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CN102893376A - 铜晶圆研磨的化学平坦化 - Google Patents

铜晶圆研磨的化学平坦化 Download PDF

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CN102893376A
CN102893376A CN201180007351XA CN201180007351A CN102893376A CN 102893376 A CN102893376 A CN 102893376A CN 201180007351X A CN201180007351X A CN 201180007351XA CN 201180007351 A CN201180007351 A CN 201180007351A CN 102893376 A CN102893376 A CN 102893376A
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Abstract

本文所述实施例关于自基板移除材料。更明确地，本文所述实施例关于经由化学机械研磨处理研磨或平坦化基板。一实施例中，提供基板的化学机械研磨(CMP)方法。方法包括将基板暴露于研磨液，基板上形成有导电材料层，且研磨液包括磷酸、一或更多螯合剂、一或更多腐蚀抑制剂与一或更多氧化剂；在导电材料层上形成钝化层；在基板与研磨垫之间提供相对移动，并移除至少一部分的钝化层以暴露一部分的下方导电材料层；及移除一部分的暴露导电材料层。

Description

铜晶圆研磨的化学平坦化
技术领域
本文所述实施例关于自基板移除材料。更明确地，本文所述实施例关于经由化学机械研磨处理研磨或平坦化基板。
背景技术
三维(3-D)积体电路为经由将数个硅基板与/或晶粒堆迭且垂直互连而成的单一积体电路，如此数个硅基板与/或晶粒可如单一元件表现。已经将介层洞应用于3-D积体电路制造中，以在一或更多导电材料层之间提供电耦接。近来，硅穿孔(TSV)已经成为传统线路接合的替代方法。TSV构造可经由在z-轴中形成互连而允许较短的互连。可经由形成自基板正面延伸至基板背面的介层洞，而产生通过基板的互连。在z-轴中产生互连之后，可接着在彼此的顶部上堆迭多个基板，并透过垂直延伸的互连电耦接多个基板。TSV构造提供在半导体应用中减少基板的占地面积的手段。
在基板表面上利用连续材料沉积与材料移除技术来形成TSV构造，以在基板表面中形成特征结构。随着连续沉积与移除材料层，基板的最上方表面变得非平坦地横跨基板表面，而基板表面在进一步处理之前需要平坦化。
平坦化或「研磨」为自基板表面移除材料以形成大致均匀、平坦表面的处理。平坦化有用于移除过量沉积材料、移除不欲的表面起伏形态与表面缺陷以提供均匀表面，表面缺陷诸如表面粗糙度、结块材料、晶格损伤、刮痕与污染层或材料，而均匀表面可用于随后的光微影技术与其他半导体制造处理。
化学机械平坦化或化学机械研磨(CMP)为用于平坦化基板的常见技术。CMP利用化学组成物自基板选择性移除材料，化学组成物诸如浆状物或其他流体媒介。传统CMP技术中，基板载具或研磨头安装于载具组件上，且基板载具或研磨头经配置以接触CMP设备中的研磨垫。载具组件提供可控制的压力给基板，藉此按压基板抵靠研磨垫。经由外部驱动力量相对于基板移动研磨垫。CMP设备影响基板表面与研磨垫之间的研磨或摩擦移动，CMP设备同时分散研磨浆或研磨液以影响化学与机械活性以及自基板表面的相应材料移除。
CMP的一目的为在高移除速率下移除可预测数量的材料同时达成均一表面起伏形态，在执行批次研磨处理时，上述目的存在于各个基板之中以及基板至基板之间。通常透过使用昂贵的研磨浆且应用高研磨压力至接受研磨的构造来达成材料的高移除速率。然而，上述高研磨压力可能导致下方构造的伤害。再者，使用昂贵的研磨浆促成拥有成本的提高。
因此，需要低成本的研磨处理，该研磨处理在低压或无压力下准确且可靠地移除可预测数量的材料，同时达成较高移除速率下的均一表面起伏形态。
发明内容
本文所述实施例关于自基板移除材料。更明确地，本文所述实施例关于经由化学机械研磨处理研磨或平坦化基板。一实施例中，提供基板的化学机械研磨(CMP)方法。方法包括将基板暴露于研磨液，基板上形成有导电材料层，且研磨液包括磷酸、一或更多螯合剂、一或更多腐蚀抑制剂与一或更多氧化剂；在导电材料层上形成钝化层；在基板与研磨垫之间提供相对移动，并移除至少一部分的钝化层以暴露一部分的下方导电材料层；及经由化学溶解移除一部分的暴露导电材料层。
