CN110168034A - 用于抛光硅的碳化物的组合物及方法 - Google Patents

用于抛光硅的碳化物的组合物及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供化学机械抛光组合物，其包含(a)氧化硅颗粒、(b)包含磺酸单体单元的聚合物、(c)任选地缓冲剂、以及(d)水，其中，该抛光组合物具有约2至约5的pH值。本发明进一步提供使用本发明的化学机械抛光组合物来化学机械抛光基板的方法。典型地，该基板包含硅的碳化物及硅的氮化物。

Description

用于抛光硅的碳化物的组合物及方法
背景技术
用于对基板表面进行平坦化或抛光的组合物及方法是本领域中公知的。抛光组合物(也称为抛光浆料)典型地含有在液体载剂中的研磨材料并通过使表面与用抛光组合物饱和的抛光垫接触而施加至所述表面。典型的研磨材料包括硅的二氧化物、铈的氧化物、铝的氧化物、锆的氧化物及锡的氧化物。抛光组合物典型地与抛光垫(例如抛光布或抛光盘)结合使用。代替被悬浮于抛光组合物中，或者，除了被悬浮于抛光组合物中以外，研磨材料可被引入抛光垫中。
下一代半导体器件结合了具有较大硬度以及用于高功率、高温及高频操作应用的其它合乎期望的性质的材料的使用。这样的材料包括硅的碳化物(碳化硅，siliconcarbide)及硅的氮化物(氮化硅，silicon nitride)。硅的碳化物是具有电学性质与热物理性质(包括高的实际操作温度、良好的耐腐蚀性及高的热性质)的合乎期望的组合的材料。硅的氮化物是高强度的硬质材料，具有作为蚀刻停止掩模、电绝缘体、化学扩散阻挡物或作为电容器中的介电材料的效用。然而，与集成电路所包含的其它材料相比，硅的碳化物及硅的氮化物显著地更硬且更具化学惰性。
另外，已知的抛光组合物及方法没有提供以下能力：从半导体晶片选择性地移除硅的碳化物，而不以不可接受的高水平从该同一晶片移除诸如硅的二氧化物的材料。随着用于集成电路器件的技术的发展，传统的材料正以新的且不同的方式使用，以实现先进集成电路所需的性能水平。具体地说，硅的氮化物、硅的碳化物及硅的二氧化物正以各种组合使用，以实现新的且甚至更复杂的器件配置。通常，结构复杂性及性能特性随着不同的应用而改变。
因此，一直需要开发提供相对高的硅碳化物移除速率的新的抛光方法及组合物，并且，优先于存在于半导体晶片表面上的其它材料选择性移除硅的碳化物。
发明内容
本发明提供化学机械抛光基板的方法，包括：(i)提供基板，其中该基板包含位于基板表面上的硅碳化物层；(ii)提供抛光垫；(iii)提供抛光组合物，该抛光组合物包含(a)氧化硅(silica)颗粒、(b)包含磺酸单体单元的聚合物及(c)水，其中该抛光组合物具有约2至约5的pH值；(iv)使基板与抛光垫及抛光组合物接触；以及(v)使抛光垫及抛光组合物相对于基板移动以磨除基板表面上的硅碳化物层的至少一部分从而抛光基板。
本发明还提供化学机械抛光组合物，包含：(a)含有铝离子的氧化硅颗粒，其中铝离子均匀地分布在氧化硅颗粒内，且其中氧化硅颗粒具有约40nm至约80nm的平均粒度，(b)包含磺酸单体单元的聚合物，(c)缓冲剂，以及(d)水，其中抛光组合物具有约2至约5的pH值。
具体实施方式
本发明提供化学机械抛光组合物，其包含：(a)氧化硅颗粒、(b)包含磺酸单体单元的聚合物、(c)任选地缓冲剂、以及(d)水，其中该抛光组合物具有约2至约5的pH值。
