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TWI357844B - Chemical mechanical polishing pad and chemical mec - Google Patents

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TWI357844B
TWI357844B TW094130730A TW94130730A TWI357844B TW I357844 B TWI357844 B TW I357844B TW 094130730 A TW094130730 A TW 094130730A TW 94130730 A TW94130730 A TW 94130730A TW I357844 B TWI357844 B TW I357844B
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TW
Taiwan
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chemical mechanical
mechanical polishing
water
polishing pad
chemical
Prior art date
Application number
TW094130730A
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English (en)
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TW200626290A (en
Inventor
Hiroyuki Tano
Hideki Nishimura
Hiroshi Shiho
Original Assignee
Jsr Corp
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of TWI357844B publication Critical patent/TWI357844B/zh

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/11—Lapping tools
    • B24B37/20—Lapping pads for working plane surfaces
    • B24B37/24—Lapping pads for working plane surfaces characterised by the composition or properties of the pad materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
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Description

1357844 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 =】"化學機械研磨塾及化學機械研磨法。 在半導體裝置之製造中，化學機械研磨 CMP)引人注意作為研磨技術，可形成極平坦表面供^ 材或其上形成有佈線或電極之矽基材(以下稱為，，半： 圓，。化學機械研磨為一種讓化學機械研磨之分散液J 粒之分散液）向下流動在化學機械研磨墊之表面上，而將 研磨塾及對象之欲研磨表面互相成為滑動接觸之技術。已 知研磨結果受到此化學機械研磨中化學機械研磨塾之形狀 及特性之影響很大，而f提出各種化學機械研磨塾。 例如’化學機械研磨墊，其係由包含小孔之發泡聚脲俨 製得亚用以藉固持化學機械研磨墊之分散液於對墊之表面 開放之孔(以下稱為”孔隙”)内研磨，長期為已知(稱為;ρ·Α 11-70463、JP_A 8_216()29及心 8 39423)(本文所用之術 語”JP-A”意指”未審查公開的日本專利申請案。。 最近，包含分散於基質樹脂内之水溶性聚合物之研磨墊 揭示為一種可不用發泡體形成孔隙之研磨墊（jp_A 8_ 500622 、 JP-A 2〇〇〇·3441ό 、 JP-A 2000-33552 及 JP-A 2001- 334455)。在此技術中，孔隙係由分散於基質樹脂内之水 溶性聚合物在研磨時接觸化學機械研磨之分散液或水之溶 解形成。 在合人研磨表面之化學機械研磨中，當包含於使用時化學 I04738.doc i i1357844 機械研磨之分散㈣之磨粒聚集成粗粒時，其作為外來物 質以=成缺點，稱為在表面上之”刮痕希望改善此現 象曰研磨墊之組合物剛硬或當磨粒聚集及研磨墊之組合 物剛硬時’亦會產生到痕。亦希望改善此現象。 為了解決以上問題，曾提出一種包含軟緩衝層在墊之後 表面（非研磨表面）上之多層墊（參照JP_A 2〇〇2 36〇97)。然 而上述多層塾雖可改善上述問題至一程度，卻無法完全 解決。已知其製法很複雜，因而提供成本並造成品質控制 問題。 同時，鑒於改善半導體裝置之性能，使用具有低介電常 數之絕緣膜取代傳統絕緣膜（Si〇2膜）引起注意。關於此低 介電質絕緣膜，例如，倍半氧烷（介電常數；約2·6至 3.0)、加入氟之Si〇2(介電常數；約3 3至3 5)、以聚亞胺為 主之樹脂（介電常數；約2.4至3.6，PIQ(商品名稱），