另一实施例中，提供基板的化学机械研磨(CMP)方法。方法包括将基板面向上方暴露于研磨液，基板具有数个介层洞，而数个介层洞由过量导电材料所填充，其中过量导电材料的沉积剖面包括高覆盖区与低覆盖区，研磨液包括磷酸、一或更多螯合剂、一或更多腐蚀抑制剂与一或更多氧化剂；在导电材料层上形成钝化层；在基板与研磨垫之间提供相对移动，以自导电材料的高覆盖区移除钝化层好暴露导电材料的部分，同时保留钝化层于低覆盖区上；及自导电材料的暴露部分移除导电材料，同时经由利用载具头组件在基板与研磨垫之间施加压力，其中压力低于0.5psi。
附图说明
为了更详细地了解本发明的上述特征，可参照实施例(某些描绘于附图中)来理解本发明简短概述于上的特定描述。然而，需注意附图仅描绘本发明的典型实施例而因此不被视为本发明的范围的限制因素，因为本发明可允许其他等效实施例。
图1研磨站的一实施例的示意横剖面图，研磨站用以执行本文所述实施例；
图2描绘根据本文所述实施例的研磨处理的一实施例的流程图；
图3A～3E根据本文所述实施例的研磨处理过程中一基板实施例的示意图；
图4描绘研磨处理中铜移除速率的一实施例的图式，研磨处理根据本文所述实施例加以执行；及
图5描绘研磨处理的一实施例的平坦化效率的图式，研磨处理根据本文所述实施例加以执行。
为了促进理解，可尽可能应用相同的元件符号来标示图式中相同的元件。预期一实施例揭露的元件与特征结构可有利地用于其他实施例而不需特别详述。
具体实施方式
本文所述实施例关于自基板移除材料。更明确地，本文所述实施例关于经由化学机械研磨处理研磨或平坦化基板。某些实施例中，经由化学反应达成自基板表面移除导电材料，而经由平衡导电材料的移除速率与钝化差异来达成平坦化，钝化差异在导电材料起伏形态的峰部与谷部之间。
本文所述某些实施例中，在基板研磨处理过程中，在非常低的研磨压力或没有研磨压力下，经由载具头组件固持基板面向下方，以在基板与研磨垫表面之间产生所欲的化学反应层。本文所述某些实施例中，研磨压力低于0.5psi，并可利用不同的载具头组件区域压力来调整基板的材料移除剖面。
比起大部分利用现行市售浆状物的现行处理而言，本文所述研磨处理的实施例大致提供较高的材料移除速率。利用本文所述实施例达成的高材料移除速率较不取决于传统研磨参数，因此可大幅地减少占地面积，传统研磨参数诸如平台旋转与横扫距离。举例而言，本文所述某些实施例中，可将平台直径自32英时减少至18英时而利用较小的平台，藉此降低整体拥有成本。
一实施例中，提供不具磨料的研磨液。另一实施例中，提供磨料研磨液。两者研磨液均包括酸(例如，磷酸)、螯合剂(例如，柠檬酸铵)、腐蚀抑制剂与氧化剂。某些实施例中，不具磨料的研磨液更包括界面活性剂。
本文所述某些实施例中，主要经由导电材料与研磨液间的化学反应来移除导电材料，而平坦化基于钝化-去钝化机制，钝化-去钝化机制中低起伏形态由钝化层所保护而较高的起伏形态未受保护，这导致较高的起伏形态区相对于较低的起伏形态具有较高的化学溶解与较高的移除速率。本文所述实施例不同于传统的CMP处理，传统的CMP处理通常依赖高向下力量压力与机械磨擦来达成高移除速率。
除非在其他地方进一步界定，否则本文所用的文字与词组应为技术中熟悉技术人士所知的原本与常用意思。
本文所用的化学机械研磨(「CMP」)应广泛地解释且包括(但不限于)经由化学活性(例如，化学溶解)、机械活性、或化学与机械活性两者的组合自基板表面移除材料，化学机械研磨不应用电化学活性。
本文所用词汇「高覆盖区」代表在窄特征界定结构上形成较大厚度的导电材料，较大厚度相对于在广特征界定结构上导电材料的最小沉积。
本文所用词汇「低覆盖区」代表在广特征界定结构上形成较小厚度的导电材料，较小厚度相对于在窄特征界定结构上形成导电材料的较大厚度。
本文所用词汇「导电材料层」代表任何用于填充特征结构以形成线路、接点或介层洞的导电材料，导电材料诸如铜、钨、铝与/或上述的合金。
本文所用词汇「面向上方」代表上方沉积有导电材料的基板的方向，以致导电材料面向上方。
本文所用词汇「面向下方」代表上方沉积有导电材料的基板的方向，以致导电材料面向下方。
本文所用词汇窄特征界定结构与宽特征界定结构可取决于基板表面上形成的构造而有所变化，但窄特征界定结构通常的特征为在窄特征界定结构上形成的过量材料沉积(或高覆盖)的沉积剖面，而宽特征界定结构通常的特征为在宽特征界定结构上最小或低材料沉积(最小或低覆盖)的剖面。举例而言，窄特征界定结构的尺寸可低于1微米且窄特征界定结构可具有高覆盖，相对地，宽特征界定结构的尺寸可约为3微米或更大且宽特征界定结构具有最小或不足的覆盖。
虽然可执行本文所述实施例的特定设备并不受限，但特别有利于将实施例执行于REFLEXION GTTM系统、
Figure BDA00001938500400051
