CN108701616B - 抛光iii-v族材料的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了化学‑机械地抛光基板的方法。该方法包括以下步骤、由以下步骤组成、或基本上由以下步骤组成：(a)使含有至少一种III‑V族材料的基板与抛光垫及化学‑机械抛光组合物接触，该化学‑机械抛光组合物包括水、具有负表面电荷的研磨剂颗粒、以及约0.01wt.％至约5wt.％的量的用于氧化该III‑V族材料的氧化剂，其中该抛光组合物具有约2至约5的pH；(b)相对于该基板移动该抛光垫及该化学‑机械抛光组合物；及(c)磨除该基板的至少一部分以抛光该基板。在一些实施方式中，该III‑V族材料是包含至少一种来自元素周期表第III族的元素及至少一种来自元素周期表第V族的元素的半导体。

Description

抛光III-V族材料的方法
背景技术
半导体晶片典型地由其上已形成多个晶体管的基板(例如硅晶片)组成。晶体管以化学及物理方式连结至基板中且经由使用公知的多级共面互连(multilevel coplanarinterconnect)进行互相连接以形成功能电路。典型的多级互连由叠层式薄膜组成，所述叠层式薄膜由(例如)以下物质中的一种或多种构成：钛(Ti)、硝酸钛(TiN)、铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)、钽(Ta)、或者它们的任意组合。
用于形成功能多级共面互连的传统技术涉及经由化学机械抛光(CMP)来对所述互连的表面进行平坦化。CMP涉及上覆第一层的同时发生的化学及机械抛光，从而暴露出其上形成有第一层的非平坦的第二层的表面。
用于使基板表面平坦化或将其抛光的CMP组合物及方法是本领域公知的。抛光组合物(亦称为抛光浆料)典型地含有位于液体载剂中的研磨剂材料并藉由使表面与浸有抛光组合物的抛光垫接触来施加至表面。典型的研磨剂材料包含硅二氧化物、铈氧化物、铝氧化物、锆氧化物、以及锡氧化物。抛光组合物典型地与抛光垫(例如抛光布或盘)结合使用。代替悬浮于抛光组合物中或除此以外，可将研磨剂材料结合到抛光垫中。
由于在微电子工业中期望更快的器件，因此，对于使用来自元素周期表第III-V族的元素存在关注(因为它们具有高的电子迁移率)。与具有低得多的电子迁移率且在应用于较大特征时受到限制的铜相比，由III-V族材料提供的快速电子传输容许在较小特征中的较大导电性(即，容许先进节点集成电路)。
在微电子工业中使用III-V族材料的显著挑战在于达成平滑且平坦的表面以使得能够进一步处理。由于前端先进节点的材料选择性要求以及较小的特征尺寸，因此，难以达成具有III-V族材料的良好移除速率的有效的平坦化。在半导体晶片中使用III-V族材料的另一挑战在于，在平坦化期间，III-V族材料易于产生可具有刺激性、可燃及甚至有毒的毒性释出气体(toxic outgas)。举例而言，可产生毒性气态氢化物物质，例如，胂(AsH3)或膦(PH3)。这些气体是重大的危害。常规的方式需要经由通风系统处理所述后CMP浆料污染废弃物(post CMP slurry contaminated waste)，这是繁琐且昂贵的。
因此，本领域仍需要可提供所需抛光性能(包括III-V族材料的有效移除速率)的抛光组合物及方法。此外，期望提供III-V族材料的有效抛光性能，同时控制毒性释出气体的输出。
发明内容
本发明提供化学-机械地抛光基板的方法。该方法包括以下步骤、由以下步骤组成、或基本上由以下步骤组成：(a)使含有至少一种III-V族材料的基板与抛光垫及化学-机械抛光组合物接触，该化学-机械抛光组合物包括水、具有负表面电荷的研磨剂颗粒、以及约0.01wt.％至约5wt.％的量的用于氧化该III-V族材料的氧化剂，其中该抛光组合物具有约2至约5的pH；(b)相对于该基板移动该抛光垫及该化学-机械抛光组合物；及(c)磨除该基板的至少一部分以抛光该基板。在一些实施方式中，该III-V族材料是包含至少一种来自元素周期表第III族的元素及至少一种来自元素周期表第V族的元素的半导体。
具体实施方式
本发明的实施方式提供化学-机械地抛光基板(例如半导体晶片)的方法。该方法包括以下步骤、由以下步骤组成、或基本上由以下步骤组成：(a)使含有至少一种III-V族材料的基板与抛光垫及化学-机械抛光组合物接触，该化学-机械抛光组合物包括水、具有负表面电荷的研磨剂颗粒、以及约0.01wt.％至约5wt.％的量的用于氧化该III-V族材料的氧化剂，其中该抛光组合物具有约2至约5的pH；(b)相对于该基板移动该抛光垫及该化学-机械抛光组合物；及(c)磨除该基板的至少一部分以抛光该基板。
本发明方法尤其可用于含有III-V族材料的基板中。在优选实施方式中，III-V族材料是半导体材料，例如，能够以半导体晶片形式使用以便可在晶片上形成集成电路(IC)的那些，其是用于构建在晶片中及晶片上的微电子器件的基板。IC是紧凑的且在晶片上含有数十亿个晶体管及其它电组件。III-V族半导体材料有利地展现出快速电子传输，从而，与诸如铜或钨的其它材料相比，容许在更小的特征中传导电流。举例而言，III-V族材料可包含一种或多种来自元素周期表主族元素(尤其是IIIA族(B、Al、Ga、In、Tl)、IVA族(C、Si、Ge、Sn、Pb)和/或VA族(N、P、As、Sb、Bi)或其任意组合)的元素。在优选实施方式中，III-V族材料包含Si、In、P、Ga、As、Ge、或其任意组合。
在一些实施方式中，III-V族材料包含至少一种来自元素周期表第IIIA族的元素及至少一种来自元素周期表第VA族的元素。III-V族材料可呈任何适宜的半导体材料的形式，包含诸如GaAs、AlAs、GaN、AlN、InN、GaInP、SiGe、InGaAs、InP或其任意组合等化合物。在一些实施方式中，III-V族材料包含GaAs、InGaAs、InP、或其任意组合。如果期望的话，III-V族材料能够位于可包含硅氧化物、硅氮化物、多晶硅或其它预选材料的另一层上方的层中。
