CN101186711A - 研磨用组合物和研磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供相对于多晶硅膜可选择性地研磨硅氧化膜的研磨用组合物，以及使用该研磨用组合物的研磨方法。本发明的研磨用组合物含有选自二氧化硅和铈土的磨粒；选自氨、铵盐、碱金属和碱金属氢氧化物的碱；以及选自聚氧乙烯改性硅油、聚(氧乙烯氧丙烯)改性硅油、环氧基/聚醚改性硅油、和氨基/聚醚改性硅油的有机改性硅油。

Description

研磨用组合物和研磨方法
技术领域
本发明涉及主要在研磨硅氧化膜用途、特别是在研磨设置于多晶硅膜上的硅氧化膜的用途中使用的研磨用组合物，以及使用该研磨用组合物的研磨方法。
背景技术
在半导体元件分离技术之一的STI(浅沟槽隔离(Shallow TrenchIsolation))技术中，通过CMP(化学机械研磨(Chemical MechanicalPolishing))使设置于硅基板上的硅氧化膜实现平坦化。当然希望该STI用的CMP浆料对硅氧化膜的研磨速度高，除此以外，也希望例如可防止设置于元件区域的多晶硅膜被CMP除去、对多晶硅膜的研磨速度低。即，希望相对于多晶硅膜可选择性地研磨硅氧化膜。
本发明相关的现有技术文献可列举以下的专利文献1、2。
[专利文献1]国际公开第00/39843号公报
[专利文献2]日本特表2001-501369号公报
发明内容
本发明针对上述情况而设，其目的在于提供相对于多晶硅膜可以选择性地研磨硅氧化膜的研磨用组合物，以及使用该研磨用组合物的研磨方法。
为实现上述目的，本申请第1发明提供一种研磨用组合物，该研磨用组合物含有选自二氧化硅和铈土的磨粒；选自氨、铵盐、碱金属盐和碱金属氢氧化物的碱；选自聚氧乙烯改性硅油、聚(氧乙烯氧丙烯)改性硅油、环氧基/聚醚改性硅油和氨基/聚醚改性硅油的有机改性硅油。
第2发明提供上述第1发明所述的研磨用组合物，其中，上述磨粒为二氧化硅。
第3发明提供使用上述第1或第2发明所述的研磨用组合物对设置于多晶硅膜上的硅氧化膜进行研磨的研磨方法。
第4发明提供使用上述第2发明的研磨用组合物对设置于多晶硅膜上的硅氮化膜进行研磨的研磨方法。
本发明可提供相对于多晶硅膜可选择性地研磨硅氧化膜的研磨用组合物，以及使用该研磨用组合物的研磨方法。
具体实施方式
以下说明本发明的一个实施方案。
本实施方案的研磨用组合物通过将磨粒、碱和有机改性硅油与水混合制备。因此，研磨用组合物含有磨粒、碱和有机改性硅油以及水。该研磨用组合物在研磨硅氧化膜的用途、特别是研磨设置于多晶硅膜上的硅氧化膜的用途中使用。
上述磨粒具有机械研磨硅氧化膜的作用，可发挥使研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高的作用。
研磨用组合物中所含的磨粒选自二氧化硅和铈土，优选二氧化硅，更优选热解法二氧化硅或胶体二氧化硅，进一步优选热解法二氧化硅。研磨用组合物中所含的磨粒为二氧化硅时，可以使碱性区域的磨粒的分散性提高。另外，使用热解法二氧化硅或胶体二氧化硅时，可以进一步降低研磨用组合物研磨后研磨面上的缺陷，使用热解法二氧化硅时，特别可以进一步提高研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度。
关于研磨用组合物中的磨粒含量，当磨粒为二氧化硅时优选为4质量％以上，磨粒为铈土时优选为0.1质量％以上。随着磨粒含量的增多，研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高。从该角度考虑，研磨用组合物中二氧化硅的含量为4质量％以上或者研磨用组合物中铈土的含量为0.1质量％以上，则可以使研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高至实际应用中特别合适的水平。
关于研磨用组合物中的磨粒含量，磨粒为二氧化硅时优选为25质量％以下，磨粒为铈土时优选为10质量％以下。随着磨粒含量的减少，磨粒的分散性提高，难以在研磨用组合物中产生沉淀。从该点考虑，研磨用组合物中二氧化硅的含量如果为25质量％以下、或者研磨用组合物中铈土的含量为10质量％以下，则可以使研磨用组合物中磨粒的分散性提高至实际应用中特别合适的水平。
当磨粒为二氧化硅和铈土中的任意一种时，研磨用组合物中所含磨粒的平均粒径优选为20nm以上，更优选25nm以上。随着磨粒平均粒径的增大，磨粒机械研磨硅氧化膜的作用增强，因此，研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高。从该点考虑，磨粒的平均粒径如果为20nm以上、进一步说为25nm以上，则可以使研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高至实际应用中特别合适的水平。
