CN102101979A - 一种化学机械抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对硅进行化学机械抛光的抛光液。该抛光液中含有水，研磨颗粒、至少一种硅的增速剂和至少一种硅的抑制剂。本发明的抛光液通过调节硅的增速剂和抑制剂的量，可以调节硅与二氧化硅的选择比，提高平坦化效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学机械抛光液，尤其涉及一种用于抛光多晶硅的化学机械抛光液。
背景技术
在集成电路制造中，互连技术的标准在提高，一层上面又沉积一层，使得在衬底表面形成了不规则的形貌。现有技术中使用的一种平坦化方法就是化学机械抛光(CMP)，CMP工艺就是使用一种含磨料的混合物和抛光垫去抛光一硅片表面。在典型的化学机械抛光方法中，将衬底直接与旋转抛光垫接触，用一载重物在衬底背面施加压力。在抛光期间，垫片和操作台旋转，同时在衬底背面保持向下的力，将磨料和化学活性溶液(通常称为抛光液或抛光浆料)涂于垫片上，该抛光液与正在抛光的薄膜发生化学反应开始进行抛光过程。
在多晶硅的抛光过程中，通常会存在如下两个问题：1.因为多晶硅/二氧化硅的抛光速率选择比过高，使得最后抛光过程停止在二氧化硅层上时，难免会有多晶硅的碟形凹损。如图1所示，图中a、b分别为抛光前和抛光后的结构。且该问题会随着二氧化硅之间的沟槽宽度的增加而加重。这会对器件的性能造成严重影响。2.浅沟道隔离(STI)化学机械研磨过程中，二氧化硅表面形成碟形凹损，造成后续步骤覆盖多晶硅层后的抛光过程中，二氧化硅碟形凹损中残留多晶硅。如图2所示，图中a、b分别为抛光前和抛光后的结构。这同样会对器件的性能造成严重影响。
因此，解决多晶硅抛光过程中表面碟形凹损缺陷、及去除残留了多晶硅的二氧化硅碟形凹损的问题至关重要。US2003/0153189A1公开了一种用于多晶硅抛光的化学机械抛光液及方法，该抛光液包括一种聚合物表面活性剂和一种选自氧化铝和氧化铈的研磨颗粒，该聚合物表面活性剂为聚羧酸酯表面活性剂，用该浆料可以使多晶硅表面大块区域的抛光速率大大高于沟槽内的抛光速率，从而减少凹陷。US2003/0216003A1和US2004/0163324A1公开了一种制造Flash的方法。其中包括一种抛光多晶硅的抛光液，该抛光液中包含至少一种含有-N(OH)，-NH(OH)，-NH2(OH)基团的化合物，使用该浆料的多晶硅与二氧化硅的抛光选择比大于50。US2004/0123528A1公开了一种包含研磨颗粒和阴离子化合物的酸性抛光液，该阴离子化合物能降低保护层薄膜的去除速率，提高多晶硅与保护层薄膜的去除速率选择比。
US2005/0130428A1和CN 1637102A公开了一种用于多晶硅化学机械抛光的浆料，该浆料成分包括一种或多种在多晶硅层上形成钝化层的非离子表面活性剂及一种能形成第二钝化层来能减小氮化硅或氧化硅除去速率的第二表面活性剂。专利文献US6191039揭示了一种化学机械抛光方法，可以降低化学抛光的时间和成本，且有很好的平坦化效果。以上技术虽然在一定程度上达到了一定的平坦化效果，缩短了抛光时间和成本，但是或者是分两步操作，或者只是抑制了多晶硅的抛光速率，不利于二氧化硅蝶形凹陷中多晶硅的去除，且操作复杂，抛光效果有限。
附图说明
图1为常规多晶硅抛光过程中，抛光前(a)和抛光后(b)的晶片结构图。
图2为浅沟道隔离(STI)化学机械研磨过程中造成的二氧化硅表面碟形凹损，在多晶硅抛光过程前(a)后(b)的示意图。
图3为应用本发明的新用途在抛光后可获得的晶片结构图。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述多晶硅/二氧化硅选择比过高，二氧化硅蝶形凹陷中残留多晶硅清除较难的问题，而提供一种用于抛光多晶硅的具有合适的多晶硅/二氧化硅选择比的化学机械抛光液。
本发明的抛光液，含有研磨颗粒、至少一种硅的增速剂、至少一种硅的抑制剂和水。
本发明中，所述的硅的增速剂为含有胍基团
的化合物。
所述的含有胍基的化合物为单胍、双胍、聚胍类化合物及其酸加成盐。
所述的单胍类化合物及其酸加成盐较佳的为胍、碳酸胍、乙酸胍、磷酸氢二胍、盐酸胍、硝酸胍、硫酸胍、氨基胍、氨基胍碳酸氢盐、氨基胍磺酸盐、氨基胍硝酸盐或氨基胍盐酸。
