CN102206465A - 使用适合提高氧化硅的去除的抛光组合物对基片进行化学机械抛光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用来对基片进行化学机械抛光的方法，该方法包括：提供基片，其中，所述基片包含氧化硅；提供一种化学机械抛光组合物，其包含以下组分作为初始组分：水；磨料；以及式I的物质式中，R1，R2和R3各自独立地选自C1-4烷基；提供具有抛光表面的化学机械抛光垫；使得抛光表面相对于基片运动；将所述化学机械抛光组合物分配在所述抛光表面上；以及，磨去所述基片的至少一部分，从而抛光所述基片；其中，包含在所述化学机械抛光组合物中的式I的物质提供提高的氧化硅去除速率以及改进的抛光缺陷性的性能；并从所述基片上除去至少一部分氧化硅。

Description

使用适合提高氧化硅的去除的抛光组合物对基片进行化学机械抛光的方法
技术领域
本发明涉及化学机械抛光组合物及其使用方法。更具体来说，本发明涉及用来对包含氧化硅的基片进行抛光的化学机械抛光组合物，其中，从基片上除去至少一部分氧化硅。
背景技术
在集成电路和其它电子器件的制造中，在半导体晶片的表面上沉积多层的导电材料、半导体材料和介电材料，或者将这些材料层从半导体晶片的表面除去。可以使用一些沉积技术沉积导电材料、半导体材料和介电材料的薄层。现代晶片加工中常用的沉积技术包括物理气相沉积(PVD)(也称为溅射)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和电化学镀覆(ECP)等。
当材料层被依次沉积和除去的时候，晶片最上层的表面变得不平。因为随后的半导体加工(例如镀覆金属)需要晶片具有平坦的表面，所以晶片需要平面化。平面化可用来除去不希望出现的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面，团聚材料，晶格破坏，划痕和污染的层或材料。
化学机械平面化，即化学机械抛光(CMP)是一种用来对半导体晶片之类的基片进行平面化的常用技术。在常规的CMP中，将晶片安装在支架组件上，设置在与CMP设备中的抛光垫接触的位置。所述支架组件为晶片提供可控制的压力，将其压向抛光垫。通过外界驱动力使得抛光垫相对于晶片运动(例如转动)。与此同时，在晶片和抛光垫之间提供抛光组合物(“浆液”)或者其它的抛光溶液。因此，通过抛光垫表面以及浆液的化学作用和机械作用，对晶片的表面进行抛光使其成为平的。
在制造半导体器件的时候，化学机械平面化常用于浅槽隔离(shallow trench isolation)(STI)层以及层间电介质(ILD)或金属间电介质(IMD)层上。这些电介质层在相邻的半导体和导电路径之间作为电隔离层。在半导体器件中，经常将沉积的电介质材料称作浅槽隔离结构或者层间电介质绝缘体。在形成这些结构的时候，存在以下问题，即快速地将电介质材料(例如氧化硅)抛光至合适的平整度，同时不会形成缺陷(例如划痕)。随着半导体器件的结构尺寸不断缩小，以前可以接受的电介质材料的平面化以及抛光的缺陷性的使用性能标准变得越来越难以接受。以前认为是可以接受的划痕现在则成为产率限制因素。
在美国专利第6,322,600号(Brewer等)中揭示了一种用于化学机械抛光工艺的抛光配方，据称其改进了电介质层抛光的缺陷性。Brewer等揭示了一种pH值为9-11.5的平面化组合物，该组合物包含：醇溶胶(alkosol)，该醇溶胶包含：球形单分散烷基硅酸盐颗粒，其中至少90重量％的颗粒的直径与重均粒径之差不大于20％；以及液体载体，其包含：0-9重量％的醇，碱和余量的水。
尽管如此，为了支持用于半导体制造系统中器件设计的不断变化的方面，人们一直需要配制化学机械抛光组合物，以提供所希望的适合变化的设计要求的抛光性质之间的平衡。例如，人们仍然需要具有以下性质的化学机械抛光组合物：其显示低缺陷性的电介质抛光性能，特定的氧化硅去除速率和特定的氮化硅和氧化硅之间的去除速率选择性。
发明内容
本发明提供了一种用来对基片进行化学机械抛光的方法，该方法包括：提供基片，其中，所述基片包含氧化硅；提供一种化学机械抛光组合物，其包含以下组分作为初始组分：水；磨料；以及式I的物质
Figure BSA00000458647700021