LK CMP系统与MIRRA
Figure BDA00001938500400052
系统中，上述系统由Applied Materials，Inc.(Santa Clara，California)所贩卖。此外，可自其他制造商取得的CMP系统亦可受惠于本文所述实施例。本文所述实施例亦可执行于顶上圆轨研磨系统上，顶上圆轨研磨系统包括共同受让的美国专利申请案12/420,996中所述的顶上轨研磨系统，2009年4月9日提出申请的美国专利申请案12/420,996的名称为「POLISHING SYSTEM HAVING A TRACK」，现公开为US2009/0258574，将美国专利申请案12/420,996的全文以参考资料并入本文中。
图1研磨站100的一实施例的部分剖面图，研磨站100可用来执行本文所述实施例。研磨站100包括载具头组件102与平台组件120。在研磨过程中，将基板110配置于载具头组件102中。载具头组件102通常固持基板110抵靠研磨垫组件130，而研磨垫组件130具有研磨表面132且研磨垫组件130配置于平台组件120上。旋转或以其他方式移动载具头组件102或平台组件120的至少一者，以提供基板110与研磨垫组件130间的相对移动。图1所示实施例中，载具头组件102耦接至致动器或马达150，致动器或马达150提供基板110至少围绕轴118旋转移动。马达150亦可摆动载具头组件102，以致横向移动基板110前进后退横跨研磨垫组件130的表面132。
研磨垫组件130可包括配置于平台组件120上作为垫的传统材料，传统材料例如泡沫聚合物。一实施例中，传统研磨材料泡沫聚氨酯。一实施例中，垫可自Rodel Inc.(Newark，Delaware)取得的IC1010聚氨酯垫。IC1010聚氨酯垫的厚度通常约2.05毫米，且IC1010聚氨酯垫通常具有约2％的压缩度。可应用的其他垫包括IC1000垫，IC1000垫下方可具有或不具有额外的可压缩底部层；IC1010垫，IC1010垫下方具有可压缩的底部层；及可取自其他制造商的研磨垫。本文所述溶液置于垫上以有助于基板的化学机械研磨。
一实施例中，载具头组件102包括载具头主体104，而载具头主体104界定基板接收穴部。基板接收穴部可让基板110配置于基板接收穴部中。某些实施例中，膜状物114配置于基板接收穴部中，且膜状物114可排空以夹持基板110至载具头组件102，当按压基板110抵靠研磨垫组件130时，膜状物114可经加压以控制基板110的向下力量。某些实施例中，在研磨过程中，基板110与第二基板112配置于载具头组件102中。膜状物114由支撑环106所周围围绕。一实施例中，载具头可为多区域载具头。一适当的载具头组件102为TITAN HEADTM载具头，TITANHEADTM载具头可自Applied Materials，Inc.(Santa Clara，California)取得。
平台组件120由基部154经由轴承156所支撑，轴承156可促进平台组件120围绕轴117旋转。马达158耦接至平台组件120并旋转平台组件120，以致相对载具头组件102移动研磨垫组件130。
复合浆状物/清洗臂组件或流体输送臂组件140用来自处理流体或浆状物供应器160通过管163输送浆状物至研磨垫组件130的表面132。替代实施例中，透过不同的输送臂组件提供清洗流体与处理流体至研磨垫组件。图1所示实施例中，流体输送臂组件140包括臂142，而臂142自支柱144延伸。提供马达146来控制臂142围绕支柱144的中心线旋转。可提供调整机构147来控制臂142的末端148相对于研磨垫组件130的工作表面的水平。调整机构147可为致动器，致动器耦接至臂142或支柱144的至少一者，以控制臂142的末端148相对于平台组件120的水平。
流体输送臂组件140可包括数个清洗出口埠161，数个清洗出口埠161经配置以均一地输送清洗流体的喷雾与/或清洗流体流至研磨垫组件130的表面。埠161经由管162耦接至清洗流体供应器164，而管162配置通过流体输送臂组件140。一实施例中，流体输送臂组件140可具有数目在12与15间的埠。在研磨含相变合金的基板之前、过程中与/或之后，与/或在移除基板110以清洁研磨垫组件130之后，清洗流体供应器164提供清洗流体至研磨垫组件130。在利用修整元件修整垫之后，利用来自埠161的流体清洁研磨垫组件130，修整元件诸如钻石盘或刷具(未显示)。研磨站100亦可包括垫修整设备(未显示)以维持研磨垫组件130的条件，以致研磨垫组件130可有效地研磨基板110。垫修整器可耦接至臂142，或者垫修整器可耦接不同的臂(未显示)。
