CN101910353A - 用于打磨晶片的组合物、方法和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于打磨晶片的组合物。所述组合物包括基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述水溶液的pH值在约2至7的范围内，并且所述水溶液包含至少一种高分子电解质和表面活性剂。在某些实施例中，可调整所述晶片打磨组合物以控制使用固定研磨化学机械打磨(CMP)工艺修饰半导体晶片的切削速率和选择性。另外本发明公开了使用所述打磨组合物打磨晶片的化学机械打磨方法和工艺。

Description

用于打磨晶片的组合物、方法和工艺
技术领域
本发明整体涉及用于修饰半导体晶片的暴露表面的组合物。更具体地讲，本发明涉及在使用固定研磨化学-机械平面化工艺修饰半导体晶片的方法中可进行调整以控制切削速率和选择性的组合物。
背景技术
在集成电路制造过程中，半导体制作中使用的半导体晶片通常经历许多工序，包括沉积、图案化、和蚀刻步骤。这些半导体晶片的制造步骤的细节在Tonshoff等人的“Abrasive Machining of Silicon”一文中报道，该文发表于Annals of the International Institution for ProductionEngineering Research(卷39/2/1990)，第621-635页。在每个制造步骤中，常常需要或期望修饰或精制晶片的暴露表面以制备用于后续制作或制造步骤中的晶片。例如，具有浅沟槽隔离(STI)结构以用于动态随机访问存储器(DRAM)应用中的半导体晶片常常需要在进一步加工之前进行介电材料的平面化。
一种修饰或精制晶片暴露表面的方法是使用包含多个分散在液体中的松散磨粒的浆液来处理晶片表面。通常，这种浆液被施加到打磨片上，然后将晶片表面对着该片进行研磨或磨擦，以除去或去掉晶片表面上的材料。一般来讲，所述浆液也包含与晶片表面化学反应的试剂。这种工艺类型通常被称之为化学-机械平面化(CMP)工艺。
然而，CMP浆液的一个缺陷是，这种浆液研磨工艺必须仔细监控以便获得所需的晶片表面形态。第二个缺陷是松散的研磨浆液会产生脏乱。另一个缺陷是浆液产生大量的颗粒，这些颗粒必须从晶片表面上除去，并在晶片处理结束后处置掉。对于半导体晶片制造商而言，处理和处置这些浆液会产生额外的加工成本。
CMP浆液方法的替换方法使用研磨制品来修饰或精制半导体表面。使用研磨制品的CMP工艺已由(例如)Bruxvoort等人在美国专利No.5,958,794中以及Kaisaki等人在美国专利No.6,194,317中进行了报道。所报道的研磨制品具有纹理化的研磨表面，所述表面包含分散在粘结剂中的磨粒。使用过程中，通常是在存在流体或液体的情况下使研磨制品与半导体晶片表面接触，以便提供平坦的、均匀的晶片表面。研磨制品的使用克服了与CMP浆液相关的某些缺陷。
发明内容
本发明整体涉及用于修饰半导体晶片的暴露表面的组合物和方法。更具体地讲，本发明涉及在使用固定研磨CMP工艺修饰半导体晶片的方法中可进行调整以控制切削速率和选择性的组合物。在一些实施例中，本发明利用了下述方法提供的优点，所述方法是使用研磨制品来修饰图案化半导体晶片的表面。
在一个方面，本发明涉及工作液体，所述工作液体包括基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述组分包含水、高分子电解质和表面活性剂，并且所述工作液体的PH值为约2至7。在示例性实施例中，所述工作液体可用于修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面，其中当与用于DRAM STI晶片的化学机械平面化的固定研磨制品一起使用时，所述表面活性剂以有效使获得的氧化物移除速率为至少约200埃/分钟的量存在，并且所述高分子电解质以有效使获得的氧化物与氮化物选择性之比为至少约10的量存在。在某些实施例中，所述工作液体可额外包含络合剂，该络合剂可为多齿酸性络合剂，例如氨基酸或由氨基酸形成的二肽。
在另一方面，本发明涉及修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面的方法，所述晶片包括至少一种具有被蚀刻以形成图案的表面的第一材料、布置在所述第一材料的表面的至少一部分上的第二材料以及布置在所述第二材料的表面的至少一部分上的第三材料。所述方法包括提供晶片并且在第三材料与多个研磨复合物接触的同时，在存在工作液体的情况下在所述晶片和多个三维研磨复合物之间提供相对移动，直至所述晶片的暴露表面变平并且具有至少一个暴露的第三材料区域以及一个暴露的第二材料区域。
