CN106553119B - 抛光半导体衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于具有暴露的二氧化硅特征的衬底的化学机械抛光的工艺，包括：提供化学机械抛光组合物，其含有以下各者作为初始组分：水、胶态二氧化硅研磨剂和氧锆化合物；其中所述化学机械抛光组合物的pH值≤6；给化学机械抛光衬垫提供抛光表面；将所述化学机械抛光组合物接近所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的界面分配到所述化学机械抛光衬垫的所述抛光表面上；和在所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的所述界面处创造动态接触；其中所述衬底经抛光。
Description
技术领域
本发明是关于化学机械抛光的领域。明确地说，本发明是针对一种用于具有暴露的二氧化硅特征的衬底的化学机械抛光的工艺，包括：提供化学机械抛光组合物，其含有以下各者作为初始组分：水、胶态二氧化硅研磨剂和氧锆化合物；其中所述化学机械抛光组合物的pH值≤6；给化学机械抛光衬垫提供抛光表面；将所述化学机械抛光组合物接近所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的界面分配到所述化学机械抛光衬垫的所述抛光表面上；和在所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的所述界面处创造动态接触；其中所述衬底经抛光。
背景技术
在集成电路和其它电子装置的制造中，多个导电、半导电和介电材料层沉积在半导体晶片的表面上或从其去除。导电、半导电和介电材料薄层可通过许多沉积技术沉积。现代处理中的普通沉积技术包含也称为溅镀的物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)和电化学电镀(ECP)。
因为材料层依序沉积和去除，所以晶片的最上表面变得不平坦。因为后续半导体处理(例如，金属化)需要晶片具有平坦表面，所以晶片需要平坦化。平坦化适用于去除不当的表面构形和表面缺陷，例如，粗糙表面、聚结材料、晶格损坏、刮痕和被污染的层或材料。
化学机械平坦化或化学机械抛光(CMP)是一种用以使衬底(例如，半导体晶片)平坦化的普通技术。在常规CMP中，晶片安装在载体组合件上且与CMP设备中的抛光垫接触定位。载体组合件对晶片提供可控制压力，从而将其抵着抛光垫按压。通过外部驱动力使垫相对于晶片移动(例如，旋转)。与此同时，在晶片与抛光垫之间提供抛光组合物(“浆料”)或其它抛光溶液。因此，通过对垫表面和浆料进行化学和机械作用对晶片表面抛光且使其平坦。
一种用于抛光金属特征的组合物和方法由Puppe等人揭露。具体地说，在Puppe等人的美国专利申请公开案第20030157804号中，揭露一种含有按体积计2.5％到75％的按重量计30％阳离子改质的硅石溶胶(其阳离子改质的SiO2粒子具有12nm到300nm的平均粒度)和按重量计0.5％到22％的至少一种氧化剂(其中pH值为2.5到6)的组合物。
然而，存在对具有暴露的二氧化硅特征的衬底的化学机械抛光的改善方法的持续需求。
发明内容
本发明提供一种抛光一衬底的方法，包括：提供所述衬底，其中所述衬底具有二氧化硅特征；提供化学机械抛光组合物，其包括以下各者作为初始组分：水、0.01重量％到40重量％的胶态二氧化硅研磨剂、氧锆化合物和0重量％的氧化剂；其中所述化学机械抛光组合物的pH值≤6；给化学机械抛光衬垫提供抛光表面；将所述化学机械抛光组合物接近所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的界面分配到所述化学机械抛光衬垫的所述抛光表面上；和通过0.69kPa到34.5kPa的向下力在所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的所述界面处创造动态接触；其中所述衬底经抛光；其中所述暴露的二氧化硅特征中的一些经从所述衬底去除。
本发明提供一种抛光衬底的方法，包括：提供所述衬底，其中所述衬底具有暴露的二氧化硅特征；提供化学机械抛光组合物，其由以下各者组成作为初始组分：水、0.01重量％到40重量％的胶态二氧化硅研磨剂、氧锆化合物和0重量％的氧化剂；其中所述化学机械抛光组合物的pH值≤6；给化学机械抛光衬垫提供抛光表面；将所述化学机械抛光组合物接近所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的界面分配到所述化学机械抛光衬垫的所述抛光表面上；和通过0.69kPa到34.5kPa的向下力在所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的所述界面处创造动态接触；其中所述衬底经抛光；其中所述暴露的二氧化硅特征中的一些经从所述衬底去除。
具体实施方式