藉由使用展现出约2至约5的pH且使用具有负表面电荷的研磨剂颗粒的抛光组合物进行抛光，本发明方法令人惊讶地且出人意料地达成III-V族材料的移除及良好的选择性。虽然不希望受限于任何特定理论，本发明人已发现，本文所列举的酸性pH范围与颗粒的负表面电荷的组合是合乎期望的，这是因为，鉴于在这些酸性pH下的III-V材料表面上的固有正电荷而具有有利的静电吸引，由此提高了所需的移除。
在一些实施方式中，抛光组合物的pH为(例如)约2至约4.5、约2至约4、约2至约3.5、约2至约3、约2至约2.5、约2.3至约5、约2.3至约4.5、约2.3至约4、约2.3至约3.5、约2.3至约3、约2.5至约5、约2.5至约4.5、约2.5至约4、约2.5至约3.5、约2.5至约3、约2.7至约5、约2.7至约4.5、约2.7至约4、约2.7至约3.5、约2.7至约3、约3至约5、约3至约4.5、约3至约4、或约3至约3.5。
由于由III-V族材料提供的高电子迁移率的优点，因此，可使用III-V族材料来产生先进节点半导体晶片。因此，在一些实施方式中，本发明方法尤其适用于先进节点应用(例如28nm或更低、22nm或更低、18nm或更低、16nm或更低、14nm或更低、10nm或更低、8nm或更低、6nm或更低等的技术节点)。然而，在一些实施方式中，晶片可为常规的节点构形，例如65nm或更低、45nm或更低、32nm或更低等的技术节点。
抛光组合物包括研磨剂。研磨剂合乎期望地在2至5的期望pH范围(或本文所陈述的期望pH子范围)内展现出负表面电荷。带负电的颗粒是合乎期望的，这是因为其在抛光期间于本文所陈述的期望pH范围内在颗粒表面与所关注的III-V族材料之间具有有利的电荷吸引。举例而言，在一些实施方式中，研磨剂颗粒具有至少约-5mV的ζ电势。在一些实施方式中，研磨剂颗粒具有约-10mV至约-60mV(例如约-10mV至约-50mV、约-20mV至约-40mV、约-30mV至约-40mV、或约-20mV至约-30mV)的ζ电势。
在一些实施方式中，研磨剂颗粒包括胶体氧化硅(硅石，silica)颗粒、由胶体氧化硅颗粒组成、或基本上由胶体氧化硅颗粒组成。如本领域普通技术人员所已知的，胶体氧化硅是细小的无定形、非多孔且典型地球形的颗粒在液相中的悬浮液。胶体氧化硅可呈现缩合聚合氧化硅颗粒或沉淀氧化硅颗粒的形式。在一些实施方式中，氧化硅呈湿法型氧化硅颗粒的形式。颗粒(例如胶体氧化硅)可具有任何适宜的平均尺寸(即，平均颗粒直径)。若平均研磨剂粒度太小，则抛光组合物可能未展现出足够的移除速率。与之相反，若平均研磨剂粒度太大，则抛光组合物可能展现出不合乎期望的抛光性能(例如，差的基板缺陷率)。因此，研磨剂颗粒(例如胶体氧化硅)的平均粒度可为约10nm或更大，例如约15nm或更大、约20nm或更大、约25nm或更大、约30nm或更大、约35nm或更大、约40nm或更大、约45nm或更大或约50nm或更大。可选择地，或者此外，研磨剂的平均粒度可为约200nm或更小，例如约175nm或更小、约150nm或更小、约125nm或更小、约100nm或更小、约75nm或更小、约50nm或更小、或约40nm或更小。因此，研磨剂可具有由任两个上文所提及端点界定的平均粒度。
举例而言，研磨剂的平均粒度可为约10nm至约200nm、约20nm至约200nm、约20nm至约175nm、约20nm至约150nm、约25nm至约125nm、约25nm至约100nm、约30nm至约100nm、约30nm至约75nm、约30nm至约40nm、或约50nm至约100nm。对于非球形的研磨剂颗粒而言，颗粒的尺寸是包围颗粒的最小球体的直径。可使用任何适宜的技术来量测研磨剂的粒度，例如，使用激光衍射技术。适宜的粒度量测仪器可自(例如)Malvern Instruments(Malvern,UK)获得。
研磨剂颗粒(例如胶体氧化硅)优选地在抛光组合物中是胶体稳定的。术语胶体是指颗粒于液体载剂(例如水)中的悬浮液。胶体稳定性是指该悬浮液随时间的维持性。在本发明的上下文中，若出现以下情形，则认为研磨剂是胶体稳定的：在将研磨剂置放于100mL量筒中且使其未搅动地静置2小时的时间时，量筒的底部50mL中的颗粒浓度([B]，以g/mL计)与量筒的顶部50mL中的颗粒浓度([T]，以g/mL计)之间的差值除以研磨剂组合物中的初始颗粒浓度([C]，以g/mL计)小于或等于0.5(即，{[B]-[T]}/[C]≤0.5)。更优选地，[B]-[T]/[C]的值小于或等于0.3，且最优选小于或等于0.1。
研磨剂以任何适宜的量存在。若本发明的抛光组合物包括太少的研磨剂，则该组合物可能未展现出足够的移除速率。与之相反，若抛光组合物包括太多的研磨剂，则抛光组合物可能展现出不合乎期望的抛光性能和/或可能并非成本有效的和/或可能缺乏稳定性。抛光组合物可包括约10wt.％或更少的研磨剂，例如约9wt.％或更少、约8wt.％或更少、约7wt.％或更少、约6wt.％或更少、约5wt.％或更少、约4wt.％或更少、约3wt.％或更少、约2wt.％或更少、约1wt.％或更少、约0.9wt.％或更少、约0.8wt.％或更少、约0.7wt.％或更少、约0.6wt.％或更少的研磨剂、或约0.5wt.％或更少的研磨剂。可选择地，或者此外，抛光组合物可包括约0.01wt.％或更多、0.05wt.％或更多、例如约0.1wt.％或更多、约0.2wt.％或更多、约0.3wt.％或更多、约0.4wt.％或更多、约0.5wt.％或更多、或约1wt.％或更多的研磨剂。因此，若合适的话，则抛光组合物可包括由上文所提及端点中的任两者界定的量的研磨剂。
