CN101032001B - Cmp抛光剂以及衬底的抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的CMP抛光剂,含有氧化铈粒子、水、以及由甲基丙烯酸及其盐中的至少一方聚合而成的聚合物、以及/或者由甲基丙烯酸及其盐中的至少一方与具有不饱和双键的单体聚合而成的聚合物,优选的是,还含有分散剂或由甲基丙烯酸及其盐类的至少一种与具有不饱和键的单体聚合而得到的聚合物。这样,抛光后的被抛光膜的、由图案密度差所造成的残膜厚差比较小。
Description
本发明是有关于CMP抛光剂以及衬底的抛光方法。优选的是,该CMP抛光剂及衬底的抛光方法被用于半导体元件制造技术,即,用于衬底表面的平坦化工艺过程,特别是用于层间绝缘膜、BPSG膜(掺杂有硼、磷等的二氧化硅膜)的平坦化工艺过程、形成浅沟槽隔离的工艺过程。
在目前的ULSI半导体元件制造过程中,正在研究、开发用于高密度、微细化的加工技术。作为这些技术中的一种,CMP(Chemical MechanicalPolishing:化学机械抛光)技术已经成为半导体元件制造过程中进行层间绝缘膜的平坦化、形成浅沟槽元件隔离、形成插入及埋入金属配线等时所必不可少的技术。
在半导体元件的制造过程中,通常采用等离子体-CVD、低压-CVD等方法形成二氧化硅绝缘膜等无机绝缘膜层。以往,作为用以将该无机绝缘膜层平坦化的淤浆状的化学机械抛光剂,一般是研究热解法二氧化硅系的抛光剂。热解法二氧化硅系抛光剂,例如是采用使四氯化硅热分解等方法进行晶粒生长并调整pH值而制造的。然而,这样的热解法二氧化硅系抛光剂,存在抛光速度较低的问题。
另外,设计标准(design rule)在0.25μm以下的新一代产品,集成电路内的元件隔离采用浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation)。在浅沟槽隔离结构中,为了除去衬底上成膜后多余的二氧化硅膜,需要使用CMP,为了停止抛光,要在二氧化硅膜的下面形成抛光速度小的终止膜。终止膜使用氮化硅等,二氧化硅膜与终止膜的抛光速度之比大一些为好。然而,胶态二氧化硅系的抛光剂,上述的二氧化硅膜与终止膜的抛光速度之比较小,只有3左右,因此用于浅沟槽隔离时并不具有耐实用的特性。
另一方面,作为光掩模、透镜等玻璃表面抛光剂,有人使用氧化铈系抛光剂,与二氧化硅粒子和氧化铝粒子相比,氧化铈粒子的硬度较低,不容易损伤抛光表面,因此在镜面的精抛光方面很有用。另外,与二氧化硅抛光剂相比,氧化铈粒子还具有抛光速度快的优点。近年来,采用高纯度氧化铈磨粒的半导体用CMP抛光剂已经广为使用(例如,参照日本专利特开平10-106994号公报)。
另外,人们还知道,为了控制氧化铈CMP抛光剂的抛光速度,提高全面性的平坦化,在氧化铈CMP抛光剂中添加具有羧基或羧基的盐构成的亲水基的水溶性高分子作为添加剂(例如,参照日本专利第3278532号公报)。
作为上述添加剂的单体,可以采用丙烯酸、衣康酸、马来酸以及它们的盐等,其中,非常容易聚合丙烯酸是最优选的。但是,添加了使用这些单体的水溶性高分子添加剂的氧化铈CMP抛光剂,被抛光膜的图案密度引起的残膜厚差不一定可以降低至满意的程度。
另一方面,甲基丙烯酸在室温下只能在水中溶解18%,疏水性高,聚合时难以得到高分子量的聚合物,因而对甲基丙烯酸的聚合物的研究比较少。因此,甲基丙烯酸不被认为适用于作为上述添加剂所使用的聚合物的单体。
发明内容
本发明提供了一种CMP抛光剂以及抛光方法,在抛光后可得到由图案密度差所引起的残留膜的厚度较小的被抛光膜。
本发明是关于下述的(1)-(13)。
(1)CMP抛光剂,含有:(A)氧化铈粒子;(B)分散剂;(C)水;以及,(D)甲基丙烯酸及其盐中的至少一方聚合而成的聚合物以及甲基丙烯酸及其盐中的至少一方与具有不饱和双键的单体聚合而成的聚合物之中的至少一种聚合物。
(2)CMP抛光剂,含有:(A)氧化铈粒子;(C)水;以及,(D)甲基丙烯酸及其盐中的至少一方聚合而成的聚合物以及甲基丙烯酸及其盐中的至少一方与具有不饱和双键的单体聚合而成的聚合物之中的至少一种聚合物。
(3)CMP抛光剂,含有:(A)氧化铈粒子;(C)水;(D)甲基丙烯酸及其盐中的至少一方聚合而成的聚合物以及甲基丙烯酸及其盐中的至少一方与具有不饱和双键的单体聚合而成的聚合物之中的至少一种聚合物;以及,(E)丙烯酸及其盐中的至少一方聚合而成的聚合物以及丙烯酸及其盐中的至少一方与具有不饱和双键的单体聚合而成的聚合物之中的至少一种聚合物。
(4)上述(1)~(3)中任一项所记载的CMP抛光剂,其中,相对于全部单体成分的总量,构成上述聚合物(D)的甲基丙烯酸及其盐的比率是10-100摩尔%。
(5)上述(1)~(4)中任一项所记载的CMP抛光剂,其中,聚合物的聚合时所使用的聚合引发剂是,在25℃下对于99.5质量份的水添加0.5质量份的情况下完全溶解的化合物;或者是,在25℃下对于99.5质量份的水添加0.5质量份、进而相对于1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸及无机酸中的至少一方的情况下完全溶解的化合物。
(6)上述(1)~(5)中任一项所记载的CMP抛光剂,其中,聚合物的聚合时所使用的聚合引发剂是,在25℃下对于97.0质量份的水添加3.0质量份的情况下完全溶解的化合物;或者是,在25℃下对于97.0质量份的水添加3.0质量份、进而相对于1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸及无机酸中的至少一方的情况下完全溶解的化合物。
(7)上述(1)~(6)中任一项所记载的CMP抛光剂,其中,相对于100质量份CMP抛光剂,聚合物的配合量是0.01-5质量份。
(8)上述(1)~(7)中任一项所记载的CMP抛光剂,其中,聚合物的重均分子量是200-100,000。
(9)上述(1)~(8)中任一项所记载的CMP抛光剂,其中,氧化铈粒子的平均粒径是1-400nm。
(10)上述(1)~(9)中任一项所记载的CMP抛光剂,其中,相对于100质量份CMP抛光剂,氧化铈粒子的配合量是0.1-5质量份。
(11)上述(1)~(10)中任一项所记载的CMP抛光剂,其中,pH值是4.5-6.0。
(12)上述(1)~(11)中任一项所记载的CMP抛光剂,其中,还含有强酸离子,相对于CMP抛光剂,该强酸离子的含量以质量比计为50-10,000ppm.