所述抛光组合物包含氧化硅(silica)颗粒。氧化硅颗粒可为任何适合的氧化硅颗粒。氧化硅颗粒可为沉淀氧化硅颗粒或缩聚氧化硅颗粒。在一些实施方式中，氧化硅颗粒包含沉淀氧化硅，诸如来自Nissan Chemical的SnowtexTM氧化硅颗粒。SnowtexTM氧化硅颗粒的非限制性实例包括ST-OL-40、ST-OZL-35及ST-PMSO产品。在一些实施方式中，氧化硅颗粒包含通过以下制备的阴离子型氧化硅颗粒：使氧化硅颗粒与诸如巯基烷基三烷氧基硅烷的巯基硅烷缩合，接着将硫醇基团氧化为硫酸根或磺酸根。适合的阴离子型氧化硅颗粒的非限制性实例是来自Fuso Chemical的PL-3D及已用铝离子表面改性的胶态氧化硅颗粒WL83A，如美国公开申请2016/0222254中所描述的。在一些实施方式中，氧化硅颗粒含有铝离子，其中铝离子均匀地分布在氧化硅颗粒内。含有铝离子的氧化硅颗粒可使用含有铝离子的硅酸盐水溶液通过沉淀法制备。可将铝离子添加至硅酸盐水溶液，或者，铝离子可作为由用于制备硅酸盐的原材料导致的硅酸盐的杂质或低含量组分出现。在该实施方式中，因为颗粒由均相溶液形成，因此，铝离子均匀地分布在氧化硅颗粒中。这不同于氧化硅颗粒的铝掺杂，其中，使已形成的氧化硅颗粒与含有铝离子的溶液接触，使得铝离子变得与氧化硅颗粒的表面结合。含有铝离子的适合的氧化硅颗粒的非限制性实例是来自Nalco的TX13573产品。
氧化硅颗粒可具有任何适合的平均粒度(即，平均颗粒直径)。对于球形的氧化硅颗粒，颗粒的尺寸为颗粒的直径。对于非球形的氧化硅颗粒，颗粒的尺寸为包围该颗粒的最小球体的直径。可使用任何适合的技术(例如使用激光衍射技术)来量测氧化硅颗粒的粒度。适合的粒度量测仪器可自例如Malvern Instruments(Malvern,UK)获得。若氧化硅颗粒的平均尺寸过小，则抛光组合物可能不会呈现足够的移除速率。与此相反，若氧化硅颗粒的平均尺寸过大，则抛光组合物会呈现不期望的抛光性能，诸如，差的基板缺陷率。
因此，氧化硅颗粒的平均粒度可为约40nm或更大，例如，约45nm或更大、或约50nm或更大。可选择地，或者此外，氧化硅颗粒的平均粒度可为约80nm或更小，例如，约75nm或更小、约70nm或更小、约65nm或更小、或约60nm或更小。因此，氧化硅颗粒可具有由任何两个上述端点界定的平均粒度。举例而言，氧化硅颗粒的平均粒度可为约40nm至约80nm、约40nm至约75nm、约40nm至约70nm、约40nm至约65nm、约40nm至约60nm、约45nm至约80nm、约45nm至约75nm、约45nm至约70nm、约45nm至约65nm、约45nm至约60nm、约50nm至约80nm、约50nm至约75nm、约50nm至约70nm、约50nm至约65nm、或约50nm至约60nm。
氧化硅颗粒优选在本发明抛光组合物中是胶体稳定的。术语胶体是指氧化硅颗粒在液体载剂(例如，水)中的悬浮液。胶体稳定性是指该悬浮液随时间的保持性。在本发明的上下文中，如果当将氧化硅颗粒置于100mL量筒中并使其无搅动地静置2小时的时间时，量筒底部50mL中的颗粒浓度([B]，以g/mL表示)与量筒顶部50mL中的颗粒浓度([T]，以g/mL表示)之间的差除以组合物中的氧化硅颗粒的初始浓度([C]，以g/mL表示)小于或等于0.5(即，{[B]-[T]}/[C]≤0.5)，则认为氧化硅颗粒是胶体稳定的。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。