所述的双胍类化合物或其酸加成盐较佳的为双胍、二甲双胍、苯乙双胍、1，1’-己基双[5-(对氯苯基)双胍、吗啉胍、上述化合物的酸加成盐或6-脒基-2-萘基4胍基苯甲酸酯甲基磺酸盐；所述的酸较佳的为盐酸、磷酸、硝酸、醋酸、葡萄糖酸或磺酸。
所述的聚胍或其酸加成盐较佳的为聚六亚甲基胍、聚六亚甲基双胍、聚(六亚甲基双氰基胍-六亚甲基二胺)或其酸加成盐。所述的酸较佳的为盐酸、磷酸、硝酸、醋酸、葡萄糖酸或磺酸。所述的聚胍类化合物或其酸加成盐的聚合度较佳的为2～100。
所述硅的增速剂在溶液中的含量较佳为重量百分比0.0001～10wt％，更佳为重量百分比0.001～3wt％。
本发明中，所述硅的抑制剂为多元醇型非离子表面活性剂。
所述的多元醇型非离子表面活性剂为多元醇与脂肪酸经酯化反应生成的酯类表面活性剂和/或聚乙二醇表面活性剂。
所述的酯类表面活性剂为多元醇脂肪酸酯R1OmHm-n(OCR2)n、聚乙二醇脂肪酸酯R2COO(CH2CH2O)pH或R2COO(CH2CH2O)pOCR2、聚氧乙烯多元醇脂肪酸酯R1OmHm-n(CH2CH2O)p(OCR2)n，其中，R1(OH)m为2≤m≤8的多元醇，4≤p≤120，R2COOH为碳原子数为8～22的脂肪酸，n＝1～4且m≥n
所述的多元醇为乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、丙二醇、甘油、聚甘油、聚氧乙烯甘油、季戊四醇、失水木糖醇、聚氧乙烯失水木糖醇、山梨醇、聚氧乙烯山梨醇、失水山梨醇、聚氧乙烯失水山梨醇、蔗糖或聚乙二醇。
所述的聚乙二醇表面活性剂为分子量为200～20000的聚乙二醇。
所述的硅的抑制剂在溶液中的含量较佳为重量百分比0.0001～20wt％，更佳为重量百分比0.001～3wt％。
本发明中，所述研磨颗粒为本领域常用研磨颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、掺杂铝的二氧化硅、覆盖铝的二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛和高分子研磨颗粒中的一种或多种。
所述的研磨颗粒的含量为重量百分比0.1～30wt％。
所述的研磨颗粒的粒径较佳为20～150nm，更佳为30～120nm。
本发明的抛光液的pH值较佳的为7～12。
本发明的抛光液中还可以含有H2SO4、HNO3等常用的酸性pH调节剂，粘度调节剂和/或消泡剂等，通过它们来控制抛光液的pH和粘度等特性。
本发明的抛光液由上述成分简单混合均匀即得。
本发明的抛光液可以浓缩制备，使用时加入去离子水混合均匀即可。
本发明的积极进步效果在于：本发明的抛光液可以在碱性条件下较好地抛光单晶硅和多晶硅薄膜。其中，硅抑制剂可显著降低多晶硅的去除速率，而不降低二氧化硅的去除速率，从而显著降低多晶硅与二氧化硅的选择比；硅增速剂可以溶解多晶硅，将抛光残余物带走，避免重新吸附在晶片或抛光垫上。通过调节硅增速剂和硅抑制剂的量，即可获得具有合适多晶硅/二氧化硅选择比的抛光液。此抛光液与现有技术相比，更好的解决了现有多晶硅抛光过程中二氧化硅沟道中多晶硅碟形凹损缺陷的发生和二氧化硅碟形凹陷中的多晶硅残留的问题。可通过一步抛光实现高平坦化度，无多晶硅残留，抛光后可获得如图3所示的晶片结构。本发明的新用途还具有工艺窗口宽的特点，可使生产率大大提高，生产成本大大降低。同时胍类化合物还具有调节pH的作用，使得本发明的抛光液无需添加常规碱性pH调节剂(KOH等无机碱和/或氨水等有机胺等)，大大减少了金属离子污染和环境污染。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1多晶硅的化学机械抛光液
表1给出了本发明的多晶硅化学机械抛光液1～12的配方，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各实施例的抛光液，水为余量。
表1多晶硅的化学机械抛光液1～12
效果实施例1
表2给出了对比抛光液1和抛光液13～45的配方，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各实施例的抛光液，水为余量。抛光效果见表3.