喷嘴组件166配置在臂142的末端。喷嘴组件166经由管168耦接至处理流体供应器160，管168配置通过流体输送臂组件140。处理流体供应器可为研磨浆或研磨磨料。喷嘴组件166包括喷嘴170，可相对臂选择性地调节喷嘴170，以致可选择性引导离开喷嘴170的流体至研磨垫组件130的特定区域。
一实施例中，喷嘴170设以产生浆状物的喷雾。另一实施例中，喷嘴170适以提供浆状物流。另一实施例中，喷嘴170设以在约200至约500毫升/分钟间的速率下提供浆状物流与/或浆状物的喷雾至研磨表面，速率例如300毫升/分钟。
图1所示实施例中，基板110可为用于硅穿孔应用中的基板。基板110通常具有厚度约100微米或更少的导电材料。由于基板薄且挠性的，基板110可耦接至第二基板112以进行支撑。第二基板112通常可具有约700-800微米的厚度。若元件特征结构形成于基板110表面上时，那么基板110与第二基板耦接在一起，以致元件特征结构位于两个基板之间，举例而言，上方形成有元件特征结构的基板110的表面朝向第二基板。以此方式定向基板可在后续处理过程中保护基板110上形成的元件特征结构。
当耦接第一基板110与第二基板112时，可经由环氧树脂或任何其他适当材料固定耦接这两个基板，环氧树脂或任何其他适当材料对基板不具有负面影响。第二基板112通常为玻璃虚设基板或牺牲基板。在耦接第一基板110与第二基板112之后，但在化学机械研磨第一基板110之前，可移除一部分的第一基板110。可利用机械摩擦或蚀刻减少第一基板110的厚度。第一基板110的减少厚度可让第一基板110应用于TSV与堆迭晶片应用中。一般而言，在厚度减少之前，第一基板的初始厚度约等于第二基板。用于减少第一基板110厚度的处理通常在第一基板的背侧上留下粗糙表面。为了降低第一基板110的背侧上的表面粗糙度，可应用化学机械研磨。第一基板110的厚度减少让基板为挠性与易碎的。因此，在第一基板110的摩擦与研磨过程中，将第一基板110耦接至第二基板112，让第二基板112作为额外的支撑手段。
研磨处理与研磨溶液
图2描述根据本文所述实施例的研磨处理200的一实施例的流程图。第3A-3E图一基板实施例在根据本文所述实施例的研磨处理过程中的示意图。文字块210中，将基板300配置于包含研磨溶液的研磨站(相似于研磨站100)中，基板300具有一列特征界定结构或介层洞304A、304B与一列场域305A、305B与305C，特征界定结构或介层洞304A、304B与场域305A、305B与305C上配置有导电材料310。图2所示实施例中，介层洞304A、304B构成窄特征界定结构，而场域305A、305B与305C构成宽特征界定结构。
研磨处理为TSV形成的部分的实施例中，基板可为硅基板。基板300包括介电材料的某些实施例中，介电材料可包括一或更多传统用于半导体元件制造的介电材料。举例而言，介电材料可包括诸如二氧化硅、磷-掺杂硅玻璃(PSG)、硼-磷-掺杂硅玻璃(BPSG)等材料，而经由等离子增强化学气相沉积(PECVD)自四乙氧基硅烷(TEOS)或硅烷衍生二氧化硅。介电层亦可包括低介电常数材料，低介电常数材料包括氟-硅玻璃(FSG)、聚合物(例如，聚酰胺)、含碳氧化硅(例如，BLACK
Figure BDA00001938500400081
介电材料)、碳化硅材料(可掺杂氮与/或氧)，低介电常数材料包括自Applied Materials，Inc.(Santa Clara，Calif)取得的
Figure BDA00001938500400082
介电材料。
导电材料层310配置于基板300上，虽然未显示，但可在导电材料层310的沉积之前将导电材料的晶种层沉积于基板上，以改善层间的附着并改善随后的沉积处理。晶种层的材料可同于即将沉积的后续材料。某些实施例中，可乐见在晶种层与/或导电材料层310的沉积之前，在基板300上沉积阻障层。
一类型的导电材料层310包括含铜材料。含铜材料包括铜、铜合金(例如，包含至少约80％铜的铜-合金)或掺杂铜。本揭露通篇应用的词汇「含铜材料」、文字「铜」与符号「Cu」意图包含铜、铜合金、掺杂铜与上述的组合。
如图3A所示，以过量的导电材料310填充介层洞304A、304B，导电材料310例如铜。过量材料的沉积剖面包括高覆盖区320以及最小或低覆盖区330，高覆盖区320亦称为丘部或峰部，且高覆盖区320形成于基板300上，而最小或低覆盖区330亦称为谷部，且最小或低覆盖区330形成于介层洞上。