Hitachi Chemical Co.，Ltd. ’ FLARE(商品名稱），Allied Signal Co.，Ltd·)、苯并環丁烯（介電常數；約2 7，bCb(商 品名稱），Dow Chemical C〇.，Ltd.)、含氫 SOG(介電常數； 約2.5至3.5)及有機SOG(介電常數；約2.9 ’ HSGR7(商品名 稱）’ Hitachi Chemical Co·，Ltd.)絕緣膜發展至今。然而， 由於此等絕緣膜具有較低機械強度並較Si〇2膜更軟且更脆 弱，當化學機械研磨使用傳統已知化學機械研磨墊進行 時’較研磨傳統已知絕緣膜時更容易產生刮痕，而剝離現 象會在欲研磨表面之低介電絕緣膜與下層間之界面。 當進行由沉積作為佈線材料之金屬在具有如上述低介電 104738.doc OH-Η 絕緣膜、凹槽及障璧金屬之半導體基材整個表面上時，下 面低介電絕緣膜之剝離合自表面上時下 面之階段，即，僅推:電絕緣膜未暴露欲研磨表 之階段中，二為佈線材料之化學機械研磨 上層或下層之界面發生。 【發明内容】 可解決上述問題之本發明 ^ 0 的為提供一種化學機械 研磨塾’其可抑制到痕在針參少 隹對象之經研磨表面上之產生及在 化學機械研磨步驟中低介雷Ρ 電巴緣臈之剝離並可提供-種高 口口貝研磨表面以及一種化輋她 化干機械研磨法，其可使用上述化 子機械研磨墊提供高品質研磨表面。 、虞本1 3百先，本發明之以上目的可由化學機械研 磨塾達成，此化學機械研磨塾具有儲存彈性模數印⑺ 在30 C下為丨20 MPa或以下及儲存彈性模數叩⑺在机 下對儲存彈性模數E，（6(rc )在啊下之（Ei(3(rc )/e霄C》 比率為2.5或以上’當研磨基材之储存彈性模數在3〇〇c及 6〇°C下係在以下條件下測定： 最初負荷量：100克 最大偽位率：〇. 〇 1 〇/〇 頻率：0.2 Hz。 其次，本發明之上述目的係由使用上述化學機械研磨墊 進行化學機械研磨之化學機械研磨法達成。 本發明之化學機械研磨墊包含至少一種研磨基材並具有 儲存彈性模數叩代）在3(rc 了為12〇 Mpa或以下及儲存彈 性模數E’（3(rc )在3 0°c下對儲存彈性模數E，（6(rc)在6(rc下 104738.doc 1357844 之『（30(：)/^’（60。(：））比率為2.5或以上，當研磨基材之儲 存彈性模數在30°C及60°C下係在以下條件下測定： 最初負荷量：100克 最大偏位率：0.0 1 % 頻率：0.2 Hz。 儲存彈性模數E，（3(TC )在3(TC下較佳為12〇 Mpa及儲存彈 性模數E’（30 C )在30°C下對儲存彈性模數E，（6〇°c )在6〇。匸下 之（E，（30t VEi(60t ))比率較佳為2.5至1〇。儲存彈性模數 E'(60°C )在 60°C 下較佳為 3 至 48 MPa。 本發明之化學機械研磨墊之研磨基材較佳具有蕭耳〇硬 度為35或以上。蕭耳D硬度更佳為35至丨〇〇，最佳為乃至 7〇。藉設定蕭耳D硬度在此範圍，欲研磨之對象之負荷壓 力可成為較大，藉此可改善研磨速率。 本發明之化學機械研磨墊之研磨基材可由任何材料製 得，只要其符合上述條件並可作為化學機械研磨墊即可。 除了化學機械研磨墊之功能以外，在化學機械研磨時具有 保持化學機械研磨之分散液及在研磨後暫時保持碎片之功 能之孔隙（細孔）較佳在研磨時形成。因此，研磨基材較好 由⑴包含水不溶性組份及分散於水不溶性組份内之水溶性 顆粒之材料或（11)包含水不溶性組份及分散於水不溶性組 份内之孔隙之材料所組成.。 在上述材料以外之上述材料（I)中，化學機械研磨之分散 液可藉水溶性顆粒保持於形成於水不溶性組份内之孔隙 中，水溶性顆粒在化學機械研磨步驟中與欲消除之化學機 I04738.doc OH-H- OH-H- 械研磨之分散液接觸 中’形成為孔隙之部 能力。 時可溶解或膨脹。同時，在材料（11) 刀具有保持化學機械研磨之分散液之 以下提供此等材料之細節說明。 顆;:？：水不溶性組份及分散於水不溶性組份内之水溶性 顆粒之材料 (A)水不溶性組份 構成水不溶性組份⑷之材料不受特殊限制，但較佳使 用有機材料，因為其容易模製成具有預定形狀及預定特性 ^可提料當硬度及適當彈性。