本发明的抛光衬底的方法使用含有氧化硅研磨剂结合氧锆化合物的化学机械抛光组合物，其中所述化学机械抛光组合物惊人地具有显著(优选地，>500％)高于由不含有氧锆化合物的另外相同组合物展现的去除速率的二氧化硅去除速率。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，包括：提供所述衬底，其中所述衬底具有暴露的二氧化硅特征；提供化学机械抛光组合物，其包括以下各者作为初始组分：水；0.01重量％到40重量％(更优选地0.1重量％到25重量％、再更优选地1重量％到15重量％、3重量％到7重量％)的胶态二氧化硅研磨剂；氧锆化合物(优选地，其中所述氧锆化合物是选自由卤化氧锆、硝酸氧锆和醋酸氧锆组成的群组；更优选地，其中所述氧锆化合物为卤化氧锆；最优选地，其中所述氧锆化合物为氯化氧锆)；和0重量％的氧化剂；其中所述化学机械抛光组合物的pH值≤6；给化学机械抛光衬垫提供抛光表面；将所述化学机械抛光组合物接近所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的界面分配到所述化学机械抛光衬垫的所述抛光表面上；和通过0.69kPa到34.5kPa的向下力在所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的所述界面处创造动态接触；其中所述衬底经抛光；其中所述暴露的二氧化硅特征中的一些经从所述衬底去除。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的衬底具有暴露的二氧化硅特征。更优选地，提供的衬底为具有暴露的二氧化硅特征的半导体衬底。最优选地，提供的衬底为具有从正硅酸四乙酯(TEOS)导出的暴露的二氧化硅特征的半导体衬底。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物中含有的水为去离子水和蒸馏水中的至少一者以限制附带杂质。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物中含有的胶态二氧化硅研磨剂具有≤100nm(优选地，5nm到100nm；更优选地，10nm到60nm；最优选地，20nm到60nm)的平均粒度，如通过动态光散射技术测量。优选地，其中当在不存在氧锆化合物的情况下在水中测量时，化学机械抛光组合物中含有的胶态二氧化硅研磨剂具有在化学机械抛光组合物的pH值下的负原生表面电荷。优选地，化学机械抛光组合物中含有的胶态二氧化硅是基于二氧化硅且无铝。优选地，化学机械抛光组合物中含有的胶态二氧化硅并非硅酸铝。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有0.01重量％到40重量％(更优选地0.1重量％到25重量％、再更优选地1重量％到15重量％、最优选地3重量％到7重量％)的胶态二氧化硅研磨剂。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有每百份研磨剂0.1份到5份(PPHA)(优选地，0.25PPHA到2PPHA；更优选地，0.5PPHA到1.5；最优选地，0.75PPHA到1.1PPHA)的氧锆化合物，其中氧锆化合物是选自由卤化氧锆、硝酸氧锆和醋酸氧锆组成的群组。更优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有每百份研磨剂0.1份到5份(PPHA)(优选地，0.25PPHA到2PPHA；更优选地，0.5PPHA到1.5；最优选地，0.75PPHA到1.1PPHA)的氧锆化合物，其中氧锆化合物为卤化氧锆。最优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有每百份研磨剂0.1份到5份(PPHA)(优选地，0.25PPHA到2PPHA；更优选地，0.5PPHA到1.5；最优选地，0.75PPHA到1.1PPHA)的氧锆化合物，其中氧锆化合物为氯化氧锆。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有0.1重量％到5重量％(基于固体)的氧锆化合物。更优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有0.5重量％到2重量％(基于固体)的氧锆化合物。最优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有0.75重量％到1.1重量％(基于固体)的氧锆化合物。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有以下各者作为初始组分：水；0.01重量％到40重量％(更优选地0.1重量％到25重量％、再更优选地1重量％到15重量％、最优选地3重量％到7重量％)的胶态二氧化硅研磨剂；和每百份研磨剂0.1份到5份(PPHA)的氧锆化合物(优选地，其中氧锆化合物是选自由卤化氧锆、硝酸氧锆和醋酸氧锆组成的群组；更优选地，其中氧锆化合物为卤化氧锆；最优选地，其中氧锆化合物为氯化氧锆)；其中胶态二氧化硅研磨剂与氧锆化合物在水中相互作用以将胶态二氧化硅研磨剂上的原生负表面电荷转换到正表面电荷。