文字块220处，如图3B所示，将基板300暴露于本文所述的研磨液，该研磨液在导电材料层310上形成钝化层340。钝化层340形成于暴露的导电材料310上，暴露的导电材料310在基板300的表面308上，且暴露的导电材料310包括形成在沉积导电材料310中的高覆盖320(峰部)与最小覆盖330(谷部)。钝化层340化学与/或电隔绝基板的表面免于化学反应。将基板300的表面308暴露于腐蚀抑制剂与/或能够形成钝化或绝缘膜的其他材料来形成钝化层340，其他材料例如螯合剂。钝化层340的厚度与密度可主宰化学反应的程度与/或化学溶解的数量。举例而言，已经发现相对于较薄且较不密集的钝化层，较厚或较密集的钝化层340造成较少的化学溶解。因此，钝化剂、腐蚀抑制剂与/或螯合剂的组成物的控制可控制着自基板310的表面308移除材料的速率与数量。举例而言，存在较不密集的钝化层的实施例中，可经由非常微弱的化学摩擦轻易地破坏钝化层，非常微弱的化学摩擦例如垫与基板表面与/或浆状物中的磨料间的相对移动。如图3C所示，首先经由磨擦去钝化基板300上的钝化层340，直到钝化层340的表面平坦化至与基板300的表面308相同水平为止。
一实施例中，研磨液不具磨料的溶液，该不具磨料的溶液包括酸、螯合剂、腐蚀抑制剂、界面活性剂与氧化剂。另一实施例中，研磨液包含磨料的溶液，该包含磨料的溶液包括酸、螯合剂、腐蚀抑制剂、氧化剂与磨料。成信本文所述的研磨溶液改善CMP过程中自基板表面移除材料的有效速率，基板例如铜，且本文所述的研磨溶液降低平坦化类型缺陷并产出较平滑的基板表面。
虽然研磨溶液特别有用于移除铜，但成信研磨液可用于移除其他导电材料，其他导电材料诸如铝、铂、钨、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钴、金、银、钌与上述的组合。
研磨液包括酸，酸可用于驱动化学溶解反应。举例而言，适当的酸包括硫酸、磷酸、高氯酸、硝酸、醋酸与上述的组合。酸亦可缓冲溶液，以维持所欲的pH水平来处理基板。
适当酸的实例包括具有磷酸基团(PO4 3-)的化合物、具有硫酸基团(SO4 2-)的化合物、硝酸或上述的组合，具有磷酸基团(PO4 3-)的化合物诸如磷酸、磷酸钾(KxPO4)(x＝1、2、3)、磷酸铜、磷酸二氢铵((NH4)2H2PO4)、磷酸氢二铵((NH4)HPO4)，而具有硫酸基团(SO4 2-)的化合物诸如硫酸(H2SO4)、硫酸氢铵(NH4HSO4)、硫酸铵、硫酸钾、硫酸铜。
一实施例中，研磨液含有的酸性成分占据总体溶液的重量百分比(wt.％)或体积百分比(vol％)约1至约10％以驱动化学溶解反应。另一实施例中，研磨液含有的酸性成分占据总体溶液的重量百分比(wt.％)或体积百分比(vol％)约2至约5％以驱动化学溶解反应。
研磨液的一方面或成分为应用一或更多螯合剂，一或更多螯合剂可用以与基板表面复合以增进化学溶解处理。本文所述的任何实施例中，螯合剂可结合至导电材料(例如，铜离子)、提高金属材料的移除速率与/或改善横跨基板表面的溶解均匀性。可在以官能基黏接之前、过程或之后，移除的金属材料(例如，铜)可处于任何氧化状态，氧化状态诸如0、1或2。官能基可在处理过程中结合产生在基板表面上的金属材料，并自基板表面移除金属材料。螯合剂亦可用于缓冲研磨液以维持所欲的pH水平以处理基板。螯合剂亦可在基板表面上形成钝化层或有助于基板表面上形成钝化层。
一实施例中，一或更多螯合剂包括具有羧酸官能基的螯合剂与/或具有胺或酰胺官能基的螯合剂。具有羧酸官能基的螯合剂包括具有一或更多选自下列群组的官能基的化合物：羧酸官能基、二羧酸官能基、三羧酸官能基、羟与羧酸官能基的组合、或上述的组合。一或更多螯合剂亦可包括本文所述的螯合剂的盐类，举例而言，上述螯合剂的氨盐与钾盐。一实施例中，一或更多螯合剂可在溶液中，一或更多螯合剂的浓度为溶液的约0.4wt.％与约2.5wt.％之间，例如，浓度在约1wt.％与约2wt.％之间。
具有一或更多羧酸官能基的适当螯合剂的实例包括柠檬酸、酒石酸、琥珀酸、草酸、胺基酸、上述的盐类或上述的组合。举例而言，螯合剂的适当盐类可包括柠檬酸铵、柠檬酸钾、琥珀酸铵、琥珀酸钾、草酸铵、草酸钾、酒石酸钾或上述的组合。盐类可具有多价状态，举例而言，柠檬酸盐具有单价、双价与三价状态。具有一或更多羧酸官能基的其他适当螯合剂包括己二酸、丁酸、癸酸、己酸、辛酸、戊二酸、乙醇酸、蚁酸(formaic acid)、富马酸、乳酸、月桂酸、苹果酸、马来酸、丙二酸、肉荳蔻酸、棕榈酸、邻苯二甲酸、丙酸、丙酮酸、硬脂酸、戊酸、上述的衍生物、上述的盐类或上述的组合。某些实施例中，螯合剂可不具有胺或酰胺官能基。
一或更多螯合剂包括具有胺或酰胺官能基的螯合剂的另一实施例中，一或更多螯合剂可包括下列化合物，诸如乙二胺(EDA)、二乙烯三胺、二乙烯三胺衍生物、己二胺、胺基酸(例如，甘胺酸)、甲基甲酰胺、亚胺二乙酸(imidodiacetic acid)、上述的衍生物、上述的盐类或上述的组合。一实施例中，一或更多螯合剂可在溶液中，一或更多螯合剂的浓度为溶液的约0.4wt.％与约2.5wt.％之间，例如，浓度在约1wt.％与约2wt.％之间。