在示例性实施例中，将研磨复合物固定到研磨制品的表面上。在另外的示例性实施例中，研磨复合物包含多个固定和分散在粘结剂中的磨粒。在其他的示例性实施例中，工作液体包括基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述组分包含水、高分子电解质和表面活性剂，并且所述工作液体的PH值为约2至7。在某些示例性实施例中，所述工作液体可用于修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面，其中当与用于DRAM STI晶片的化学机械平面化的固定研磨制品一起使用时，所述表面活性剂以有效使获得的氧化物移除速率为至少约200埃/分钟的量存在，并且所述高分子电解质以有效使获得的氧化物与氮化物选择性之比为至少约10的量存在。
在另一方面，本发明提供了通过下述方式打磨晶片的方法，所述方式为提供具有包括介电材料(例如，二氧化硅)的第一区域以及包括阻隔材料(例如，氮化硅)的第二区域的晶片。在某些示例性实施例中，使晶片与包含多个磨粒和粘结剂的三维、纹理化、固定研磨制品接触，同时在晶片和研磨制品之间提供相对移动，且第二区域在存在水溶液的情况下与多个研磨复合物相接触。在某些示例性实施例中，水溶液的PH值范围为约2至7范围，并且包含至少一种高分子电解质和至少一种表面活性剂。在其他的示例性实施例中，当与用于DRAMSTI晶片的化学机械平面化的固定研磨制品一起使用时，表面活性剂以有效使获得的氧化物移除速率为至少约200埃/分钟的量存在，并且高分子电解质以有效使获得的氧化物与氮化物选择性之比为至少约10的量存在。
在另一方面，本发明提供了包括根据本发明的含水工作液体的晶片平面化工艺以及包含多个磨粒和粘结剂的三维、纹理化、固定研磨制品。在一些示例性工艺中，研磨制品包括精确成形的研磨复合物。在某些示例性实施例中，水溶液的PH值范围为约2至7，并且包含至少一种高分子电解质和至少一种表面活性剂。在其他的示例性实施例中，当与用于DRAM STI晶片的化学机械平面化的固定研磨制品一起使用时，表面活性剂以有效使获得的氧化物移除速率为至少约200埃/分钟的量存在，并且高分子电解质以有效使获得的氧化物与氮化物选择性之比为至少约10的量存在。
在某些示例性实施例中，本发明的组合物和方法出乎意料地提高了使用固定研磨制品而非打磨垫和浆液的化学机械平面化工艺的性能。
上述发明内容并不旨在描述本发明的每个公开实施例或每种实施方式。以下附图、具体实施方式和权力要求书更具体地说明了示例性实施例。
附图说明
图1为在表面修饰之前结构化晶片的一部分的示意性剖视图；和
图2为图1中的结构化晶片在利用本发明进行表面修饰之后的示意性剖视图。
这些附图都是理想化的，并且未按比例绘制，仅仅旨在示例性而非限制性地给出本发明的某些实施例。
具体实施方式
在本发明的上下文中：
“研磨复合物”是指共同提供包含磨粒和粘结剂的纹理化、三维研磨制品的多个成形体中的一个，其中磨粒可为研磨团聚物形式；
“固定研磨制品”是除了在平面化工艺过程中可能产生的不连接的磨粒外基本上不含不连接的磨粒的一体化研磨制品。
与晶片“相互作用”是指可为极性相互作用(如，范得瓦尔(vander Waals)力)或化学反应的相互作用；
“高分子电解质”是指具有至少一个可离子化官能团的聚合物和共聚物，并且包括具有至少一个可离子化官能团的甲基丙烯酸、丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯的聚合物和共聚物；
“精确成形的研磨复合物”是指有模制形状的研磨复合物，该模制形状是从模具中移除复合物后保留下来的模具腔体的反相，其中该复合物在研磨制品使用之前可基本上不含突出于该形状的暴露表面之外的磨粒，如Pieper等人在美国专利No.5,152,917中所述；
“选择性”是指在CMP工艺期间第一材料(如，介电材料诸如二氧化硅)可从晶片表面移除的速率相对第二材料(如，阻隔材料诸如氮化硅)可从晶片表面移除的速率的比率；
“表面活性剂”是指表面活性化合物，包括(例如)分子表面活性剂、低聚物型表面活性剂、聚合物型表面活性剂、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂以及含氟化合物表面活性剂。
“纹理化研磨制品”是具有凸起部分和凹陷部分的研磨制品，其中至少凸起部分包含磨粒和粘结剂；
“三维研磨制品”是指下述研磨制品，其具有贯穿其厚度的至少一部分的大量磨粒，使得在平面化过程中移除一些颗粒会使能够执行平面化功能的另外磨粒暴露出来；并且
“晶片”是指形式为空白晶片(即，处理之前的晶片，处理的目的在于添加诸如金属化和绝缘区域之类的外形特征)或处理晶片(已经受一个或多个将外形特征添加到晶片表面的处理步骤的晶片)的半导体晶片。
现在将具体结合附图加以描述本发明的各种实施例。图1为适用于根据本发明的工艺中的图案化晶片10的代表视图。为清楚起见，已省略已知的结构，例如掺杂质区域、有源器件、外延层、载体和场氧化物层。晶片10具有基部12和多个浅沟槽隔离结构14。浅沟槽隔离结构通常通过以下方式形成：沉积并且图案化氮化硅以在晶片的表面上形成掩膜层16，然后利用本领域的技术人员已知的任何蚀刻工艺形成沟槽。
将介电层18沉积在浅沟槽隔离结构的表面上并且沉积在浅沟槽隔离结构之间的空间内。可使用多种介电材料，例如(如)二氧化硅。如本发明的上下文中所用，“二氧化硅”是指二氧化硅以及二氧化硅的掺杂形式，例如(如)掺氟、掺硼和/或掺磷二氧化硅。