例如，有機材料為熱塑性 树月θ彈性體或生橡膠或可固化樹脂。 上述熱塑性樹脂之例包括以烯烴為主樹脂（如聚乙稀及 聚丙稀）、以笨乙稀為主樹脂(如聚苯乙缚）、丙烤酸樹脂 (如以（曱基）丙稀酸酉旨為主樹脂）、乙婦s旨樹脂（不&括以（甲 基）丙烯酸酿為主樹脂）、聚§旨樹脂（不包括乙烯醋樹脂）、 聚醯胺樹脂、氟樹脂、聚碳酸酯樹脂及聚縮醛樹脂。 上述彈性體或生橡膠之例包括以二烯為主彈性體（如丨，2_ 聚丁二烯）、以烯烴為主彈性體（如乙烯-丙烯橡膠與聚丙烯 樹脂之動態交聯產物）、以脲烷為主彈性體、以脲烷為主 橡膠（如脲烷橡膠）、以丙乙烯為主彈性體（如苯乙烯·丁二 烯-笨乙烯嵌段共聚物（以下可稱為”SBS”）及其氫化產物（以 下可稱為”SEBSn)) '以共辆二烯為主橡膠（如高順式丁二 烯橡膠、低順式丁二烯橡膠、異戊二烯橡膠、苯乙烯_丁 二烯橡膠、笨乙烯-異戊二烯橡膠、丙烯腈_ 丁二烯橡膠及 104738.doc -10- 1357844 氣丁二烯橡膠）、乙烯烯烴橡膠（如乙烯-丙烯橡膠、乙 烯-丙烯-非共軛二烯橡膠）、丁基橡膠及其他橡膠（如矽酮 橡膠、氟橡膠、腈橡膠、氯磺酸化聚乙烯'丙烯酸橡膠、 表氣醇橡膠及聚硫化物橡膠）。上述可固化樹脂之例包括 熱固性樹脂及可光固化樹脂如脲烷樹脂、環氧樹脂、不飽 和聚醋樹脂、聚腺院-脲樹脂、脲樹脂、<5夕樹脂及盼式樹 脂。
此等有機材料可單獨使用或以二種或多種之結合方式使 用。 此等有機材料可改質以具有適當官能基。適當官能基之 例包括具有酸酐結構、羧酸基、羥基、環氧基及胺基。 較佳的是，有機材料被局部或全部交聯。當水不溶性組 份包含交聯有機材料時，適當彈性回收力提供至水不溶性 組份並可抑制在化學機械研磨時施加至化學機械研磨墊之 剪應力造成之位移。此外，亦可有效地防止孔隙被水不溶 性組份之塑膠變形填充，當其過度拉伸於化學機械研磨步 驟或在敷料時（交帛或同時用化學機械研磨進行之化學機 械研磨墊之敷料）及化學機械研磨塾之表面不會過度起 毛。因此’即使在敷料時亦可有效形成孔隙之化學機械研 磨墊可防止在研磨時保持化學機械研磨之分散液之能力下 降、很少起毛並可得保持研磨平坦度長時間。 上述交聯有機材料較佳包含至少-種選自交聯執塑性樹 脂及交聯料體或交聯橡膠（本文利之"交聯橡 述”生橡膠”之交聯產物)所纪成之群，更佳為至少一種選自 104738.doc 2聯二料主彈性體1交聯苯乙料主彈性體及以交 共輛二烤為主橡勝所組成之群，仍更佳為至少一種選自 -聯丨，2-聚丁二稀、交聯SBS、交聯SEBS、交聯苯乙稀丁 ^橡膠、交聯苯乙烯-異戊二浠橡勝及交聯丙稀猜_ 丁二 如橡膠所組成之群，特佳為至少-種選自交聯1>2·聚丁二 歸、交聯SBS及交聯SEBS所組成之群。 當部分有機材料被交聯而其餘未交聯時，非交聯有機材 料k U含至少―種選自非交聯熱塑性樹脂及非交聯彈性 :或生橡膠所組成之群，更佳為至少—種選自以非交聯稀 為主彈性體、以非交聯苯乙烯為主樹脂、以非交聯二烯 為主彈性體、以非交聯笨乙料主彈性體、以非交聯共輛 ^烯為主橡膠及非交聯丁基橡膠所組成之群，仍更佳為至 夕種選自非交聯聚苯乙烯、非交聯1，2-聚丁二烯、非交 聯SBS、非交聯SEBS、非交聯苯乙烯·丁二烯橡膠、非交 耳叶笨乙烯-異戊二烯橡勝及非交聯丙烯腈-丁二烯橡膠所組 成之群，特佳為至少一種選自非交聯聚苯乙烯、非交聯 1 ’2 - ♦丁二烯、非交聯sB δ及非交聯sEB s所組成之群。 田局部有機材料被交聯而其餘未交聯時，交聯有機材料 於水不溶性組份内之量較佳為30質量。/〇或以上，更佳為5〇 質量％或以上，特佳為7〇質量。/。或以上。 吾有機材料被局部或全部交聯時，交聯不受特殊限制， 但較佳為化學交聯、輻射交聯或光學交聯。上述化學交聯 可使用有機過氧化物、硫或硫化合物作為交聯劑實施。上 迹輪射交聯可藉施加電子束進行。上述光學交聯可藉施加 104738.doc 上J57844 系外線韓射進行。 :此以外’化學交聯較佳， 為其操作容易且不會在化學機械研磨步=過氧化物，因 對象。有機過氧化物包括過氧化 =染欲研磨之 過氧化二-第r 丁其 p 邱過乳化二乙基、 弟一丁基、過氧化二乙 在化學交聯之，丨主，况下，丄 土 k氣化二醯基。 欲實施交鹋沒雍夕> 丁— 里权乜為以100質量％ 劑之量落在咖士 主〇,6質$份。當交聯 驟Φ连4立丨广 了付可抑制在化學機械研磨步 驟中產生刮痕之化學機械Μ #。 Ml 構成水不溶性組份之材料可全 份夕加八u 〜诉战水不溶性組 伤之口h材料可交聯’然後與其餘混合。 產生之交聯產物可混合一起。 由不同各法 此外’具有交聯部份及非交聯部份之有機材料可在化學 交聯^情況下藉調整交聯劑之量或在輕射交聯之情況下控. 