更优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有以下各者作为初始组分：水；0.01重量％到40重量％(更优选地0.1重量％到25重量％、再更优选地1重量％到15重量％、最优选地3重量％到7重量％)的胶态二氧化硅研磨剂；和每百份研磨剂0.1份到5份(PPHA)的氧锆化合物(优选地，其中氧锆化合物是选自由卤化氧锆、硝酸氧锆和醋酸氧锆组成的群组；更优选地，其中氧锆化合物为卤化氧锆；最优选地，其中氧锆化合物为氯化氧锆)；其中胶态二氧化硅研磨剂与氧锆化合物在水中相互作用以将胶态二氧化硅研磨剂上的原生负表面电荷转换到正表面电荷；其中化学机械抛光组合物具有≥25mV的ζ电位且其中化学机械抛光组合物具有pH≤6的pH值。再更优选地，在本发明的抛光一衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物含有以下各者作为初始组分：水；0.01重量％到40重量％(更优选地0.1重量％到25重量％、再更优选地1重量％到15重量％、最优选地3重量％到7重量％)的胶态二氧化硅研磨剂；和每百份研磨剂0.1份到5份(PPHA)的氧锆化合物(优选地，其中氧锆化合物是选自由卤化氧锆、硝酸氧锆和醋酸氧锆组成的群组；更优选地，其中氧锆化合物为卤化氧锆；最优选地，其中氧锆化合物为氯化氧锆)；其中胶态二氧化硅研磨剂与氧锆化合物在水中相互作用以将胶态二氧化硅研磨剂上的原生负表面电荷转换到正表面电荷；其中化学机械抛光组合物具有≥30mV的ζ电位且其中化学机械抛光组合物具有pH≤5的pH值。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，化学机械抛光组合物无氧化剂(即，含有0重量％氧化剂)。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，化学机械抛光组合物无腐蚀抑制剂。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物具有≤6的pH值。更优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物具有3到5的pH值。再更优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，通过添加滴定液(优选地，无机酸)，提供的化学机械抛光组合物具有调整到3到5的pH值。最优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，通过添加盐酸HCl，提供的化学机械抛光组合物具有调整到3到5的pH值。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光衬垫可为此项技术中已知的任何合适的抛光垫。一般所属领域的技术人员将知晓选择适当的化学机械抛光衬垫用于在本发明的方法中使用。更优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光衬垫是选自编织和非编织抛光垫。再更优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光衬垫包括聚氨酯抛光层。最优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光衬垫包括含有聚合中空芯微米粒子的聚氨酯抛光层和聚氨酯浸透的非编织下垫。优选地，提供的化学机械抛光衬垫在抛光表面上具有至少一个凹槽。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物经在化学机械抛光衬垫与衬底之间的界面处或附近分配到提供的化学机械抛光衬垫的抛光表面上。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，通过与正被抛光的衬底的表面正交的0.69kPa到34.5kPa的向下力在提供的化学机械抛光衬垫与衬底之间的界面处创造动态接触。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，提供的化学机械抛光组合物具有≥ 的二氧化硅去除速率，伴有每分钟93转的压板速度、每分钟87转的载体速度、200mL/min的化学机械抛光组合物流动速率、在300mm抛光机器上的20.68kPa的标称向下力；且，其中提供的化学机械抛光衬垫包括含有聚合中空芯微米粒子的聚氨酯抛光层和聚氨酯浸透的非编织下垫。
优选地，在本发明的抛光衬底的方法中，其中衬底具有暴露的二氧化硅特征；提供的化学机械抛光组合物具有≥的二氧化硅去除速率，伴有每分钟93转的压板速度、每分钟87转的载体速度、200mL/min的化学机械抛光组合物流动速率、在300mm抛光机器上的20.68kPa的标称向下力；且，其中提供的化学机械抛光衬垫包括含有聚合中空芯微米粒子的聚氨酯抛光层和聚氨酯浸透的非编织下垫。