举例而言，在一些实施方式中，研磨剂可以抛光组合物的约0.01wt.％至约10wt.％量的存在，例如约0.01wt.％至约8wt.％、约0.01wt.％至约6wt.％、约0.01wt.％至约5wt.％、约0.01wt.％至约4wt.％、约0.01wt.％至约2wt.％、约0.01wt.％至约1wt.％、约0.05wt.％至约8wt.％、约0.05wt.％至约6wt.％、约0.05wt.％至约5wt.％、约0.05wt.％至约4wt.％、约0.05wt.％至约2wt.％、约0.05wt.％至约1wt.％、约0.1wt.％至约10wt.％、约0.1wt.％至约8wt.％、约0.1wt.％至约6wt.％、约0.1wt.％至约5wt.％、约0.1wt.％至约4wt.％、约0.1wt.％至约2wt.％、约0.1wt.％至约1wt.％、约0.5wt.％至约10wt.％、约0.5wt.％至约8wt.％、约0.5wt.％至约5wt.％、约0.5wt.％至约4wt.％、约0.5wt.％至约2wt.％、约0.5wt.％至约1wt.％、约1wt.％至约10wt.％、约1wt.％至约8wt.％、约1wt.％至约6wt.％、约1wt.％至约5wt.％、约1wt.％至约4wt.％、约1wt.％至约2wt.％等。
抛光组合物包含氧化III-V族材料的氧化剂。氧化剂可为在抛光组合物的pH下具有足够量值的氧化电势以氧化III-V族材料的任何适宜的氧化剂。III-V族材料的氧化是合乎期望的，这是因为其将III-V金属快速转化成针对CMP应用的可磨除的氧化物膜。在优选实施方式中，氧化剂是过氧化氢。适宜的氧化剂的非限制性实例包括选自以下的氧化剂：过氧化氢、胺氧化物、醌、过氧羧酸、超价卤氧化物(hypervalent oxyhalide)、过硫酸盐、氧化还原-活性金属离子(例如Ce4+或Fe3+)或其配位络合物、或其任意组合。优选地，在一些实施方式中，氧化剂是过氧化氢。
氧化剂以任何适宜的量存在。若本发明的抛光组合物包括太少的氧化剂，则组合物可能未展现出良好的平坦性及选择性，这是因为，未以均匀的方式形成可磨除的金属氧化物层。与之相反，若抛光组合物包括太多的氧化剂，则抛光组合物可能展现出不合乎期望的平坦性及选择性，这是因为，金属氧化物层将过于钝化且抑制抛光。抛光组合物可包括约1wt.％或更少的氧化剂，例如约0.9wt.％或更少、约0.8wt.％或更少、约0.7wt.％或更少、约0.6wt.％或更少、约0.5wt.％或更少、约0.4wt.％或更少、约0.3wt.％或更少、约0.2wt.％或更少、约0.1wt.％或更少的氧化剂。可选择地，或者此外，抛光组合物可包括约0.01wt.％或更多、0.05wt.％或更多、例如约0.1wt.％或更多、约0.15wt.％或更多、约0.2wt.％或更多、约0.25wt.％或更多、约0.3wt.％或更多、约0.4wt.％或更多、约0.5wt.％或更多、或约1wt.％或更多的氧化剂。因此，若适当的话，则抛光组合物可包括由上文所提及端点中的任两者界定的量的氧化剂。
举例而言，在一些实施方式中，氧化剂可以抛光组合物的约0.01wt.％至约1wt.％的量存在，例如约0.01wt.％至约0.8wt.％、约0.01wt.％至约0.6wt.％、约0.01wt.％至约0.5wt.％、约0.01wt.％至约0.4wt.％、约0.01wt.％至约0.2wt.％、约0.01wt.％至约0.1wt.％、约0.05wt.％至约1wt.％、约0.05wt.％至约0.8wt.％、约0.05wt.％至约0.5wt.％、约0.05wt.％至约0.4wt.％、约0.05wt.％至约0.2wt.％、约0.05wt.％至约0.1wt.％、约0.1wt.％至约1wt.％、约0.1wt.％至约0.8wt.％、约0.1wt.％至约0.6wt.％、约0.1wt.％至约0.5wt.％、约0.1wt.％至约0.4wt.％、约0.1wt.％至约0.2wt.％、约0.15wt.％至约1wt.％、约0.15wt.％至约0.8wt.％、约0.15wt.％至约0.6wt.％、约0.15wt.％至约0.5wt.％、约0.15wt.％至约0.4wt.％、约0.15wt.％至约0.2wt.％、约0.2wt.％至约1wt.％、约0.2wt.％至约0.8wt.％、约0.2wt.％至约0.6wt.％、约0.2wt.％至约0.5wt.％、约0.2wt.％至约0.4wt.％、约0.25wt.％至约1wt.％、约0.25wt.％至约5wt.％等。
抛光组合物可任选地以获得如本文所陈述的所需pH的有效量包含pH调节剂。适宜的pH调节剂是本领域已知的且包括，例如，羧酸(例如乙酸)、硝酸、矿物酸、路易斯酸(Lewisacid)或阿伦尼乌斯酸(Arrhenius acid)、或其任意组合；或者，碱，诸如，氢氧化钾、胺、路易斯碱(Lewis base)或阿伦尼乌斯碱(Arrhenius base)、或其任意组合。若包含pH调节剂，则其可以(例如)约0.005wt.％至约1wt.％、例如约0.01wt.％至约1wt.％或约0.1wt.％至约1wt.％的任何适宜的量包含。
化学-机械抛光组合物任选地进一步包括一种或多种添加剂。示例性的添加剂包含调理剂(conditioner)、酸(例如磺酸)、络合剂(例如阴离子型聚合物络合剂)、螯合剂、杀生物剂、阻垢剂、分散剂等。
杀生物剂(当存在时)可为任何适宜的杀生物剂且可以任何适宜的量存在于抛光组合物中。适宜的杀生物剂是异噻唑啉酮杀生物剂。抛光组合物中所用的杀生物剂的量典型地为约1ppm至约50ppm、优选地约10ppm至约20ppm。
应理解，抛光组合物的作为酸、碱或盐(例如有机羧酸、碱和/或碱金属碳酸盐等)的任何组分在溶于抛光组合物的水中时，能够以解离形式作为阳离子及阴离子存在。应理解，存在于抛光组合物中的这样的化合物的如本文中所列举的量是指用于制备抛光组合物的未解离化合物的重量。
抛光组合物可以任何适宜的技术来产生，其中许多技术为本领域技术人员所已知。抛光组合物可以间歇式或连续式的制程来制备。通常，抛光组合物是藉由组合抛光组合物的组分来制备。本文所用的术语“组分”包含单独的成分(例如研磨剂、氧化剂和/或任何任选的添加剂)以及成分的任意组合(例如研磨剂、氧化剂、任选的添加剂等)。