制劑量或輻射，以一次交聯操作容易獲得。 水不溶性組份（A)可包含適當相容劑以控制與其後述之 水溶性顆粒（B)之相容性及水溶性顆粒（B)於水不溶性組份 内之分散性《例如，相容劑為非離子界面活性劑或偶合 劑。 (B)水溶性顆粒 水溶性顆粒（B)當與欲自化學機械研磨墊之水不溶性組 份消除之化學機械研磨分散液接觸時，具有形成孔隙於水 不溶性組份内之功能，以及具有增加化學機械研磨墊之研 磨基材之刻痕硬度及提供研磨基材蕭耳D硬度之功能。 IU4738.doc 13 上述消除係由與水或包含於化學機械研磨之分散液内之 水性混合介質接觸時之溶解或膨脹造成。 水溶性顆粒（B)較佳為固體以確保上述化學機械研磨墊 之研磨基材之刻痕硬度。因此，水溶性顆粒最佳為固體以 確保化學機械研磨墊之充分高刻痕硬度。 構成水溶性顆粒（B)之材料不受特殊限制，但可為有機 水溶性顆粒或無機水溶性顆粒。上述有機水溶性顆粒包括 糖頒（夕糖類（如澱粉、糊精或環糊精）、乳糖及甘露醇）、 纖維素（如輕基丙基纖維素及甲基纖維素）、蛋白、聚乙稀 醇、聚乙烯此洛炫嗣、聚丙稀酸、聚環氧乙烧、水溶性感 光性树脂、％酸化聚異戊二烯及磺酸化聚異戊二烯共聚 物。上述無機水溶性顆粒之例包括醋酸鉀、硝酸鉀、碳酸 卸、碳酸氫鉀、氯化鉀、溴化鉀、磷酸鉀及硝酸鎂。此 外，以有機水溶性顆粒較佳。環糊精更佳，而P—環糊精特 佳。 上述材料可單獨使用或以二種或多種結合方式使用以形 成水溶性顆粒。另外，其亦可由一種預定材料或二種或多 種不同材料之結合製得。 上述水溶性顆粒（B)之平均粒徑較佳為〇1至5〇〇微米，更 佳為0.5至100微米。當水溶性顆粒（B)具有上述粒徑範圍 時，由消除水溶性顆粒（B)形成之孔隙大小可控制成適當 範圍，藉此可得化學機械研磨墊，其具有保持化學機械研 磨之分散液及化學機械研磨步驟令之研磨速率以及機械強 度之優異能力。 嶋-14- 1357844 水溶性顆粒（B)之量，以全部水不溶性組份（A)與水溶性 顆粒（B)s*f·，較佳為丨至9〇體積％，更佳為3至的體積％，特 佳為3至4 〇體積％。當水溶性顆粒（B)之量落在上述範圍内 時，可得具有良好平衡在機械強度與研磨速率之間之化學 機械研磨塾。 、較佳的是，上述水溶性顆粒（B)溶解於水中或用水膨脹 以便消除，僅當其暴露至表面層與化學機械研磨之分散液 :化學機械研磨墊内接觸而不會吸收研磨基材内側之水 分。因此，水溶性顆粒（B)可具有外殼供抑制水份吸收在 至少部分其最外部份上。此外殼可以物理方式吸附至水溶 性顆粒、以化學方式黏合至水溶性顆粒、或以物理及化學 方式㈣至水溶性顆粒。形成此外殼之材料為環氧樹脂、 聚亞胺、聚醯胺或聚矽酸酯。 (II)由水不溶性組份及分散於水不溶性組份内之孔隙所 組成之材料 當本發明之化學機械研磨墊之研磨基材係由水不溶性組 份及分散於水不溶性組份内之孔隙所組成時，研磨基材之 材料為發泡聚騵烷、蜜胺樹脂、聚酯、聚砜或聚醋酸乙烯 酉旨。 分散於上述水不溶性組份内之孔隙之平均直徑較佳為 0.1至500微米，更佳為〇 5至1〇〇微米。 本發明之化學機械研磨塾之研磨基材之形狀不受特殊限 制’但可為盤狀或多角形桿狀。根據研磨機可適當地選擇 使用本發明之化學機械研磨墊。 I04738.doc 1357844 研磨基材之大小不受特殊限制。在盤狀化學機械研磨墊 之情況下，研磨基材具有直徑為15〇至1，2〇〇毫米，明確為 500至800毫米’厚度為丨·0至5.0毫米，明確為ι·5至3.〇毫 米。 本發明之化學機械研磨墊之研磨基材可具有凹槽在研磨 表面上。凹槽保持化學機械研磨墊之分散液在化學機械研 磨τ仏應均勻分布至研磨表面、在研磨後暫時保持廢物 如石τ片及用過分散液以及作為途徑供排放至外側。 上述凹槽之形狀不受特殊限制，但可為螺旋、同心或輻 射狀。 本發明之化學機械研磨塾之研磨&材可具有凹口在非研 磨表面（後表面）上。凹口具有緩和在化學機械研磨時產生 之局部過量應變之功能以及可有效抑制表面缺點如刮痕在 研磨表面上之產生之功能。 上述凹口之形狀不受特殊限制，但可為圓形、多角形、 螺旋形、同心形或輻射形。 本發明之化學機械研磨墊可具有一部分，其具有另一研 磨P刀以外之功戒。具有另—功能之部分，例如，使用光 學端點檢測器檢測端點之窗部分。窗部分可由在波長為 100至3(30宅u米下具有透射率較佳為0.1。/。或以上，更佳為 2%或以上’或當其厚達2毫米時，整體透射率在波長為 100至300毫微米下較佳為0.1%或以上，更佳為2。/❶或以上 之材料氚抑。窗部分之材料不受特殊限制，只要其具有上 L光干特性即可’但可相同於上述研磨基材之材料。 I04738.doc 1357844 構成本發明化學機械研磨墊之研磨基材之方法不受 以_，而形成研磨基材可視需要具有之凹槽及凹口 一句稱為，，凹槽等”)之方法不受特殊限制。