抛光工艺参数为：下压力3psi、抛光盘(直径14英寸)的转速70rpm、抛光头转速80rpm、抛光液流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、Logitech LP50抛光机。
表2对比抛光液1和抛光液13～45的组成配方
表3对比抛光液1和抛光液13～45的抛光效果
| 实施例 | 多晶硅去除速率(A/min) | 二氧化硅去除速率(A/min) | 多晶硅/二氧化硅选择比 |
| 对比1 | 1780 | 36 | 49.4 |
| 13 | 198 | 32 | 6.2 |
| 14 | 309 | 33 | 9.4 |
| 15 | 423 | 34 | 12.4 |
| 16 | 619 | 35 | 17.7 |
| 17 | 732 | 36 | 20.3 |
| 18 | 1133 | 35 | 32.4 |
| 19 | 611 | 34 | 18 |
| 20 | 607 | 36 | 16.9 |
| 21 | 613 | 36 | 17 |
| 22 | 608 | 34 | 17.9 |
| 23 | 589 | 33 | 17.8 |
| 24 | 621 | 35 | 17.7 |
| 25 | 601 | 33 | 18.2 |
| 26 | 593 | 32 | 18.5 |
| 27 | 337 | 35 | 9.63 |
| 28 | 411 | 20 | 20.6 |
| 29 | 86 | 2 | 43 |
| 30 | 215 | 10 | 21.5 |
| 31 | 430 | 28 | 15.4 |
| 32 | 662 | 45 | 14.7 |
| 33 | 918 | 88 | 10.4 |
| 34 | 185 | 5 | 37 |
| 35 | 593 | 82 | 7.2 |
| 36 | 435 | 96 | 4.5 |
| 37 | 187 | 131 | 1.4 |
| 38 | 229 | 152 | 1.5 |
| 39 | 930 | 160 | 5.81 |
| 40 | 312 | 159 | 1.96 |
| 41 | 676 | 83 | 8.14 |
| 42 | 922 | 94 | 9.81 |
| 43 | 217 | 45 | 4.82 |
| 44 | 898 | 36 | 24.9 |
| 45 | 695 | 52 | 13.4 |
由表3数据可见，与对比抛光液1相比，本发明的抛光液13～45均显著降低多晶硅的去除速率而不降低二氧化硅的去除速率，从而降低了多晶硅与二氧化硅的选择比，提高了平坦化效率。
效果实施例2
表4给出了对比抛光液2和抛光液46～48的配方及抛光效果数据，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各实施例的抛光液，水为余量。用实施例的抛光液抛光空片多晶硅、空片二氧化硅及带图案的多晶硅晶片。
抛光工艺参数为：下压力3psi、抛光盘(直径14英寸)的转速70rpm、抛光头转速80rpm、抛光液流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、Logitech LP50抛光机。
表4对比抛光液2和抛光液46～48的组成配方及抛光效果
| 抛光液 | 研磨颗粒SiO2(70nm)含量wt％ | 表面活性剂吐温(85)含量wt％ | 碳酸胍含量wt％ | pH | 多晶硅去除速率(A/min) | 二氧化硅去除速率(A/min) | 多晶硅/二氧化硅选择比 | 二氧化硅碟形凹陷中多晶硅残余清除情况 |
| 对比2 | 5 | 0.01 | \ | 10.0 | 318 | 35 | 9.1 | 有 |
| 46 | 5 | 0.01 | 0.6 | 10.0 | 475 | 43 | 11.0 | 较少 |
| 47 | 5 | 0.01 | 0.9 | 10.0 | 623 | 43 | 14.5 | 无 |
| 48 | 5 | 0.01 | 1.2 | 10.0 | 841 | 44 | 19.1 | 无 |
由表4中对比抛光液2和抛光液46～48的数据可见，在其他成分及其含量均相同的情况下，硅增速剂胍类化合物含量越高，多晶硅与二氧化硅的选择比会随之略微上调。但其对抛光速率的影响程度远小于硅抑制剂多元醇型非离子表面活性剂。因此，可以通过多元醇型非离子表面活性剂和胍类化合物的含量来调节抛光液的多晶硅/二氧化硅选择比。与对比抛光液2相比，本发明的抛光液中加入了硅增速剂，使得本发明的抛光液不过度抑制多晶硅的去除速率，有助于清除二氧化硅蝶形凹陷中的多晶硅残留。
效果实施例3
表5给出了对比抛光液3～5和抛光液50的组成配方和抛光效果，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各抛光液，水为余量。
抛光时的工艺参数为：下压力3psi、抛光盘(直径14英寸)的转速70rpm、抛光头转速80rpm、抛光液流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、Logitech LP50抛光机。