(13)衬底的抛光方法,其特征在于,将已形成被抛光膜的衬底按在抛光盘的抛光布上并施加压力,一面将上述(1)-(12)中任一项所记载的CMP抛光剂供给至被抛光膜与抛光布之间,一面使衬底和抛光盘相对移动,对被抛光膜进行抛光。
本发明的CMP抛光剂和抛光方法,抛光后的被抛光膜的由图案密度差所造成的残留膜厚度差比较小。
本申请的公开,与2004年9月28日提交申请的特 2004-281508号中记载的主题相关,这里引用该申请中公开的内容作为参考。
实施发明的最优选方式
本发明的CMP抛光剂例如可以按以下所述制得:制备含有氧化铈粒子、分散剂和水的氧化铈淤浆以及含有添加剂和水的添加液,然后将它们混合。
本发明中的(A)氧化铈粒子,例如可以通过将碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、草酸盐等铈化合物氧化而获得。在采用TEOS-CVD法等形成的二氧化硅膜的抛光中使用的氧化铈抛光剂,粒子的微晶直径越大且结晶应变越小,即结晶性越好,则越能够高速抛光,但被抛光膜上往往容易产生抛光损伤。因此,本发明中的氧化铈粒子,虽然对其制造方法没有限制,但氧化铈的微晶直径在1-400nm为宜。另外,在用于半导体元件制造中的抛光的情况下,优选的是,例如将氧化铈粒子中的碱金属和卤素类的含量抑制为质量比10ppm以下。
在本发明中,作为制备氧化铈粒子的方法,例如可以采用烧成法或者利用过氧化氢等的氧化法。上述烧成的温度在350℃-900℃为宜。
在采用上述方法制造的氧化铈粒子发生凝集的情况下,最好是进行机械粉碎。粉碎方法,优选的例如是使用喷射粉碎机等的干式粉碎以及使用行星式珠磨机等的湿式粉碎方法。喷射粉碎机例如可以使用“化学工学论文集”第6卷第5号(1980)527-532页中说明的装置。
作为将这样的氧化铈粒子分散于主要分散介质水中的方法,例如,除了采用通常的搅拌机进行分散处理之外,还可以使用均化机、超声波分散机、湿式球磨机等。
作为将通过上述方法分散的氧化铈进一步微粒子化的方法,例如可以使用将氧化铈分散液长时间静置而使大粒子沉降,用泵汲取上清液的沉降分级法。另外,也可以使用高压均化机,利用高压使分散介质中的氧化铈粒子彼此碰撞的方法。
这样制备的CMP抛光剂中的氧化铈粒子的平均粒径,优选的是1-400nm,更优选的是1-300nm,特别优选的是1-200nm。若其平均粒径不足1nm,则存在抛光速度低下的倾向,若超过400nm,则被抛光的膜上容易产生抛光损伤。
在本发明中,所谓氧化铈粒子的平均粒径,是指采用激光衍射式粒度分布仪测定的D50的值(体积分布的中位数粒径,累积中间值)。
每100质量份CMP抛光剂,氧化铈粒子的浓度优选为0.1-5质量份,更优选是0.2-2质量份,特别优选的是0.5-1.5质量份。该浓度低于0.1质量份时,往往抛光速度低下,超过5质量份时,氧化铈粒子往往发生凝集。
本发明的CMP抛光剂优选的是含有(B)分散剂。本发明中的分散剂,例如可以举出水溶性阴离子性分散剂、水溶性非离子性分散剂、水溶性阳离子性分散剂、水溶性两性分散剂等,优选的是后述的聚羧酸型高分子分散剂,更优选的是作为共聚成分以丙烯酸铵盐为构成单元的高分子分散剂。
上述作为共聚成分以丙烯酸铵盐为构成单元的高分子分散剂,例如可以举出聚丙烯酸铵、丙烯酰胺与丙烯酸铵的共聚物等。另外,还可以使用含有作为共聚成分以丙烯酸铵盐为构成单元的高分子分散剂中的至少1种以及其它分散剂至少1种(例如,选自水溶性阴离子分散剂、水溶性非离子性分散性、水溶性阳离子性分散剂及水溶性两性分散剂中至少1种)的2种以上的分散剂。
在用于半导体元件制造中的抛光的情况下,例如,相对于CMP抛光剂来说,全部的分散剂中的钠离子、钾离子等碱金属、卤原子和硫原子的含量最好是抑制在质量比10ppm以下。
上述的水溶性阴离子性分散剂,例如可以举出十二烷基硫酸三乙醇胺、十二烷基硫酸铵、聚氧乙烯烷基醚硫酸三乙醇胺、聚羧酸型高分子分散剂等。
上述的聚羧酸型高分子分散剂,例如可以举出丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、富马酸、衣康酸等具有不饱和双键的羧酸单体的聚合物、具有不饱和双键的羧酸单体与其他具有不饱和双键的单体的共聚合物、以及它们的铵盐或胺盐等。
上述的水溶性非离子性分散剂,例如可以举出:聚氧乙烯十二烷基醚、聚氧乙烯十六烷基醚、聚氧乙烯十八烷基醚、聚氧乙烯油基醚、聚氧乙烯高级醇醚、聚氧乙烯辛基苯基醚、聚氧乙烯壬基苯基醚、聚氧化烯基烷基醚、聚氧乙烯衍生物、聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸脂、聚氧乙烯山梨糖醇酐单棕榈酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐三硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐三油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇四油酸酯、聚乙二醇单月桂酸酯、聚乙二醇单硬脂酸酯、聚乙二醇二硬脂酸酯、聚乙二醇单油酸酯、聚氧乙烯烷基胺、聚氧乙烯硬化蓖麻油、甲基丙烯酸2-羟乙基酯、烷基烷醇胺等。
上述的水溶性阳离子性分散剂,例如可以举出聚乙烯吡咯烷酮、椰油胺乙酸酯、十八烷基胺乙酸酯等。
上述的水溶性两性分散剂,例如可以举出十二烷基甜菜碱、十八烷基甜菜碱、月桂基二甲基胺氧化物、2-烷基-N-羧甲基-N-羟乙基咪唑啉翁甜菜碱等。
这些分散剂可以单独使用,或者两种以上组合使用。
上述分散剂适用于将氧化铈粒子稳定地分散于(C)水等分散介质中。
从抛光剂中的粒子的分散性和防止沉降以及减小抛光损伤的角度考虑,相对于100质量份氧化铈粒子,上述分散剂的添加量优选为0.01-10质量份,更优选为0.05-8质量份,特别优选为0.1-5质量份。其添加量低于0.01质量份时,粒子的分散性不充分,被抛光膜上容易产生抛光损伤;超过10质量份时,粒子凝集,造成沉降,被抛光膜容易产生抛光损伤。
另外,从抛光速度及保存稳定性的角度考虑,上述分散剂的重均分子量优选的是100-50,000,更优选的是1,000-10,000。其重均分子量不足100时,难以获得充分的抛光速度;重均分子量超过50,000时,粘度将会升高,抛光剂的保存稳定性往往会降低。该重均分子量是,在具有示差折射仪(株式会社日立制造所制造,型号L-3300)的HPLC泵(株式会社日立制造所制造,型号L-7100)上连接GPC管柱(日立化成工业株式会社制造,型号Gelpack GL-W550),使用50mM磷酸氢二钠水溶液/乙腈=90/10(V/V)混合液作为流动相进行测定,并进行聚乙二醇换算而得到的值。
本发明的CMP抛光剂,含有(D)甲基丙烯酸及其盐中的至少一方聚合而成的聚合物以及/或者甲基丙烯酸及其盐中的至少一方与具有不饱和双键的单体聚合而成的聚合物。由于含有聚合物(D),可以提升平坦化特性。另外,与主要的被抛光膜即二氧化硅膜相比,抑制了作为终止膜的氮化硅膜的抛光速度,因此,抛光过程的管理就变得容了。
从全面性的平坦化特性的角度考虑,相对于全部单体的总量来说,构成上述聚合物(D)的甲基丙烯酸及其盐的比率优选为10-100摩尔%,更优选为30-100摩尔%,进一步优选为50-100摩尔%,特别优选为60-100摩尔%,非常优选为70-100摩尔%,极优选为80-100摩尔%,最优选为90-100摩尔%。甲基丙烯酸及其盐的比率低于10摩尔%时,由图案密度差所造成的被抛光膜的残留膜厚度差往往会增大。