例如，製備 二學機械研磨塾之組合物，其變成化學機械研磨墊之 …内。或者’化學機械研磨墊之組合物係使 凹槽等之圖案之金屬模频製，藉此可形成凹槽等，同^ 形成研磨基材。 獲得化學機械研磨墊之組合物之方法不受特殊限制。例 \其可秸捏揉機捏揉包括預定有機材料之所需材料一起 于傳、.先上，可使用已知捏揉機，例如，親、捏揉機、 班布瑞混合器及擠壓器（單螺旋或雙螺旋）。 例如，可藉捏揉水不溶性基質、水溶性顆粒及其他添加 劑一起獲得研磨塾之組合物，其包含水溶性顆粒供取得包 含水溶性顆粒之研磨墊。通常’其係由加熱捏揉一起，使 其可在捏揉時容易加工，水溶性顆粒在此加熱溫度下較佳 為固體。當水溶性顆粒為固體時，其可用上述較佳平均粒 徑分散，不顧其與水不溶性基質之相容性。因此，水溶性 顆粒之類型較佳根據水不溶性基質使用時之加工溫度選 定。 、 本發明之化學機械研磨墊可僅由上述研磨基材組成，或 可為具有支持層在上述研磨基材之非研磨表面上之多層 塾。 上述支持層為支持研磨基材在對置研磨表面之後表面上 104738.doc 17 1357844. 之層。此支持層之特性不受特殊限制，但較佳為較研磨基 材更柔軟。因為本發明之化學機械研磨墊具有柔軟支 層，即使研磨基材薄如u毫米或以下亦^，所以其可防 止研磨基材在研磨時上升或防止研磨層之表面彎曲，因而 可進行穩定研磨。.此支持層之硬度較佳為研磨基材硬戶之 90%或以下，更佳為50至9〇%，最佳為5〇至8〇%， 50至 70%° •"‘
支持層可為多孔（發泡）或無孔性。此外，支持層之平面 形狀不受特味限制，可相同或不同於研磨層者。：持層之 平面形狀可為圓形或多角形(方形等）。支持層之厚度不受 特殊限制’但較佳為毫米，更佳為〇 5至2毫米。 構成支持層之材料不受特殊限制，但較佳為有機材料， 因為其谷易模製成具有預定形狀及特性並提供適當彈性。 上述本發明之化學機械研磨墊可抑制刮痕在研磨表面上 之產生並提供高品質研磨表面。 f發明之化學機械研磨墊安裝在市售研磨機器上，使其 可藉已知方法用於化學機械研磨步驟内。 本發明之化學機械研磨墊可用於各種化學機械研磨步驟 供半導體之製造用。 可使用本發明之化學機械研磨墊進行化學機械研磨之對 象為種金屬作為佈線材料、障璧金屬或絕緣膜。上述金 屬之例包括鎢、鋁、銅及其合金。上述障璧金屬之例包括 '氤化钽、鈦、氮化鈦及氮化鎢。上述絕緣膜之例包括 氧化矽犋（如pETE0S膜（電漿強化丁£(^膜，由真空法形 I04738.doc 1357844 成’如化學氣相沉積、HDP膜（高密度電漿強化TEOS膜）及 由熱CVD獲得之氧化矽膜）、由加入小量硼及磷至Si〇2形 成之矽酸磷硼膜（BPSG膜）、由摻雜Si〇2與氟獲得之絕緣膜 稱為FSG(摻雜氟之矽酸鹽玻璃）、絕緣膜稱為si〇N(含氧氮 化石夕）、氮化矽膜及低介電絕緣膜。 上述低介電絕緣膜之例包括由在氧氣、一氧化碳、二氧 化碳、氮氣、氬氣、Η2〇臭氧或氨存在下電漿聚合含矽化 合物如烷氧矽烷、矽烷、烷基矽烷、芳基矽烷、矽氧烷或 烷基矽氧烷獲得之聚合物製得之絕緣膜、由聚矽氧烷、聚 矽氮烷、聚伸芳醚、聚苯并噚唑、聚亞胺或倍半氧烷以及 具有低介電常數之以氧化矽為主絕緣膜。 雖然本發明之化學機械研磨墊可如上所述用於各種化學 機械研磨步驟，惟其可特別用於形成由銅製得之金屬鑲嵌 (damascene)佈線之步驟。形成由銅製得之金屬鑲嵌佈線之 步驟包括自欲研磨其上沉積有銅作為佈線材料之對象移除 過量銅之次步驟（第一研磨步驟）、移除凹槽以外之部分之 障璧金屬之次步驟（第二研磨步驟）、及在障璧金屬層形成 於絕緣膜之凹槽部分（其中凹槽形成於佈線部份及凹槽以 外之部份以得平坦金屬鑲嵌佈線）後，略為研磨絕緣膜部 分之次步驟（第三研磨步驟）。本發明之化學機械研磨墊可 用於化學機械研磨步驟供用於任何上述第一至第三研磨次 步驟之一。 上述術語"銅"彡1知為-種概念’包括純銅及銅與紹或石夕 之合金’其包含95質量％或以上銅。 104738.doc •19· 風=本t月提供—種化學機械研磨塾，其可抑制在化 研磨步驟中到痕在研磨表面上之產生並可提供高品 二研磨表面以及—種化學機械研磨方法，其係由使用化學 機械研磨墊提供高品質研磨表面。 【貫施方式】 實例 實例1 (1)化學機械研磨塾之製造 (丨-1)化學機械研磨墊之組合物之製備 72.2質里仏1,2-聚丁二稀（JSR公司製造，商品名稱微 讀30)與27.2質量份β_環糊精（Y〇k〇hamk Bi。公 司製造’商品名稱Dexy pearl β·1〇〇，平均粒徑為2〇微米） 係由設定在16(TC之擠壓器捏揉2分鐘。此後，加入〇45質 里份（對應0·25質量份以100質量份丨，2_聚丁二烯計過氧化 二枯烯）PerCUmyl D40(商品名稱，N〇F公司製造，包含4〇 貝1 /〇過氧化一枯烯）並用上述經捏揉產品在12〇它及6〇 rpm下捏揉2分鐘以得化學機械研磨墊之組合物之柱狀物。 (1 - 2)研磨基材之儲存彈性模數之測定 此柱狀物在1 701：下於金屬模具内加熱丨8分鐘以交聯， 俾可獲得具有直徑為600毫米及厚度為2.5毫米之盤狀模製 。。。此後，此模製品係由£>umbbell公司之平行移動的切割 機（801^2008丁丁）切成具有寬度2.5毫米、長度3〇毫米及厚 度1.0毫米之條作為樣品以使用黏彈性測量儀器 (Rheometric Scientific公司，型號RSAIII 製造）測定其在 30 I04738.doc -20· 1357844 。(:及we下於拉伸模具内之儲存彈性模數、最初負荷量為 100克、取大偏壓為0.01%及頻率為0 2 Hz。其儲存彈性模 數在3(TC下為89 MPa而在6〇t下為23 Mpa，及其比率為 3.9。 (1 - 3)窗部分之構件之製備 97質量份丨，2-聚丁二歸（JSR公司製造，商品名稱舰 RB830)與3質量份β_環糊精（γ〇_嶋之出。公司 製造，商品名稱DeXy Pearl M〇〇,平均粒徑為2〇微旬係 由設定在丨机之擠壓器捏揉2分鐘。此後，加入i 19質量 份（對應0.5質量份以100質量份1>2•聚丁二稀計過氧化二枯 稀㈣啊yl D40(商品名稱，卿公司製造，包含4〇質量％ 過氧化二枯烯）並用上述經捏揉產品在120t及60 rpm下捏 揉2分鐘以得化學機械研磨墊之組合物之柱狀物。此柱狀 物在mt;下於金屬模具内加熱18分鐘以交聯，俾可獲得 具'直徑為600毫米及厚度為2.4毫米之盤狀模製品；此 外’藉Dumbbell公:^亞鈴穿孔機（型號sDL2〇〇)自此模 製品獲得具有寬度2〇毫米、長度58毫米及厚度Η毫米之 窗部分用之穿孔構件。當在波長為67〇毫微米下此構件之 透射率係由UV吸收計（由日立公司製造，型號U.2〇10)測 定，其為40%。 (1 - 4)化學機械研磨塾之製造 /、有直《6C)G毫米及厚度2.5毫米之盤狀模製品係以上段 ^(1_2)相同方式獲得。此後，具有寬度0.5毫米、螺距2.〇 ◎及深R0毫米之同心凹槽（具有長方形分段形式）係使 l0473S.doc 21 1357844 2市售切割機形成在此模製品之研磨表面上。此外，具有 見度21毫米及長度59毫米之貫穿孔在離開模製品中心”毫 只位置:¾/成》雙面塗膠（由Sekisui chemical公司製，商品 名稱為Double Taek Tape #512)固錢對置凹槽形成之表面 之整個表面，以上段落（1_3)製備之窗部分之構件插入上述 貫穿孔内。此外’此模製品沿著同心凹槽切成直徑為5〇8 毫米以得化學機械研磨墊。 (2)化學機械研磨性能之評估 (2-1)研磨具有由銅與低介電質絕緣膜組成之圖案之晶圓 之例 如上段落（1)所述製成之化學機械研磨墊放在設備有光 學端點檢測器（Applied Materials公司製造）之Mirra/MesMb 學機械研磨機之平台上，以二個階段在以下條件下進行
Sematech800BDM001之化學機械研磨（商品名稱， Internati〇nal SEMATECH公司製造，試驗樣品由形成碳 化矽層在矽基材獲得，以上述順序形成低介電質絕緣膜 (商品名稱，Applied Materials公司製造）在層之佈線部份以 外之部分上並沉積鈕作為障璧金屬及銅作為佈線材料在低 介電質絕緣膜上）。 第一階段研磨之研磨時間設定成自研磨開始之時間至反 射率改變之時間（即，暴露障璧金屬時）1.2倍，藉用化學機 械研磨機之光學端點檢測器監視雷射光束之反射率。此例 之第一階段研磨之研磨時間為150秒。 第一階段研磨之條件 104738.doc -22· 1357844 化學機械研磨之分散液：一種iCue5003(商品名稱， Cabot Micr〇electr〇nicw司製造，包含石夕石作為研磨劑^ 粒）與30質量％過氧化氫水以體積比率為丨丨：丨之混合物 分散液之供應速率：300毫升/分鐘 平台之轉數：120 rpm 頂部之轉數：1〇8 rpm 頂部壓力
保持器環之壓力：5.5 psi 薄臈壓力：4.0 psi 内管壓力：3.0 psi 第二階段研磨之條件 化學機械研磨之分散液： 過氧化氫水至CMS-830 1(商 分散液 種由加入1質量％之3 0質量〇/〇 品名稱，JSR公司製造）製備之
分散液之供應速率：2〇〇毫升/分鐘 平台之轉數：60 rpm 頂部之轉數：54 rpm 頂部屢力 保持器環之壓力：5.5 psi 薄獏壓力：3.0 psi· 内管壓力：〇.〇 psi 研磨時間：100秒 當研磨後晶圓整個研磨表面上 檢查裝置（KLA_TeneGI·公司製, i次數使用晶圓缺點 、k商品名稱為KLA235 1)測 i04738.doc •23- 1357844 量時，銅寫入及低介電 KLA235 1測量條件 光譜模式：可見 像素尺寸：0.62微米 質絕緣膜上均有3次到痕 〇 6¾界值：5 0 合併值：100 粒度篩選：1平方微米 (3)