举例而言，抛光组合物可藉由以下方式来制备：(i)提供所有或一部分液体载剂，(ii)使用用于制备这样的分散体的任何适宜的方式分散研磨剂(例如胶体氧化硅)、氧化剂、任选的pH调节剂和/或任何任选的添加剂，(iii)在适当的时候调节分散体的pH，且(iv)任选地将适宜量的任何其它任选组分和/或添加剂添加至混合物中。
或者，抛光组合物可藉由以下方式来制备：(i)将一种或多种组分(例如液体载剂、氧化剂、任选的pH调节剂和/或任何任选的添加剂)提供于(例如胶体氧化硅)浆料中，(ii)将一种或多种组分提供于添加剂溶液(例如液体载剂、氧化剂、任选的pH调节剂和/或任何任选的添加剂)中，(iii)组合(例如胶体氧化硅)浆料及添加剂溶液以形成混合物，(iv)任选地将适宜量的任何其它任选添加剂添加至混合物中，且(v)在适当的时候调节混合物的pH。
抛光组合物可以包括以下的单包装体系形式供应：研磨剂(例如胶体氧化硅)、氧化剂、任选的pH调节剂和/或任何任选的添加剂及水。或者，本发明的抛光组合物是以包括以下的双包装体系形式供应：(例如胶体氧化硅)浆料及添加剂溶液，其中，(例如胶体氧化硅)浆料基本上由研磨剂(例如胶体氧化硅)和/或任何任选的添加剂及水组成、或由它们组成，且其中，添加剂溶液基本上由氧化剂、任选的pH调节剂和/或任何任选的添加剂组成、或由它们组成。双包装体系容许藉由改变两个包装(亦即，(例如胶体氧化硅)浆料及添加剂溶液)的共混比率来调节基板整体修平特性及抛光速度。
可采用各种方法来利用这样的双包装抛光体系。举例而言，(例如胶体氧化硅)浆料及添加剂溶液可藉由在供应管道的出口处接合并连接的不同管道来递送至抛光台。该(例如胶体氧化硅)浆料及添加剂溶液可于抛光之前不久或即将抛光之前混合，或可同时供应于抛光台上。另外，在混合两个包装时，可视需要添加去离子水以调节抛光组合物及所得基板抛光特性。
类似地，可结合本发明使用三个、四个、或更多个包装体系，其中，多个容器中的每一者含有本发明化学-机械抛光组合物的不同组分、一种或多种任选组分、和/或一种或多种不同浓度的相同组分。
为了混合两个或更多个储存装置中所含的组分以在使用点处或在使用点附近产生抛光组合物，所述储存装置典型地提供有一个或多个自每一储存装置通向抛光组合物的使用点(例如平台、抛光垫或基板表面)的流动管线。如本文中所使用的，术语“使用点”是指将抛光组合物施加至基板表面(例如抛光垫或基板表面本身)的位点。术语“流动管线”是指自单独的储存容器流动至其中所储存组分的使用点的路径。流动管线可各自直接通向使用点，或可于任一点处将流动管线中的两者或更多者合并成通向使用点的单一流动管线。另外，任何流动管线(例如单独的流动管线或合并的流动管线)均可首先通向一个或多个其它装置(例如泵送装置、量测装置、混合装置等)，然后到达组分的使用点。
可将抛光组合物的组分独立地递送至使用点(举例而言，将组分递送至基板表面，于此在抛光制程期间混合组分)，或可在递送至使用点之前(例如在递送至使用点之前不久或即将递送至使用点之前)组合组分中的一者或多者。若在以混合形式添加至平台上之前约5分钟或更短、例如在以混合形式添加至平台上之前约4分钟或更短、约3分钟或更短、约2分钟或更短、约1分钟或更短、约45秒或更短、约30秒或更短、约10秒或更短、或者与将组分递送于使用点处的同时组合组分(例如在分配器处组合组分)，则组分是“在即将递送至使用点之前”组合的。若在使用点的5m内、例如在使用点的1m内或甚至在使用点的10cm内(例如在使用点的1cm内)组合组分，则组分也是“在即将递送至使用点之前”组合的。
当在到达使用点之前组合抛光组合物的两种或更多种组分时，可在不使用混合装置的情况下在流动管线中组合所述组分并将其递送至使用点。或者，一个或多个流动管线可通向混合装置中以促进两种或更多种组分的组合。可使用任何适宜的混合装置。举例而言，混合装置可为两种或更多种组分流经的喷嘴或喷射器(例如高压喷嘴或喷射器)。或者，混合装置可为包括以下的容器型混合装置：一个或多个入口，藉由其将抛光浆料的两种或更多种组分引入混合器中；及至少一个出口，混合组分经由其离开混合器以直接或经由设备中的其它构件(例如经由一个或多个流动管线)递送至使用点。另外，混合装置可包括超过一个的腔室，每个腔室具有至少一个入口及至少一个出口，其中，在每个腔室中组合两种或更多种组分。若使用容器型混合装置，则混合装置优选地包括用于进一步促进组分的组合的混合机构。混合机构通常为本领域已知的，且包括搅拌器、共混器、搅动器、叶片式折流板(paddled baffle)、气体喷气器系统、振动器等。
抛光组合物还可以浓缩物形式提供，该浓缩物意欲在使用之前使用适当量的水稀释。在这样的实施方式中，抛光组合物浓缩物包括这样的抛光组合物组分，所述组分的量使得在使用适当量的水稀释浓缩物时，抛光组合物的每一组分将以在上文针对每一组分所列举的适当范围内的量存在于抛光组合物中。举例而言，研磨剂、氧化剂、任选的pH调节剂和/或任何其它任选添加剂可各自以上文针对每一组分所列举浓度的约2倍(例如约3倍、约4倍或约5倍)的量存在于浓缩物中，从而在使用等体积的水(例如分别使用2等体积的水、3等体积的水或4等体积的水)稀释浓缩物时，每一组分将以在上文针对每一组分所陈述范围内的量存在于抛光组合物中。另外，如本领域普通技术人员应理解，浓缩物可含有适当分数的存在于最终抛光组合物中的水以确保研磨剂(例如胶体氧化硅)、氧化剂、任选的pH调节剂和/或任何其它任选添加剂至少部分或完全溶于浓缩物中。
化学-机械抛光组合物可用于抛光任何适宜的基板，且尤其可用于抛光包括至少一个由III-V族材料组成的层(典型地为表面层)的基板。在一些实施方式中，晶片可(例如)包括以下物质或由以下物质组成：III-V族材料与金属氧化物、金属氮化物、金属复合物、金属合金、低介电材料或其组合的组合。适宜的基板包括用于半导体工业中的晶片。优选地，该方法藉由自基板表面移除至少约