另外,在聚合物(D)中,作为单体可以使用甲基丙烯酸的铵盐、钾盐、烷基胺盐等盐类,它们可以单独使用或者与甲基丙烯酸并用。聚合物(D),可以是单体的一部分为甲基丙烯酸及其盐中的至少一方的聚合物,也可以是单体的全部为甲基丙烯酸及其盐中的至少一方的聚合物,还可以并用两方的聚合物。
此外,也有的时候,聚合物还具有分散剂的功能。
上述具有不饱和双键的单体,例如可以举出:丙烯酸、丁烯酸(巴豆酸)、乙烯基乙酸、惕各酸、2-三氟甲基丙烯酸、衣康酸、富马酸、马来酸、柠康酸、甲基富马酸、葡萄糖酸等的羧酸类;2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸等磺酸类。另外,也可以使用上述化合物的铵盐、钾盐、烷基胺盐等盐类。
此外,作为具有不饱和双键的单体,例如还可以使用C1-C18的丙烯酸酯、C1-C18的甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰基吗啉、乙烯基醇、丙烯腈、乙烯基吡咯烷酮、乙烯基吡啶等可以自由基聚合的单体。
这些化合物可以单独使用或两种以上组合使用。
此外,也可以将(E)丙烯酸及其盐中的至少一方聚合而成的聚合物和/或丙烯酸及其盐中的至少一方与具有不饱和双键的单体聚合而成的聚合物与(D)的聚合物并用。该聚合物(E),由于可以控制对水的溶解性而优先选用。
作为将这些单体聚合而得到聚合物的聚合引发剂,例如可以选用具有水溶性的化合物。该聚合引发剂的水溶性,优选的是,例如在25℃下将聚合引发剂添加到水中并搅拌的情况下,对99.5质量份的水添加0.5质量份时可完全溶解程度的水溶性,或者,对99.5质量份的水添加0.5质量份、进而相对1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸和/或无机酸时,可完全溶解程度的水溶性。是否完全溶解例如可以按以下所述的方法来判断,即,在25℃下、于内容积50毫升的具有盖子的聚丙烯制离心管中加入聚合引发剂0.15克、纯水29.85克,并密封,然后使用试管混合器以2500rpm搅拌3分钟后,目视确认有无不溶物。
聚合引发剂更优选的是具有下面所述的水溶性,即,对97.0质量份的水添加3.0质量份时完全溶解程度的水溶性,或者,对97.0质量份的水添加3.0质量份、进而相对1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸和/或无机酸时完全溶解程度的水溶性。是否完全溶解例如可以按以下所述的方法来判断,即,在25℃下于内容积50毫升的具有盖子的聚丙烯制离心管中加入聚合引发剂0.9克、纯水29.1克,并密封,然后使用试管混合器以2500rpm搅拌3分钟后,目视确认有无不溶物。
作为上述聚合引发剂,例如可以举出下列的化合物:过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠等过氧化物;将亚硫酸铵、亚硫酸氢铵、亚硫酸钾、亚硫酸氢钾、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠等亚硫酸盐与氧、空气或过氧化物等组合而成的氧化还原引发剂;2,2’-偶氮二[N-(2-羧乙基)-2-甲基丙酰胺]等两性偶氮化合物;1-[(1-氰基-1-甲基乙基)偶氮]甲酰胺、2,2’-偶氮二{2-甲基-N-[1,1-双(羟甲基)-2-羟乙基]丙酰胺}、2,2’-偶氮二{2-甲基-N-[2-(1-羟丁基)]丙酰胺}、2,2-偶氮二[2-甲基-N-(1-羟乙基)]-丙酰胺、2,2’-偶氮二[2-(5-甲基-2-咪唑啉-2-基)丙烷]盐酸盐、2,2’-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]、2,2’-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]盐酸盐、2,2’-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]硫酸盐水合物、2,2’-偶氮二[2-(3,4,5,6-四氢嘧啶-2-基)丙烷]盐酸盐、2,2’-偶氮二{2-[1-(2-羟乙基)-2-咪唑啉-2-基]丙烷}盐酸盐、2,2’-偶氮二[2-脒基丙烷]盐酸盐、2,2-偶氮二[N-(2-羧乙基)-2-甲基丙脒、2,2’-偶氮二(2-甲基丙酰胺肟)等阳离子性偶氮化合物等。为了提高上述聚合引发剂的水溶性,例如也可以添加醋酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸等有机酸盐,或者磷酸、氢溴酸、氢碘酸、氢氟酸、硝酸、硫酸等的无机酸盐。相对于1摩尔的聚合引发剂,这些有机酸及/或无机酸最好是以2摩尔的比例添加。2,2’-偶氮二{2-甲基-N-[1,1-双(羟甲基)-2-羟乙基]丙酰胺}、2,2-偶氮二[2-甲基-N-(1-羟乙基)]-丙酰胺以及2,2’-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷],最好是添加上述有机酸及/或无机酸后使用。
另外,作为上述具有水溶性的化合物之外的聚合引发剂,例如也可以使用4,4’-偶氮二(4-氰基戊酸)等阴离子性偶氮化合物等。
这些聚合引发剂可以单独使用或两种以上组合使用。
聚合时的溶剂并无特别限制,例如可以使用甲醇、异丙醇、丙醇、丁醇等C1至C4的醇类、水等。这些溶剂可以单独使用或两种以上组合使用。
这样获得的上述聚合物的重均分子量(聚乙二醇换算值),优选为200-100,000的范围,更优选为300-70,000的范围,特别优选为500-50,000的范围。其重均分子量不足200时,难以获得充分的全面性平坦化特性,超过100,000时,难以得到充分抛光速度。该重均分子量是,在具有示差折射仪(株式会社日立制造所制造,型号L-3300)的HPLC泵(株式会社日立制作所制造,型号L-7100)上连接GPC管柱(日立化成工业株式会社制造,型号GelpackGL-W550),使用50mM磷酸氢二钠水溶液/乙腈=90/10(V/V)混合液作为流动相进行测定,进行聚乙二醇换算而得到的值。为了控制聚合时的重均分子量,例如还可使用巯基乙醇等巯基化合物系分子量调节剂。
本发明中的上述聚合物的配合量(在也使用聚合物(E)的情况下为聚合物(D)与聚合物(E)的合计配合量),相对于100质量份CMP抛光剂,优选为0.01-5质量份,更优选为0.05-3质量份的范围,特别优选为0.10-1质量份的范围。若添加量不足0.01质量份,难以获得高全面性平坦化特性,若添加量高于5质量份,往往产生氧化铈粒子凝集。
存在有凹凸的被抛光膜,例如氧化硅膜,为了实现全面性平坦化,必须选择性的抛光凸部。如果使用含有上述聚合物的抛光剂,在氧化铈粒子及被抛光膜的表面上,会形成由上述聚合物构成的保护膜。于是,实效抛光负荷较小的凹部被抛光膜受到该保护膜保护,而实效抛光负荷较大的凸部被抛光膜上的保护膜被排除掉,从而可选择性地抛光凸部。但是,以往作为添加剂使用的聚丙烯酸等水溶性高分子,由于水溶性高,在被抛光膜上形成的保护膜厚且粗糙,因此无法进行充分的选择性抛光,容易发生因图案密度差所造成的被抛光膜残留膜厚度差的问题。另一方面,由于上述聚合物(D)采用与以往使用的聚丙烯酸的单体的丙烯酸相比疏水性更大的甲基丙烯酸作为单体,因而在被抛光膜上形成薄且致密的吸附层。结果,由于在被抛光膜表面形成强固的保护膜,因此可以实现图案密度依存性较小的全面性平坦化。另外,本发明中的聚合物还具有分散剂的功能。