式中，R1，R2和R3各自独立地选自C1-4烷基；提供具有抛光表面的化学机械抛光垫；使得抛光表面相对于基片运动；将所述化学机械抛光组合物分配在所述抛光表面上；以及，磨去所述基片的至少一部分，从而抛光所述基片；其中，包含在所述化学机械抛光组合物中的式I的物质提供提高的氧化硅去除速率以及改进的抛光缺陷性的使用性能；并从所述基片上除去至少一部分氧化硅。
本发明还提供了一种用来对基片进行化学机械抛光的方法，该方法包括：提供基片，其中，所述基片包含氧化硅和氮化硅；提供一种化学机械抛光组合物，其包含以下组分作为初始组分：水；磨料；以及式I的物质
Figure BSA00000458647700031
式中，R1，R2和R3各自独立地选自C1-4烷基；以及式II的物质
Figure BSA00000458647700032
式中，R4，R5，R6，R7，R8，R9和R10各自是化学式为-(CH2)n-的桥连基团，n是选自1-10的整数；提供具有抛光表面的化学机械抛光垫；使得抛光表面相对于基片运动；将所述化学机械抛光组合物分配在所述抛光表面上；以及，磨去所述基片的至少一部分，从而抛光所述基片；其中，包含在所述化学机械抛光组合物中的式I的物质提供提高的氧化硅去除速率以及改进的抛光缺陷性的使用性能；并从所述基片上除去至少一部分氧化硅。
具体实施方式
本发明的化学机械抛光方法可以用来对包含氧化硅的基片进行抛光。用于本发明方法的化学机械抛光组合物包含二氧化硅速率提高量的式I的物质
Figure BSA00000458647700041
式中，R1，R2和R3各自独立地选自C1-4烷基；所述阴离子可以是任何合适的阴离子。
在本文和所附权利要求书中为了描述由于向所述化学机械抛光组合物中加入式I的物质而得到的氧化硅的去除速率(去除速率测量单位为
Figure BSA00000458647700042
/分钟)所用的术语“提高的氧化硅去除速率”，表示满足以下表达式：
A＞A0
式中，A是在实施例所示的抛光条件下测得的在本发明方法中使用包含式I的物质的化学机械抛光组合物得到的氧化硅去除速率，单位为
Figure BSA00000458647700043
/分钟；A0是在只是所述化学机械抛光组合物中不含式I的物质的相同条件下获得的氧化硅去除速率，单位为
Figure BSA00000458647700044
/分钟。
在本文中以及所附的权利要求书中为了描述通过在本发明的化学机械抛光方法使用的化学机械抛光组合物中加入式I的物质而获得的缺陷性的使用性能所用的术语″改进的抛光缺陷性的使用性能″表示满足以下表达式：
X＜X0
式中，X是在实施例所示的抛光条件下测得的在本发明方法中使用包含式I的物质的化学机械抛光组合物得到的缺陷性(即，后CMP/氟化氢划痕)；X0是在只是所述化学机械抛光组合物中不含式I的物质的相同条件下获得的缺陷性(即，CMP/氟化氢后划痕)。
本发明的化学机械抛光法中使用的化学机械抛光组合物中包含的水优选是去离子水和蒸馏水中的至少一种，以限制附带的杂质。
用于本发明的化学机械抛光方法的化学机械抛光组合物包含0.1-40重量％、优选5-25重量％的磨料。使用的磨料的平均粒度优选≤200nm；更优选为75-100nm；最优选为100-150nm。
适合用于本发明的化学机械抛光方法的化学机械抛光组合物的磨料包括：例如无机氧化物、无机氢氧化物、无机氢氧氧化物(inorganic hydroxide oxide)、金属硼化物、金属碳化物、金属氮化物、聚合物颗粒、以及包含至少一种上述物质的混合物。合适的无机氧化物包括：例如二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化铈(CeO2)、氧化锰(MnO2)、氧化钛(TiO2)，或者包含至少一种上述氧化物的组合。如果需要，也可使用这些无机氧化物的改性形式，例如有机聚合物涂覆的无机氧化物颗粒和无机涂覆的颗粒。合适的金属碳化物、硼化物和氮化物包括：例如碳化硅、氮化硅、碳氮化硅(SiCN)、碳化硼、碳化钨、碳化锆、硼化铝、碳化钽、碳化钛、或包含上述金属碳化物、硼化物和氮化物中的至少一种的组合。