关于研磨用组合物中所含的磨粒的平均粒径，磨粒为二氧化硅时优选为100nm以下，更优选75nm以下；磨粒为铈土时优选为200nm以下，更优选100nm以下。随着磨粒平均粒径的减小，磨粒的分散性提高，难以在研磨用组合物中产生沉淀。从该点考虑，如果二氧化硅的平均粒径在100nm以下、更进一步说为75nm以下，则可以使研磨用组合物中的磨粒的分散性提高至实际应用中特别合适的水平。铈土的平均粒径为200nm以下、进一步说为100nm以下时也同样，可以使研磨用组合物中的磨粒的分散性提高至实际应用中特别合适的水平。上述平均粒径的值根据在BET法中测定的磨粒的比表面积和磨粒的颗粒密度计算。
上述碱具有化学研磨硅氧化膜的作用，发挥使研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高的作用。
研磨用组合物中所含的碱选自氨、铵盐、碱金属盐和碱金属氢氧化物，优选碱金属氢氧化物。研磨用组合物中所含的碱为碱金属氢氧化物时，研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度大幅提高。铵盐例如可以是碳酸铵，碱金属盐例如可以是碳酸钾、碳酸钠或碳酸锂，碱金属氢氧化物例如可以是氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂。研磨用组合物中所含的碱如果是四甲基氢氧化铵(TMAH)等氨、铵盐、碱金属盐和碱金属氢氧化物以外的化合物，则研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度没有太大提高。
研磨用组合物中碱的含量优选为0.01质量％以上，更优选0.1质量％以上。随着碱含量的增多，研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高。从该点考虑，如果研磨用组合物中碱的含量为0.01质量％以上、进一步说为0.1质量％以上，则可以使研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高至实际应用中特别合适的水平。
研磨用组合物中碱的含量还优选为10质量％以下，更优选2质量％以下。随着碱含量的减少，研磨用组合物中磨粒的稳定性提高。从该点考虑，如果研磨用组合物中碱的含量为10质量％以下、进一步说为2质量％以下，则可以使研磨用组合物中磨粒的稳定性提高至实际应用中特别合适的水平。
上述有机改性硅油发挥抑制研磨用组合物对多晶硅膜进行研磨的作用。这主要是由于有机改性硅油在多晶硅膜的表面形成保护膜，该保护膜抑制了研磨用组合物中的碱对多晶硅膜的腐蚀。
研磨用组合物中所含的有机改性硅油选自聚氧乙烯改性硅油、聚(氧乙烯氧丙烯)改性硅油、环氧基/聚醚改性硅油、以及氨基/聚醚改性硅油。即，有机改性硅油是聚硅氧烷的甲基的一部分、更具体地说是聚硅氧烷的两个末端或一个末端的甲基、或者支链的一部分甲基、或者支链的一部分和两个末端或一个末端的甲基被聚氧乙烯基、或者聚(氧乙烯氧丙基)基、或者环氧基和聚醚基、或者氨基和聚醚基置换。
研磨用组合物中的有机改性硅油的含量优选为0.005质量％以上，更优选0.01质量％以上。随着有机改性硅油含量的增多，研磨用组合物对多晶硅膜的研磨受到更强的抑制。从该点考虑，如果研磨用组合物中有机改性硅油的含量为0.005质量％以上、进一步说为0.01质量％以上，则可以使研磨用组合物对多晶硅膜的研磨速度降低至实际应用中特别合适的水平。
研磨用组合物中有机改性硅油的含量还优选为10质量％以下，更优选5质量％以下，进一步优选3质量％以下。随着有机改性硅油含量的减少，研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高。从该点考虑，如果研磨用组合物中有机改性硅油的含量为10质量％以下、进一步说为5质量％以下、更进一步说为3质量％以上，则可以使研磨用组合物对硅氧化膜的研磨速度提高至实际应用中特别合适的水平。
研磨用组合物中所含的有机改性硅油的HLB(亲水亲油平衡值)优选为2以上，更优选6以上，进一步优选7以上。随着有机改性硅油的HLB值的增加，研磨用组合物研磨后的研磨面上作为异物残留的有机物残渣减少。从该点考虑，如果有机改性硅油的HLB值为2以上、进一步说为6以上、更进一步说为7以上，则可以使研磨用组合物研磨后的研磨面上残留的有机物残渣降低至实际应用中特别合适的水平。
