer)上分別沉積氧化膜和氮化鈦之后沉積6000人鎢的鎢晶片、在硅晶片上沉積1000A氧化膜之后沉積3000A氮化鈦的氮化鈦晶片以及用絕緣膜以等離子體增強(qiáng)四乙氧基硅烷(PETEOS)沉積7000人的硅氧化膜晶片。研磨裝置使用G&PTech公司的pol1-300裝置，研磨墊使用Rohm&Haas的IC1000/Suba IVCMP墊。研磨條件為下降壓力2.5psi,定板(Table)和轉(zhuǎn)子(Spindle)的速度均為90rpm,衆(zhòng)料的流速為IOOmL/min,以這樣的研磨條件分別對鶴、氮化鈦、娃膜研磨60s、30s以及60s。研磨顆粒使用I次粒徑為75nm其2次粒徑為215nm的4重量％的膠體硅(Fuso公司，PL-7)，其均勻分散在超純水中。氧化劑使用I重量％的過氧化氫水溶液(JunSei公司)，氧化促進(jìn)劑使用硝酸鐵(III) (Sigma-Aldrich公司)以及為了提高蝕刻選擇比而使用過硫酸銨(Sigma-Aldrich公司)。衆(zhòng)料的pH為2 3。比較例1:僅包含過氧化氫水溶液的CMP漿料組合物按照下述 表I將在CMP工藝中通常使用的僅添加2重量％的H2O2的漿料的情況作為比較例1，在圖2中 示出了比較例I的漿料組合物的對于W、TiN、氧化物的研磨率。 由圖2可確認(rèn)，在CMP工藝中通常使用的僅添加2重量％的H2O2的比較例I的漿料組合物的情況下，鎢的研磨率非常低。因此可知需要其他的添加劑。表I
權(quán)利要求
1.一種鎢研磨用CMP漿料組合物，其為包含研磨劑和研磨促進(jìn)劑的鎢研磨用CMP漿料組合物， 所述研磨劑包含分散在超純水中的膠體硅， 所述研磨促進(jìn)劑包含0.5~2重量％的過氧化氫水溶液、0.05~1重量％的過硫酸銨及0.0I 0.1重量％的硝酸鐵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎢研磨用CMP漿料組合物，其特征在于，所述膠體硅的含量為2~4重量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的鎢研磨用CMP漿料組合物，其特征在于，鎢與氮化鈦的蝕刻選擇比為1:1.5~2O
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎢研磨用CMP漿料組合物，其特征在于，鎢與氧化膜的蝕刻選擇比為2:1以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎢研磨用CMP漿料組合物，其特征在于，所述組合物的pH為2 4。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含研磨劑和研磨促進(jìn)劑的鎢研磨用CMP漿料組合物，上述研磨劑包含分散在超純水中的膠體硅,上述研磨促進(jìn)劑包含過氧化氫水溶液、過硫酸銨及硝酸鐵，上述漿料組合物不發(fā)生漿料變色問題，蝕刻選擇比優(yōu)異，可適用于CMP工藝。
文檔編號(hào)C09K3/14GK103228756SQ201280001134
公開日2013年7月31日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者樸在勤, 樸珍亨, 林宰亨, 曹宗煐, 崔浩, 黃熹燮 申請人:優(yōu)備精密電子有限公司