此外,在本发明的添加液中,还可以并用上述聚合物以外的其他水溶性高分子。所述其他的水溶性高分子,并无特别限制,例如可以举出:褐藻酸、果胶酸、羧甲基纤维素、琼脂、卡德兰、普鲁兰等多糖类;聚天冬氨酸、聚谷氨酸、聚赖氨酸、聚苹果酸、聚酰胺酸、聚酰胺酸铵盐、聚酰胺酸钠盐、聚乙醛酸等聚羧酸及其盐;聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯醛等乙烯系聚合物等。
本发明的CMP抛光剂,例如可以作为将氧化铈淤浆与添加液分开的双液型CMP抛光剂而保存,也可以作为预先将氧化铈淤浆与添加液混合的单液型CMP抛光剂而保存。作为将氧化铈淤浆与添加液分开的双液型CMP抛光剂保存的情形下,通过任意改变该这两种液体的配合量,可以调整全面性平坦化特性和抛光速度。在用双液型CMP抛光剂进行抛光时,例如,可以采用不同的配管输送添加液和氧化铈淤浆,将这些配管合流,在供给配管出口前进行混合后供给至抛光盘上的方法,或者,采用抛光之前将氧化铈淤浆与添加液进行混合的方法。另外,如上所述将双液的氧化铈淤浆与添加液在之前或于管内混合的情况下,也可以视实际需要混合去离子水而调整抛光特性。
本发明的CMP抛光剂,优选的是调整成所期望的pH值再用于抛光。对于pH值调节剂并无限制,不过,在用于半导体抛光的场合,与碱金属相比,更优先选用氨水或酸成分。另外,也可以使用预先用氨部分地中和上述聚合物、水溶性高分子的铵盐作为pH值调节剂。CMP抛光剂的pH值优选为4.5-6.0,更优选为4.8-5.6。若pH值不足4.5,抛光速度往往会降低,而若pH值超过6.0,被抛光膜的平坦性往往低下。
在本发明中,CMP抛光剂的pH值,例如可以使用pH计(例如,横河电机株式会社制造的Model PH8l)进行测定。使用标准缓冲液(苯二甲酸盐pH缓冲液:pH4.21(25℃)),中性磷酸盐pH缓冲液:pH6.86(25℃))进行两点校正,然后,将电极放入CMP抛光剂中,经过2分钟以上测定稳定后的值。
另外,本发明的CMP抛光剂通过进一步含有强酸离子,可以更加降低由图案密度差所造成的被抛光膜的残留膜厚度差。在本发明中,所谓的强酸是第一可离解酸基的pKa值(pKa1)为3.2以下的酸,例如下列例示的酸。其中,括弧内表示的是pKa值,引自文献:《化学便览基础编》改订4版(社团法人日本化学会著,平成5年9月30日发行,丸善株式会社发行)II-317-322页。
硫酸(pKa1<0,pKa2:1.96,以下只表示出pKa1)、盐酸(-3.7)、硝酸(-1.8)、磷酸(2.15)、草酸(1.04)、马来酸(1.75)、苦味酸(0.33)、亚硫酸(1.86)、硫代硫酸(0.6)、氨基磺酸(0.99)、氯酸、高氯酸(<0)、亚氯酸(2.3 1)、氢碘酸(-10)、高碘酸、溴酸(0.77)、氢溴酸(-9)、高溴酸、溴酸、铬酸(-0.2)、亚硝酸(3.15)、二磷酸(0.8)、三聚磷酸(2.0)、吡啶甲酸(1.03)、次膦酸(1.23)、膦酸(1.5)、异烟酸(1.79)、烟酸(2.05)、三氯乙酸(0.66)、二氯乙酸(1.30)、氯乙酸(2.68)、氰基乙酸(2.47)、草酰乙酸(2.27)、硝基乙酸(1.46)、溴乙酸(2.72)、氟乙酸(2.59)、苯氧基乙酸(2.99)、邻溴苯甲酸(2.85)、邻硝基苯甲酸(2.17)、邻氯苯甲酸(2.92)、对氨基苯甲酸(2.41)、邻氨基苯甲酸(2.00)、苯二甲酸(2.75)、富马酸(2.85)、丙二酸(2.65)、d-酒石酸(2.83)、柠檬酸(2.90)、2,6-吡啶二羧酸(2.09)、丙酮酸(2.26)、聚苯乙烯磺酸(<3.0)、聚磺酸(<3.0)、谷氨酸(2.18)、水杨酸(2.81)、天冬氨酸(1.93)、2-氨基乙基膦酸(1.1)、甘氨酸(2.36)、精氨酸(2.05)、异亮氨酸(2.21)、肌氨酸(2.15)、鸟氨酸(1.9)、鸟嘌呤核苷(1.8)、瓜氨酸(2.43)、酪氨酸(2.1 7)、缬氨酸(2.26)、次黄嘌呤(2.04)、蛋氨酸(2.15)、赖氨酸(2.04)、亮氨酸(2.35)等。这些强酸可以单独使用,或者两种以上组合使用。
上述的强酸,第一可离解酸基的pKa值越低,其效果越高,从这一角度考虑,优先选用第一可离解酸基的pKa值在2.0以下的酸,更优选的是pKa值为1.5以下的酸。第一可离解酸基的pKa值超过3.2时,难以得到充分的效果。本发明中使用的强酸的添加方法并没有特别的限制,举例来说,可以与上述聚合物及水溶性高分子分开添加,也可以预先含在聚合引发剂中。此外,强酸也可以以盐的形态添加到抛光剂中。
添加的强酸离子,会比上述聚合物或其他的水溶性高分子优先离解,从而抑制上述聚合物及其他的水溶性高分子的羧基的离解,离解受到抑制的上述聚合物、其他的水溶性高分子,容易吸附到被抛光膜表面而形成保护膜。结果,能够进一步减小具有图案密度差的晶片的被抛光膜的残留膜厚度。
在CMP抛光剂中,上述强酸离子的含有量,以重量比计优选为50-10,000ppm,更优选为100-1000ppm,特别优选为200-600ppm。其含量不足50ppm时,难以得到对图案密度依存性的减低效果;超过10,000ppm时,氧化铈粒子的分散稳定性往往会降低。
(C)水是主要的分散介质,对其没有特别的限制,优选为去离子水。
本发明的抛光方法,其特征在于,将已形成被抛光膜的衬底按压在抛光盘的抛光布上并施加压力,一面将上述本发明的CMP抛光剂供给到被抛光膜与抛光布之间,一面使衬底和抛光盘相对移动,对被抛光膜进行抛光。
上述的衬底,例如可以举出形成了电路元件和配线图案的阶段的半导体衬底、在半导体衬底上形成了无机绝缘层的衬底等半导体元件制造中的衬底。作为被抛光膜,例如可以举出二氧化硅膜层、氮化硅膜层等无机绝缘膜。用上述CMP抛光剂对在这样的半导体衬底上形成的二氧化硅膜层、氮化硅膜层进行抛光,可以削除衬底表面的凹凸,使衬底的整个表面变成平滑的面。
本发明的抛光方法也可以用于浅沟槽隔离。为了用于浅沟槽隔离,优选的是,二氧化硅膜抛光速度/氮化硅膜抛光速度之比为10以上。该比值为10以上时,氮化硅膜露出后的抛光速度会进一步减小,容易导致抛光终止。该比值不足10时,难以在设定的位置终止抛光。另外,为了用于浅沟槽隔离,优选的是抛光时损伤的产生较少。
以下,以形成了二氧化硅膜等无机绝缘层的半导体衬底的情形为例,说明抛光方法。
在本发明的抛光方法中,作为进行抛光的装置,可以使用一般的抛光装置,例如,该抛光装置具有可贴合抛光布(垫)并安装有可改变转转速的马达等的抛光盘,以及可以保持半导体衬底等具有被抛光膜的衬底的夹持器。上述的抛光装置,例如可以使用茬原制作所株式会社制造的抛光装置:型号EPO-111。作为抛光布,并没有特别的限制,例如可以使用一般的无纺布、发泡聚氨脂、多孔质氟树脂等。而且,最好是对上述的抛光布进行沟加工,使CMP抛光剂可堆积在沟中。抛光的条件并没有特别的限制,从不会使半导体衬底飞出的角度考虑,抛光盘的旋转速度在200rpm以下的低转速为宜,施加于半导体衬底上的压力(加工负荷),从抛光后不会产生损伤的角度考虑,优选的是100kPa以下。抛光期间,最好是通过泵等将CMP抛光剂连续地供给至抛光布。对于其供给量并没有限制,最好是使CMP抛光剂经常不断地覆盖抛光布的表面。