抛光组合物可包含任何适合量的氧化硅颗粒。若本发明的抛光组合物包含太少的氧化硅，则组合物可能不会展现足够的移除速率。与此相反，若抛光组合物包含太多的氧化硅，则抛光组合物可能呈现不期望的抛光性能、可能不具有成本效益、及/或可能缺乏稳定性。抛光组合物可包含约10重量％或更少的氧化硅颗粒，例如，约9重量％或更少、约8重量％或更少、约7重量％或更少、约6重量％或更少、约5重量％或更少、约4重量％或更少、约3重量％或更少、约2重量％或更少、约1重量％或更少、约0.9重量％或更少、约0.8重量％或更少、约0.7重量％或更少、约0.6重量％或更少、或约0.5重量％或更少的氧化硅颗粒。可选择地，或者此外，抛光组合物可包含约0.05重量％或更多的氧化硅颗粒，例如，约0.1重量％或更多、约0.2重量％或更多、约0.3重量％或更多、约0.4重量％或更多、约0.5重量％或更多、或约1重量％或更多的氧化硅颗粒。因此，抛光组合物可包含呈由前述端点中的任何两者界定的量的氧化硅颗粒。举例而言，抛光组合物可包含约0.05重量％至约10重量％的氧化硅颗粒，例如，0.1重量％至约10重量％、约0.1重量％至约9重量％、约0.1重量％至约8重量％、约0.1重量％至约7重量％、约0.1重量％至约6重量％、约0.1重量％至约5重量％、约0.1重量％至约4重量％、约0.1重量％至约3重量％、约0.1重量％至约2重量％、约0.1重量％至约1重量％、约0.2重量％至约2重量％、约0.2重量％至约1重量％、约0.2重量％至约0.6重量％、或约0.3重量％至约0.5重量％的氧化硅颗粒。在实施方式中，抛光组合物包含约0.5重量％至约3重量％的氧化硅颗粒(例如约1重量％至约3重量％的氧化硅颗粒、或约1重量％至约2重量％的氧化硅颗粒)。
抛光组合物含有包含磺酸单体单元的聚合物(在下文中称为磺酸聚合物或共聚物)。磺酸单体单元可为包含一个或多个式-SO3H的基团的任何适合的磺酸单体单元。适合的磺酸(均)聚合物的非限制性实例包括聚乙烯基磺酸、聚苯乙烯磺酸(例如聚(4-苯乙烯磺酸))、聚烯丙基磺酸、聚乙基丙烯酸酯磺酸(poly ethyl acrylate sulfonic acid)、聚丁基丙烯酸酯磺酸(poly butyl acrylate sulfonic acid)、聚异戊二烯磺酸及其类似物。适合的磺酸共聚物包括包含磺酸单体单元及包含羧酸基团或羧酸基团衍生物(诸如酰胺)的单体的共聚物。适合的磺酸共聚物的非限制性实例包括聚(2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸)、聚(4-苯乙烯磺酸-共-顺丁烯二酸)及其类似物。在优选实施方式中，磺酸聚合物是聚苯乙烯磺酸。磺酸聚合物可以其游离酸形式、作为其盐、或作为其偏盐提供。
磺酸聚合物或共聚物可具有任何适合的分子量。磺酸聚合物或共聚物的平均分子量可为约50,000g/mol或更多，例如，约55,000g/mol或更多、约60,000g/mol或更多、约65,000g/mol或更多、约70,000g/mol或更多、约75,0000g/mol或更多、约80,000g/mol或更多、约85,000g/mol或更多、约90,000g/mol或更多、约95,000g/mol或更多、约100,000g/mol或更多、约110,000g/mol或更多、约120,000g/mol或更多、约130,000g/mol或更多、约140,000g/mol或更多、或约150,000g/mol或更多。可选择地，或者此外，磺酸聚合物或共聚物的平均分子量可为约200,000g/mol或更少，例如，约195,000g/mol或更少、约190,000g/mol或更少、约185,000g/mol或更少、约180,000g/mol或更少、约175,000g/mol或更少、约170,000g/mol或更少、约165,000g/mol或更少、约160,000g/mol或更少、约155,000g/mol或更少、或约150,000g/mol或更少。因此，磺酸聚合物或共聚物的平均分子量可由前述端点的任何两者界定。