研磨用组合物中所含的有机改性硅油的HLB值还优选为15以下，更优选12以下。随着有机改性硅油的HLB值的减小，研磨用组合物对多晶硅膜的研磨受到更强的抑制。从该点考虑，如果有机改性硅油的HLB值为15以下、进一步说为12以下，则可以使研磨用组合物对多晶硅膜的研磨速度降低至实际应用中特别合适的水平。
研磨用组合物中含有的有机改性硅油的平均分子量优选为200～20,000，更优选200～10,000。平均分子量为200～20,000、进一步说为200～10,000的有机改性硅油可以特别有效地抑制研磨用组合物对多晶硅膜的研磨。
本实施方案可得到以下优点。
·本实施方案的研磨用组合物含有规定的磨粒、规定的碱和规定的有机改性硅油，因此硅氧化膜的研磨速度高，并且多晶硅膜的研磨速度低。因此，该研磨用组合物相对于多晶硅膜可选择性地研磨硅氧化膜。因此，该研磨用组合物适合研磨硅氧化膜的用途，特别是研磨设置于多晶硅膜上的硅氧化膜的用途。
上述实施方案可进行如下变更。
·上述实施方案的研磨用组合物可以在对除硅氧化膜以外的研磨对象物进行研磨的用途中使用。具体来说，可以在研磨硅氮化膜的用途、特别是研磨设置于多晶硅膜上的硅氮化膜的用途中使用。这种情况下，磨粒优选不是铈土而是二氧化硅。二氧化硅除了机械研磨硅氧化膜的作用之外，也具有机械研磨硅氮化膜的作用。因此，磨粒为二氧化硅的研磨用组合物可以相对于对多晶硅膜选择性地研磨硅氮化膜。因此，磨粒为二氧化硅的研磨用组合物适合在研磨硅氮化膜的用途、特别是研磨设置于多晶硅膜上的硅氮化膜的用途中使用。
·上述实施方案的研磨用组合物中可以含有两种以上的磨粒。
·上述实施方案的研磨用组合物中可以含有两种以上的碱。
·上述实施方案的研磨用组合物中可以含有两种以上有机改性硅油。
·上述实施方案的研磨用组合物中可以根据需要添加防霉剂、抗腐蚀剂、消泡剂、螯合剂等。
·上述实施方案的研磨用组合物可以通过用水稀释研磨用组合物的原液来制备。
下面，说明本发明的实施例和比较例。
通过将磨粒、碱和有机改性硅油与水适当混合，制备实施例1～40的研磨用组合物。通过将磨粒、碱或酸、以及有机改性硅油或其替代化合物与水适当混合，制备比较例1～18的研磨用组合物。各例子的研磨用组合物中，磨粒、碱或酸、以及有机改性硅油或其替代化合物的详细内容如表1所示。
表1、2的“研磨速度”栏中表示使用实施例1～40和比较例1～18的各研磨用组合物，在表3所示的研磨条件下对具有硅氧化膜(TEOS膜)的晶片、具有硅氮化膜的晶片和具有多晶硅膜的硅晶片进行研磨时，对硅氧化膜的研磨速度、硅氮化膜的研磨速度和多晶硅膜的研磨速度进行测定的结果。研磨速度是将研磨前后各晶片厚度的差除以研磨时间求出。晶片的厚度测定使用大日本スクリ一ン制造株式会社的薄膜测定装置“VM2030”。
表1、2的“选择比”栏表示由上述求出的硅氧化膜、硅氮化膜和多晶硅膜的研磨速度计算硅氧化膜的研磨速度与多晶硅膜的研磨速度的比率(SiO2/Poly-Si)，以及硅氮化膜的研磨速度与多晶硅膜的研磨速度的比率(Si3N4/Poly-Si)的结果。
[表1]
    磨粒 碱或酸 有机改性硅油或其替代化合物 研磨速度 选择比
    种类 含量[质量％] 种类 含量[质量％] 种类 含量[质量％] SiO2[/min] Si3N4[/min] Poly-Si[/min] SiO2/Poly-Si Si3N4/Poly-Si
比较例1 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  -  0  2118  1080  4264  0.5  0.3
实施例1 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  A1  0.25  1419  695  59  24.1  11.8
实施例2 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  A2  0.25  1273  624  72  17.7  8.7
实施例3 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  A3  0.25  1368  670  60  22.8  11.2
实施例4 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  A4  0.25  2340  1240  110  21.3  11.3