在低介電質絕緣膜周 為欲研磨表面時） 邊剝離之評估（當低介 電質絕緣膜 (3-1)低介電質絕緣獏之製造 (丨）聚矽氧烷溶膠之製備 -種包含1〇1.5克三甲氧矽烷甲醋、276 8克甲氧丙酸甲 酷及9·7克四異丙氧鈦/乙酿乙酸乙醋複合物之溶液係在60 C下加熱。112.3克7 _丁内_與水（重量比為（π: ^之、日 合物滴人此溶液内歷Η、時。在此混合物加人後混合物
如在60 C下反應Η、時以得包含15質量％聚矽氧烷之聚矽 氧烷溶膠。 (u)聚苯乙烯顆粒之製造 100質量份苯乙烯、2質量份以偶氮為主聚合引發劑 (Wako Pure Chemical Industries& 司製造，商品名稱為 V6〇)、0.5質量份十二烷苯磺酸鉀及4〇〇質量份離子交換水 注入燒瓶内在7(TC下於氮氣氛圍内攪拌加熱並在該溫度下 保持搜拌6小時。將反應混合物過濾並乾燥以得具有數目 平均粒徑為1 5 0毫微米之聚苯乙烯顆粒。 '04738.doc -24- 1357844 (iii)低介電質絕緣臈之製造 15克⑴所得之聚矽氧烷溶膠與1克（Π)所得之聚苯乙烯顆 粒混合一起’所得混合物係由旋塗法塗覆至具有熱氧化物 膜之8寸直仫石夕基材（Asahibi 公司製造）並在8〇<>c下 加熱5分鐘以形成具有厚度丨39微米之塗膜。此後，塗膜 係在200 C下加熱5分鐘，然後在34〇〇c、36〇〇c及38〇。〇及 壓力為5托下加熱3〇分鐘，進一步在45〇t下加熱【小時， 以形成一種無色透明膜（厚度為2,〇〇〇埃）。 田此臈之戴面透過掃描電子顯微鏡觀察時，可證實形成 有孔隙。此模具有介電常數為198、彈性模數為3 ^以及 孔隙度為1 5體積％。 (3-2)低介電質絕緣膜之研磨 化學機械研磨係在上述般製得之低介電質絕緣膜上進行 而表面在以下條件下研磨。以下研磨試驗為加速試驗，其 係在低介電質絕緣膜之剝離容易發生之條件下。 化學機械研磨機：Mirra/Mesa(AppUedMateriais公司製造） 化予機械研磨之分散液之類型：cms_83〇i(商品名稱， JSR公司製造，包含膠態矽石作為研磨劑顆粒） 化學機械研磨之分散液之供應速率：100毫升/分鐘 平台之轉數：60 rpm 11部之轉數：54 rpm 頂部壓力 保持器環之壓力：6.5 psi 薄膜壓力：5.0 psi 104738.doc -25- 1357844 内管壓力：0.0 psi 研磨時間：1 5秒 在低介電質絕緣膜作為研磨砉 W虔表面之周邊之剝離之存在係 由光學顯微鏡觀察到。 當低介電質絕緣膜之剝離發生時，剝離自絕緣膜周邊發 生之距離之最大值顯示於表3。最大值為，，〇"表示剝離未曾 發生。
⑷在低介電質絕緣膜周邊之評估(當金屬膜為欲研磨之表 面及低介電質絕緣膜為下層時） (4 -1)化學機械研磨性能之評估 化學機械研磨塾係在以下條件下放在atdf8〇〇lkd〇〇3 (商品名稱，Adcanced Technology Devel〇pment Facilhy& 司製造，以上述順序，由形成碳化矽層在矽基材上、形成 LKD5 109低介電質絕緣膜（商品名稱，JSR公司製造）在層
之佈線部份以外之部分上並沉積钽作為障璧金屬及銅作為 佈線材料在低介電質絕緣臈上獲得之試驗晶圓）上製造: 以下研磨試驗為加速試驗，其係在低介電質絕緣膜之剝離 容易發生之條件下。 化學機械研磨機：Mirra/Mesa(Applied Materials公司製造） 化學機械研磨之分散液：一種iCue5003(商品名稱，由 Cabot Microelectronics公司製造，包含矽石作為研磨劑顆 粒）與30質量％過氧化氫水以體積比率為丨丨：1之混合物 分散液之供應速率：1 〇〇毫升/分鐘 平台之轉數：丨2 0 rpm I04738.doc •26· 1357844 頂部之轉數：108 rpm 頂部壓力 保持器環之壓力 :6.5 psi 薄膜壓力：5.0 psi 内管壓力：4.0 psi 研磨時間：15秒 關於在研磨後之研磨表面，在下層低介電絕緣膜之周邊 之剝離係使用光學顯微鏡檢查。 當低介電質絕緣膜之剝離發生時，剝離自絕緣膜周邊發 生之距離之最大值顯示於表3。 實例2至10 除了 0-1)化學機械研磨墊之組合物之製備中原料之類型 及量如表1所示般改變以外’重複實例1之程序。評估結果 顯不於表2及3。 表1之縮寫表示以下物質。表1之數值為質量份。 RB830 . 1，2-聚丁二烯（JSR公司製造，商品名稱為JSR RB830) RB810 . 1，2-聚丁二烯（JSR公司製造，商品名稱為JSR RB810)