抛光结束后的半导体衬底,最好是在流水中仔细洗净,然后,使用离心式脱水机等将附着于半导体衬底上的水滴除去,使之干燥。这样,用上述抛光剂对作为被抛光膜的无机绝缘膜进行抛光,可以削除表面的凹凸,使半导体衬底的整个表面上获得平滑的面。这样形成了平坦化的浅沟槽后,在无机绝缘膜层上形成铝配线,按下述方法在该配线间及配线上形成无机绝缘膜,然后,使用上述CMP抛光剂同样进行抛光,使之成为平滑的面。将该步骤重复进行特定次数,可以制造具有所期望的层数的半导体衬底。
作为使用本发明的CMP抛光剂的二氧化硅膜等无机绝缘膜的制作方法,例如可以举出低压CVD法、等离子体CVD法等。
采用低压CVD法形成二氧化硅膜时,使用甲硅烷(SiH4)作为Si源,使用氧(O2)作为氧源。在400℃以下的温度进行该SiH4-O2系氧化反应,获得二氧化硅膜。根据情况,CVD之后在1000℃或其以下的温度对上述二氧化硅膜进行热处理。为了通过高温再流平实现表面平坦化,在掺杂磷(P)时,优选使用SiH4-O2-PH3系反应气体。等离子体CVD法的优点是,可以在低温下进行在通常的热平衡下必须高温进行的化学反应。产生等离子体的方法,例如有电容偶合型和电感偶合型两种。作为反应气体,例如可以举出:使用SiH4作为Si源、使用N2O作为氧源的SiH4-N2O系气体,以及,Si源使用四乙氧基硅烷(TEOS)的TEOS-O系气体(TEOS-等离子体CVD法)。优选的是,衬底温度为250℃至400℃,反应压力为67至400Pa。这样,在本发明中使用的二氧化硅膜中还可以掺杂磷、硼等元素。同样地,采用低压CVD法形成氮化硅膜时,使用二氯硅烷(SiH2Cl2)作为Si源,使用氨(NH3)作为氮源。在900℃的高温下进行该SiH2Cl2-NH3系氧化反应,得到氮化硅膜。在采用等离子体CVD法形成氮化硅膜中,作为反应气体,可以举出使用SiH4作为Si源、使用NH3作为氮源的SiH4-NH3系气体等。衬底温度优选是300℃至400℃。
本发明的CMP抛光剂以及抛光方法,不仅适用于在半导体衬底上形成的二氧化硅膜,而且也可适用于各种半导体器件的制造工艺等。例如,可以对下列者进行抛光:在具有特定配线的配线板上形成的二氧化硅膜、玻璃、氮化硅等无机绝缘膜;主要含有多晶硅、Al、Cu、Ti、TiN、W、Ta、TaN等的膜,光掩模、透镜、棱镜等光学玻璃;ITO等无机导电膜;由玻璃以及结晶质材料构成的光集成电路、光开关元件、光导波、光纤的端面、闪烁体等光学用单晶;固体激光器单晶、蓝色激光LED用蓝宝石衬底、SiC、GaP、GaAs等半导体单晶;磁盘用玻璃衬底;磁头等。
实施例1
<添加液的制备>
将去离子水1000g及2-丙醇200g投入3升的合成用烧瓶中,在氮气气氛中一面搅拌、一面升温至90℃,然后,将甲基丙烯酸561g与去离子水64g的混合物以及2,2′-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二硫酸盐二水合物64g溶解于去离子水536g中所得到的溶液分别用2小时注入烧瓶中。其后于90℃下保温3小时后,进行冷却并取出,从而得到作为含有聚合物(D)的添加液的聚甲基丙烯酸溶液。
测定其非挥发性成份,结果为25质量%。近而,将GPC管柱(日立化成工业株式会社制造,型号Gelpack GL-W550)连接于具有示差折射仪(株式会社日立制造所制造,型号L-3300)的HPLC泵(株式会社日立制造所制造,型号L-7100)上,以50mM磷酸氢二钠水溶液/乙腈=90/10(V/V)混合液作为流动相,测定上述所获得的聚甲基丙烯酸的重均分子量,其重均分子量为25,000(聚乙二醇换算值)。
<氧化铈淤浆的制备>
将碳酸铈水合物40kg投入氧化铝制容器内,在830℃下于空气中烧成2小时,得到20kg的黄白色粉末。用X射线衍射法对该粉末进行物相鉴定,确认其为氧化铈。用粒度分布计测定的烧成粉末粒径为30至100μm。然后,使用喷射粉碎机对20kg的上述氧化铈粒子粉末进行干式粉碎。采用BET法测定多晶体的比表面积,结果是9m2/g。
将上述所得的氧化铈粉末20kg与去离子水79.750kg混合,添加市售的聚丙烯酸铵水溶液(重均分子量8000、重量40%)250g作为分散剂,一面搅拌、一面进行超声波分散,得到氧化铈分散液。超声波频率为400kHz,分散时间为20分钟。其后,在10L容器中加入5kg氧化铈分散液并使其静置,进行沉降分级。分级时间200小时后,用泵汲取距离容器底部高度为110mm以上的上清液。继而将所获得的氧化铈分散液的上清液用去离子水稀释成固体成分浓度为5质量%,得到氧化铈淤浆。
为了测定氧化铈淤浆中的平均粒径,将其稀释为适当的浓度,使用激光衍射式粒度分布仪(Malvem公司制造,商品名:Master Sizer Microplus),折射率为1.93,吸收为0,经过测定后D50的值为170nm。另外,使用原子吸收分光光度计(株式会社岛津制作所制造,型号AA-670G)测定氧化铈淤浆中的杂质离子(Na、K、Fe、Al、Zr、Cu、Si、Ti)的质量比为1ppm以下。
<CMP抛光剂的制备>
将上述所得到的添加液聚甲基丙烯酸溶液(25质量%)36g与去离子水2364g混合,用氨水(25质量%)将pH值调整为4.7。进而添加上述氧化铈淤浆(固体成分:5质量%)600g,制成氧化铈系CMP抛光剂(固体成分:1.0质量%)。该抛光剂的pH值为5.0。
另外,为了用激光衍射式粒度分布仪测定抛光剂中的粒子,将其稀释至适当的浓度,测定的结果,粒径的平均值为170nm。然后,离心分离上述的抛光剂,得到上清液,使用毛细管电泳测定装置(大 电子株式会社制造,型号CAPI-3300),由上述上清液中测定抛光剂中的硫酸离子浓度、盐酸离子浓度以及硝酸离子浓度。泳动电压-30kV,采用落差法注入缓冲剂和试料(落差25mm),注入时间90秒。在各强酸离子浓度以质量比计为300、600和1000ppm的三点制成检量线,算出浓度。结果,检测出硫酸离子的质量比为130ppm。
<绝缘膜层的抛光>
使用International SEMATECH制造的864晶片(φ200mm、SiN膜厚为150nm,SiO2膜厚凸部610nm,凹部610nm,沟槽深度320nm)作为浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用试验晶片。将上述试验晶片安放于抛光装置(荐原制作所制造,商品名EPO-111)的、贴合有所保持的衬底安装用的吸附垫的夹持器上,另一方面,在φ60mm的抛光盘上贴合多孔质聚氨酯树脂制的抛光垫(穿孔沟,RODEL公司制造,型号IC-1000)。使绝缘膜面朝下,将上述夹持器放置于该抛光垫上,将加工负荷、背侧压力分别设定为30kPa、15kPa。一面以200毫升/分的速度将上述制备的CMP抛光剂滴下至抛光盘上,一面分别以50rpm、50rpm使抛光盘和晶片运动,抛光上述浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用试验晶片。通过监视抛光盘转矩电流值,进行抛光的终点检测。将抛光后的晶片用纯水充分洗净后,进行干燥。其后,使用光干涉式膜厚装置(nanometrics公司制造,商品名Nanospec AFT-5100),测定高密度部(凸部图案密度70%)及低密度部(凸部图案密度10%)的凸部SiN膜的残余膜厚及凹部SiO2膜的残余膜厚。所获得的各测定结果示于表1中。所谓凸部图案密度10%,是指凸部与凹部以宽度10∶90交替排列的图案;所谓凸部图案密度70%,是指凸部与凹部以宽度70∶30交替排列的图案。
实施例2
<添加液的制备>