举例而言，磺酸聚合物或共聚物的平均分子量可为约50,000g/mol至约200,000g/mol、约60,000g/mol至约200,000g/mol、约70,000g/mol至约200,000g/mol、约75,000g/mol至约200,000g/mol、约80,000g/mol至约200,000g/mol、约90,000g/mol至约200,000g/mol、约100,000g/mol至约200,000g/mol、约50,000g/mol至约190,000g/mol、约50,000g/mol至约180,000g/mol、约50,000g/mol至约170,000g/mol、约50,000g/mol至约160,000g/mol、约50,000g/mol至约150,000g/mol、或约75,000g/mol至约150,000g/mol。
抛光组合物包含任何适合量的磺酸聚合物或共聚物。磺酸聚合物或共聚物的量是指抛光组合物中所存在的磺酸聚合物或共聚物的总量。抛光组合物可包含约1ppm或更多的磺酸聚合物或共聚物，例如，约5ppm或更多、约10ppm或更多、约20ppm或更多、约30ppm或更多、约40ppm或更多、或约50ppm或更多。可选择地，或者此外，抛光组合物可包含约500ppm或更少的磺酸聚合物或共聚物，例如，约450ppm或更少、约400ppm或更少、约350ppm或更少、约300ppm或更少、约250ppm或更少、约200ppm或更少、约150ppm或更少、或约100ppm或更少。因此，抛光组合物可包含呈由任意两个上述端点界定的量的磺酸聚合物或共聚物。举例而言，抛光组合物可包含约1ppm至约500ppm的磺酸聚合物或共聚物，约5ppm至约450ppm、约10ppm至约400ppm、约10ppm至约350ppm、约10ppm至约300ppm、约10ppm至约250ppm、约10ppm至约200ppm、约20ppm至约300ppm、约20ppm至约250ppm、约20ppm至约200ppm、约20ppm至约150ppm、约20ppm至约100ppm、约10ppm至约100ppm、约10ppm至约90ppm、约10ppm至约80ppm、约10ppm至约70ppm、约10ppm至约60ppm、约10ppm至约50ppm、或约10ppm至约40ppm。
在某些实施方式中，抛光组合物进一步包含氧化剂。氧化剂可为任何适合的氧化剂。合乎期望地，当用于抛光包含硅碳化物的基板时，氧化剂提高了硅碳化物的移除速率。适合的氧化剂的非限制性实例为过氧化氢。
抛光组合物可包含任何适合量的氧化剂。举例而言，抛光组合物可包含约0.1重量％至约5重量％的氧化剂(例如约0.5重量％至约3重量％的氧化剂)。
抛光组合物包含水。水可为任何适合的水且可为例如去离子水或蒸馏水。在一些实施方式中，抛光组合物可进一步包含与水组合的一种或多种有机溶剂。举例而言，抛光组合物可进一步包含：羟基类溶剂，诸如甲醇或乙醇；酮类溶剂；酰胺溶剂；亚砜溶剂；及其类似物。优选地，抛光组合物包含纯水。
抛光组合物具有约2至约5的pH值。因此，抛光组合物可具有约2或更大，例如，约2.2或更大、约2.4或更大、约2.6或更大、约2.8或更大、约3.0或更大、约3.2或更大、或约3.4或更大的pH值。可选择地，或者此外，抛光组合物可具有约5或更小，例如，约4.8或更小、约4.6或更小、约4.4或更小、约4.2或更小、或约4.0或更小的pH值。因此，抛光组合物可具有由任何两个上述端点界定的pH值。举例而言，抛光组合物可具有约2至约5，例如，约2.2至约5、约2.2至约4.8、约2.4至约4.8、约2.4至约4.6、约2.4至约4.4、约2.4至约4.2、或约2.6至约4.0的pH值。
可使用任何适合的酸或碱调节抛光组合物的pH值。适合的酸的非限制性实例包括硝酸、硫酸、磷酸、以及诸如甲酸及乙酸的有机酸。适合的碱的非限制性实例包括氢氧化钠、氢氧化钾以及氢氧化铵。