TR2827 :苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（Krat〇n JSR
Elastomers KK製造，商品名稱為TR2827) HF55 . t本乙烯（ps Japan公司製造，商品名稱為hf55) β-CD · β-環糊精（Bi〇 Research Corporation of Yokohama製 造，商品名稱為Dexy Pearl β-40，平均粒徑為2〇微米） 104738.doc -27- 1357844 含4〇 D40 · NOF 公司贺、生 ^ 表；Ις ’ 商 οσ 名稱為 percurnyl D40，包 質量％過氧化二括歸 PHR :以1〇〇皙息八，< ω Λ 八 貝里份水不浴性組份之原料計，有機過氧化 物之罝（根據純有機過氧化物產物質量份） 比較例1
除了 Rodel & Nitta公司製造之ICl〇〇〇用作化學機械研磨 塾以外’以如實例1相同方式進行化學機械研磨並評估。 其結果顯示表2及3。因為ICi〇〇0不具傳輸光學端點檢測器 之檢測光線之窗部分且無法使用光學端點檢測器，所以第 一階段研磨時間根據實例1設定至1 5 0秒。
I04738.doc 28- 1357844
0^ o o o ί〇 ο ο Ο in Jj X cs 们 in <Ν <Ν ^Τ) cs Oh o o 〇 o Ο Ο Ο Ο ο o - Μ 〇 o Os o in ο ο in 杯 寸 Q 寸 On 〇\ 寸 寸 σ\ α\ 甘 o 〇 o Ο ο ο ο O Μ vonc 晰 Q CN <N <N <Ν CN <Ν <Ν <N Si U 卜 卜 卜 卜 m 卜 <> CQ. <N CN (N CN (N <Ν CN <N 寸 寸 〇 〇 o 〇 寸 Ο Ο ο Ο 寸 κ 实 卜 CN oo CN o o O ?-H Ο Ο Ο ο o 雜 H o CN <Ν S； OO oo 00 PQ o o o o ο (Ν 卜 CS 卜 卜 ^Τ) t> ir> o <N <N s； 00 00 00 W <N <N t> 卜 Ο Ο ο ο o 卜 卜 in Pi CN cn 寸 tn \〇 卜 00 〇\ o 苳 零 ♦sC ㈣ 隹®ζ -29- 104738.doc 1357844
(N< 化學機械研磨結果 刮痕 (刮痕之數目） 在絕緣膜上 m 寸 cn o v〇 o o 1992 在銅線上 m ΟΝ «-Μ oo CN 〇 CN m in 2004 Sffl ^ 1 W 城·史 Ο ί〇 Ρ"·^ 寸 寸 yr) ^Τ) 00 寸 VO 寸 in 00 寸 ON vn yr\ cs in 〇 儲存彈性模數 E'(30°C )/ E'(60°C ) 〇\ CO ON 卜 卜 ro 卜 m 寸 cn m 卜 VO N 〇 ^ CO O Oh • ω m (Ν 寸 卜 m m 00 -i m VO CN o v〇 /*—s P G o cu - 、w/ ω 〇\ 00 〇 in ON ON uo CN 寸 Os 00 r^H 寸 實例1 實例2 實例3 實例4 實例5 實例6 實例7 實例8 實例9 實例1 〇 比較例1 I04738.doc -30- 1357844
表3 低介電絕緣膜之剝離 研磨表面： 低介電絕緣膜 研磨表面： 銅膜 自周邊之距離 (厘米） 自周邊之距離 (厘米） 實例1 0 0 實例2 5 4 實例3 0 0 實例4 0 0 實例5 2 0 實例6 0 0 實例7 0 0 實例8 0 0 實例9 0 0 實例1 0 0 0 比較例1 43 20 104738.doc -31 -

Claims (1)

1357844 十、申請專利範圍·· H學機械研㈣，其具有在3GtT之料彈性模數 (C)為12〇 Mpa或以下、及在30t下之儲存彈性模敦 E(3〇C)對在60〇c下之儲存彈性模數E，(6〇<>c)之（E 印Gt))比率為2.5或以上，而研磨基材㈣。。及6〇 下之儲存彈性模數係在以下條件下測定： 最初負荷量：100克、 最大偏位率：0.01%、
頻率：〇,2 Hz。 I. 如 ':項1之化學機械研磨墊，其中該研磨基材係包含 水不〉谷性&份與分散於水不溶性組份内之水溶性顆粒， =溶性組份係包含經交聯之有機材料，其係基於 罝份有機材料、或此經交聯之有機材料及非交聯 j機材料，使G (H至Q 6 f量份交聯劑交聯有機材料獲 付者。 3· 一種化學機械研磨法，其包括化學機械研 使=請求項丨或2之化學機械研磨墊進行。# ^ 4. 之化學機械研磨法’其中該化學機械研磨步 ν 銅製成之金屬鎮嵌（damascene)佈線之步驟。 104738.doc
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