将去离子水600g及2-丙醇600g投入3升的合成用烧瓶中,在氮气气氛中一面搅拌、一面升温至85℃,然后,将甲基丙烯酸536g与丙烯酸45g的混合物以及在去离子水600g中溶解过硫酸铵32g所得的溶液分别用2小时注入烧瓶中。随后,在85℃下保温3小时后,进行冷却并取出,得到添加液聚丙烯酸-90摩尔%甲基丙烯酸共聚物溶液(甲基丙烯酸∶丙烯酸=9∶1)。测定其非挥发性成份,结果为25质量%。进而,按照与实施例1相同的方法,测定上述获得的聚丙烯酸-90摩尔%甲基丙烯酸共聚物的重均分子量,其重均分子量为23,000(聚乙二醇换算值)。
<抛光剂的制备>
将上述所得到的添加液即聚丙烯酸-90摩尔%甲基丙烯酸共聚物溶液(25质量%)36g与去离子水2364g混合,用氨水(25质量%)将pH值调整为4.6。再添加上述氧化铈淤浆(固体成分:5质量%)600g,制成氧化铈系CMP抛光剂(固体成分:1.0质量%)。该抛光剂的pH值为5.0。另外,为了用激光衍射式粒度分布仪测定抛光剂中的粒子,将其稀释至适当的浓度,测定结果,其粒径的平均值为170nm。随后,采用与实施例1相同的方法测定强酸离子浓度。结果,检测出硫酸离子的质量比为100ppm。
<绝缘膜层的抛光>
除了使用上述制备的抛光剂外,与实施例1同样操作,对浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用实验晶片进行抛光。所得到的结果示于表1中。
实施例3
<添加液的制备>
将去离子水1000g和2-丙醇200g投入3升的合成用烧瓶中,在氮气气氛中一面搅拌、一面升温至90℃,然后,将甲基丙烯酸401g与丙烯酸134g的混合物以及在5质量%的硫酸水溶液589g中溶解2,2′-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]59g所得的溶液分别用2小时注入烧瓶中。随后,在90℃下保温3小时后,进行冷却并取出,得到作为添加液的聚丙烯酸-70摩尔%甲基丙烯酸共聚物溶液。测定其非挥发性成份,结果为25质量%。按照与实施例1相同的方法,测定上述获得的聚丙烯酸-70摩尔%甲基丙烯酸共聚物的重均分子量,其重均分子量为22,000(聚乙二醇换算值)。
<抛光剂的制备>
将上述所得到的作为添加液的聚丙烯酸-70摩尔%甲基丙烯酸共聚物溶液(25质量%)36g与去离子水2364g混合,用氨水(25质量%)将pH值调整为4.6。进而添加上述氧化铈淤浆(固体成分:5质量%)600g,制成出氧化铈系CMP抛光剂(固体成分:1.0质量%)。该抛光剂的pH值为5.0。另外,为了用激光衍射式粒度分布仪测定抛光剂中的粒子的平均粒径,将其稀释至适当的浓度后进行测定,结果,粒径的平均值为170nm。然后,采用与实施例1相同的方法,测定强酸离子浓度,结果,检测出硫酸离子的质量比为150ppm。
<绝缘膜层的抛光>
除了使用上述制备的抛光剂外,与实施例1同样操作,对浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用实验晶片进行抛光,所得到的结果示于表1中。
实施例4
<添加液的制备>
将去离子水1000g和2-丙醇200g投入3升的合成用烧瓶中,将空气以约3升/分的速率注入烧瓶内的去离子水中,一面搅拌、一面在25℃下将甲基丙烯酸279g、丙烯酸232g和去离子水89g的混合物以及在去离子水511g中溶解亚硫酸二铵一水合物89g所得的溶液分别用2小时注入烧瓶中。其后在25℃下保温3小时,然后进行冷却并取出,得到作为添加液的聚丙烯酸-50摩尔%甲基丙烯酸共聚物溶液。测定其非挥发性成份,结果为25质量%。按照与实施例1相同的方法,测定上述获得的聚丙烯酸-50摩尔%甲基丙烯酸共聚物的重均分子量,其重均分子量为29,000(聚乙二醇换算值)。
<抛光剂的制备>
将上述所得到的作为添加液的聚丙烯酸-50摩尔%甲基丙烯酸共聚物溶液(25质量%)36g与去离子水2364g混合,用氨水(25质量%)将pH值调整为4.6。进而添加上述氧化铈淤浆(固体成分:5质量%)600g,制成氧化铈系CMP抛光剂(固体成分:1.0质量%)。该抛光剂的pH值为5.0。另外,为了用激光衍射式粒度分布仪测定抛光剂中的粒子的平均粒径,将其稀释至适当的浓度并加以测定,结果,粒径的平均值为170nm。随后,按照与实施例1相同的方法测定强酸离子浓度,结果,检测出硫酸离子的质量比为230ppm。
<绝缘膜层的抛光>
除了使用上述制备的抛光剂外,与实施例1同样操作,对浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用实验晶片进行抛光,所得到的结果示于表1中。
实施例5
<添加液的制备>
将去离子水1000g和2-丙醇200g投入3升的合成用烧瓶中,将空气以约3升/分的速率加入烧瓶内的去离子水中,一面搅拌、一面维持在25℃下将甲基丙烯酸180.4g、丙烯酸352.3g和去离子水69.3g的混合物以及2,2′-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二硫酸盐二水合物69.4g溶解于去离子水532.6g中所得的溶液分别用2小时注入烧瓶中。然后在25℃下保温3小时后,进行冷却并取出,得到作为添加液的聚丙烯酸-30摩尔%甲基丙烯酸共聚合物溶液。测定其非挥发性成份,结果为25质量%。按照与实施例1相同的方法,测定上述获得的聚丙烯酸-30摩尔%甲基丙烯酸共聚物的重均分子量,其重均分子量为25,000(聚乙二醇换算值)。
<抛光剂的制备>
将上述所得到的作为添加液的聚丙烯酸-30摩尔%甲基丙烯酸共聚合物溶液(25质量%)36g与去离子水2364g混合,利用氨水(25质量%)将pH值调整为4.6。进而添加上述氧化铈淤浆(固体成分:5质量%)600g,制成氧化铈系CMP抛光剂(固体成分:1.0质量%)。该抛光剂的pH值为5.0。另外,为了用激光衍射式粒度分布仪测定抛光剂中的粒子的平均粒径,将其稀释至适当的浓度并加以测定,结果,粒径的平均值为170nm。随后,按照与实施例1相同的方法测定强酸离子浓度,结果,检测出硫酸离子的质量比为272ppm。
<绝缘膜层的抛光>
除了使用上述制备的抛光剂外,与实施例1同样操作,对浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用实验晶片进行抛光。所得到的结果示于表1中。
实施例6
<添加液的制备>
将去离子水1000g和2-丙醇200g投入3升的合成用烧瓶中,将空气以约3升/分的速率加入烧瓶内的去离子水中,一面搅拌、一面在25℃下将甲基丙烯酸62.2g、丙烯酸468.2g和去离子水69.6g的混合物以及在去离子水530.3g中溶解2,2′-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二硫酸盐二水合物69.7g所得的溶液分别用2小时注入烧瓶中。随后,在25℃下保温3小时,然后进行冷却并取出,得到作为添加液的聚丙烯酸-10摩尔%甲基丙烯酸共聚合物溶液。测定其非挥发性成份,结果为25质量%。进而,按照与实施例1相同的方法,测定上述获得的聚丙烯酸-10摩尔%甲基丙烯酸共聚物溶液的重均分子量,其重均分子量为46,000(聚乙二醇换算值)。
<抛光剂的制备>
将上述所得到的作为添加液的聚丙烯酸-10摩尔%甲基丙烯酸共聚合物溶液(25质量%)36g与去离子水2364g混合,利用氨水(25质量%)将pH值调整为4.6。进而添加上述氧化铈淤浆(固体成分:5质量%)600g,制成氧化铈系CMP抛光剂(固体成分:1.0质量%)。该抛光剂的pH值为5.0。另外,为了用激光衍射式粒度分布仪测定抛光剂中的粒子的平均粒径,将其稀释至适当的浓度并加以测定,结果,粒径的平均值为170nm。随后,采用与实施例1相同的方法测定强酸离子浓度,结果,检测出硫酸离子的质量比为275ppm。