Figure GDA0001767651210000101
的III-V族材料(例如至少约
Figure GDA0001767651210000102
至少约
Figure GDA0001767651210000103
至少约
Figure GDA0001767651210000104
至少约
Figure GDA0001767651210000105
至少约
Figure GDA0001767651210000106
至少约
Figure GDA0001767651210000107
及至少约
Figure GDA0001767651210000108
来有效磨除基板的至少一部分表面。举例而言，该方法有效磨除基板的至少一部分表面，其范围为约
Figure GDA0001767651210000109
约
Figure GDA00017676512100001010
或约
Figure GDA00017676512100001011
约
Figure GDA00017676512100001012
在一些实施方式中，可使用本发明方法抛光包括III-V族材料且还包含硅氧化物、硅氮化物和/或多晶硅(例如上文所提及的材料中的任一者、两者或所有三者)的基板。可使用根据一些实施方式的抛光方法来同时移除(例如)图案化晶片中的III-V族材料及其它材料(例如硅氧化物、硅氮化物和/或多晶硅)。因此，在这样的其中基板含有硅氧化物、硅氮化物和/或多晶硅的实施方式中，该方法藉由自基板表面移除上述厚度量的III-V族材料及至少约
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厚度的硅氧化物、硅氮化物和/或多晶硅(例如至少约
Figure GDA00017676512100001014
例如约
Figure GDA00017676512100001015
至约
Figure GDA00017676512100001016
或约
Figure GDA00017676512100001017
至约
Figure GDA00017676512100001018
来有效磨除基板的至少一部分表面。
在其它实施方式中，基板可呈晶片形式，其中将III-V族材料层铺于含有另一材料(例如硅氧化物、硅氮化物和/或多晶硅)的膜上，使得仅抛光(例如)毯覆式晶片中的III-V族材料。因此，可视需要使用抛光方法以避免移除层中位于III-V族材料下方的材料(例如硅氧化物、硅氮化物和/或多晶硅)，从而该抛光称为“止于”硅氧化物、硅氮化物和/或多晶硅。因此，在这样的其中基板进一步以此方式含有硅氧化物、硅氮化物和/或多晶硅的实施方式中，该方法藉由自基板表面移除上述厚度量的III-V族材料及小于约
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厚度的硅氧化物、硅氮化物和/或多晶硅(例如小于约
Figure GDA00017676512100001020
例如约
Figure GDA00017676512100001021
至约
Figure GDA00017676512100001022
或约
Figure GDA00017676512100001023
至约
Figure GDA00017676512100001024
来有效磨除基板的至少一部分表面。
在抛光之后，可测定经抛光的基板的表面粗糙度。根据一些实施方式，该方法达成展现出约
Figure GDA00017676512100001025
或更低(例如约
Figure GDA00017676512100001026
或更低，例如约
Figure GDA00017676512100001027
至约
Figure GDA00017676512100001028
的表面粗糙度Ra的经抛光的基板(例如半导体晶片)。“Ra”是给定区段或试样的粗糙度的绝对值的算术平均值，且可藉由原子力显微法来测定。表面粗糙度指示在由一种或多种材料组成的给定表面处的平坦化能力的品质。导致展现出所需的低粗糙度的经抛光的基板的本发明方法的优选实施方式对于构建有品质的半导体器件是有利的。
根据一些实施方式，抛光方法可用于抛光含有III-V族材料的基板，同时控制毒性释出气体的输出。毒性释出气体包括氢化物，例如，胂及膦。由于CMP的动力学性质及这些气体在溶液中的低溶解性，通常认为III-V族材料易于产生这样的毒性释出气体。优选地，对于一个12英寸晶片，本发明方法的实施方式产生小于约1500份/十亿(ppb)的氢化物气体(例如胂或膦气体)，例如，小于约1000ppb、小于约750ppb、小于约500ppb、小于约250ppb或小于约100ppb，如根据在线氢化物气体监测所测定的。对于较小规模(例如1.6英寸×1.6英寸试件的抛光)而言，在一些实施方式中，毒性释出气体的产生可低于可检测的极限(例如低于约5ppb)。
本发明的化学-机械抛光组合物及方法尤其适于与化学-机械抛光装置结合使用。典型地，该装置包括：平台，该平台在使用时呈运动状态且具有因轨道、直线或圆周运动产生的速度；抛光垫，其与该平台接触且于运动时随平台移动；及夹持器，其藉由接触待抛光的基板并相对于抛光垫表面移动该基板来固持该基板。基板的抛光藉由以下方式来进行：将基板与抛光垫及本发明抛光组合物接触放置且然后相对于基板移动抛光垫，以磨除基板的至少一部分来抛光该基板。