现将在以下实例中详细地描述本发明的一些实施例。
比较实例ZC1到ZC2和实例Z1到9
比较实例ZC1到ZC2和实例Z1到Z9的化学机械抛光组合物是通过将呈表1中列举的量的组分与为去离子水的其余物组合且用盐酸将组合物的pH值调整到表1中列举的最终pH值来制备。接着使用来自马尔文(Malvern)的Zetasizer测量化学机械抛光组合物的ζ电位。测量的ξ电位提供于表1中。
表1
比较实例C1到C3和实例1到10
化学机械抛光组合物制备
比较实例C1到C3和实例1到10的化学机械抛光组合物是通过将呈表2中列举的量的组分与为去离子水的其余物组合且用盐酸将组合物的pH值调整到表2中列举的最终pH值来制备。
表2
比较实例PC1到PC3和实例P1到P10
化学机械抛光去除速率实验
使用分别根据比较实例C1到C3和实例1到10制备的化学机械抛光组合物在比较实例PC1到PC3和实例P1到P10中执行的二氧化硅去除速率抛光测试。对安装于涂覆的材料200mm抛光机器上的200mm毯覆式晶片执行抛光去除速率实验。使用IC1000TM聚氨酯抛光垫(可购自罗门哈斯电子材料CMP公司)执行所有抛光实验，伴有20.7kPa(3psi)的向下力、200ml/min的化学机械抛光组合物流动速率、93rpm的台旋转速度和87rpm的载体旋转速度。使用AM02BSL8031-C1金刚石垫调节器(可购自塞索尔金刚石工业有限公司)调节抛光垫。使用9磅(4.08kg)的向下力通过调节器持续20分钟来磨合抛光垫。将抛光垫进一步非原位调整，随后使用7磅(3.18kg)的向下力抛光达10秒。抛光垫在抛光期间在7磅(3.18kg)的向下力下以10次扫掠/分钟从距抛光垫的中心1.7英寸到9.2英寸经进一步原位调节。通过使用使用49点螺旋形扫描(不包括3mm边缘)的KLA-Tencor FX200计量工具测量抛光前后的膜厚度来测定去除速率。去除速率实验的结果提供于表3中。
表3
Claims (10)
1.一种抛光衬底的方法，包括：
提供所述衬底，其中所述衬底具有暴露的二氧化硅特征；
提供化学机械抛光组合物，包括以下各者作为初始组分：
水，
0.01重量％到40重量％的胶态二氧化硅研磨剂；
氧锆化合物；以及，
0重量％的氧化剂；
其中所述化学机械抛光组合物的pH值≤6；
给化学机械抛光衬垫提供抛光表面；
将所述化学机械抛光组合物接近所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的界面分配到所述化学机械抛光衬垫的所述抛光表面上；以及，
通过0.69kPa到34.5kPa的向下力在所述化学机械抛光衬垫与所述衬底之间的所述界面处创造动态接触；
其中所述衬底经抛光；其中所述暴露的二氧化硅特征中的一些经从所述衬底去除。
2.如权利要求书1所述的方法，其中所述暴露的二氧化硅特征经从正硅酸四乙酯导出。
3.如权利要求书2所述的方法，其中所述化学机械抛光组合物无腐蚀抑制剂。
4.如权利要求书2所述的方法，其中所述化学机械抛光组合物具有的二氧化硅去除速率，伴有每分钟93转的压板速度、每分钟87转的载体速度、200mL/min的化学机械抛光组合物流动速率、在300mm抛光机器上的20.68kPa的标称向下力；且，其中所述提供的化学机械抛光衬垫包括含有聚合中空芯微米粒子的聚氨酯抛光层和聚氨酯浸透的非编织下垫。
5.如权利要求书3所述的方法，其中所述化学机械抛光组合物具有的二氧化硅去除速率，伴有每分钟93转的压板速度、每分钟87转的载体速度、200mL/min的化学机械抛光组合物流动速率、在300mm抛光机器上的20.68kPa的标称向下力；且，其中所述提供的化学机械抛光衬垫包括含有聚合中空芯微米粒子的聚氨酯抛光层和聚氨酯浸透的非编织下垫。
6.如权利要求书1所述的方法，其中所述提供的化学机械抛光组合物由以下各者组成作为初始组分：
所述水，
0.1重量％到40重量％的所述胶态二氧化硅研磨剂；
所述氧锆化合物；以及，
无机酸。
7.如权利要求书6所述的方法，其中所述暴露的二氧化硅特征经从正硅酸四乙酯导出。
8.如权利要求书7所述的方法，其中所述化学机械抛光组合物具有的二氧化硅去除速率，伴有每分钟93转的压板速度、每分钟87转的载体速度、200mL/min的化学机械抛光组合物流动速率、在300mm抛光机器上的20.68kPa的标称向下力；且，其中所述提供的化学机械抛光衬垫包括含有聚合中空芯微米粒子的聚氨酯抛光层和聚氨酯浸透的非编织下垫。
9.如权利要求书6所述的方法，其中所述氧锆化合物为氯化氧锆且其中所述无机酸为盐酸。
10.如权利要求书9所述的方法，其中所述暴露的二氧化硅特征经从正硅酸四乙酯导出；且，其中所述化学机械抛光组合物具有的二氧化硅去除速率，伴有每分钟93转的压板速度、每分钟87转的载体速度、200mL/min的化学机械抛光组合物流动速率、在300mm抛光机器上的20.68kPa的标称向下力；且，其中所述提供的化学机械抛光衬垫包括含有聚合中空芯微米粒子的聚氨酯抛光层和聚氨酯浸透的非编织下垫。
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