抛光组合物任选地进一步包含缓冲剂。缓冲剂可为能够将抛光组合物保持在如本文所述的pH值的任何适合的缓冲剂。适合的缓冲剂的非限制性实例包括甲酸、丙二酸、乙酸、草酸、柠檬酸及磷酸。
化学机械抛光组合物任选地进一步包含一种或多种添加剂。例示性的添加剂包括调理剂(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、防垢剂(scale inhibitor)、分散剂等。
杀生物剂在存在时可为任何适合的杀生物剂且可以任何适合的量存在于抛光组合物中。适合的杀生物剂为异噻唑啉酮杀生物剂。抛光组合物中的杀生物剂的量典型地为约1ppm至约500ppm，优选地，约10ppm至约125ppm。
在某些实施方式中，抛光组合物不含哌嗪化合物、4-吗啉化合物、氨基磺酸化合物、经取代的胺化合物、叔胺化合物、或双胺化合物、或者它们的盐。如本文所用的，短语“不含”意指抛光组合物包括不超过痕量污染物量的所述化合物，其量不足以影响在抛光期间可利用抛光组合物获得的任何SiC、SiN或SiO移除速率。在某些实施方式中，抛光组合物不含经取代的4-吗啉衍生物，诸如3-(N-吗啉基)丙磺酸(MOPS)、4-吗啉乙磺酸(MES)、β-羟基-4-吗啉丙磺酸(MOPSO)、以及它们的组合。在某些实施方式中，抛光组合物不含氨基磺酸，诸如2-[(2-羟基-1,1-双(羟甲基)乙基)氨基]乙磺酸(TES)、N-[三(羟甲基)甲基]-3-氨基丙磺酸(TAPS)、N-三(羟甲基)甲基-4-氨基丁磺酸(TABS)、N-(2-乙酰氨基)-2-氨基乙磺酸(ACES)、N,N-双(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸(BES)、3-(环己基氨基)-1-丙磺酸(CAPS)、2-(环己基氨基)乙磺酸(CHES)、以及它们的组合。在某些实施方式中，抛光组合物不含经取代的胺化合物，诸如2-羟基-3-[三(羟甲基)甲基氨基]-1-丙磺酸(TAPSO)、N-[三(羟甲基)甲基]甘氨酸(TRICINE)、N,N-双(2-羟乙基)甘氨酸(BICINE)、N-(2-乙酰氨基)亚氨基二乙酸(ADA)、2,2-双(羟甲基)-2,2',2”-次氮基三乙醇(BIS-TRIS)、3-(环己基氨基)-2-羟基-1-丙磺酸(CAPSO)、3-(N,N-双[2-羟乙基]氨基)-2-羟基丙磺酸(DIPSO)、以及它们的组合。在某些实施方式中，抛光组合物不含经取代的双胺化合物，诸如1,3-双[三(羟甲基)甲基氨基]丙烷(BIS-TRIS PROPANE)。
抛光组合物可通过任何适合的技术制备，其中许多技术是本领域技术人员已知的。抛光组合物可用分批或连续工艺制备。通常地，抛光组合物可通过以任何顺序组合其组分来制备。如本文所用的术语“组分”包括单独的成分(例如氧化硅颗粒、磺酸聚合物或共聚物、任选的缓冲剂、任选的氧化剂、任选的pH调节剂等)以及成分(例如氧化硅颗粒、磺酸聚合物或共聚物、任选的缓冲剂、任选的氧化剂、任选的pH调节剂等)的任意组合。
举例而言，氧化硅颗粒可分散于水中。然后，可加入磺酸聚合物或共聚物、任选的缓冲剂及任选的氧化剂，并且，通过能够将所述组分结合到抛光组合物中的任何方法进行混合。可在抛光组合物制备期间的任何时刻处加入氧化剂。抛光组合物可在使用之前制备，其中，刚好在使用之前(例如，在使用之前约1分钟内、或在使用之前约1小时内、或在使用之前约7天内)，将一种或多种组分(诸如氧化剂)添加至抛光组合物。还可通过在抛光操作期间将组分在基板表面处混合来制备抛光组合物。