然后利用本发明的CMP工艺移除介电层18的一部分以形成图2所示的期望图案。如图2所示，打磨的介电材料18′和掩膜层16形成基本平坦的表面。掩膜层用作CMP工艺的阻挡层，以保护浅沟槽隔离结构14免于暴露于CMP处理。
可用于本发明的工艺的CMP机器为市售的并且对于本领域的技术人员是已知的。示例性的CMP机器可购自Applied Materials(SantaClara，California)并且以商品名ReflexionTM幅材打磨器出售。可将固定研磨制品安装到CMP机器台板或承座上，并且可将待打磨的晶片安装到对应的CMP机器承座或台板上。优选的是，将固定研磨制品安装到台板上并且将晶片安装到承座上。
CMP机器使用的加工条件包括承座和台板的旋转速率在约5至10,000转/分钟(RPM)之间。优选的是，使用约10至1,000RPM的旋转速率。更优选的是，选定的旋转速率在约10至250RPM之间。最优选的是，使用约10至100RPM的旋转速率。在一些实施例中，台板和承座沿相同的方向旋转。在其它实施例中，台板和承座沿相反的方向旋转。
晶片上实际的或设定的打磨压力可在约0.1至20psi(0.7至138kPa)之间，优选地在约1至10psi(6.9至69kPa)之间并且更优选地在约2至6psi(13.8至41.4kPa)之间。
可用于本发明的工艺和方法中的示例性CMP机器可装配有如(例如)上述参考的由Bruxvoort等人和Kaisaki等人所报道的固定研磨打磨制品。在存在液体介质(即，工作液体)的情况下使用固定研磨制品来打磨晶片的暴露表面。
固定研磨制品
可用于本发明的CMP工艺中的示例性固定研磨制品包括Bruxvoort等人在美国专利No.5,958,794中以及Kaisaki等人在美国专利No.6,194,317中公开的那些，上述专利以引用方式并入本文中。在某些实施例中，使用三维、纹理化、固定研磨制品。在一些实施例中，研磨制品包含二氧化铈磨粒。在其它实施例中，研磨制品包含精确成形的研磨复合物。可用于本发明的工艺中的具有包含二氧化铈颗粒的精确成形的研磨复合物的示例性研磨制品包括可购自3M公司(St.Paul，Minnesota)并且以商品名“3M SLURRYFREE CMP FIXEDABRASIVE 3152”和“3M SLURRYFREE CMP FIXED ABRASIVE3154”出售的那些。
合适的研磨制品可具有各种构型，包括(例如)片材、幅材、筒材或带材。在这些构型中，可在打磨操作期间或即将进行打磨操作之前将研磨制品线性送入CMP工艺中。在一个目前优选的构型中，将幅材形式的固定研磨制品以卷对卷样式安装在滑架上，使得该幅材在CMP机器的整个台板上延伸。在加工期间，台板和滑架同时旋转，从而使得固定研磨制品进行旋转。在打磨期间的这种构型中，通常利用真空将研磨制品固定到台板上，其中台板表面设计有孔、口和/或槽以方便真空和研磨制品之间的连通。完成打磨操作后，可移除真空并且可向前移动研磨幅材，即前移一个设定的量，从而使研磨新区域暴露在平台上。
在一些示例性的实施例中，幅材前移优选小于平台的宽度或直径、更优选地小于50mm、甚至更优选地小于10mm并且最优选地小于6mm。当研磨制品的形式为不同的形状时，如圆盘，也可使用以下方式将其以可拆卸方式安装到CMP机器的台板上，如，使用粘结剂、包括(但不限于)钩环紧固件的机械紧固件、磁性连接等。这种以可拆卸方式安装的研磨制品可尤其适用于旋转CMP工艺中。
在某些示例性实施例中，研磨制品可包含背衬。磨粒可分散在粘结剂中以形成固定、附连或粘合到背衬的纹理化以及三维研磨复合物。任选地，固定研磨制品不必具有单独的背衬。
可用于本发明的方法中的研磨制品通常具有约250至约1,000毫米(mm)范围内的直径或宽度。与目前采用100至500mm直径晶片情况下，使用的研磨制品的直径将通常在约10至200mm之间、优选地在约20至150mm之间、更优选地在约25至100mm之间。
在其它的示例性实施例中，研磨制品可选择持久耐用的，如，选择的研磨制品可至少部分地打磨最少数量的不同晶片。也可根据切削速率选择研磨制品。另外，研磨制品的选择可基于其产生具有所需平坦度、表面粗糙度以及最小凹面的半导体晶片的能力。用于制备研磨制品的材料、所需纹理和工艺均可影响是否能达到这些标准。
在其他的示例性实施例中，可将如美国专利Nos.5,692,950；6,007,407；6,632,129；7,160,178和7,163,444中所述的具有至少一个刚性元件或刚性区段和/或至少一个弹性元件的子片设置在固定研磨制品和台板之间，上述专利以引用方式并入本文中。在一些实施例中，可在将研磨制品安装到CMP机器的台板上之前将子片安装到固定研磨制品上，如使用粘结剂或层合。当使用真空将研磨制品固定到台板上并且将子片设置在台板和研磨制品之间时，子片含有至少一个孔、口和/或槽以允许孔、口和/或槽之间连通，使得真空能够将研磨制品固定在台板上的合适位置。
工作液体
