CN101044220A - 含金属离子的cmp组合物及使用该组合物的方法 - Google Patents

含金属离子的cmp组合物及使用该组合物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种化学－机械抛光组合物，其包含研磨剂，具有等于或高于3kcal/mol的M－O－Si键能的金属离子(M)，及水。本发明还提供一种使用上述化学－机械抛光组合物抛光基板的方法。

Description

含金属离子的CMP组合物及使用该组合物的方法
                        技术领域
本发明涉及一种化学-机械抛光组合物及使用该组合物抛光基板的方法。
                        背景技术
集成电路由数百万形成于诸如硅晶圆等基板内或其上的有源器件组成。该有源器件通过化学和物理方法与基板相连，并通过利用多层互连经过相互连接形成功能电路。典型多层互连包括第一金属层、层间介电层及有时的第三和随后的金属层。使用诸如掺杂和未掺杂的二氧化硅(SiO2)和/或低κ介电质的层间介电质，以使不同的金属层之间电绝缘。
不同互连层之间的电连接是利用金属通路形成的。例如，美国专利第5741626号描述一种制备介电TaN层的方法。此外，美国专利第4789648号描述一种在绝缘体薄膜内制备多重金属化层和金属化通路的方法。以类似的方式，使用金属接触件在互连层与形成于井中的器件之间形成电连接。该金属通路和接触件可填充以各种金属及合金，例如，钛(Ti)、氮化钛(TiN)、铝铜合金(Al-Cu)、铝硅合金(Al-Si)、铜(Cu)、钨(W)，及其组合(下文称作″通路金属″)。
该通路金属一般采用粘着层(即阻挡膜)，如钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钨(W)或氮化钨(WN)阻挡膜，以将通路金属粘附在SiO2基板上。在接触层处，该阻挡膜充当扩散屏障以阻止通路金属与SiO2反应。
在一半导体制造方法中，金属通路和/或接触件是通过毯覆式金属沉积和随后的化学-机械抛光(CMP)步骤形成的。在典型的方法中，通路孔通过蚀刻经过层间介电体(ILD)至互联线路或半导体基板。接着，阻挡膜形成于该ILD之上并指向所蚀刻的通路孔。随后，通路金属毯覆式沉积在该阻挡膜上并沉积到通路孔中。继续沉积直至该通路孔充满毯覆式沉积的金属。最后，通过化学-机械抛光(CMP)除去过量的金属以形成金属通路。通路的制造和/或CMP方法，参见美国专利第4671851、4910155和4944836号中。
CMP将基板的化学处理与该化学处理层的机械移除相结合。典型CMP系统包含化学-机械抛光组合物，该组合物经施加在基板与相对于该基板移动的抛光垫之间的基板上，以对基板进行抛光。CMP正在成为半导体表面制造中的更重要方法，因为在基板的更小的区域中塞满更多的有源器件，而且因为要使用诸如铜等非常规金属以提高电路的总体性能。由于有源器件本身形成的构形或者形成于有源器件上的层的构形的不平坦，在半导体基板给定区域中的更多有源器件需要更好的平坦化技术。由于许多金属及ILD层一个在另一个上连续地形成，如果使用更高分辨率平版印刷方法以在基板的层中形成更小和更大数目的有源器件，则各层需要高度平坦化。
对于ILD中毯覆式沉积金属到通路孔的CMP机械动力学，通过下列普雷斯顿(Preston)方程解释：
                (ΔH/Δt)＝Kp(L/A)(Δs/Δt)，
式中，ΔH/Δt为材料的移除速率，以每单位抛光时间的高度变化来表示，L为施加在表面积A上的负荷，Δs/Δt为垫相对于基板的速度，及Kp为普雷斯顿系数。该方程预示，对于给定的(L/A)，该经抛光的材料的重量损失与行进(travel)量成比正例，且其不随时间改变。抛光速率随压力(L/A)和速度而增加。换言之，该移除速率是压力的线性函数，使得高点被更迅速地抛光，且表面迅速地变得平坦。
理想地，CMP系统产生这样的抛光平坦表面，该表面在ILD的抛光表面上不具有残余的金属薄膜，而且所有通道具有高度上与ILD的抛光表面的水平相平的金属。然而，一旦高点被迅速抛光，则负载被抛光垫所及的较低点分摊，导致较低的抛光压力。待金属层从ILD表面完全移除后，抛光在与ILD表面相平的金属层以及ILD本身之间分摊。由于金属的抛光速率与ILD的抛光速率不同，对于铜而言，其抛光速率比ILD的抛光速率大，所以金属从ILD水平更低之处移除，从而留下空隙。该空隙的形成在本领域中公知为表面凹陷。