实施例5 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  A5  0.25  1349  661  47  28.7  14.1
实施例6 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  A6  0.25  1880  846  96  19.6  8.8
实施例7 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  A7  0.25  1877  995  99  18.9  10.0
实施例8 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  A8  0.25  1673  820  92  18.2  8.9
实施例9 热解法二氧化硅 12.5  KOH  0.49  A9  0.25  1789  877  92  19.4  9.5
实施例10 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A10   0.25   1147   574   129   8.9   4.4
实施例11 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A11   0.25   1955   1005   96   20.4   10.5
实施例12 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A6  0.005   2103   988   343   6.1   2.9
实施例13 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A6   0.01   2098   1007   198   10.6   5.1
实施例14 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A6   0.05   2032   914   139   14.6   6.6
实施例15 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A6   0.1   1960   882   131   14.9   6.7
实施例16 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A6   0.5   1820   965   129   14.1   7.5
实施例17 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A7   0.005   2150   1176   371   5.8   3.2
实施例18 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A7   0.01   2201   1122   261   8.4   4.3
实施例19 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A7   0.05   2101   945   123   17.1   7.7
实施例20 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A7   0.1   2089   1107   112   18.7   9.9
实施例21 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A7   0.5   1886   849   123   15.4   6.9
实施例22 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A7   1.0   1835   972   131   14.0   7.4
实施例23 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   A7   3.0   1627   781   131   12.4   6.0
比较例2 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   B1   0.25   2051   984   1063   1.9   0.9