在利用本发明的方法进行CMP加工期间，工作液体可存在于研磨制品和晶片之间的界面处。工作液体与研磨制品相结合有助于通过化学和/或机械效应进行打磨。一般来讲，在平面化期间，工作液体始终流动到研磨制品和晶片之间的界面处。液体流速通常在约10至10,000毫升/分钟的范围内。在一些实施例中，液体流速可在约10至500毫升/分钟的范围内。在其他实施例中，液体流速可在约25至250毫升/分钟之间。
在一些示例性应用中，工作液体通常包括水，该水可为自来水、蒸馏水或去离子水。工作液体的pH值可针对特定的晶片表面材料以及CMP工艺进行有利的调整。例如，为了在根据本发明的某些实施例的高移除速率下移除表面氧化物材料，该pH值通常不大于7、更优选地小于6、最优选地小于5。在表面氧化物材料的移除中使用的pH值下限通常不小于约2、优选地不小于约3、并且更优选地不小于约4。通常工作液体的PH值范围为约2至7。
本领域的普通技术人员应当理解，可使用的pH值下限将取决于具体的CMP设备和材料以及它们的构造材料。例如，在某些CMP应用中，pH值为2对于使用而不会对制造CMP设备中使用的金属或其他材料以及CMP工艺中使用的制品(如，固定研磨制品及其安装部件)造成损坏或腐蚀来说可能过低。因此在某些实施例中，较窄的pH值范围可能是优选的，例如，约4至约6。可使用本领域的技术人员已知的方法和溶液来调节pH值，包括(例如)加入KOH、NaOH、NH4OH、HCl、HNO3、H2SO4、和/或H3PO4。在一些实施例中，可对工作液体进行缓冲。
可用于本发明的某些实施例的示例性工作液体包括基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述组分包含水、高分子电解质和表面活性剂，并且工作液体的PH值为约2至7。在某些实施例中，工作液体可额外包含任选的络合剂(如，与另一种化学物质(例如，金属离子)螯合或形成化学络合物的化学试剂)所述络合剂可为酸性络合剂。
如上文所述，在本发明的示例性实施例中，工作液体基本上不含无机颗粒，如不与固定研磨制品结合的松散磨粒。在一些实施例中，工作液体包含小于1重量％或小于0.1重量％的不与固定研磨制品结合的无机颗粒。
根据本发明的某些实施例，高分子电解质可通常选自聚丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸的聚合物或共聚物、聚丙烯酸的盐、聚(甲基)丙烯酸的盐、以及它们的混合物。在某些示例性实施例中，高分子电解质的重均分子量(Mw)为至少500道尔顿(Da)、更优选地至少约1,000Da、甚至更优选地至少约2,000Da、最优选地至少约5,000Da。在其他的示例性实施例中，高分子电解质的重均分子量(Mw)为至多30,000Da、更优选地至多为约20,000Da、甚至更优选地至多为约15,000Da、并且最优选地至多为约10,000Da。
在其它的示例性实施例中，高分子电解质在工作液体中的存在量可为至少0.001％w/w、更优选地至少约0.01％w/w、更优选地至少约0.025％w/w、并且最优选地至少约0.1％w/w。在其他的示例性实施例中，高分子电解质在工作液体中的存在量可为至多5.0％w/w、更优选地至多为约3.0％w/w、更优选地至多为约2.5％w/w。
表面活性剂可通常选自水溶性表面活性剂，并且优选非离子表面活性剂。通常，非离子表面活性剂的计算亲水亲油平衡值(即，HLB)(以亲水物在表面活性剂分子中的重量％除以5来计算)至少为约4、更优选地至少为约6、甚至更优选地至少为约8、最优选地至少为约10。计算的HLB一般不大于20。在一些实施例中，表面活性剂是含氟化合物表面活性剂，即，表面活性剂分子包含一个或多个氟原子。
非离子表面活性剂可有利地选自直链的伯醇乙氧基化物、仲醇乙氧基化物、支链的仲醇乙氧基化物、辛基酚乙氧基化物、炔属伯醇乙氧基化物、炔属伯二醇乙氧基化物、烷烃二醇、羟基封端的环氧乙烷-环氧丙烷无规共聚物、氟代脂族聚合物酯、以及它们的混合物。
通常，非离子表面活性剂在工作液体中存在的量至少为约0.025％w/w，更优选地至少约0.05％w/w，甚至更优选地至少约0.1％w/w。基于工作液体的重量，工作液体中表面活性剂浓度的上限可通常为至多约1％w/w、更优选地至多约0.5％w/w、甚至更优选地至多约0.2％。
在某些目前优选的实施例中，可将表面活性剂选定为含氟化合物表面活性剂。在一个示例性实施例中，工作液体的PH值为4.5，并且包含13,350Da(Mw)的0.5％w/w工作液体浓度的含氟化合物表面活性剂(如，L-19909，可得自3M公司(St.Paul，MN)，以及10,000Da(Mw)的0.025％w/w工作液体浓度的聚丙烯酸高分子电解质(如，L-19457，可得自Polysciences公司(Warrington，PA))。在其他的示例性实施例中，表面活性剂可选定为非离子表面活性剂并且工作液体额外包含任选的络合剂。在这些实施例中，优选的pH值通常可为约4至7。