在大的金属有源器件中，严重的表面凹陷是产率损失的原因，特别是当其发生在基板的较低水平处时，此时表面凹陷在上述摆放层中引起捕获的金属缺陷。此外，除去最窄金属通路上较厚的金属覆盖层需要较长的时间，这是CMP方法中生产量低和产率损失的主要原因之一。
典型金属CMP组合物包含悬浮于氧化性水性介质中的研磨剂材料，如二氧化硅或氧化铝。例如，美国专利第5244534号公开含氧化铝、过氧化氢以及或者氢氧化钾或者氢氧化铵的化学-机械抛光组合物，其可用于移除钨而几乎不移除下面的绝缘层。美国专利第5209816号公开用以抛光铝的化学-机械抛光组合物，其在水性介质中包含高氯酸、过氧化氢及固体研磨材料。美国专利第5340370号公开包含铁氰化钾、乙酸钾、乙酸和二氧化硅的钨抛光组合物。美国专利第5391258号和美国专利第5476606号公开用以抛光金属与二氧化硅的复合物的化学-机械抛光组合物，其包括水性介质、研磨颗粒及控制二氧化硅移除速率的阴离子。美国专利第5770095号公开包含氧化剂、化学试剂以及选自氨基乙酸和酰胺基磺酸的蚀刻试剂的抛光组合物。其它用于CMP应用的抛光组合物参见美国专利第4956313、5137544、5157876、5354490及5527423号。
钛、氮化钛以及类似金属如钨的阻挡膜一般是化学活性的。因此，该阻挡膜在化学性质上与通路金属类似。结果，可以使用单个的抛光组合物以相似的速率有效地抛光Ti/TiN阻挡膜和通路金属。然而，Ta及TaN阻挡膜与Ti、TiN等阻挡膜显著不同。与Ti及TiN相比，Ta及TaN化学性质相对惰性。因此，上述抛光组合物抛光钽层显著不及抛光钛层有效(例如，钽移除率显著低于钛移除率)。尽管通路金属和阻挡层金属通常因其相似的高移除速率而采用单个的组合物进行抛光，但是利用常规的抛光组合物对通路金属以及钽和类似材料的共同抛光，可导致不合乎需要的效果，如氧化物腐蚀和通路金属表面凹陷。
在许多CMP操作中，使用二氧化硅作为下层介电材料。该操作的实例为：浅沟槽隔离(STI)，Cu/Ta镶嵌金属抛光，及钨插头(plug)形成。对于所有这些CMP操作，下层介电材料的腐蚀可导致要抛光的材料(例如，用于STI的氮化物、用于Cu/Ta抛光的Cu及用于钨插头的钨)的局部过多移除。另外，介电材料厚度的变化可导致不可预期的电效能，并且可降低所抛光的层和/或随后沉积的层的平坦性。随着尺寸降低和晶圆大小增加，这些不合需要的作用会限制产率。因此，需要以经济的方式降低介电材料抛光速率的组合物和方法。特别需要在介电层上显示自身停止行为的组合物。
本发明提供这种组合物及方法。本发明的这些及其它特性及优点将自本文所提供的发明的说明变得显而易见。
                        发明内容
本发明提供化学-机械抛光组合物，其包含：(a)研磨剂，(b)具有等于或高于3kcal/mol的M-O-Si键能的金属离子(M)，及(c)液体载剂。
本发明还提供抛光基板的方法，其包括以下步骤：(a)提供基板；(b)提供包含(i)研磨剂，(ii)具有等于或高于3kcal/mol的M-O-Si键能的金属离子(M)，及(iii)液体载剂的化学-机械抛光组合物；(c)将该化学-机械抛光组合物施用于基板的至少一部分；及(d)用该化学-机械抛光组合物磨擦基板的至少一部分以抛光该基板。
                        具体实施方式
本发明提供一种化学-机械抛光组合物，包含：(a)研磨剂，(b)具有等于或高于3kcal/mol的M-O-Si键能的以″M″表示的金属离子，及(c)液体载剂。
该研磨剂可为任何适宜的研磨剂。例如，适宜的研磨剂包括金属氧化物研磨剂，例如氧化铝(如α-氧化铝、γ-氧化铝、δ-氧化铝及热解法氧化铝)，二氧化铈，氧化铬，氧化锗，氧化铁，氧化镁，二氧化硅(如缩聚二氧化硅、热解法二氧化硅及沉淀二氧化硅)，二氧化钛，氧化锆，及其共同形成的产物。在本领域中存在很多其它公知的适宜的研磨剂，如碳化硼、金刚石、碳化硅、氮化钛及碳化钨。该研磨剂可为两种或多种研磨剂的混合物。