可采用任何适宜的抛光垫(例如抛光表面)，使用化学-机械抛光组合物来抛光基板。适宜的抛光垫包括(例如)编织及非编织的抛光垫。此外，适宜的抛光垫可包括具有各种密度、硬度、厚度、可压缩性、压缩回弹能力及压缩模量的任何适宜的聚合物。适宜的聚合物包括(例如)聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龙(nylon)、氟碳化合物、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯、其共形成的产物、及其混合物。软质聚氨酯抛光垫在结合本发明抛光方法时尤其有用。典型的垫包括(但不限于)SURFINTM000、SURFINTMSSW1、SPM3100(购自(例如)Eminess Technologies)、POLITEXTM及FujiboPOLYPASTM27。尤其优选的抛光垫是购自Cabot Microelectronics Corporation的EPICTMD100垫。另外的优选抛光垫是购自Dow,Inc.的IC1010垫及购自NexPlanarCorporation的ElementTM6000和ElementTM9000。
合乎期望地，化学-机械抛光装置进一步包括原位抛光终点检测系统，其中许多所述系统为本领域已知的。本领域已知藉由分析自所抛光的基板表面反射的光线或其它辐射来检查并监测抛光制程的技术。这样的方法阐述于(例如)美国专利5,196,353、美国专利5,433,651、美国专利5,609,511、美国专利5,643,046、美国专利5,658,183、美国专利5,730,642、美国专利5,838,447、美国专利5,872,633、美国专利5,893,796、美国专利5,949,927及美国专利5,964,643中。合乎期望地，检查或监测所抛光的基板的抛光制程进展使得能够确定抛光终点，亦即确定何时结束对特定基板的抛光制程。
下列实施例进一步阐释本发明，但当然不应解释为以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
该实施例证实藉由使用抛光组合物1A-1D抛光的GaAs毯覆式晶片的毒性释出气体的受控产生。自SEMATECH,Inc.Albany,NY获得毯覆式晶片。该毯覆式晶片由纯GaAs材料组成，其呈圆形晶片形式且直径为15cm。
抛光组合物以表1中所指示的固体量含有呈胶体氧化硅形式的颗粒。胶体氧化硅颗粒具有大约70nm至85nm的平均粒度。一些抛光组合物还包含过氧化氢(H2O2)作为用于氧化GaAs的氧化剂，如表1中所指示的。抛光组合物1A-1D中的每一者还包含250ppm乙酸作为pH稳定剂。每一抛光组合物的剩余部分是水。另外，抛光组合物的pH值列示于表1中。
特定而言，在InGaAs的图案化晶片的抛光期间(所述抛光使用抛光组合物1A-1D在购自Logitech,Ltd.(Glasgow,Scotland)的Logitech桌上型抛光机进行抛光)，实施气体监测实验。该桌上型抛光机的抛光参数如下：浆料流速为200mL/min；下压力为1.5lbs/in2；平台速度为50rpm；夹持器头的速度为45rpm；夹持器头的扫掠频率为70％；及夹持器头的扫掠幅度为50％。对每一个图案化晶片实施抛光600秒。
在抛光期间，藉由在线空气采样来实施气体监测。使用购自HoneywellInternational,Analytics division,(Lincolnshire,IL)的CM4Toxic Gas Monitor气体检测器来测定作为抛光期间的毒性释出气体的胂(AsH3)的量(单位为：份/十亿(ppb))。在抛光期间，将检测器连结至数字式数据记录器，且藉由氢化物带检测(tape detection)来量测所产生的胂。5ppb的读数是最低检测极限，从而任何低于5ppb的值都指示实验噪音且可被解释为0ppb的胂气体。结果展示于表1中。
表1
Figure GDA0001767651210000131
这些结果显示，抛光组合物1A-1D在低的毒性释出气体(其中胂含量远低于5ppb)的情况下抛光GaAs毯覆式晶片。鉴于现有技术报导的在III-V材料的CMP期间的高得多的释出气体量(例如Peddeti等的ECS Journal of Solid State Science and Technology,1(4)，第184-189页(2012))，该结果是令人惊讶的。过氧化氢存在于组合物1B及1D中，但不存在于组合物1A及1C中，从而数据指示，pH可能是用于减少毒性释出气体的主要因素。pH为2.3或4.5且胶体氧化硅颗粒具有大约-40mV的负ζ电势。另外，结果展示，移除速率与可检测的释出气体是不相关的。
实施例2
该实施例说明了能够以良好的平坦性及低的表面粗糙度来抛光InP图案化晶片表面的抛光组合物。图案化晶片自SEMATECH,Inc.Albany,NY获得。形成图案，使得晶片含有具有InP金属填充物的160nm沟槽氧化物深度结构。
使用抛光组合物2A-2K在REFLEXIONTMCMP装置(Applied Materials,Inc.,SantaClara,California)上抛光InP的图案化晶片。REFLEXIONTM制程的抛光参数陈述于下表2B中。该抛光实施45至60秒的时间段。
制备含有平均粒度70nm的胶体氧化硅颗粒以及作为用于氧化InP的氧化剂的过氧化氢的抛光组合物。使用250ppm浓度的柠檬酸以稳定pH且视需要使用硝酸或氢氧化钾进行最终pH调节以达到所需的pH。每一抛光组合物的剩余部分是水。抛光组合物的成分的重量百分数及pH值列示于表2A中。
表2A
Figure GDA0001767651210000141
表2B：REFLEXIONTM制程参数
参数 值
保持环压力 31.7kPa(4.6psi)
区1 24.1kPa
区2 12.4kPa
区3 10.3kPa
头速度 57rpm
平台速度 63rpm
流速 200ml/min
调节器 S8031C7型(Saesol Diamond Ind.,Co.,Ltd.,Korea)
调节器的下压力 2.7kg(6lb)
修整 12s离位
抛光垫 <![CDATA[Dow IC1010<sup>TM</sup>抛光垫]]>