在其他的示例性实施例中，工作液体包括基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述组分包含水、高分子电解质和表面活性剂，并且所述工作液体的PH值为约2至7。在某些示例性实施例中，所述工作液体可用于修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面，其中当与用于DRAM STI晶片的化学机械平面化的固定研磨制品一起使用时，所述表面活性剂以有效使获得的氧化物移除速率为至少约200埃/分钟的量存在，并且所述高分子电解质以有效使获得的氧化物与氮化物选择性之比为至少约10的量存在。
在根据本发明的其它示例性实施例中，任选的络合剂包含在工作液体中。任选的络合剂优选地为与工作液体的酸性pH值相容的酸性络合剂。酸性络合剂优选地为多齿酸性络合剂，更优选地为氨基酸或由氨基酸形成的二肽中的至少一种。合适的氨基酸包括丙氨酸、脯氨酸、甘氨酸、组氨酸、赖氨酸、精氨酸、鸟氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、以及它们的组合。优选的酸性多齿络合剂是氨基酸脯氨酸，更优选的是L-脯氨酸。
酸性络合剂的存在量通常可为约0.1％w/w(即，基于工作液体的重量百分比)、更优选地至少为约1％w/w、甚至更优选地至少为约2％w/w、并且最优选地为约2.5％w/w；并且基于工作液体的重量通常不大于约5％w/w、更优选地不大于4％w/w、并且甚至更优选地小于约3％w/w。
CMP方法和工艺
在一个示例性的实施例中，本发明提供了通过下述方式打磨晶片的方法，所述方式为提供具有包括介电材料(例如，二氧化硅)的第一区域以及包括阻隔材料(例如，氮化硅)的第二区域的晶片，使晶片与包含多个磨粒和粘结剂的三维、纹理化、固定研磨制品相接触，并且使晶片与固定研磨制品相对移动。
在一个具体实施例中，本发明提供了修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面的方法，所述方法包括：
a.提供包括至少第一材料、第二材料和第三材料的晶片，所述第一材料具有被蚀刻以形成图案的表面，所述第二材料布置在第一材料的表面的至少一部分上，所述第三材料布置在第二材料的表面的至少一部分上；
b.在存在工作液体的情况下，使晶片的第三材料接触固定到研磨制品的多个三维研磨复合物，所述工作液体包括基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述组分包含水、高分子电解质和表面活性剂，所述工作液体的PH值为约2至7，所述三维研磨复合物包含固定并分散在粘结剂中的多个磨粒；以及
c.在第三材料接触多个研磨复合物的同时在晶片和研磨制品之间提供相对移动，直至晶片的暴露表面变平，并且包括至少一个暴露的第三材料区域和一个暴露的第二材料区域。
在一个示例性的实施例中，第一材料包含图案化材料，第二材料包含阻隔材料，并且第三材料包含介电材料。在一个示例性的目前优选的实施例中，第一材料包含金属，第二材料包含氮化硅，并且第三材料包含氧化硅。在其他的示例性实施例中，工作液体包括基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述组分包含水、高分子电解质和表面活性剂，并且所述工作液体的PH值为约2至7。在某些示例性实施例中，所述工作液体可用于修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面，其中当与用于DRAM STI晶片的化学机械平面化的固定研磨制品一起使用时，所述表面活性剂以有效使获得的氧化物移除速率为至少约200埃/分钟的量存在，并且所述高分子电解质以有效使获得的氧化物与氮化物选择性之比为至少约10的量存在。
在其他的示例性实施例中，本发明提供了打磨适用于制作半导体器件的晶片的表面的工艺，所述工艺包括：
a.提供晶片，所述晶片包括设置在晶片的至少一部分上的阻隔材料；以及设置在阻隔材料的至少一部分上的介电材料；
b.在存在水性工作液体的情况下，使晶片的介电材料接触固定到研磨制品的多个三维研磨复合物，所述水性工作液体基本上不含松散磨粒，并且包含水、高分子电解质和表面活性剂，所述工作液体的PH值为约2至7，所述三维研磨复合物包含固定并分散在粘结剂中的多个磨粒；以及
c.在介电材料接触多个研磨复合物的同时在晶片和研磨制品之间提供相对移动，直至晶片的暴露表面变平，并且包括至少一个暴露的介电材料区域和一个暴露的阻隔材料区域。
在某些示例性的目前优选的实施例中，阻隔材料包含氮化硅并且介电材料包含氧化硅。在其他的示例性实施例中，工作液体包括基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述组分包含水、高分子电解质和表面活性剂，并且所述工作液体的PH值为约2至7。在某些示例性实施例中，所述工作液体可用于修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面，其中当与用于DRAM STI晶片的化学机械平面化的固定研磨制品一起使用时，所述表面活性剂以有效使获得的氧化物移除速率为至少约200埃/分钟的量存在，并且所述高分子电解质以有效使获得的氧化物与氮化物选择性之比为至少约10的量存在。