该研磨剂可以任何适宜的量存在。按化学-机械抛光组合物的总重量计，研磨剂在化学-机械抛光组合物中的总量通常为0.1重量％或更多，优选为1重量％或更多，更优选为5重量％或更多。按化学-机械抛光组合物的总重量计，研磨剂在化学-机械抛光组合物中的总量通常不超过25重量％(例如，0.1至25重量％)，优选不超过20重量％(例如，0.1至20重量％)。
具有等于或高于3kcal/mol的M-O-Si键能的金属离子可为任何合适的金属离子。该金属离子可具有等于或高于3.5kcal/mol，等于或高于4kcal/mol，等于或高于4.5kcal/mol，等于或高于5kcal/mol，或者等于或高于6kcal/mol的M-O-Si键能。键能是断裂在1克分子化合物中的化学键所需要的能量(例如，参见Hawley’s Condensed Chemical Dictionary，Richard J.Lewis，editor，13th ed，1997)。
虽然不期望限制于任何具体的理论，但已发现，包含具有足够M-O-Si键能的金属离子的化学-机械抛光组合物具有自身停止特性，由此可减少从化学-机械抛光组合物抛光的基板，特别是从基板的平坦化部分过度地除去金属。
期望的金属离子为Al3+、Cr3+、Fe2+、Sc3+，或其组合。在优选实施方案中，该金属离子为Al3+。
金属离子可以任何适宜的方式提供。例如，化学-机械抛光组合物的金属离子可以金属盐的形式提供。在优选实施方案中，金属盐为金属氯化物盐，如氯化铝。在替代实施方案中，金属离子包括非铝金属离子。
通常，化学-机械抛光组合物具有0.005mM或更高，0.01mM或更高，0.025mM或更高，0.05mM或更高(例如0.05mM至1mM、0.06mM至0.5mM、0.07mM至0.4mM或0.08mM至0.3mM)，0.25mM或更高，0.5mM或更高，1mM或更高，1.5mM或更高，2mM或更高，5mM或更高，6mM或更高，或者7mM或更高的金属离子浓度。化学-机械抛光组合物通常具有不超过10mM(如高达8mM、高达5mM、高达2mM或高达1mM)的金属离子浓度。在优选实施方案中，该化学-机械抛光组合物具有自0.05mM至1mM的Al3+离子浓度(如0.06mM至0.5mM、0.07mM至0.4mM、0.08mM至0.3mM的Al3+离子浓度)。
液体载剂可为任何适宜的液体载剂，例如水。优选该水为去离子水。液体载剂可进一步包含适宜的水溶性溶剂。然而，液体载剂通常主要或完全由水、优选去离子水组成。
合乎需要的化学-机械抛光组合物的pH为7或更低(如pH为6或更低)。在优选实施方案中，化学-机械抛光组合物的pH为4至7(如pH为5至7，或者pH为4至6)。化学-机械抛光组合物的替代实施方案可具有不同pH水平(例如，pH为5.7或更低，pH为5.5或更低，pH为5或更低，pH为4.5或更低，pH为4.2至5.8，pH为4.5至5.5，pH为4.7至5.2等)。在优选实施方案中，该化学-机械抛光组合物的pH为4至7(如pH为5至7)并且包含含Al3+的金属盐。
化学-机械抛光组合物的pH可通过任何合适的方法获得和/或保持。更具体地，化学-机械抛光组合物可进一步包含pH调节剂、pH缓冲试剂或其组合。该pH调节剂可为任何合适的调节pH的化合物。例如，该pH调节剂可为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化铵或其组合。该pH缓冲试剂可为任何合适的缓冲试剂，例如磷酸盐、乙酸盐、硼酸盐、磺酸盐、羧酸盐、铵盐等。化学-机械抛光组合物可包含任何适量的pH调节剂和/或pH缓冲试剂，条件是该量足以获得和/或保持抛光组合物所要的pH，例如，在本文所述的范围内。
该化学-机械抛光组合物可包含酸。该酸可为任何合适的酸，例如无机或有机酸或者它们的组合。例如，化学-机械抛光组合物可包含选自硝酸、磷酸、硫酸、其盐及其组合的无机酸。化学-机械抛光组合物可包含(替代无机酸或者除无机酸之外)选自乙酸、邻氨基苯甲酸、苯磺酸、苯甲酸、柠檬酸、环己烷羧酸、谷氨酸、甘氨酸、4-羟基苯甲酸、3-羟基吡啶甲酸、咪唑、乳酸、苹果酸、丙二酸、间氨基苯磺酸、邻氨基苯磺酸、草酸、2-苯乙酸、邻苯二甲酸、哌嗪、脯氨酸、丙酸、吡啶、2-吡啶羧酸、2，3-吡啶二羧酸、吡咯-2-羧酸、水杨酸、琥珀酸、酒石酸、对苯二酸的有机酸，其盐，及其组合。若存在，该酸可在化学-机械抛光组合物中以任何合适的量存在。