<绝缘膜层的抛光>
除了使用上述制备的抛光剂外,与实施例1同样操作,对浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用实验晶片进行抛光,所得到的结果示于表1中。
表1
项目 | 实施例 | |||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |||
氧化铈配合量(质量%) | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | ||
聚合物 | 甲基丙烯酸∶丙烯酸 | 100∶0(摩尔)聚合物 | 90∶10(摩尔)聚合物 | 70∶30(摩尔)聚合物 | 50∶50(摩尔)聚合物 | 30∶70(摩尔)聚合物 | 10∶90(摩尔)聚合物 | |
聚合引发剂 | (1)* | 过硫酸铵 | (2)* | 亚硫酸二铵一水合物 | (1)*\ | (1)* | ||
重均分子量 | 25,000 | 23,000 | 22,000 | 29,000 | 25,000 | 46,000 | ||
添加量(质量%) | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | ||
凸部70%部分SiN膜露出抛光时间(秒) | 185 | 210 | 200 | 210 | 240 | 260 | ||
凸部SiN残膜厚(nm) | 凸部70% | 150 | 150 | 145 | 150 | 148 | 153 | |
凸部10% | 140 | 136 | 133 | 127 | 122 | 118 | ||
残膜厚差 | 10 | 14 | 12 | 23 | 26 | 35 | ||
凹部SiO2残膜厚(nm) | 凸部70% | 486 | 490 | 490 | 490 | 480 | 482 | |
凸部10% | 390 | 354 | 361 | 360 | 347 | 340 | ||
残膜厚差 | 96 | 136 | 129 | 130 | 133 | 142 |
(1)*:2,2′-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二硫酸盐二水合物
(2)*:2,2′-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]
使用上述实施例1-6所制备的各CMP抛光剂抛光评价用晶片,结果如表1中所示,在高密度部(凸部70%)中,用185-260秒削除了凸部SiO2膜,露出SiN膜。另外,低密度部(凸部10%)的凸部SiN残留膜厚度为118-140nm,凹部的SiO2残留膜厚度为340-390nm。因此,高密度部(凸部70%)与低密度部(凸部10%)的凸部SiN残留膜厚度之差为10-35nm,凹部SiO2残留膜厚度差为96-142nm,从而可以进行因图案密度差所造成的影响较小的均一的抛光。另外,使用光学显微镜观察抛光后的绝缘膜表面,在所有的实施例中都没有发现明显的抛光伤痕。
特别是,使用上述实施例1-4所制备的各CMP抛光剂抛光评价用晶片时,在高密度部(凸部70%)中,用185-210秒就削除了凸部SiO2膜,抛光速度良好。另外,低密度部(凸部10%)的凸部SiN残留膜厚度为127-140nm。凹部的SiO2残留膜厚度为354-390nm,高密度部(凸部70%)与低密度部(凸部10%)的凸部SiN残留膜厚度之差为10-23nm。凹部SiO2残留膜厚度的差为96-136nm,从而可以进行因图案密度差所造成的影响更小的均一的抛光。
比较例1
<添加液的制备>
将异丙醇480g和去离子水480g投入3升的合成用烧瓶中,在氮气气氛中一面搅拌、一面升温至75℃,然后,将丙烯酸560g和2,2′-偶氮二异丁腈40g溶解于异丙醇500g中所得的溶液用2小时注入烧瓶中。随后,在75℃下保温3小时后,进行冷却并取出,得到作为添加液的聚丙烯酸水溶液。测定其非挥发性成份,结果为25质量%。与实施例1同样操作,测定所获得的聚丙烯酸的重均分子量,其重均分子量为10,000(聚乙二醇换算值)。
<抛光剂的制备>
将上述制备的作为添加液的聚丙烯酸水溶液(25质量%)48g与去离子水2352g混合,利用氨水(25质量%)将pH值调整为6.9。进而添加上述氧化铈淤浆(固体成分:5质量%)600g,制成氧化铈CMP抛光剂(固体成分:1.0质量%)。该抛光剂的pH值为7.0。另外,为了用激光衍射式粒度分布仪测定抛光剂中的粒子的平均粒径,将其稀释至适当的浓度并加以测定,结果,粒径的平均值为170nm。随后,按照与实施例1相同的方法测定强酸离子浓度,结果,检测出硫酸离子的质量比为10ppm以下。
<绝缘膜层的抛光>
除了使用上述制备的抛光剂外,与实施例1同样操作,对浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用实验晶片进行抛光,所得到的结果示于表2中。
比较例2
<添加液的制备>
将市售的聚衣康酸粉末12g和去离子水2388g混和,利用氨水(25质量%)将pH值调整为4.3。采用与实施例1相同的方法测定聚衣康酸的分子量,其重均分子量为14,000(聚乙二醇换算值)。再添加上述氧化铈淤浆(固体成分:5质量%)600g,制成氧化铈抛光剂(固体成分:1.0质量%)。该抛光剂的pH值为5.0。另外,为了用激光衍射式粒度分布仪测定抛光剂中的粒子的平均粒径,将其稀释至适当的浓度并加以测定,结果,粒径的平均值为170nm。随后,采用与实施例1相同的方法测定强酸离子浓度,结果,检测出硫酸离子的质量比为10ppm。
<绝缘膜层的抛光>
除了使用上述制备的抛光剂外,与实施例1同样操作,对浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用实验晶片进行抛光,所得到的结果示于表2中。
比较例3
<添加液的制备>
将Aldrich公司制的聚丙烯酸-50摩尔%马来酸共聚物水溶液(50质量%)24g和去离子水2376g混和,利用氨水(25质量%)将pH值调整为4.3。采用与实施例1相同的方法测定聚丙烯酸-50摩尔%马来酸共聚合物重均分子量,其重均分子量为8,000(聚乙二醇换算值)。然后添加上述氧化铈淤浆(固体成分:5质量%)600g,制成氧化铈抛光剂(固体成分:1.0质量%)。该抛光剂的pH值为5.0。另外,为了用激光衍射式粒度分布仪测定抛光剂中的粒子,将其稀释至适当的浓度并加以测定,结果,粒径的平均值为170nm。随后,采用与实施例1相同的方法测定强酸离子浓度,结果,检测出硫酸离子的质量比为10ppm。
<绝缘膜层的抛光>
除了使用上述制备的抛光剂以外,与实施例1同样操作,对浅沟槽元件隔离绝缘膜CMP评价用实验晶片进行抛光,所得到的结果示于表2中。
表2
项目 | 比较例 | ||||
1 | 2 | 3 | |||
氧化铈配合量(质量%) | 1.0 | 1.0 | 1.0 | ||
聚合物 | 种类 | 聚丙烯酸 | 聚衣康酸 | 聚丙烯酸-50摩尔%聚马来酸共聚合物 | |
聚合引发剂 | 2,2′-偶氮二异丁腈 | 无 | 无 | ||
重均分子量 | 10,000 | 14,000 | 8,000 | ||
