CN1083618C - 用于硅衍生物或硅的绝缘材料层的化学机械抛光方法和研磨制品 - Google Patents
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Abstract
一种用于对基于硅或硅衍生物的绝缘材料层进行化学机械抛光的方法，其中通过采用一种用作磨料的织物磨擦所说的层而使绝缘材料层磨损，其特征在于该磨料含有没有通过硅氧烷键连接的单个胶体氧化硅颗粒和作为悬浮介质的水的胶体氧化硅酸性水基悬浮液，以及基于这种悬浮液的新型磨料。
Description
本发明涉及一种通过化学机械抛光用于集成电路绝缘的电绝缘材料的平整化技术。
在微电子领域内，在使尺寸减小和增加密度过程中产生了绝缘技术。因此基于局部氧化的有源区域的绝缘技术之后是通过浅槽绝缘使所说的有源区域侧向绝缘的技术，上述浅槽绝缘包括蚀刻这些槽以填充非导电材料以及将这种绝缘层平整化的步骤。
这些绝缘技术的主要困难在于非导电材料的平整化。
化学机械抛光似乎是平整化工艺最有效的手段。其优点在于采用常规的液体或激光蚀刻技术来蚀刻材料，同时可以非常有效地使原来的凹凸不平平整化。
本发明涉及作为侧向绝缘(STI：浅槽绝缘)和作为内部连接的绝缘(ILD，内部介电)的将用于生产集成电路的氧化硅平整化的步骤的改进。
化学机械抛光技术将两种对非导电材料具有攻击影响的作用，即机械作用和化学作用结合在一起。
机械作用是由于半导体材料晶片在抛光织物上加载力、晶片与织物之间相对移动速度(如旋转)、这种织物的特点和磨料中氧化硅颗粒直径的特点而产生的。
化学作用基本上是由于胶体氧化硅的表面化学而产生的。
结合在一起的两种作用通过使要抛光的材料平整化而使抛光材料的分子优选地在凸出的区域上重新处理。
为了抛光基于硅衍生物如二氧化硅或氮化硅的非导电性材料，通常采用由热解氧化硅(也称为气相法氧化硅)胶体颗粒的碱性水溶液组成的磨料。
这些热解氧化硅是通过在高温下在燃烧室中用氢气和氧气燃烧高纯度的四氯硅烷经热解法获得的。
通常获得直径为5-50纳米的球形氧化硅基本粒子，这些粒子团聚成长度一般为50-500纳米的粒子。
文献描述：在基于硅衍生物，特别是基于二氧化硅的非导电材料的化学机械抛光过程中，热解氧化硅颗粒的直径越大，并且所用的胶体氧化硅溶液的pH越高，热解氧化硅对非导电材料的攻击速度越高，(特别是参见R.Jairath等人，Mat；Res.Soc.Symp.Proc.vol337，1994，p121-31，G.J.Pietsch等人，Surface Science 331-333(1995)p395-401，M.Borda等人，Dumic Conference 21-22，2，1995，p.331-337，D.DeVlieger等人，Conference Proceedings ULSI-X，1995，MaterialsResearch Society，p201-205，W.J.Patrick等人，J.Electrochem.Soc.，vol.138，No.6，June 1991，p1778-1784，R.Kolenkow等人，Solid StateTechnology，June 1992，p112-114，Beyer，Klaus Dietrich EP224646，Sears George Wallace Jr，US 3922393，Doan TrungT.US5169491，Koto Itsuki JP 0731846)。
最常用的pH为9-12.5。另一方面，在酸性pH下，攻击速度特别低，参见G.J.Pietsch等人的文章，Surface Science 331-333(1995)p396，特别是其中的图1。
采用这种在高度碱性介质中的水基悬浮液存在许多缺点。首先由于结块长度的分布较广，会使后者随时间而发生沉降，这个缺点只能通过不断地搅拌该悬浮液而降至最小。此外，采用高度碱性的水基悬浮液还存在涉及环境和工作条件的问题。
本申请人的主要目的在于改进绝缘方法中二氧化硅层的平整化，该绝缘方法是集成电路制造中可能会遇到的，例如在通过使半导体基体上未来有源区域产生浅槽的侧向绝缘方法中以及在其它需要对二氧化硅进行精确平整化的集成电路绝缘方法中。它还包括使二氧化硅集成电路内连接绝缘。
为了实现所有这些采用胶体二氧化硅碱性水溶液的化学机械抛光的改进，令人惊奇且出乎人们意料的是含有或由不是通过硅氧烷键连接在一起并用于酸性介质中的氧化硅单个细颗粒组成的胶体氧化硅悬浮液可以获得改进较大的平整化效果同时保持对绝缘材料良好的攻击性以及杰出的均匀抛光攻击质量。