化学-机械抛光组合物可包含缓蚀剂(如成膜剂)。该缓蚀剂可为任何合适的缓蚀剂。通常，缓蚀剂为包含含杂原子的官能团的有机化合物。例如，缓蚀剂可为具有至少一个5或6元杂环作为活性官能团的杂环有机化合物，其中该杂环含至少一个氮原子，如唑类化合物。优选缓蚀剂含有至少一个唑基团。更优选缓蚀剂选自1，2，3-三唑、1，2，4-三唑、苯并三唑、苯并咪唑、苯并噻唑，及其混合物。按化学-机械抛光组合物的总重量计，缓蚀剂在抛光组合物中的用量通常为0.0001重量％至3重量％(优选为0.001重量％至2重量％)。
该化学-机械抛光组合物可包含螯合剂或络合剂。该络合剂可为增强要移除的基板层的移除速率的任何合适的化学添加剂。合适螯合剂及络合剂可包括羰基化合物(如乙酰基丙酮酸盐等)，简单的羧酸盐(如乙酸盐、芳基羧酸盐等)，含一个或多个羟基的羧酸盐(如羟乙酸盐、乳酸盐、葡糖酸盐、五倍子酸及其盐等)，二、三和多羧酸盐(如草酸盐、苯二甲酸盐、柠檬酸盐、琥珀酸盐、酒石酸盐、苹果酸盐、乙二胺四乙酸盐(如EDTA二钾盐)、其混合物等)，含一个或多个磺酸和/或磷酸基团的羧酸盐等。合适的螯合剂或络合剂还可以包括例如二元、三元或多元醇(如乙二醇、邻苯二酚、连苯三酚、鞣酸，等)，及含胺的化合物(如氨、氨基酸、氨基醇、二胺、三胺及多胺等)。螯合剂或络合剂的选择，将视要移除的基板层的类型而定。
应了解许多上述化合物可以盐(如金属盐、铵盐等)、酸或作为部分盐的形式存在。例如，柠檬酸盐包括柠檬酸及其单盐、二盐和三盐；邻苯二甲酸盐包括邻苯二甲酸及其单-盐(如邻苯二甲酸氢钾)和二盐；高氯酸盐包括相应的酸(即高氯酸)及其盐。此外，某些化合物或试剂可起一种以上的功能。例如，某些化合物(如某些铁硝酸盐等)可同时用作螯合剂和氧化剂。
化学-机械抛光组合物可包含表面活性剂。合适的表面活性剂可包括例如阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性表面活性剂及其混合物等。优选地，化学-机械抛光组合物包含非离子表面活性剂。合适的非离子表面活性剂的实例之一为乙二胺聚氧乙烯表面活性剂。按化学-机械抛光组合物的总重量计，表面活性剂的量通常为0.0001重量％至1重量％(优选0.001重量％至0.1重量％，更优选0.005重量％至0.05重量％)。
化学-机械抛光组合物可包含消泡剂。该消泡剂可为任何合适的消泡剂。合适的消泡剂包括但不限于硅基和乙炔二醇基消泡剂。存在于化学-机械抛光组合物中的消泡剂的量通常为10ppm至140ppm。
化学-机械抛光组合物可包含杀生物剂。该杀生物剂可为任何合适的杀生物剂，例如异噻唑啉酮杀生物剂。用于化学-机械抛光组合物中的杀生物剂的量通常为1至50ppm，优选为10至20ppm。
化学-机械抛光组合物优选为胶体稳定的。术语胶体是指颗粒于液体载剂中的悬浮液。胶体稳定性是指在整个过程中保持该悬浮液。当将该化学-机械抛光组合物放置在100ml量筒中并使之在未搅拌的情况下保持2小时时，如果量筒底部50ml中的颗粒浓度([B]，以g/ml表示)与量筒顶部50ml中的颗粒浓度([T]，以g/ml表示)之间的差除以化学-机械抛光组合物中的颗粒原始浓度([C]，以g/ml表示)小于或等于0.5(即{[B]-[T]}/[C]≤0.5)，则认为化学-机械抛光组合物是胶体稳定的。优选{[B]-[T]}/[C]的值小于或等于0.3，更优选小于或等于0.1，尤其优选小于或等于0.05，最优选小于或等于0.01。
悬浮在化学-机械抛光组合物中的颗粒(如研磨剂)的平均粒径优选在化学-机械抛光组合物整个使用寿命期间保持基本不变。具体地，悬浮于化学-机械抛光组合物中的颗粒(如研磨剂)的平均粒径优选在化学-机械抛光组合物整个使用寿命期间(如90天或更多、180天或更多或者365天或更多)增加小于40％(如小于35％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％或者小于10％)。
本发明还提供利用本文中所述的化学-机械抛光组合物抛光基板的方法。该方法一般包括以下步骤：(a)提供基板，(b)提供本文中所述的化学-机械抛光组合物，(c)将该化学-机械抛光组合物施用于基板的至少一部分，及(d)用化学-机械抛光组合物摩擦该基板的至少一部分以抛光该基板。