比较例3 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   B2   0.25   1775   799   480   3.7   1.7
比较例4 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   B3   0.25   1766   936   540   3.3   1.7
比较例5 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   B4   0.25   1743   889   1375   1.3   0.6
比较例6 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   B5   0.25   1667   750   922   1.8   0.8
比较例7 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   B6   0.25   1743   889   669   2.6   1.3
比较例8 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   B7   0.25   1795   915   986   1.8   0.9
比较例9 热解法二氧化硅   12.5   KOH   0.49   B8   0.25   2143   1029   870   2.5   1.2
[表2]
磨粒 碱或酸 有机改性硅油或其替代化合物 研磨速度 选择比
种类 含量[质量％] 种类 含量[质量％] 种类 含量[质量％] SiO2[/min] Si3N4[/min] Poly-Si[/min] SiO2/Poly-Si Si3N4/Poly-Si
实施例24 热解法二氧化硅   12.5     KOH  0.01 A7  0.25 921  433  155  5.9  2.8
实施例25 热解法二氧化硅   12.5     KOH  0.10 A7  0.25 1608  772  185  8.7  4.2
实施例26 热解法二氧化硅   12.5     KOH  0.25 A7  0.25 1589  810  74  21.5  11.0
实施例27 热解法二氧化硅   12.5     KOH  1.00 A7  0.25 2103  1072  102  20.6  10.5
实施例28 热解法二氧化硅 12.5     NH3  0.10 A7  0.25 844  380  116  7.3  3.3
实施例29 热解法二氧化硅 12.5     NH3  0.25 A7  0.25 1103  496  137  8.1  3.6
实施例30 热解法二氧化硅 12.5     NH3  0.49 A7  0.25 1369  698  155  8.8  4.5
实施例31 热解法二氧化硅 12.5     NH3  1.00 A7  0.25 1495  718  182  8.2  3.9
实施例32 热解法二氧化硅 12.5     碳酸钾  0.49 A7  0.25 1976  998  96  20.6  10.4
实施例33 热解法二氧化硅 12.5     碳酸铵  0.49 A7  0.25 1425  745  119  12.0  6.3
比较例10 热解法二氧化硅 12.5     TMAH  0.49 A7  0.25 12   23  87  0.1  0.3
比较例11 热解法二氧化硅 12.5     (CH3)2NH  0.49 A7  0.25 43   84  185  0.2  0.5
实施例34 热解法二氧化硅 2     KOH  0.49 A7  0.25 357  182  70  5.1  2.6
实施例35 热解法二氧化硅 4     KOH  0.49 A7  0.25 900  430  110  8.2  3.9
实施例36 热解法二氧化硅 6     KOH  0.49 A7  0.25 1100  495  101  10.9  4.9
实施例37 热解法二氧化硅 25     KOH  0.49 A7  0.25 2468  1259  161  15.3  7.8
实施例38 热解法二氧化硅 12.5     KOH  0.49 A7  0.25 884  451  51  17.2  8.8