表5对比抛光液3～5和抛光液49的组成配方和抛光效果
| 抛光液 | 研磨颗粒SiO2(70nm)含量wt％ | 表面活性剂吐温(20)含量wt％ | 其他 | pH | 多晶硅去除速率(A/min) | 二氧化硅去除速率(A/min) | 抛光效果 |
| 对比3 | 10 | 0.01 | 四甲基氢氧化铵 | 10.25 | 830 | \ | 不能去除二氧化硅 |
| 对比4 | 10 | 0.01 | 氨水 | 10.25 | 888 | 80 | 气味大 |
| 对比5 | 10 | 0.01 | KOH | 10.25 | 745 | 111 | 金属离子多 |
| 49 | 10 | 0.01 | 1.2wt％碳酸胍 | 10.25 | 853 | 116 | 金属离子少无气味 |
由表5数据可见，抛光液49有较好的抛光效果，且相对于对比抛光液3～5，减少了金属离子的污染和环境污染。
本发明中所提及的化合物均市售可得。
Claims (18)
1.一种抛光硅的化学机械抛光液，包含：水、研磨颗粒、至少一种硅的增速剂和至少一种硅的抑制剂。
2.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述硅的增速剂为含有胍基团的化合物。
3.如权利要求2所述抛光液，其特征在于，所述的含有胍基的化合物为单胍、双胍、聚胍类化合物及其酸加成盐。
4.如权利要求3所述抛光液，其特征在于，所述的单胍类化合物及其酸加成盐为选自胍、碳酸胍、乙酸胍、磷酸氢二胍、盐酸胍、硝酸胍、硫酸胍、氨基胍、氨基胍碳酸氢盐、氨基胍磺酸盐、氨基胍硝酸盐和氨基胍盐酸中的一种或多种。
5.如权利要求3所述抛光液，其特征在于，所述的双胍类化合物或其酸加成盐为双胍、二甲双胍、苯乙双胍、1，1’-己基双[5-(对氯苯基)双胍、吗啉胍、上述化合物的酸加成盐或6-脒基-2-萘基4胍基苯甲酸酯甲基磺酸盐；所述的酸为盐酸、磷酸、硝酸、醋酸、葡萄糖酸和磺酸中的一种或多种。
6.如权利要求3所述抛光液，其特征在于，所述的聚胍或其酸加成盐为聚六亚甲基胍、聚六亚甲基双胍、聚(六亚甲基双氰基胍-六亚甲基二胺)或其酸加成盐；所述的酸为盐酸、磷酸、硝酸、醋酸、葡萄糖酸或磺酸；所述的聚胍类化合物或其酸加成盐的聚合度为2～100。
7.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述硅的增速剂在溶液中的含量为重量百分比0.0001～10wt％.
8.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述硅的抑制剂为多元醇型非离子表面活性剂。
9.如权利要求8所述抛光液，其特征在于：所述的多元醇型非离子表面活性剂为多元醇与脂肪酸经酯化反应生成的酯类表面活性剂和/或聚乙二醇表面活性剂。
10.如权利要求9所述抛光液，其特征在于：所述的酯类表面活性剂为多元醇脂肪酸酯R1OmHm-n(OCR2)n、聚乙二醇脂肪酸酯R2COO(CH2CH2O)pH或R2COO(CH2CH2O)pOCR2、聚氧乙烯多元醇脂肪酸酯R1OmHm-n(CH2CH2O)p(OCR2)n，其中，R1(OH)m为2≤m≤8的多元醇，4≤p≤120，R2COOH为碳原子数为8～22的脂肪酸，n＝1～4且m≥n。
11.如权利要求9所述抛光液，其特征在于：所述的多元醇为乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、丙二醇、甘油、聚甘油、聚氧乙烯甘油、季戊四醇、失水木糖醇、聚氧乙烯失水木糖醇、山梨醇、聚氧乙烯山梨醇、失水山梨醇、聚氧乙烯失水山梨醇、蔗糖或聚乙二醇。
12.如权利要求9所述的抛光液，其特征在于：所述的聚乙二醇表面活性剂为分子量为200～20000的聚乙二醇。
13.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述的硅的抑制剂在溶液中的总含量为重量百分比0.0001wt.％～20wt.％。
14.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、掺杂铝的二氧化硅、覆盖铝的二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛和高分子研磨颗粒中的一种或多种。
15.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述的研磨颗粒的含量为重量百分比0.1wt.％～30wt.％。
16.如权利要求1所述抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒的粒径为20～150nm。
17.如权利要求16所述抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒的粒径为30～120nm。
18.如权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述抛光液用于涉及单晶硅和多晶硅的抛光。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110622 |