使用本发明的方法要抛光的基板可为任何合适的基板。合适的基板包括但不限于集成电路、内存或硬磁盘、金属、层间介电(ILD)装置、半导体、微电子机械组合、铁电体及磁头。基板可包括金属层。该金属层可包含任何合适的金属。例如，该金属层可包含铜、钽(如氮化钽)、钛、铝、镍、铂、钌、铱或铑。该基板可进一步包括至少一层其它层，例如绝缘层。该绝缘层可为金属氧化物、多孔金属氧化物、玻璃、有机聚合物、氟化有机聚合物，或任何其它合适的高或低κ绝缘层。该金属层可布置在其它层上。
本发明的抛光基板的方法特别适合与化学-机械抛光(CMP)设备联合使用。通常，该设备包括当使用时运动及由于轨道、线性或圆周运动而具有速率的压盘，与压盘接触且运动时与压盘一起运动的抛光垫，及通过接触并相对于抛光垫的表面移动以支持基板而进行抛光的载体。通过将基板放置为与抛光垫及本发明的化学-机械抛光组合物接触，随着抛光垫相对于基板移动以摩擦至少一部分基板而抛光该基板，以进行基板抛光。
优选CMP装置进一步包括原位抛光终点侦测系统(in situ polishingendpoint detection system)，其中许多是现有技术中已知的。通过分析自基板表面反射的光或其它辐射，检测和监测该抛光过程的技术是现有技术中已知的。优选地，对要抛光的基板的抛光过程的进展的检测或监测，使得能够确定抛光终点，即确定何时终止对特定基板的抛光过程。
下列实施例进一步说明本发明，但不应以任何方式解释为限制其范围。
实施例1
本实施例表明在化学-机械抛光组合物中的金属离子的M-O-Si键能与用该化学-机械抛光组合物获得的基板移除速率之间的关系。
使用七种不同化学-机械抛光组合物(抛光组合物1A、1B、1C、1D、1E、1F及1G)，化学-机械地抛光相同的50.8cm(20英寸)的二氧化硅基板。每个基板在下列条件下用与商业上可获得的抛光垫结合使用的不同的化学-机械抛光组合物抛光60秒：
压盘速度＝60rpm
下压力＝27.6kPa(4psi)
载体速度＝56rpm
研磨浆流速＝200mL/min
垫温度＝22-30℃
该化学-机械抛光组合物包含0.15重量％的平均粒径为130nm的二氧化铈，0.06重量％的酸，水，以及或者无金属盐或者0.5毫摩尔浓度的金属盐。将化学-机械抛光组合物的pH调整至5。
抛光组合物1A(对照)不含有金属盐。抛光组合物1B、1C和1D(比较)与抛光组合物1A相同，只是它们还分别包含KCl、MgCl2和LaCl3。抛光组合物1E、1F和1G(发明)与抛光组合物1A相同，只是它们还分别包含ScCl3、FeCl2和AlCl3。
基板的移除速率是通过测量给定时间期限内基板厚度的变化而计算出来的。″归一化的移除速率″是将基板移除速率归一化，使得包含LaCl3的抛光组合物1D的基板移除速率等于1时的基板移除速率。金属离子对基板硅的M-O-Si键能值(kcal/mol)得自Dugger et al.，J.Phys.Chem.，68：757(1964)。
该抛光组合物、金属盐、基板移除速率、归一化的移除速率及各化学-机械抛光组合物的金属盐的M-O-Si键能列于表1中。
                             表1
  抛光组合物 金属盐   基板移除速率(/min)   归一化的移除速率   M-O-Si键能(kcal/mol)
  1A(对照)   -   4450   5.40   -
  1B(比较)   KCl   1247   1.51   0
  1C(比较)   MgCl2   1079   1.31   1.1
  1D(比较)   LaCl3   824   1.00   2.9
  1E(本发明)   ScCl3   155   0.19   6.2
  1F(本发明)   FeCl2   153   0.19   7.7
  1G(本发明)   AlCl3   119   0.14   5.8
从表1中所示的结果可以看出，含有具有较高M-O-Si键能的金属盐的化学-机械抛光组合物显示降低的基板移除速率。具体地，那些含有具有3kcal/mol或更高M-O-Si键能的金属盐的化学-机械抛光组合物，即那些包含ScCl3、FeCl2或AlCl3的化学-机械抛光组合物显示最低的基板移除速率(例如经归一化的移除速率低于1，具体地为0.1-0.2)。