添加量(质量%) | 0.4 | 0.4 | 0.4 | ||
凸部70%部分SiN膜露出抛光时间(秒) | 240 | 210 | 265 | ||
凸部SiN残留膜厚(nm) | 凸部70% | 145 | 143 | 155 | |
凸部10% | 88 | 82 | 91 | ||
残膜厚差 | 57 | 61 | 64 | ||
凹部SiO2膜残留膜厚(nm) | 凸部70% | 507 | 487 | 499 | |
凸部10% | 342 | 305 | 313 | ||
残膜厚差 | 165 | 182 | 186 |
使用上述比较例1-3制备的各CMP抛光剂,抛光评价用晶片,结果如表2所示,高密度部(凸部70%)凸部SiN膜露出需要210-265秒。另外,低密度部(凸部10%)的凸部SiN残留膜厚度为82-91nm,凹部的SiO2残留膜厚度为305-342nm,高密度部(凸部70%)与低密度部(凸部10%)的凸部SiN残留膜厚度的差为57-64nm,凹部SiO2残留膜厚度差为165-186nm,由于图案密度差而产生了影响,使抛光进行不均一。
从上述的实验结果可以看出,实施例1-6可以实现由图案密度差所造成的影响小的均一的抛光。特别是实施例1-4,抛光速度良好并且可以充分地实现由图案密度差所造成的影响更小的均一的抛光。
产业上的可利用性
通过本发明,可以提供下面所述的抛光剂以及抛光方法,即,在使层间绝缘膜、BPSG膜、浅沟槽隔离用绝缘膜等平坦化的CMP技术中,能减小因图案密度差所引起的膜厚差,高速地对二氧化硅膜等进行抛光,并且容易进行工艺管理。
Claims (12)
1.用于研磨存在凹凸、有图案密度差的被研磨面的CMP抛光剂,所述CMP抛光剂含有:(A)氧化铈粒子;(B)分散剂;(C)水;以及,(D)含有甲基丙烯酸及其盐中的至少一方作为单体成分的聚合物,构成所述聚合物的甲基丙烯酸及其盐的比率,相对于全部单体成分的总量为10~100摩尔%,该CMP抛光剂pH值是4.5-6.0,聚合所述(D)聚合物时所使用的聚合引发剂是,在25℃下对于99.5质量份的水添加0.5质量份的情况下完全溶解的化合物,或者是,在25℃下对于99.5质量份的水添加0.5质量份、进而相对于1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸和无机酸中的至少一方的情况下完全溶解的化合物。
2.用于研磨存在凹凸、有图案密度差的被研磨面的CMP抛光剂,所述CMP抛光剂含有:(A)氧化铈粒子;(C)水;以及,(D)含有甲基丙烯酸及其盐中的至少一方作为单体成分的聚合物,构成所述聚合物的甲基丙烯酸及其盐的比率,相对于全部单体成分的总量为10~100摩尔%,该CMP抛光剂pH值是4.5-6.0,聚合所述(D)聚合物时所使用的聚合引发剂是,在25℃下对于99.5质量份的水添加0.5质量份的情况下完全溶解的化合物,或者是,在25℃下对于99.5质量份的水添加0.5质量份、进而相对于1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸和无机酸中的至少一方的情况下完全溶解的化合物。
3.用于研磨存在凹凸、有图案密度差的被研磨面的CMP抛光剂,所述CMP抛光剂含有:(A)氧化铈粒子;(C)水;(D)含有甲基丙烯酸及其盐中的至少一方作为单体成分的聚合物,构成所述聚合物的甲基丙烯酸及其盐的比率,相对于全部单体成分的总量为10~100摩尔%;以及,(E)丙烯酸及其盐中的至少一方聚合而成的聚合物以及丙烯酸及其盐中的至少一方与具有不饱和双键的单体聚合而成的聚合物之中的至少一种聚合物,该CMP抛光剂pH值是4.5-6.0,聚合所述(D)聚合物时所使用的聚合引发剂是,在25℃下对于99.5质量份的水添加0.5质量份的情况下完全溶解的化合物,或者是,在25℃下对于99.5质量份的水添加0.5质量份、进而相对于1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸和无机酸中的至少一方的情况下完全溶解的化合物。
4.用于研磨存在凹凸、有图案密度差的被研磨面的CMP抛光剂,所述CMP抛光剂含有:(A)氧化铈粒子;(B)分散剂;(C)水;以及,(D)含有甲基丙烯酸及其盐中的至少一方作为单体成分的聚合物,构成所述聚合物的甲基丙烯酸及其盐的比率,相对于全部单体成分的总量为10~100摩尔%,该CMP抛光剂pH值是4.5-6.0,聚合所述(D)聚合物时所使用的聚合引发剂是,在25℃下对于97.0质量份的水添加3.0质量份的情况下完全溶解的化合物,或者是,在25℃下对于97.0质量份的水添加3.0质量份、进而相对于1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸和无机酸中的至少一方的情况下完全溶解的化合物。
5.用于研磨存在凹凸、有图案密度差的被研磨面的CMP抛光剂,所述CMP抛光剂含有:(A)氧化铈粒子;(C)水;以及,(D)含有甲基丙烯酸及其盐中的至少一方作为单体成分的聚合物,构成所述聚合物的甲基丙烯酸及其盐的比率,相对于全部单体成分的总量为10~100摩尔%,该CMP抛光剂pH值是4.5-6.0,聚合所述(D)聚合物时所使用的聚合引发剂是,在25℃下对于97.0质量份的水添加3.0质量份的情况下完全溶解的化合物,或者是,在25℃下对于97.0质量份的水添加3.0质量份、进而相对于1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸和无机酸中的至少一方的情况下完全溶解的化合物。
6.用于研磨存在凹凸、有图案密度差的被研磨面的CMP抛光剂,所述CMP抛光剂含有:(A)氧化铈粒子;(C)水;(D)含有甲基丙烯酸及其盐中的至少一方作为单体成分的聚合物,构成所述聚合物的甲基丙烯酸及其盐的比率,相对于全部单体成分的总量为10~100摩尔%;以及,(E)丙烯酸及其盐中的至少一方聚合而成的聚合物以及丙烯酸及其盐中的至少一方与具有不饱和双键的单体聚合而成的聚合物之中的至少一种聚合物,该CMP抛光剂pH值是4.5-6.0,聚合所述(D)聚合物时所使用的聚合引发剂是,在25℃下对于97.0质量份的水添加3.0质量份的情况下完全溶解的化合物,或者是,在25℃下对于97.0质量份的水添加3.0质量份、进而相对于1摩尔聚合引发剂以2摩尔的比例添加有机酸和无机酸中的至少一方的情况下完全溶解的化合物。
7.权利要求1~6中任一项所述的CMP抛光剂,其中,相对于100质量份CMP抛光剂,所述(D)聚合物的配合量是0.01-5质量份。
8.权利要求1~6中任一项所述的CMP抛光剂,其中,所述聚合物的重均分子量是200-100,000。
9.权利要求1~6中任一项所述的CMP抛光剂,其中,氧化铈粒子的平均粒径是1-400nm。
10.权利要求1~6中任一项所述的CMP抛光剂,其中,相对于100质量份CMP抛光剂,氧化铈粒子的配合量是0.1-5质量份。
11.权利要求1~6中任一项所述的CMP抛光剂,其中,还含有强酸离子,相对于CMP抛光剂,该强酸离子的含量以质量比计为50-10,000ppm.
12.衬底的抛光方法,其特征在于,将已形成被抛光膜的衬底按在抛光盘的抛光布上并施加压力,一面将权利要求1-6中任一项所述的CMP抛光剂供给至被抛光膜与抛光布之间,一面使衬底和抛光盘相对移动,对被抛光膜进行抛光。
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