这就是为什么本发明的主题是采用包括含有单个胶体氧化硅颗粒(没有通过硅氧烷键连接)和作为悬浮介质的水的胶体氧化硅酸性水基悬浮液的磨料来对基于硅或硅衍生物的层进行化学机械抛光、特别是对二氧化硅层进行化学机械抛光以及一种对基于硅或硅衍生物的绝缘材料层进行化学机械抛光的方法，其中通过采用含有一种磨料的织物磨擦所说的层而使绝缘材料层磨损，其特征在于该磨料含有单个胶体氧化硅颗粒(没有通过硅氧烷键连接)和作为悬浮介质的水的胶体氧化硅酸性水基悬浮液并且优选地是由这种酸性水基悬浮液组成的。
本发明的另一主题为一种用于对基于硅或硅衍生物的绝缘材料层进行化学机械抛光的研磨制品，它包括浸渍了胶体氧化硅酸性水基悬浮液的织物，该胶体氧化硅酸性水基悬浮液含有没有通过硅氧烷键连接的单个颗粒，其颗粒直径为3-250纳米，pH为1.5-4。
这些胶体氧化硅水基悬浮液含有悬浮在水中的或由悬浮在水中的没有通过硅氧烷键连接在一起的单个细氧化硅颗粒组成并且优选地基本上没有颗粒团聚物。对于化学机械抛光本发明所说的材料层来说，该胶体氧化硅的水基悬浮液用于酸性溶液中并且优选地具有3-250纳米、特别是3-150纳米、更特别地为10-50纳米的单个颗粒直径。
可以由碱金属硅酸盐、特别是硅酸钠或硅酸钾，也可以由硅酸乙酯获得这种胶体氧化硅的水基悬浮液。在这两种情况下，可以通过熟悉本领域的人员已知的方法，特别是由K.K.Iler描述于“The Chemistry ofSilica”，9章，P331-343，Publisher Wiley Interscience 1979中的方法，可以获得含有直径为3-250纳米的没有通过硅氧烷键连接在一起的单个颗粒的胶体氧化硅酸性水基悬浮液。
本发明的主要优点在于改进通过胶体氧化硅的酸性水基悬浮液对绝缘材料如二氧化硅层进行的化学机械抛光。
例如，这种改进可以通过下列3种试验基本上得到证实：
a)测试胶体氧化硅水分散液磨料对二氧化硅层攻击的速度。该攻击速度是通过在没有图案的二氧化硅晶片/薄片上抛光前后厚度测定差来测定的。攻击速度用埃/分钟来表示。
b)平整化试验，特别是在原始高度为7000埃的含有绝缘图案的晶片/薄片上测定的反映原始凹凸不平(抛光前)和最终凹凸不平(抛光后)之间台阶高度变化的平整化(DP)程度。它用百分比表示并用下列等式定义：
其中Hi＝台阶的原始高度
Hf＝台阶的最终高度
全部平整化使总的平整化程度为100％。无平整化使平整化程度为0％。
图1、2和3表示平整化程度的定义。图1中的平整化程度为0％，图2中为50％，而图3中为100％。
为了进行全部平整化试验，将在下部部件(图案外)中除去的厚度调整为3500埃。
c)测试抛光攻击的均匀性。它表示在相同晶片上氧化物厚度的变化。它根据下列等式由抛光前后在相同二氧化硅晶片上氧化物的测定值计算得到：
获得的值越低，攻击的均匀性越令人满意。
这种较好的抛光方法得益于由没有通过硅氧烷键连接在一起的单个颗粒组成的特殊胶体氧化硅的酸性水基悬浮液而进行。
在优选的用来实施本发明所说的方法的条件下，胶体氧化硅酸性水基悬浮液的pH为1-6，特别是1.5-4，更特别地为2-3。
在优选的用来实施本发明所说的方法的条件下，胶体氧化硅酸性水基悬浮液基本粒子的直径为3-250纳米、特别是3-150纳米、更特别地为10-50纳米。
为了获得最佳的抛光效果，特别是对于两个主要的试验：二氧化硅层的攻击速度和处理层的平整化质量，在其它优选的实施条件下，本发明方法中胶体氧化硅酸性水基悬浮液的氧化硅的浓度为5-50％重量，优选地为15至30％重量。
绝缘材料层优选地基于二氧化硅、氮化硅、多晶硅或无定型硅，更特别地基于二氧化硅。
本发明的另一个优点是由没有通过硅氧烷键连接在一起的并且具有实际上单一分布的颗粒直径的单个颗粒组成的胶体氧化硅酸性水基悬浮液具有非常好的稳定性，这样就不会随着时间而出现沉降。
最后，本发明的主题是用于对基于硅或硅衍生物的绝缘材料层进行化学机械抛光的磨料，所说的磨料包括用含有没有通过硅氧烷键连接在一起的并且颗粒直径为3-250的单个颗粒的、pH为1.5-4的胶体氧化硅酸性水基悬浮液浸渍过的织物。特别优选的悬浮液在下文中在该方法的操作条件中进行描述。
下列实施例可以更好地理解本发明。
实施例1用基于本发明的胶体氧化硅的酸性水基悬浮液的磨料进行抛光的例子
在每一块晶片上形成约1微米的二氧化硅沉积层，然后在抛光前进行测定。
根据下列标准方法对晶片进行抛光：