本实施例的结果表明化学-机械抛光组合物中的金属盐的M-O-Si键能与化学-机械抛光组合物显示的基板移除速率之间有关联，且含有具有等于或高于3kcal/mol M-O-Si键能的金属盐的化学-机械抛光组合物显示所需的低基板移除速率。
实施例2
实施例表明化学-机械抛光组合物中的金属离子的M-O-Si键能与用该化学-机械抛光组合物获得的基板的移除速率之间的关系。
使用七种不同化学-机械抛光组合物(抛光组合物2A、2B、2C、2D、2E、2F及2G)，化学-机械地抛光相同的50.8cm(20英寸)的二氧化硅基板。每个基板在下列条件下用与商业上可获得的抛光垫结合使用的不同的化学-机械抛光组合物抛光60秒：
压盘速度＝60rpm
下压力＝27.6kPa(4psi)
载体速度＝56rpm
研磨浆流速＝200mL/min
垫温度＝22-30℃
该化学-机械抛光组合物包含0.15重量％的平均粒径为130nm的二氧化铈，0.06重量％的酸，水，及或者无金属盐或0.5毫摩尔浓度的金属盐。将化学-机械抛光组合物的pH调整至5。
抛光组合物2A(对照)不含有金属盐。抛光组合物2B、2C及2D(比较)与抛光组合物2A相同，只是它们还分别包含或者ZnCl2、LiCl或者LaCl3。抛光组合物2E、2F及2G(发明)与抛光组合物2A相同，只是它们还分别包含ScCl3、AlCl3或CrCl3。
基板的移除速率是通过测量给定时间期限内基板厚度的变化而计算出来的。″归一化的移除速率″是将基板移除速率归一化，使得包含LaCl3的抛光组合物2D的基板移除速率等于1时的基板移除速率。硅基板的金属离子的M-O-Si键能值(kcal/mol)得自Dugger et al.，J.Phys.Chem.，68：757(1964)。
该抛光组合物、金属盐、基板移除速率、归一化的移除速率，及每个化学-机械抛光组合物的金属盐的M-O-Si键能列于表2中。
                            表2
  抛光组合物   金属盐   基板移除速率(/min)   归一化的移除速率   M-O-Si键能(kcal/mol)
  2A(对照)   -   1599   2.03   -
  2B(比较)   ZnCl2   938   1.19   1.6
  2C(比较)   LiCl   896.5   1.14   0
  2D(比较)   LaCl3   788.5   1.00   2.9
  2E(本发明)   ScCl3   348   0.44   6.2
  2F(本发明)   AlCl3   95   0.12   5.8
  2G(本发明)   CrCl3   60   0.08   5.2
从表2中所示的结果可以看出，包含具有较高M-O-Si键能的金属盐的化学-机械抛光组合物显示降低的基板移除速率。具体地，这些包含具有3kcal/mol或更高M-O-Si键能的金属盐的化学-机械抛光组合物，即包含ScCl3、AlCl3或CrCl3的化学-机械抛光组合物，显示最低的基板移除速率(例如归一化的移除速率低于1，特别是0.05-0.5)。
本实施例的结果表明，化学-机械抛光组合物中的金属盐的M-O-Si键能与化学-机械抛光组合物显示的基板移除速率之间有关联，并且还表明，包含具有等于或高于3kcal/mol M-O-Si键能的金属盐的化学-机械抛光组合物具有合乎需要的低基板移除速率。
实施例3
此实施例表明化学-机械抛光组合物的pH与用该化学-机械抛光组合物获得的基板移除速率之间的关系。
评价五个不同化学-机械抛光组合物(抛光组合物3A、3B、3C、3D及3E)，每个化学-机械抛光组合物除具有不同的pH(如分别为3、4、5、6或7)之外均相同。
用每个化学-机械抛光组合物化学-机械抛光相同的50.8cm(20英寸)二氧化硅基板。各基板在下列条件下用与商业上可获得的抛光垫结合使用的不同的化学-机械抛光组合物抛光60秒：
压盘速度＝60rpm
下压力＝27.6kPa(4psi)
载体速度＝56rpm
研磨浆流速＝200mL/min
垫温度＝22-30℃
该化学-机械抛光组合物包含0.15重量％的平均粒径为130nm的二氧化铈，0.06重量％的酸，及水(即不存在金属盐)。前述过程用相同的化学-机械抛光组合物进行重复，只是将0.5mM AlCl3加至各化学-机械抛光组合物。