藉由原子力显微法(AFM)量测在抛光之后的每一个InP图案化晶片的表面粗糙度。特定而言，使用购自Bruker AFM Probes,Bruker Corporation,(Camarillo,CA)的BrukerD5000来实施粗糙度量测，所述量测报告于表2A中。“Rz”是指试样尺寸中的10个最低谷值的平均数与10个最高峰值的平均数之间的差值，“Ra”是指试样尺寸的绝对值的平均值，“Rq”是指均方根粗糙度，且“Rmax”是指试样尺寸的最高峰值与最低谷值之间的差值。可比较这些值以理解表面粗糙度的统计学评估相对于谷值及峰值范围的影响。
在抛光之后，轮廓测定法指示，考虑到(例如)Ra，抛光组合物2A、2B、2D、2E、2G、2J及2K达成高度有效的平坦化。另外，粗糙度量测指示优异的平坦性。如该实施例中所见的，组合物2A、2B、2D、2E、2G、2J及2K能够以良好的平坦化及低的表面粗糙度抛光III-V族材料，且据信，本发明的浆料组合物产生这些益处。据信，用于氧化III-V族材料的氧化剂(过氧化氢)的存在可用于促进高的速率及高的材料选择性。
实施例3
该实施例显示了对于InGaAs自使用抛光组合物3A-3M抛光的毯覆式晶片的移除速率的影响。自SEMATECH,Inc.Albany,NY获得毯覆式晶片。毯覆式晶片含有位于硅氧化物上的InGaAs。每一晶片具有1.6”×1.6”的尺寸。
特定而言，利用抛光组合物3A-3M使用桌上型抛光机装置来抛光InGaAs的毯覆式晶片。抛光参数如下：浆料流速为160mL/min；下压力为大约2.3PSI；平台速度为120rpm；头速度为87rpm；扫掠频率为70％；及扫掠幅度为50％。制备含有平均粒度70nm的胶体氧化硅颗粒以及作为用于氧化InGaAs的氧化剂的过氧化氢的抛光组合物。使用250ppm浓度的柠檬酸以稳定pH且视需要使用硝酸或氢氧化钾进行最终pH调节。每一抛光组合物的剩余部分是水。抛光组合物的成分的重量百分数及pH值列示于表3中。
表3
Figure GDA0001767651210000161
移除速率性能展示于表3中，其指示组合物3A-3K中的每一者的以埃
Figure GDA0001767651210000162
为单位量测的移除速率。这些结果显示了，含有pH 5或更低、适当的胶体氧化硅加载量及适当的氧化剂的本发明组合物(例如组合物3A、3B、3C、3F、3G及3K)的高的移除速率。不希望受限于任何特定理论，据信，用于氧化III-V族材料的氧化剂(过氧化氢)的存在可用于促进金属表面的均匀氧化。在本发明组合物中，胶体氧化硅颗粒具有大约-40mV的ζ电势，且移除速率的结果随pH增加(pH高于5)而降低。在pH大于5的情形下，结果趋向于不太合乎期望。尽管不希望受限于任何特定理论，但据信，这是由颗粒与表面之间的电荷不匹配或金属氧化物对表面的强烈钝化导致的。另外，结果展示，胶体氧化硅的类型不显著影响移除速率(例如参见3A及3K)。处理两种胶体氧化硅以携带阴离子电荷且具有-30mV至-40mV的ζ电势。与胶体氧化硅的类型1相比，类型2具有在颗粒表面上的较高的粗糙度。这些颗粒的电荷与表面形态的组合指示了CMP速率性能依赖于电荷且不太(less)依赖于表面形态特性。
实施例4
该实施例显示了对于InP自使用抛光组合物4A-4G抛光的图案化晶片的移除速率的影响。图案化晶片自SEMATECH,Inc.Albany,NY获得。形成图案，使得晶片含有具有InP金属填充物的160nm硅氧化物沟槽深度结构。每一晶片具有1.6”×1.6”的尺寸。
利用抛光组合物4A-4G使用桌上型抛光机如实施例3中所阐述那样对InP的图案化晶片进行抛光。
如实施例3中那样，制备含有平均粒度约70nm的两类胶体氧化硅颗粒之一的抛光组合物。根据与颗粒形态及表面化学相关的差异，将颗粒分类为“类型1”及“类型2”。类型1的特征为具有阴离子型表面处理，而类型2的特征为具有较高的表面粗糙度。包含过氧化氢作为用于氧化InP的氧化剂。抛光组合物4B及4D包含表面活性剂，而抛光组合物4A、4C及4E-4G不包含表面活性剂。表面活性剂呈C14-17烷基仲磺酸钠(sodium C14-17alkyl secsulfonate)的形式，其是以
Figure GDA0001767651210000171
形式自Clariant,Ltd.,Muttenz,Switzerland购得。使用250ppm浓度的柠檬酸以稳定pH且视需要使用硝酸或氢氧化钾进行最终pH调节。每一抛光组合物的剩余部分是水。每一组合物的pH为5。抛光组合物的成分的重量百分数列示于表4中。
表4
Figure GDA0001767651210000172
移除速率性能展示于表4中，其指示了就组合物4A-4G中的每一者的目测观察的平坦化效果而言的移除速率。这些结果显示，含有胶体氧化硅的类型2的抛光组合物(pH 5)、尤其是抛光组合物4C及4E的良好平坦化。同时，由于缺乏H2O2或固体加载量太低，抛光组合物4A-4B、4D及4F-4G(对比)不是有效的。
如该实施例中所见的，尽管不希望受限于任何特定理论，但组合物4C及4E能够达成高度有效的平坦化，且据信，固体加载量及H2O2有助于产生经改善的平坦化。另外，结果展示，在胶体氧化硅的类型2的情形下，太低的颗粒加载量妨碍平坦化性能(4G)。表面活性剂的存在妨碍平坦化(参见，例如，4A对4B、以及4C对4D)。
实施例5
该实施例显示了对于InP自使用抛光组合物5A-5C抛光的毯覆式晶片的移除速率的影响。自SEMATECH,Inc.Albany,NY获得毯覆式晶片。毯覆式晶片含有沉积于硅氧化物上的600nm的InP。利用抛光组合物5A-5C使用桌上型抛光机装置及程序如实施例1中所阐述那样对InP的毯覆式晶片进行抛光。所有三种抛光组合物的抛光时间均为40秒。浆料流速：160mL/min，下压力：2.3PSI，平台速度：120rpm，头速度：87rpm，扫掠频率：70％，及扫掠幅度：50％。