可以选择本发明示例性方法和工艺中的加工参数可进行选择，以便使技术人员在本发明的引导下实现所需的移除速率和/或选择性。例如，可调整工作液体的组合物、浓度以及pH值以控制介电材料的移除速率。在一些实施例中，修改组合物来控制介电材料或掩膜层的移除速率。为了确定针对所需移除速率或选择性的组合物浓度，可测试至少两种具有不同浓度的工作液体系列以确定最佳浓度。同样，为了确定针对所需移除速率或选择性的工作液体pH值，可测试至少两种具有不同pH值水平的工作液体系列以确定最佳的pH值水平。
例如，在一些示例性的实施例中，可选择工作液体以具有至少为约200埃/分钟的介电材料移除速率。在其它实施例中，可选择工作液体以具有至少为500埃/分钟的介电材料移除速率。在其它实施例中，可选择工作液体以具有至少为1,000埃/分钟的介电材料移除速率。在其它实施例中，可选择工作液体以具有至少为1,500埃/分钟的介电材料移除速率。在另外的其他实施例中，可选择工作液体以具有至少为2,000埃/分钟的介电材料移除速率。
在其他的示例性实施例中，可选择工作液体以具有不大于约100埃/分钟的氮化硅移除速率。在其它实施例中，可选择工作液体以具有不大于50埃/分钟的氮化硅移除速率。在其它实施例中，可选择工作液体以具有不大于30埃/分钟的氮化硅移除速率。在另外的其他实施例中，选择工作液体以具有不大于10埃/分钟的氮化硅移除速率。
介电材料移除速率相对阻隔材料移除速率的比率可用于确定CMP工艺的选择性比率，即，介电层相对阻隔层的选择性。在某些示例性实施例中，选择工作液体以使介电层相对阻隔层的选择性至少为10。在其它实施例中，选择工作液体以使介电层相对阻隔层的选择性至少为50。在其它实施例中，选择工作液体以使介电层相对阻隔层的选择性至少为100。在另外的其他实施例中，选择工作液体以使介电层相对阻隔层的选择性至少为约150。
优选工作液体的量是足够的，以有助于介电材料和其他沉积材料从晶片表面移除。在许多情况下，有足够的液体来自碱性工作液体。然而，在某些情况下，优选的是除了第一工作液体之外，还具有存在于平面化界面处的第二液体。这个第二液体可与第一液体的液体相同，或与其不同。
实例
以下实例进一步说明了本发明的优点和其他实施例，但是这些实例中所提到的具体材料及其量以及其它条件和细节均不应被解释为对本发明的不当限制。例如，工作液体的组合物和浓度可改变。除非另外指明，所有部件和百分比都按重量计。表1中所示的材料名称用于所有的实例中。
表1
  名称   材料
  Dynol 607   HLB为8的炔属二醇乙氧基化物表面活性剂，可得自Air Products&{240Chemicals公司(Allentown，PA)
  L-19455   重均分子量在15,000和30,000Da之间的聚甲基丙烯酸(高分子电解质)的钠盐，可得自3M公司(St.Paul，MN)
  L-19457   重均分子量为10,000Da的聚丙烯酸(高分子电解质)，可得自Polysciences公司(Warrington，PA)
  L-19909   HLB为12的含氟化合物表面活性剂，提供为85-95％w/w的氟代脂族聚合物酯与5-10％w/w的聚醚聚合物在低于＜2％的1-甲基-2-吡咯烷酮/甲苯/2-丙烯酸共混物中的溶液，可得自3M公司(St.Paul，MN)
  PAA-1   重均分子量为2,000Da的聚丙烯酸(高分子电解质)，可得自Polysciences公司(Warrington，PA)
工作液体的评估
进行了一系列实验，以评估用于修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面的各种工作液体。在示例性实施例中，在可用于修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面的各种工作液体中，将表面活性剂与高分子电解质进行结合使用。工作液体为基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液并且其pH值为约2至约7，所述组分包含水、表面活性剂和高分子电解质。
评估含有表面活性剂和高分子电解质的工作液体在使用固定研磨幅材的氮化物上停蚀的CMP工艺中加速或保持氧化物移除速率的能力。作为比较例，pH值为7或更高、包含水、酸性络合剂(如，L-脯氨酸)、碱性pH值调节剂(如，氢氧化铵)以及任选的含氟化合物表面活性剂的对照工作液体也进行了评估。
除非另外指明，否则所有的实验均在安装有Contour 200mm承座的ReflexionTM打磨机(Applied Materials公司，Santa Clara，CA)上使用3M SWR550固定研磨幅材(3M公司，St.Paul，MN)和60/90的棱纹子片(3M公司，St.Paul，MN)来进行。将膜压设为3psi(约20.7kPa)。对于实例3-7以及比较例I-L，使用了60/90平滑子片并且将膜压设为2psi(13.8kPa)。承座和台板的旋转速率分别为28和30RPM。使用5毫米(mm)的增量并且每分钟将100mL工作液体施加到固定研磨幅材表面上。