在规定的pH下，测量包含或不包含金属盐AlCl3的各化学-机械抛光组合物的基板移除速率。基板的移除速率是通过测量给定时间期限内基板厚度的变化而计算出来的。确定通过含AlCl3的化学-机械抛光组合物获得的基板移除速率与通过不含AlCl3的化学-机械抛光组合物获得的基板移除速率的比率。
该抛光组合物、pH、基板移除速率、具有AlCl3的基板移除速率，及各化学-机械抛光组合物两个基板移除速率的比率列于表3中。
                                 表3
  抛光组合物 pH   基板移除速率(/min)(对照)   具有AlCl3的基板移除速率(/min)(发明)   基板移除速率的比率
  3A   3   588   50   0.085
  3B   4   848   10   0.012
  3C   5   4113   ＜10   0.0024
  3D   6   4620   4083   0.88
  3E   7   2670   2350   0.88
从表3中所示的结果表明，金属盐，尤其AlCl3，对降低由化学-机械抛光组合物获得的基板移除速率具有有益的影响。从表3的结果还可以看出，包含金属盐的化学-机械抛光组合物的基板移除速率对pH有依赖性。具体地，通过包含金属盐AlCl3的化学-机械抛光组合物实现的基板移除速率在pH为5时最低，但在pH低于5及低至pH为3时，金属盐AlCl3对通过化学-机械抛光组合物实现的基板移除速率仍具有延迟作用。当pH升至高于6时，表面金属盐AlCl3对通过化学-机械抛光组合物获得的基板移除速率的延迟作用降低了。
实施例4
本实施例表明在化学-机械抛光组合物中具有3或更高M-O-Si键能的金属盐的浓度与用该化学-机械抛光组合物获得的基板移除速率之间的关系。
四个不同化学-机械抛光组合物(抛光组合物4A、4B、4C及4D)用以化学-机械抛光相同的50.8cm(20英寸)二氧化硅基板。每个基板在下列条件下用与商业上可获得的抛光垫结合使用的不同的化学-机械抛光组合物抛光60秒：
压盘速度＝60rpm
下压力＝4psi
载体速度＝56rpm
研磨浆流速＝200mL/min
垫温度＝22-30℃
该化学-机械抛光组合物包含0.15重量％的平均粒径为130nm的氧化铈，0.06重量％的酸，水，以及或者0、0.05、0.5或者5mM的AlCl3。
基板移除速率通过测量在给定时间期限内基板厚度的变化而确定的。所述″归一化的移除速率″是基板移除速率归一化的至不含AlCl3的化学-机械抛光组合物的基板移除速率。
该抛光组合物、AlCl3浓度、基板移除速率、每个化学-机械抛光组合物的归一化的移除速率列于表4中。
                        表4
  抛光组合物   AlCl3浓度(mM)   基板移除速率(/min)   归一化的移除速率
  5A(对照)   0   3761   1.0
  5B(比较)   0.05   2277   0.6
  5C(本发明)   0.5   ＜10   ＜0.0026
  5D(本发明)   5   ＜10   ＜0.0026
从表4中所示的结果可以看出，在化学-机械抛光组合物中具有等于或高于3的M-O-Si键能的金属盐的浓度与通过该化学-机械抛光组合物显示的基板移除速率之间存在关联。基板移除速率的降低在金属盐浓度为0.05mM或更高时显示，在0.5mM或更高的金属盐浓度时相当大，且在5mM或更高的金属盐浓度时达到稳定。

Claims (45)

1.一种化学-机械抛光组合物，其包含：
(a)研磨剂，
(b)具有等于或高于3kcal/mol的M-O-Si键能的金属离子(M)，及
(c)液体载剂。
2.权利要求1的化学-机械抛光组合物，其中该金属离子具有等于或高于3.5kcal/mol的M-O-Si键能。
3.权利要求2的化学-机械抛光组合物，其中该金属离子具有等于或高于4kcal/mol的M-O-Si键能。
4.权利要求1的化学-机械抛光组合物，其中该金属离子以金属盐的形式提供。
5.权利要求4的化学-机械抛光组合物，其中该金属盐为金属氯化物盐。