制备含有平均粒度约70-85nm的三类胶体氧化硅颗粒之一的抛光组合物。根据与颗粒电荷及形态相关的差异，将颗粒分类为“类型1”、“类型2”及“类型3”。类型1的特征为具有阴离子型表面处理，而类型2的特征为具有不同的表面形态，且“类型3”的特征为具有整体(overall)阳离子电荷。颗粒电荷差异是由表面处理所致。该实施例中的“强阴离子(strongly anionic)”是指至少约-30mV的ζ电势值，而“弱阴离子(slightly anionic)”指示约-10mV的ζ电势值。使用250ppm浓度的乙酸以稳定pH且视需要使用硝酸或氢氧化钾进行最终pH调节。每一抛光组合物的剩余部分是水。抛光组合物5A的pH为3.5，而抛光组合物5B及5C的pH为4。抛光组合物的成分的重量百分数及pH值列示于表5中。
表5
Figure GDA0001767651210000181
移除速率性能展示于表5中，其指示组合物5A-5C中的每一者的以埃
Figure GDA0001767651210000182
为单位量测的InP移除速率。表5还指示了“性能”，其基于指示是否发生抛光的扫描电子显微法的数据，且若为“良好”则反映低的粗糙度。这些结果显示，含有具有阴离子电荷的抛光研磨剂的抛光组合物的良好移除速率。尽管不希望受限于任何特定理论，但组合物5A及5C能够达成良好的InP移除速率及性能，且据信，颗粒的阴离子电荷有助于产生经改善的移除速率。与之相比，带有阳离子型表面电荷的抛光组合物5B(对比)具有低的移除及差的性能。
将本文中引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)特此通过参考引入，其参考程度如同每一篇参考文献被单独地和具体地说明以通过参考引入且在本文中被全部地阐述一样。
在描述本发明的范围中(尤其是在下列权利要求的范围中)使用术语“一个(种)(a,an)”和“所述(该，the)”和“至少一个(种)”以及类似指示物将被解释为涵盖单数和复数两者，除非在本文中另外说明或与上下文明显矛盾。术语“至少一个(种)”+一个或多个项目的列表(例如，“A和B中的至少一个(种)”)的使用应解释为意指选自所列示的项目的一个项目(A或B)或者所列示的项目中的两个或更多个的任意组合(A和B)，除非在本文中另外说明或与上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”将被解释为开放式术语(即，意味着“包括，但不限于”)，除非另外说明。本文中数值范围的列举仅仅意图用作单独提及落在该范围内的每个独立值的简写方法，除非在本文中另外说明，且在说明书中引入每个独立的值，就如同其在本文中被单独地列举一样。本文中描述的所有方法可以任何合适的顺序进行，除非在本文中另外说明或与上下文明显矛盾。本文中提供的任何和所有实施方式、或示例性语言(如，“例如”)的使用仅用来更好地说明本发明，而不是对本发明的范围加以限制，除非另外说明。本说明书中没有语言应被解释为将任何非要求保护的要素指明为对于本发明的实践所必需的。
本文中描述了本发明的优选实施方式，包括本发明人已知的用于实施本发明的最优选模式。在阅读上述描述后，那些优选实施方式的变型对于本领域普通技术人员可变得明晰。本发明人希望熟练技术人员在适当时采用这样的变型，且本发明人意图让本发明用不同于本文中具体描述的方式进行实践。因此，本发明包括如由适用的法律所允许的附于此的权利要求书中所叙述的主题的所有变型和等同物。此外，上述要素的以其所有可能的变型的任何组合被本发明所涵盖，除非在本文中另外说明或相反与上下文明显矛盾。

Claims (12)

1.化学-机械地抛光基板的方法，该方法包括：
(a)使含有至少一种III-V族材料且还包含硅氧化物、硅氮化物、或多晶硅、或其组合的基板与抛光垫及化学-机械抛光组合物接触，该化学-机械抛光组合物由水、具有-10mV至-60mV的ζ电势的胶体氧化硅研磨剂颗粒、以及0.01wt.％至5wt.％的量的用于氧化该III-V族材料的氧化剂组成，其中所述胶体氧化硅研磨剂颗粒具有20nm至200nm的平均粒度，其中该抛光组合物具有2至5的pH；
(b)相对于该基板移动该抛光垫及该化学-机械抛光组合物；及
(c)磨除该至少一种III-V族材料、以及该硅氧化物、硅氮化物、或多晶硅的至少一部分以抛光该基板。
2.权利要求1的方法，其中该III-V族材料含有Si、In、P、Ga、As、Ge、N、或其任意组合。
3.权利要求2的方法，其中该III-V族材料含有GaAs、AlAs、GaN、AlN、InN、GaInP、SiGe、InGaAs、InP、或其任意组合。
4.权利要求3的方法，其中该III-V族材料含有GaAs、InGaAs、InP、或其任意组合。
5.权利要求1的方法，其中所述研磨剂颗粒具有-20mV至-30mV的ζ电势。
6.权利要求1的方法，其中所述研磨剂颗粒以该抛光组合物的0.01wt.％至5wt.％的量存在。
7.权利要求1的方法，其中该氧化剂是过氧化氢、胺氧化物、醌、过氧羧酸、超价卤氧化物、过硫酸盐、氧化还原活性金属离子或其配位络合物、或其任意组合。
8.权利要求7的方法，其中该氧化剂是胺氧化物，包括吡啶-N-氧化物、三甲基胺-N-氧化物、2-羟基吡啶N-氧化物、8-羟基喹啉N-氧化物、吡啶甲酸N-氧化物、吡嗪N-氧化物、或其任意组合。
9.权利要求7的方法，其中该氧化剂是醌，包括：2,6-二甲氧基-1,4-苯醌；2,6-二甲基苯醌；萘醌；蒽醌；磺化萘醌，例如，1,2-萘醌-4-磺酸；磺化蒽醌，例如，蒽醌-2-磺酸；1,5-二氨基蒽醌；儿茶酚；或其任意组合。
10.权利要求7的方法，其中该氧化剂是过氧化氢。
11.权利要求1的方法，其中该氧化剂以该抛光组合物的0.01wt.％至1wt.％的量存在。
12.权利要求1的方法，其中该组合物的pH为2.3至5。
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