将直径均为200mm的原硅酸四乙酯(TEOS)镀膜晶片(在晶片表面上设置有氧化硅介电材料)以及清除过的0.17μm的DRAM STI晶片(在图案化晶片表面的至少一部分上设置有氮化硅阻隔涂层，并且在氮化硅阻隔涂层的至少一部分上设有氧化硅介电涂层)进行打磨。将DRAM STI晶片用于实例1-2以及比较例B、F、G和I-L中。TEOS镀膜晶片的打磨时间为一分钟，而DRAM STI为30秒。通过以下方式来确定氧化硅和氮化硅晶片的打磨速率：在打磨之前和之后使用Thermawave OptiprobeTM 2600(可得自KLA Tencor公司，Fremont，CA)来测量膜厚度。利用21点面扫描来测量氧化硅晶片。0.17μm的DRAMSTI晶片用于确定氮化物打磨速率并且利用围绕晶片表面均匀分布的13点模板进行测量。
首先进行pH值为10.5的包含2.5％w/w的L-脯氨酸的对照工作液体，然后进行去离子DI水中的0.05％w/w的L-19909含氟化合物表面活性剂，开始pH值为7，接下来为4.75。然后评估两种不同的高分子电解质：L-19455和L-19457。在存在表面活性剂的情况下对于为工作液体的2.5％w/w的每种高分子电解质进行评估。在比较例J-L中，通过在氟化之前改变非氟化前体非离子表面活性剂PLURONICTM XX(可得自BASF公司，Wyandotte，MI)的重均分子量来改变氟化表面活性剂的分子量。本领域的加工普通技术人员应当理解，当氟化的表面活性剂与高分子电解质进行组合以获得所需的氮化物移除速率和选择性时，这种方法可用于改变表面活性剂的分子量，从而改变氧化物(如二氧化硅)从晶片表面移除的速率。使用表面活性剂以及高分子电解质的工作液体的结果概述于表2中。
表2
Figure BPA00001174730800181
Figure BPA00001174730800191
在一个具体实施例中，将非离子表面活性剂(Dynol 607)加入到2.5％的聚甲基丙烯酸(L-19457)水溶液中并且调节至pH＝7。观察到增加的氧化物移除速率，且具有非常低的氮化硅移除速率，即高氧化物/氮化物选择性。0.05％的L-19909含氟化合物表面活性剂在7、4.75和4.5的pH值下也似乎允许相对较高的打磨速率。在这些pH值下，仅L-19909含氟化合物表面活性剂似乎产生相对较低的氧化物/氮化物选择性。高分子电解质(如2.5％w/w的L-19455或0.005％的PAA-1)的加入引起氮化物的速率显著下降，从而产生具有改善的氧化物/氮化物选择性。
在一些示例性的实施例中，在CMP工艺中使用酸性或中性pH(如pH＝2-7)的优点可包括(例如)在氮化物上保持停蚀选择性的同时获得较高氧化物移除速率的能力。在其他的示例性实施例中，在CMP工艺中使用酸性或中性pH的优点可包括在保持良好的打磨速率的同时在晶片上使用较低的打磨压力并从而减少缺陷且提高产率的能力。在其他的示例性实施例中，在CMP工艺中使用酸性或中性pH的优点可包括获得不容易受刮擦的较硬氧化物表面的能力。
另外，在某些示例性实施例中，与在基于高分子电解质的氮化物化学物上选择性停蚀一起使用时，酸性pH与表面活性剂的结合使用能够实现高速率打磨。这种在氮化物化学物上的选择性停蚀，相对在强碱性条件下(如pH为9-11)使用诸如氨基酸之类多齿络合剂，也可产生较高的选择性。这种在氮化物化学物上的选择性停蚀可尤其适用于浅沟槽隔离，在此处期望在氧化物和氮化物移除速率之间保持高选择性。
在其它的示例性实施例中，在使用固定研磨剂的CMP中获得的较低凹陷可显著降低高度选择性的STI工艺中晶片凹陷的风险，所述工艺是使用包含表面活性剂和高分子电解质的酸性工作液体承载的。例如，使用L-19909表面活性剂可允许固定研磨剂的使用，以便在酸性条件下获得较高的氧化物移除速率，同时仍使得高分子电解质在氮化物上选择性停蚀。与STI CMP中的常规浆液工艺相比，使用固定研磨剂可提供大量的优点，因为在浆液工艺中，当浆液开始清除氮化物时，其连续打磨沟槽区域内的氧化物，从而引起表面凹陷。凹陷对于浆液工艺为非常显著的缺陷。使用固定研磨剂产生的凹陷与浆液工艺相比，可低至少一个数量级。
应当理解，即使在以上描述和实例结合本发明的结构和功能详述中提及了本发明的众多特性和优点，本发明所公开的内容也只是示例性的。在附加权利要求的条款和本发明所述结构或方法的等同物的含义所表达的本发明原理完全范围内，可以更改细节，尤其是与工作液体的组合物和浓度及其使用方法有关的方面。
根据上述具体实施方式，本领域的技术人员应清楚，可在不脱离本公开的范围和原则的情况下做出多种修改，并且应该理解，本公开不应不正当地限定于上文所述的示例性实施例。已描述了本公开的多个实施例。这些及其它实施例均在以下权利要求书的范围内。

Claims (23)

1.一种用于修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面的工作液体，所述液体为基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述组分包含：