6.权利要求4的化学-机械抛光组合物，其中该金属盐包括Al3+、Cr3+、Fe2+、Sc3+或其组合。
7.权利要求6的化学-机械抛光组合物，其中该金属盐包括Al3+。
8.权利要求7的化学-机械抛光组合物，其中该化学-机械抛光组合物具有3至7的pH值。
9.权利要求8的化学-机械抛光组合物，其中该化学-机械抛光组合物具有4至7的pH值。
10.权利要求7的化学-机械抛光组合物，其中该Al3+离子的浓度为0.05mM至1mM。
11.权利要求10的化学-机械抛光组合物，其中该Al3+离子的浓度为0.05mM至0.5mM。
12.权利要求1的化学-机械抛光组合物，其中该化学-机械抛光组合物具有7或更低的pH值。
13.权利要求12的化学-机械抛光组合物，其中该化学-机械抛光组合物具有6或更低的pH值。
14.权利要求13的化学-机械抛光组合物，其中该化学-机械抛光组合物具有4至6的pH值。
15.权利要求1的化学-机械抛光组合物，其中该金属离子的浓度为0.05mM或更高。
16.权利要求15的化学-机械抛光组合物，其中该金属离子的浓度为0.25mM或更高。
17.权利要求16的化学-机械抛光组合物，其中该金属离子的浓度为0.5mM或更高。
18.权利要求17的化学-机械抛光组合物，其中该金属离子的浓度为1mM或更高。
19.权利要求18的化学-机械抛光组合物，其中该金属离子的浓度为5mM或更高。
20.权利要求1的化学-机械抛光组合物，其中该研磨剂包括氧化铝、碳化硼、二氧化铈、氧化铬、金刚石、氧化锗、氧化铁、氧化镁、二氧化硅、碳化硅、二氧化钛、氮化钛、碳化钨、氧化锆，或其组合。
21.权利要求1的化学-机械抛光组合物，其中该化学-机械抛光组合物进一步包含络合剂或螯合剂。
22.权利要求1的化学-机械抛光组合物，其中该金属离子为非铝金属离子。
23.一种抛光基板的方法，包括以下步骤：
(a)提供基板，
(b)提供化学-机械抛光组合物，该组合物包含：
(i)研磨剂，
(ii)具有3kcal/mol或更高的M-O-Si键能的金属离子(M)，及
(iii)液体载剂，
(c)将该化学-机械抛光组合物施用于基板的至少一部分，以及
(d)用该化学-机械抛光组合物摩擦基板的至少一部分以抛光该基板。
24.权利要求23的方法，其中该金属离子具有3.5kcal/mol或更高的M-O-Si键能。
25.权利要求24的方法，其中该金属离子具有4kcal/mol或更高的M-O-Si键能。
26.权利要求23的方法，其中该金属离子以金属盐的形式提供。
27.权利要求26的方法，其中该金属盐为金属氯化物盐。
28.权利要求26的方法，其中该金属盐包括Al3+、Cr3+、Fe2+、Sc3+，或其组合。
29.权利要求28的方法，其中该金属盐包括Al3+。
30.权利要求29的方法，其中该化学-机械抛光组合物具有3至7的pH值。
31.权利要求30的方法，其中该化学-机械抛光组合物具有4至7的pH值。
32.权利要求29的方法，其中该Al3+离子的浓度为0.05mM至1mM。
33.权利要求32的方法，其中该Al3+离子的浓度为0.05mM至0.5mM。
34.权利要求23的方法，其中该化学-机械抛光组合物具有7或更低的pH值。
35.权利要求34的方法，其中该化学-机械抛光组合物具有6或更低的pH值。
36.权利要求35的方法，其中该化学-机械抛光组合物具有4至6的pH值。
37.权利要求23的方法，其中该金属离子的浓度为0.05mM或更高。
38.权利要求37的方法，其中该金属离子的浓度为0.25mM或更高。
39.权利要求38的方法，其中该金属离子的浓度为0.5mM或更高。
40.权利要求39的方法，其中该金属离子的浓度为1mM或更高。
41.权利要求40的方法，其中该金属离子的浓度为5mM或更高。
42.权利要求23的方法，其中该研磨剂包括氧化铝、碳化硼、二氧化铈、氧化铬、金刚石、氧化锗、氧化铁、氧化镁、二氧化硅、碳化硅、二氧化钛、氮化钛、碳化钨、氧化锆，或其组合。
43.权利要求23的方法，其中该化学-机械抛光组合物进一步包含络合剂或螯合剂。
44.权利要求23的方法，其中该金属离子为非铝金属离子。
45.权利要求23的方法，其中该基板包括置放在第二层上的第一金属层。
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