-负载力： 0.5daN/cm2
-板速度： 25转/分钟
-载体速度： 22转/分钟
-温度： 20℃
-磨料用量： 80cm3/分钟
-织物： IC1000，在来自RODEL PRODUCTS的Suba4上
每一个例子中所示出的结果是由全二氧化硅晶片针对攻击速度和攻击均匀性的百分比以及由结构晶片针对平整化程度而获得的。
胶体二氧化硅具有下列特征：
-胶体二氧化硅基本颗粒的平均直径 12nm
-水基悬浮液的pH 2.2
-胶体二氧化硅的重量浓度 20％
可以获得下列性能：
-平整化程度 78％
-二氧化硅攻击的速度 1050埃/分钟
-均匀攻击的百分比 3％
在相同条件下采用具有下列特征的胶体二氧化硅：
-胶体二氧化硅基本颗粒的平均直径 25nm
-水基悬浮液的pH 2.2
-胶体二氧化硅的重量浓度 20％
可以获得下列性能：
-平整化程度 52％
-二氧化硅攻击的速度 1850埃/分钟
-均匀攻击的百分比 2.5％
实验1用基于胶体氧化硅的碱性水基悬浮液的磨料进行抛光的对比例子
在上述条件下进行抛光，其不同之处在于二氧化硅的重量浓度调整为12-13％。
采用具有下列特征的市售热解胶体氧化硅：
-胶体二氧化硅基本颗粒的平均直径 10nm
-颗粒团聚物的平均直径 150nm
-水基悬浮液的pH 10.3
-活性产物的重量浓度 12％
可以获得下列性能：
-平整化程度 42％
-二氧化硅攻击的速度 1100埃/分钟
-均匀攻击的百分比 8.5％
采用具有下列特征的市售热解胶体氧化硅：
-胶体二氧化硅基本颗粒的平均直径 25nm
-颗粒团聚物的平均直径 200nm
-水基悬浮液的pH 10.2
-活性产物的重量浓度 13％
可以获得下列性能：
-平整化程度 56％
-二氧化硅攻击的速度 1500埃/分钟
-均匀攻击的百分比 11.5％
因此，可以看出一方面，与文献中所说的相反，与以前所用的胶体氧化硅的碱性水基悬浮液相比，采用具有相同粒径的胶体氧化硅的酸性水基悬浮液可以获得出乎人们意料的氧化硅层的攻击速度。
另一方面，可以看出胶体氧化硅的酸性水基悬浮液同样出乎人们意料地比用热解胶体氧化硅的碱性水基悬浮液产生非常好的平整化效果并且正是这种基于小颗粒的酸性水基悬浮液在所有试验产物中出乎人们意料地产生最好的结果。
最后，相对于热解胶体氧化硅的碱性水基悬浮液来说，本发明的胶体氧化硅的酸性水基悬浮液可以产生非常均匀的攻击。
Claims (10)
1.一种用于对基于硅或硅衍生物的绝缘材料层进行化学机械抛光的方法，其中通过采用含有一种磨料的织物磨擦所说的层而使绝缘材料层磨损，其特征在于该磨料含有没有通过硅氧烷键连接的单个胶体氧化硅颗粒和作为悬浮介质的水的胶体氧化硅酸性水基悬浮液。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于该胶体氧化硅酸性水基悬浮液的pH为1-6。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于该胶体氧化硅酸性水基悬浮液的pH为2-3。
4.根据权利要求l-3中任一项的方法，其特征在于该胶体氧化硅直径为3-250纳米。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于该胶体氧化硅直径为10-50纳米。
6.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于该胶体氧化硅酸性水基悬浮液的氧化硅浓度为5-50％重量。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于该胶体氧化硅酸性水基悬浮液的氧化硅浓度为15-30％重量。
8.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于基于硅或硅衍生物的绝缘材料层是以二氧化硅、氮化硅、多晶硅或无定型硅为基础的。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于该绝缘材料层是以二氧化硅为基础的。
10.一种用于对基于硅或硅衍生物的绝缘材料层进行化学机械抛光的研磨制品，它包括浸渍了胶体氧化硅酸性水基悬浮液的织物，该胶体氧化硅酸性水基悬浮液含有没有通过硅氧烷键连接的单个颗粒，其颗粒直径为3-250纳米，pH为1.5-4。
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