研磨液的另一方面或成分为应用一或更多腐蚀抑制剂。可添加腐蚀抑制剂经由形成钝化层来降低金属表面的氧化或腐蚀，钝化层可最小化基板表面与周围研磨溶液间的化学交互作用。因此，由腐蚀抑制剂形成的材料钝化层倾向于压抑或最小化基板表面处导电材料的化学溶解。
适当腐蚀抑制剂的实例包括具有唑(azole)基团的腐蚀抑制剂。具有唑基团的有机化合物实例包括苯并三唑(BTA)、氢硫苯并三唑、5-甲基-1-苯并三唑(TTA)、甲苯基三唑(TTA)、上述的衍生物或上述的组合。其他适当化合物包括1，2，4-三唑、苯甲酰咪唑(BIA)、苯并咪唑、上述的衍生物或上述的组合。一实施例中，一或更多腐蚀抑制剂可在溶液中，一或更多腐蚀抑制剂的浓度为溶液的约0.01wt.％与约1.0wt.％之间，例如，浓度在约0.02wt.％与约0.05wt.％之间。
研磨液的另一方面或成分包括一或更多氧化剂。适当氧化剂的实例包括过氧化氢、硝酸铁、碘酸盐与过硫酸铵(APS)。一实施例中，一或更多氧化剂存在的浓度可在约0.1wt.％与约5wt.％之间，浓度例如约0.5wt.％与约3.0wt.％之间。另一实施例中，一或更多氧化剂存在的浓度可在总体溶液的约0.1vol.％与约5vol.％之间，浓度例如约0.5vol.％与约3.0vol.％之间。
研磨液为不具磨料的研磨溶液的实施例中，研磨液可更包括一或更多界面活性剂。界面活性剂可用来提高材料的溶解或可溶性，并改善研磨溶液组成的化学稳定性且降低研磨溶液组成的分解，材料例如处理过程中产生的金属与金属离子或副产物。一实施例中，一或更多界面活性剂可包括研磨溶液体积或重量的约1％与约30％间的浓度。另一实施例中，一或更多界面活性剂可包括研磨溶液体积或重量的约5％与约20％间的浓度。
一或更多界面活性剂可包括非离子性界面活性剂以及离子性界面活性剂，离子性界面活性剂包括阴离子界面活性剂、阳离子界面活性剂、两性界面活性剂，而离子性界面活性剂具有超过一个离子官能基，离子性界面活性剂例如两性离子(Zweitter-ionic)界面活性剂。
研磨液的另一方面或成分可包括传统磨料颗粒，传统磨料颗粒例如二氧化硅或改性的二氧化硅，传统磨料颗粒的颗粒尺寸在约5奈米至约100奈米之间。
本文所述的研磨溶液的余额或残余为溶剂，溶剂例如极性溶剂，极性溶剂包括水，水例如去离子水。可单独或搭配水应用其他溶剂，其他溶剂例如有机溶剂。有机溶剂包括醇类(诸如，异丙醇或乙二醇)、醚类(例如，二乙醚)、呋喃(例如，四氢呋喃)、烃(诸如，戊烷或庚烷)、芳香烃(诸如，苯或甲苯)、卤化溶剂(诸如，二氯甲烷或四氯化碳)、上述的衍生物或上述的组合。
本文的溶液的pH可在约2.0与约7.0之间，例如约3.0至约7.0间的pH，例如约4.0至约5.5间的pH。
某些实施例中，以面向上方配置基板300，并输送研磨液至基板300的顶表面上。某些实施例中，以面向下方配置基板300，并将基板300浸于研磨溶液中。
文字块230处，如图3C所示，在每平方英时低于0.5磅的研磨压力(lb/in2或psi)(13.98kPa)下于研磨液中研磨基板300，以移除至少一部分的钝化层340。亦可移除钝化层340的部分下方的一部分导电层310。可经由载具头组件施加研磨压力至基板300。一实施例中，可经由施加约0.3psi(2.0kPa)或更低(例如，约0.005psi(34.5Pa)至约0.01psi(68.9Pa))的研磨压力来执行至少一部分钝化层340的移除。一实施例中，施加的研磨压力约0.05psi(34.5Pa)或更低。一实施例中，施加的研磨压力约0至约0.02psi(0.14kPa)。一实施例中，研磨处理为不具压力的处理，不具压力的处理中载具头组件没有施加研磨压力至基板300。
钝化层340的移除过程中，可在约10rpm(每分钟转数)至约50rpm的速度下旋转平台组件120，并可在约50rpm至约90rpm的速度下旋转载具头组件102，且可在约20公分/秒(每秒公分)至约160公分/秒的速度下于径向于槽的方向中线性移动。一实施例中，可在约21.2公分/秒至约106.3公分/秒的速度下线性移动载具头组件102。直径300毫米基板的较佳范围如下：平台组件120的旋转速度约25rpm至约35rpm，而载具头组件102的旋转速度约55rpm至约75rpm且载具头组件102的线性(例如，径向)速度约160公分/秒。一实施例中，平台组件120的直径在约18英时(45.7公分)与约32英时(81.3公分)之间。载具头组件可沿着平台组件120的半径移动，且载具头组件移动的距离在约6英时(15.2公分)与约8英时(20.3公分)之间。