优选用于本发明的化学机械抛光方法的化学机械抛光组合物的磨料是胶体二氧化硅。较佳的是，使用的胶体二氧化硅包括以下的至少一种：沉淀二氧化硅和附聚二氧化硅。较佳的是，使用的胶体二氧化硅的平均粒度≤200nm，更优选为75-150nm，最优选为100-150nm；所述胶体二氧化硅的含量占化学机械抛光组合物的0.1-40重量％，优选5-25重量％。
用于本发明的化学机械抛光方法的化学机械抛光组合物包含0.001-5重量％的式I的物质作为初始组分。
Figure BSA00000458647700051
式中，R1，R2和R3各自独立地选自C1-4烷基，优选C1-2烷基，最优选甲基；所述阴离子可以是任何合适的阴离子，优选是选自氢氧根和卤离子的阴离子，更优选氢氧根。在一些优选的应用中，所述化学机械抛光组合物任选包含0.001-1重量％，更优选0.1-1重量％，最优选0.1-0.3重量％的式I的物质作为初始组分。最佳的是，所述式I的物质是氢氧化苄基三甲基铵。
任选地，本发明化学机械抛光方法使用的化学机械抛光组合物还包含式II的物质作为初始组分：
Figure BSA00000458647700061
其中，R4，R5，R6，R7，R8，R9和R10各自是化学式为-(CH2)n-的桥连基团，n是选自1-10的整数。较佳的是，对于各个R4，R5，R6，R7，R8，R9和R10，n是独立地选自1-4的整数。更佳的是，对于各个R4，R5，R6，R7，R8，R9和R10，n是独立地选自2-4的整数。最佳的是，所述式II的物质是下式所示的二亚甲基三胺五(甲基膦酸)：
Figure BSA00000458647700062
和下式所示的二(六亚甲基)三胺-五(甲基膦酸)
Figure BSA00000458647700071
任选地，式II的物质中的一个或多个氮可以季氮的形式提供，氮呈现正电荷。
任选地，用于本发明的化学机械抛光方法的化学机械抛光组合物包含0.001-5重量％的式II的物质作为初始组分。任选地，所述化学机械抛光组合物任选包含0.001-1重量％，更优选0.1-1重量％，最优选0.1-0.3重量％的式II的物质作为初始组分。
在本发明的化学机械抛光方法中使用的化学机械抛光组合物中包含任选的式II的物质有助于适合氧化硅和氮化硅之间的去除速率选择性，以用于基片除了氧化硅以外还包含氮化硅的应用。
任选地，用于本发明的化学机械抛光方法的化学机械抛光组合物还包含选自分散剂、表面活性剂、缓冲剂、消泡剂和杀生物剂的另外的添加剂。
用于本发明的化学机械抛光方法的化学机械抛光组合物的pH值≥7，优选为7-12，更优选为10-11。所用的化学机械抛光组合物可以包含无机和有机pH调节剂。任选地，所述pH调节剂选自无机酸或碱(例如硝酸、硫酸、盐酸、磷酸、硫酸钾和氢氧化钾)。
在本发明的化学机械抛光方法中抛光的基片包含氧化硅。基片中的氧化硅可以是本领域已知的任何合适的氧化硅材料；例如硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)，等离子体蚀刻的原硅酸四乙酯(PETEOS)，热氧化物(thermal oxide)，未掺杂的硅酸盐玻璃，高密度等离子体(HDP)氧化物。
任选地，在本发明的化学机械抛光方法中抛光的基片还包含氮化硅。基片中如果存在氮化硅的话，氮化硅可以是本领域已知的任何合适的氮化硅材料，例如Si3N4。
本发明化学机械抛光方法中使用的化学机械抛光垫可以是本领域已知的任何合适的抛光垫。所述化学机械抛光垫可以任选地选自织造抛光垫和非织造抛光垫。所述化学机械抛光垫可以由具有各种密度、硬度、厚度、可压缩性和模量的任何合适的聚合物制造。根据需要，所述化学机械抛光垫可以是有凹槽和穿孔的。
用于本发明的化学机械抛光方法的化学机械抛光组合物中包含的式I的物质(最优选氢氧化苄基三甲基铵)提高了氧化硅的去除速率(测量单位为埃/分钟，
Figure BSA00000458647700081
/分钟)。如果我们将氧化硅的去除速率的相对提高(ΔA)定义为ΔA＝(A-A0)/A0，其中A表示在化学机械抛光组合物中加入式I的物质的时候使用该抛光组合物得到的氧化硅去除速率，A0表示在化学机械抛光组合物中未加入式I的物质的时候使用该抛光组合物得到的氧化硅去除速率，测量单位为/分钟。在本发明的方法中使用的化学机械抛光组合物中包含式I的物质(最优选是氢氧化苄基三甲基铵)优选使得氧化硅去除速率提高程度≥5％，更优选≥10％。也就是说，优选满足下式中的至少一式：