a.水；
b.高分子电解质；和
c.表面活性剂，
其中所述工作液体的pH值为3至7。
2.根据权利要求1所述的工作液体，其还包含络合剂。
3.根据权利要求2所述的工作液体，其中所述络合剂包括多齿酸性络合剂。
4.根据权利要求3所述的工作液体，其中所述多齿酸性络合剂包括氨基酸或由氨基酸形成的二肽中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的工作液体，其中所述氨基酸选自丙氨酸、脯氨酸、甘氨酸、组氨酸、赖氨酸、精氨酸、鸟氨酸、半胱氨酸、酪氨酸以及它们的组合。
6.根据权利要求5所述的工作液体，其中所述氨基酸为L-脯氨酸。
7.根据权利要求2所述的工作液体，其中所述多齿酸性络合剂存在的量按重量计为所述工作液体的0.1％至5％。
8.根据权利要求1所述的工作液体，其中所述表面活性剂为非离子表面活性剂。
9.根据权利要求8所述的工作液体，其中所述非离子表面活性剂具有至少为8的亲水亲油平衡值(HLB)。
10.根据权利要求8所述的工作液体，其中所述非离子表面活性剂选自炔属伯醇乙氧基化物、炔属伯二醇乙氧基化物、氟代脂族聚合物酯以及它们的混合物。
11.根据权利要求8所述的工作液体，其中所述非离子表面活性剂存在的量按重量计为所述工作液体的至少0.025％并且至多0.5％。
12.根据权利要求1所述的工作液体，其中所述高分子电解质选自聚丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸、聚丙烯酸的盐、聚(甲基)丙烯酸的盐以及它们的混合物。
13.根据权利要求1所述的工作液体，其中所述高分子电解质具有1,000至30,000Da的重均分子量。
14.根据权利要求1所述的工作液体，其中所述高分子电解质存在的量按重量计为所述工作液体的0.001％至5.0％。
15.根据权利要求1所述的工作液体，其中所述工作液体的pH值为4至7。
16.根据权利要求1所述的工作液体，其中当与用于浅沟槽隔离(STI)晶片的化学机械平面化的固定研磨制品一起使用时，所述表面活性剂以有效使获得的氧化物移除速率至少为200埃/分钟的量存在，并且所述高分子电解质以有效使获得的氧化物与氮化物选择性之比至少为10的量存在。
17.一种修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面的方法，其包括：
a.提供包括至少第一材料、第二材料和第三材料的晶片，所述第一材料具有被蚀刻以形成图案的表面，所述第二材料设置在所述第一材料的表面的至少一部分上，所述第三材料设置在所述第二材料的表面的至少一部分上；
b.在根据权利要求1所述的工作液体的存在下，使所述晶片的第三材料接触固定在研磨制品上的多个三维研磨复合物，所述三维研磨复合物包含多个固定和分散在粘结剂中的磨粒；和
c.当所述第三材料接触所述多个研磨复合物时，在所述晶片和所述研磨制品之间提供相对移动，直至所述晶片的暴露表面变平并且包括至少一个暴露的第三材料区域和一个暴露的第二材料区域。
18.一种打磨适用于制作半导体器件的晶片的表面的方法，其包括：
a.提供晶片，所述晶片包括设置在所述晶片的至少一部分上的阻隔材料；以及设置在所述阻隔材料的至少一部分上的介电材料；
b.在基本上不含松散磨粒并且包含水、高分子电解质和表面活性剂的水性工作液体的存在下，所述工作液体的PH值为3至7，使所述晶片的介电材料接触固定在研磨制品上的多个三维研磨复合物，所述三维研磨复合物包含多个固定和分散在粘结剂中的磨粒；和
c.当所述介电材料接触所述多个研磨复合物时，在所述晶片和所述研磨制品之间提供相对移动，直至所述晶片的暴露表面变平并且包括至少一个暴露的介电材料区域和至少一个暴露的阻隔材料区域。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述阻隔材料包括氮化硅，并且所述介电材料包括氧化硅。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述打磨包括的二氧化硅移除速率为至少约200埃/分钟。
21.根据权利要求19所述的工艺，其中所述打磨包括的氮化硅移除速率不大于约100埃/分钟。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述打磨包括的二氧化硅与氮化硅选择性之比为至少约10。
23.一种用于修饰适用于制作半导体器件的晶片的表面的工作液体，所述液体为基本上不含松散磨粒的初始组分的水溶液，所述组分包含：
a.水；
b.高分子电解质；和
c.非离子表面活性剂，
其中所述工作液体的PH值为约2至7，并且其中当与用于浅沟槽隔离(STI)晶片的化学机械平面化的固定研磨制品一起使用时，所述非离子表面活性剂以有效使获得的氧化物移除速率至少为约200埃/分钟的量存在，并且所述高分子电解质以有效使获得的氧化物与氮化物选择性之比至少为约10的量存在。
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