本文所用的低研磨压力降低或最小化针对基板的伤害剪切力量与磨擦力量，而基板包含低k介电材料。降低或最小化后的力量可造成研磨导致特征结构变形与形成缺陷降低或达到最小。再者已经发现较低的剪切力量与磨擦力量可用来在研磨过程中降低或最小化起伏形态缺陷的形成，起伏形态缺陷诸如凹陷与刮痕及分层。在机械磨擦扰动或移除基板表面上的钝化层后，可暴露并经由化学溶解移除未钝化的导电材料区。
文字块240处，如图3D所示，经由化学溶解自基板310的至少一部分表面308移除导电材料310。文字块240的研磨处理可为不具压力的处理，其中载具头组件没有施加研磨压力至基板300，并经由化学溶解发生自非钝化区移除导电材料310。文字块240的研磨处理可相似于文字块230的研磨处理，其中施加每平方英时低于0.5磅的研磨压力(lb/in2或psi)(13.98kPa)以移除至少一部分的导电层310。一实施例中，可经由施加约0.3psi(2.0kPa)或更低的研磨压力来执行至少一部分导电层310的移除，研磨压力例如约0.005psi(34.5Pa)至约0.01psi(68.9Pa)。一实施例中，施加约0.05psi(34.5Pa)或更低的研磨压力。一实施例中，施加约0至约0.02psi(0.14kPa)的研磨压力。
文字块240的研磨处理过程中，可在约10rpm(每分钟转数)至约50rpm的速度下旋转平台组件120，并可在约50rpm至约90rpm的速度下旋转载具头组件102，且可在约20公分/秒(每秒公分)至约160公分/秒的速度下于径向于槽的方向中线性移动。一实施例中，可在约21.2公分/秒至约106.3公分/秒的速度下线性移动载具头组件102。直径300毫米基板的较佳范围如下：平台组件120的旋转速度约25rpm至约35rpm，而载具头组件102的旋转速度约55rpm至约75rpm且载具头组件102的线性(例如，径向)速度约160公分/秒。载具头组件可沿着平台组件120的半径移动，且载具头组件移动的距离在约6英时(15.2公分)与约8英时(20.3公分)之间。
可在相同或相似的研磨条件(诸如，压力、旋转速度、线性速度等)下执行文字块230的研磨处理与文字块240的研磨处理。可利用不同的研磨条件来执行文字块230的研磨处理与文字块240的研磨处理。举例而言，文字块230的研磨处理可发生于低研磨压力(例如，低于0.5psi)下以移除一部分钝化层，而文字块240的研磨处理可为不具压力的处理，不具压力的处理中，经由化学溶解以及基板与研磨垫间的相对移动发生导电材料的移除。
可经由本文所述处理使得导电材料的移除速率高达约10,000埃/分。通常乐见较高的移除速率，然则因为最大化处理均匀性的目标与其他处理变数(例如，反应动力学)，通常将化学溶解速率控制在约100埃/分约15,000埃/分之间。通常将基板暴露于研磨液达一时间周期，该时间周期足以移除配置于基板上的至少一部分或所有所欲材料。
可经由修改研磨溶液的成分来调整导电材料的移除速率。举例而言，可经由提高下列至少一者来修改移除速率：提高螯合剂的浓度以及降低研磨液的pH值(例如，使得研磨液更酸)。
形成TSV构造的实施例中，如图3E所示，基板可接受薄化处理(诸如，化学机械研磨或者化学或等离子蚀刻)，直到介层洞的导电金属一路延伸通过基板300。
图4描绘根据本文所述实施例执行的研磨处理铜的移除速率的图式400。x-轴描绘基板的直径(毫米)而y-轴描绘导电材料的起伏形态或高度(埃)。利用本文所述的参数与磨料研磨液执行研磨处理，其中研磨液包含低于总体研磨溶液重量百分比0.25％的磨料(具有100奈米颗粒的SiO2胶)。在这些条件下，Cu的移除速率如图4所示般为约1微米/分钟，此速率高于大部分商业浆料的移除速率。
图5描绘两个不同基板W19与W20的平坦化效率的图式500，利用根据本文所述实施例执行的研磨处理来研磨这两个基板。x-轴描绘铜材料移除的数量(埃)而y-轴描绘铜凹陷的数量。举例而言，当铜材料移除的数量为零的时候，凹陷的数量处于3,500埃与4,000埃间的最高位置。如图5所示，随着移除铜的数量提高，相应地降低凹陷的水平。将凹陷减少/移除厚度的比例界定成平坦化效率(PE)，平坦化效率(PE)在60％与90％范围之间。
实施例：
提供下列非限制性实施例以进一步描绘本文所述实施例。然而，实施例并非意图围包括所有且并非意图限制本文所述实施例的范围。
实施例1：
在
Figure BDA00001938500400141
LK CMP系统上的改良单元中，利用下列研磨组成物来研磨与平坦化直径300毫米的铜镀硅基板，
Figure BDA00001938500400142