(i)(((A-A0)/A0)*100)≥5；以及
(ii)(((A-A0)/A0)*100)≥10，
所有的测量都在实施例所示的抛光条件下进行。
用于本发明的化学机械抛光方法的化学机械抛光组合物中包含的式I的物质(最优选是氢氧化苄基三甲基铵)导致改进抛光缺陷性的使用性能。较佳的是，在实施例所示的抛光条件下测得，通过在化学机械抛光组合物中包含式I的物质作为初始组分，使得抛光缺陷性(即，CMP/氟化氢后划痕)减少程度≥50％；更优选≥60％；最优选≥70％。也就是说，优选满足下式中的至少一式：
(i)(X0-X)/X*100≥50；
(ii)(X0-X)/X*100≥60；和，
(iii)(X0-X)/X*100≥70；
式中，X是在实施例所示的抛光条件下测得的在本发明方法中使用包含式I的物质的化学机械抛光组合物得到的抛光缺陷性(即，CMP/氟化氢后划痕)；X0是在只是所述化学机械抛光组合物中不含式I的物质的相同条件下获得的抛光缺陷性(即，CMP/氟化氢后划痕)。
希望的是，在本发明的化学机械抛光方法中，在实施例所示的条件下测得，包含式I的物质(最优选氢氧化苄基三甲基铵)的化学机械抛光组合物显示氧化硅去除速率的相对提高(ΔA)≥5％；更优选≥10％。更优选的是，在本发明的化学机械抛光方法中，在实施例所示的抛光条件下测得，包含式I的物质(最优选氢氧化苄基三甲基铵)的化学机械抛光组合物显示氧化硅去除速率的相对提高(ΔA)≥5％，更优选≥10％；同时显示抛光缺陷性(即，CMP/氟化氢后划痕)减少≥50％，更优选≥60％，最优选≥70％。最佳的是，在本发明的化学机械抛光方法中，在实施例所示的条件下测得，包含式I的物质(最优选氢氧化苄基三甲基铵)的化学机械抛光组合物显示氧化硅去除速率的相对提高(ΔA)≥10％，并且抛光缺陷性(即，CMP/氟化氢后划痕)减少≥70％。
本发明化学机械抛光方法中采用的化学机械抛光组合物使得可以在低的标称抛光垫压力下操作，例如该压力可以为3-35kPa。所述低的标称抛光垫压力可以通过减少划痕以及其它不希望出现的抛光缺陷而改进抛光性能，并将对脆弱材料造成的破坏减至最小。
现在将在以下实施例中详细描述本发明的一些实施方式。
实施例1
化学机械抛光组合物
测试的化学机械抛光组合物(CMPC)如表1所述。所述化学机械抛光组合物A-D是比较配方，不包括在本发明所要求的范围之内。
表1
Figure BSA00000458647700091
ξ购自艾尔德里奇公司(Alrdich)二亚乙基三胺五(甲基膦酸)
Ψ购自艾尔德里奇公司的二(六亚甲基)三胺五(甲基膦酸)
￡AZ电子材料公司(AZ Electronic Materials)制造和购自陶氏化学公司(The Dow Chemical Company)的
Figure BSA00000458647700102
胶体二氧化硅
χAZ电子材料公司(AZ Electronic Materials)制造和购自陶氏化学公司(The Dow Chemical Company)的
Figure BSA00000458647700103
胶体二氧化硅
￥根据需要，使用HNO3或KOH调节组合物的pH值。
实施例2
抛光测试：
使用200毫米的敷层TEOS电介质晶片测量表1所述的化学机械抛光组合物。在实施例中使用应用材料(Applied Materials)
Figure BSA00000458647700104
抛光平台使用抛光垫抛光所有的敷层晶片，所述抛光垫包含具有聚合物空心微粒的聚氨酯抛光层以及聚氨酯浸渍的非织造子垫(即购自罗门哈斯电子材料CMP有限公司(Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc.)的IC1010TM抛光垫)。用于所有实施例的抛光条件包括：台板转速93rpm；支架转速87rpm；抛光介质流速200ml/min，向下压力为20.7psi。表2中列出了各个抛光实验的去除速率。注意通过抛光之前和之后的膜厚度计算去除速率。具体来说，使用购自KLA-Tencor的SpectraFX 200光学薄膜度量系统测定去除速率。表2报道的缺陷性的使用性能是在抛光之后(″CMP后″)或氟化氢后抛光洗涤(″HF后″)之后，使用扫描电子显微镜测定的。在HF后洗涤之后，用购自KLA-Tencor的