实施例39 胶体二氧化硅 12.5     KOH  0.49 A7  0.25 1003  532  99  10.2  5.4
比较例12 胶体二氧化硅 12.5     硝酸  PH3 A7  0.25 -  -  -  -  -
比较例13 胶体二氧化硅 12.5     草酸  pH3 A7  0.25 -  -  -  -  -
比较例14 胶体二氧化硅 12.5     己二酸  pH3 A7  0.25 -  -  -  -  -
比较例15 胶体二氧化硅 12.5 丙酸  pH3 A7 0.25 - - - - -
比较例16 热解法二氧化硅 12.5 硝酸  pH2 A7 0.25 - - - - -
比较例17 热解法二氧化硅 12.5 硫酸  pH2 A7 0.25 - - - - -
实施例40 铈土 3.0     KOH  0.49 A7  0.25  5538  96  326  17.0  0.3
比较例18 氧化铝 1.0     KOH  0.49 A7  0.25  3714  130  2168  1.7  0.1
表1、2的“磨粒”栏中，“热解法二氧化硅”表示平均粒径为30nm的热解法二氧化硅，“热解法二氧化硅*”表示平均粒径为50nm的热解法二氧化硅，“胶体二氧化硅”表示平均粒径为90nm的胶体二氧化硅，“铈土”表示平均粒径为60nm的铈土，“氧化铝”表示平均粒径为100nm的氧化铝。
表1、2的“碱或酸”栏中，“KOH”表示氢氧化钾，“NH3”表示氨，“TMAH”表示四甲基氢氧化铵，“(CH3)2NH”表示二甲胺。
表1、2的“有机改性硅油或其替代化合物”栏中，“A1”表示HLB值为2的侧链型聚氧乙烯改性硅油，“A2”表示HLB值为3的侧链型聚氧乙烯改性硅油，“A3”表示HLB值为5的侧链型聚氧乙烯改性硅油，“A4”表示HLB值为7的侧链型聚(氧乙烯氧丙烯)改性硅油，“A5”表示HLB值为8的侧链型聚氧乙烯改性硅油，“A6”表示HLB值为10的侧链型聚氧乙烯改性硅油，“A7”表示HLB值为12的侧链型聚氧乙烯改性硅油，“A8”表示HLB值为13的侧链型聚氧乙烯改性硅油，“A9”表示HLB值为11的侧链型环氧基/聚醚改性硅油，“A10”表示HLB值为12的侧链型氨基/聚醚改性硅油，“A11”表示HLB值为7的两末端型聚(氧乙烯氧丙烯)改性硅油，“B1”表示平均分子量为1,200,000的羟乙基纤维素，“B2”表示聚合度为200、皂化度为98％以上的聚乙烯醇，“B3”表示HLB值为12.9的聚氧乙烯月桂基醚，“B4”表示平均分子量为9000的聚乙烯基吡咯烷酮，“B5”表示HLB值为9.8的聚氧乙烯烷基苯基醚磷酸，“B6”表示HLB值为10.5的聚氧乙烯烷基苯基醚磷酸，“B7”表示HLB值为10.5的聚氧乙烯烷基醚磷酸，“B8”表示平均分子量为2,000的聚乙二醇。
[表3]
研磨机：Miira(アプライドマテリアルズ公司制造)研磨荷重：17.2kPa(2.5psi)研磨转速：90rpm研磨时间：60秒研磨用组合物的供给速度：200mL/分钟
如表1、2所示，在实施例1～40的研磨用组合物中，对硅氧化膜的研磨速度可得到实际应用中足够的高数值水平，多晶硅膜与硅氧化膜之间的选择比也得到了实际应用中足够的高数值水平。其中，含有二氧化硅作为磨粒的实施例1～40的研磨用组合物中，除对硅氧化膜的研磨速度外，对于硅氮化膜的研磨速度也得到了实际应用中足够的高数值水平，多晶硅膜与硅氮化膜之间的选择比也得到了实际应用中足够的高数值水平。
与此相对，在比较例1～18的研磨用组合物中，对硅氧化膜和硅氮化膜的研磨速度未得到实际应用中足够的高数值水平，或者对多晶硅膜的研磨速度未得到实际应用中足够的低数值水平，多晶硅膜与硅氧化膜之间的选择比、以及多晶硅膜与硅氮化膜之间的选择比均未得到实际应用中足够的高数值水平。

Claims (4)

1.研磨用组合物，其特征在于：该研磨用组合物含有
选自二氧化硅和铈土的磨粒；
选自氨、铵盐、碱金属盐和碱金属氢氧化物的碱；
选自聚氧乙烯改性硅油、聚(氧乙烯氧丙烯)改性硅油、环氧基/聚醚改性硅油、和氨基/聚醚改性硅油的有机改性硅油。
2.权利要求1的研磨用组合物，其特征在于：上述磨粒是二氧化硅。
3.研磨方法，其特征在于：该方法是使用权利要求1或2的研磨用组合物对设置于多晶硅膜上的硅氧化膜进行研磨。
4.研磨方法，其特征在于：该研磨方法是使用权利要求2的研磨用组合物对设置于多晶硅膜上的硅氮化膜进行研磨。
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