LK CMP系统来自于AppliedMaterials，Inc.(Santa Clara，California)。基板在基板表面上具有厚度约8,000埃且阶梯高度约3,900埃的铜层，将此基板配置于平台组件上并暴露于包含下列研磨液的磨料：
体积百分比约4％的磷酸，磷酸用以提供约3.5的pH值；
体积百分比约2％的柠檬酸铵；
重量百分比约0.03％的苯并三唑；
体积百分比约1.0％的过氧化氢；
重量百分比约0.25％的二氧化硅(SiO2)磨料颗粒；及
去离子水。
以约0.2psi将IC 1010研磨垫接触基板。研磨并检视基板。移除基板表面上原来的过量铜层以留下硅表面，硅表面具有铜填充的介层洞。
实施例2：
在
Figure BDA00001938500400151
LK CMP系统上的改良单元中，利用下列研磨组成物来研磨与平坦化直径300毫米的铜镀硅基板，
Figure BDA00001938500400152
LK CMP系统来自于AppliedMaterials，Inc.(Santa Clara，California)。基板在基板表面上具有厚度约8,000埃且阶梯高度约3,900埃的铜层，将此基板配置于平台组件上并暴露于包含下列研磨液的磨料：
体积百分比约4％的磷酸，磷酸用以提供约3.5的pH值；
体积百分比约2％的柠檬酸铵；
重量百分比约0.03％的苯并三唑；
约0.5％的界面活性剂；
体积百分比约2.0％的过氧化氢；及
去离子水。
以约0.1psi将IC 1010研磨垫接触基板。研磨并检视基板。移除基板表面上原来的过量铜层以留下硅表面，硅表面具有铜填充的介层洞。
虽然上述针对本发明的实施例，但可在不悖离本发明的基本范围下设计出本发明的其他与更多实施例，而本发明的范围权利要求书所确定。

Claims (15)

1.一种一基板的化学机械研磨(CMP)方法，该方法包括：
将一基板暴露于一研磨液，该基板上形成有一导电材料层，该研磨液包括下列：
磷酸；
一或更多螯合剂；
一或更多腐蚀抑制剂；及
一或更多氧化剂；
在该导电材料层上形成一钝化层；
在该基板与一研磨垫之间提供相对移动，并移除该钝化层的至少一部分以暴露该下方导电材料层的一部分；及
经由化学溶解移除该暴露导电材料层的一部分。
2.如权利要求1所述的方法，更包括经由应用一载具头组件而在该基板与该研磨垫之间施加一压力，其中该压力低于0.5psi。
3.如权利要求2所述的方法，其中在将一基板暴露于一研磨溶液的过程中，经由该载具头组件以一面向下方固持该基板，且该基板上形成有一导电材料层。
4.如权利要求2所述的方法，其中在将一基板暴露于一研磨溶液的过程中，经由该载具头组件以一面向上方固持该基板，且该基板上形成有一导电材料层。
5.如权利要求1所述的方法，其中在移除该暴露导电材料层的一部分的过程中，并无经由一载具头组件在该基板与该研磨垫之间施加压力。
6.如权利要求1所述的方法，其中该一或更多螯合剂选自一由下列所构成的群组：柠檬酸铵、柠檬酸钾、琥珀酸铵、琥珀酸钾、草酸铵、草酸钾、酒石酸钾、甘胺酸与上述的组合。
7.如权利要求6所述的方法，其中该一或更多腐蚀抑制剂选自一由下列所构成的群组：苯并三唑(BTA)、氢硫苯并三唑、5-甲基-1-苯并三唑(TTA)、甲苯基三唑(TTA)、1，2，4-三唑、苯甲酰咪唑(BIA)、苯并咪唑与上述的组合。
8.如权利要求7所述的方法，其中该一或更多氧化剂选自一由下列所构成的群组：过氧化氢、过硫酸铵(APS)与上述的组合。
9.如权利要求2所述的方法，其中该载具头组件施加于该基板上的压力约0.3psi(2.0kPa)或更低。
10.如权利要求9所述的方法，其中该载具头组件施加于该基板上的压力约0.005psi(34.5Pa)至约0.01psi(68.9Pa)。
11.如权利要求1所述的方法，其中该研磨液一不具磨料的研磨液且更包括一或更多界面活性剂，该一或更多界面活性剂用以在处理过程中增加该导电材料层的溶解并降低该研磨溶液的成分的分解。
12.如权利要求1所述的方法，其中该研磨液更包括：数个磨料颗粒。
13.如权利要求1所述的方法，其中该提供相对移动的步骤包括：
在每分钟转数约10(rpm)至约50rpm的一速度下旋转该基板；
在约50rpm至约90rpm的一速度下旋转该载具头组件；及
在约20公分/秒至约160公分/秒的一速度下线性移动该载具头组件。
14.如权利要求1所述的方法，其中该基板具有数个介层洞，且该数个介层洞由一过量导电材料所填充，其中该过量导电材料具有一沉积剖面，该沉积剖面包括数个高覆盖区与数个低覆盖区。
15.如权利要求14所述的方法，其中该基板一硅基板，而该导电材料一含铜材料。
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