Figure BSA00000458647700105
缺陷检查系统检查所有的TEOS晶片。将缺陷信息(包括它们在晶片上的坐标)记录在KLARF(KLA结果文档)中，然后转移到购自KLA-Tencor的eDR-5200缺陷审查系统。选择100个缺陷图象的随机样本，通过eDR-5200系统审查。将这100个图象分成为各种缺陷种类，例如颤动痕(划痕)，颗粒和垫碎片。根据从这100个图象获得的分类结果，确定晶片上的划痕总数。
表2
Figure BSA00000458647700111

Claims (10)

1.一种用来对基片进行化学机械抛光的方法，该方法包括：
提供基片，其中，所述基片包含氧化硅；
提供一种化学机械抛光组合物，其包含以下物质作为初始组分：水；磨料；以及式I的物质
Figure FSA00000458647600011
式中，R1，R2和R3各自独立地选自C1-4烷基；
提供具有抛光表面的化学机械抛光垫；
使得所述抛光表面相对于所述基片运动；
将所述化学机械抛光组合物分配在所述抛光表面上；以及，
磨去基片的至少一部分，从而抛光所述基片；
其中，所述化学机械抛光组合物中包含的式I的物质提供了提高的氧化硅去除速率以及改进的抛光缺陷性的性能；并从所述基片上除去至少一部分氧化硅。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨料是胶体二氧化硅。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨料是平均粒度为10-200纳米的胶体二氧化硅。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在以下操作条件下，所述化学机械抛光组合物显示的氧化硅去除速率≥2,000
Figure FSA00000458647600012
/分钟：台板转速93转/分钟，支架转速87转/分钟，化学机械抛光组合物的流速200毫升/分钟，在200毫米的抛光机上施加20.7kPa的标称向下压力，所述化学机械抛光垫包含具有聚合物空心微粒的聚氨酯抛光层以及聚氨酯浸渍的非织造子垫。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，满足下式中的至少一式：
(i)(((A-A0)/A0)*100)≥5；以及
(ii)(((A-A0)/A0)*100)≥10，
其中，A是使用所述化学机械抛光组合物获得的氧化硅的去除速率，测量单位为
Figure FSA00000458647600021
/分钟；A0是在除了不含式I的物质以外、在相同条件下获得的氧化硅的去除速率，测量单位为
Figure FSA00000458647600022
/分钟。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基片还包含Si3N4，所述化学机械抛光配制物还包含式II的物质作为初始组分
Figure FSA00000458647600023
其中，R4，R5，R6，R7，R8，R9和R10各自是化学式为-(CH2)n-的桥连基团，n是选自1-10的整数。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对于各个R4，R5，R6，R7，R8，R9和R10，n是独立地选自1-4的整数。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对于各个R4，R5，R6，R7，R8，R9和R10，n是独立地选自2-4的整数。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，式I的物质是氢氧化苄基三甲基铵，式II的物质是二亚乙基三胺五(甲基膦酸)。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，式I的物质是氢氧化苄基三甲基铵，式II的物质是二(六亚甲基)三胺-五(甲基膦酸)。
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