抛光组合物可作为包含氧化硅颗粒、磺酸聚合物或共聚物、任选的缓冲剂、任选的氧化剂、任选的pH调节剂、以及水的单包装体系供应。可替代地，氧化硅颗粒可在第一容器中作为在水中的分散体供应，而且，磺酸聚合物或共聚物、任选的缓冲剂、任选的氧化剂及任选的pH调节剂可以干燥形式或作为在水中的溶液或分散体供应至第二容器中。合乎期望地，氧化剂相对于抛光组合物的其它组分单独地供应，且在使用之前不久(例如，使用前1周或更短、使用前1天或更短、使用前1小时或更短、使用前10分钟或更短、或使用前1分钟或更短)例如由终端用户与抛光组合物的其它组分组合。第一或第二容器中的组分可呈干燥形式，而其它容器中的组分可呈水性分散体的形式。此外，适宜的是，第一及第二容器中的组分具有不同的pH值，或者替代地，具有基本上相似或甚至相等的pH值。抛光组合物的组分的其它的两容器、或三容器、或更多容器的组合在本领域普通技术人员的知识范围内。
本发明的抛光组合物还可作为浓缩物提供，该浓缩物意欲在使用之前使用适当量的水进行稀释。在这样的实施方式中，抛光组合物浓缩物可包含一定量的氧化硅颗粒、磺酸聚合物或共聚物、任选的缓冲剂、任选的pH调节剂、具有或不具有任选的氧化剂，使得当用适当量的水和氧化剂(若其尚未以适当的量存在的话)稀释该浓缩物时，抛光组合物的各组分将以在上文针对各组分所列举的适当范围内的量存在于该抛光组合物中。举例而言，氧化硅颗粒、磺酸聚合物或共聚物、任选的缓冲剂及任选的pH调节剂可各自以上文针对各组分所列举的浓度的约2倍(例如，约3倍、约4倍、或约5倍)的量存在于该浓缩物中，以便当该浓缩物用等体积的水(例如，分别地，2等体积的水、3等体积的水、或4等体积的水)以及适当量的任选的氧化剂进行稀释时，各组分将以在以上针对各组分所列举的范围内的量存在于该抛光组合物中。此外，如本领域普通技术人员应理解的，该浓缩物可含有适当分数的存在于最终抛光组合物中的水，以确保其它组分至少部分或全部地溶于该浓缩物中。
本发明还提供化学机械抛光基板的方法，包括：(i)提供基板，其中该基板包含位于基板表面上的硅碳化物层；(ii)提供抛光垫；(iii)提供抛光组合物，该抛光组合物包含(a)氧化硅颗粒、(b)包含磺酸单体单元的聚合物及(c)水，其中该抛光组合物具有约2至约5的pH值；(iv)使基板与抛光垫及抛光组合物接触；以及(v)使抛光垫及抛光组合物相对于基板移动以磨除基板表面上的硅碳化物层的至少一部分从而抛光基板。
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含至少一个由硅的碳化物构成的层(典型地，表面层)的基板。适宜的基板包括半导体工业中所用的晶片。晶片典型地包含例如金属、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，或者，由例如金属、金属氧化物、金属氮化物、金属复合物、金属合金、低介电材料、或其组合组成。本发明的方法尤其可用于抛光包含硅的碳化物、硅的氮化物及/或硅的氧化物(例如上述材料中的任意一种、两种、或尤其是全部三种)的基板。在优选实施方式中，化学机械抛光组合物可用于抛光包含位于基板表面上的硅碳化物层的基板。
在某些实施方式中，基板包含硅的碳化物与硅的氮化物及/或硅的氧化物的组合。硅的碳化物可为任何适合的硅碳化物，其许多形式为本领域中已知。硅的碳化物可具有任何适合的多型(polytype)。硅的氮化物可为任何适合的硅氮化物。硅的氧化物类似地可为任何适合的硅氧化物，其许多形式为本领域中已知。硅的氧化物的适宜类型包括，但不限于，TEOS、硼磷硅玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、PETEOS、热氧化物(thermaloxide)、未经掺杂的硅酸盐玻璃、以及HDP氧化物。
当根据本发明的方法抛光包含硅的碳化物的基板时，本发明的化学机械抛光组合物合乎需要地展现出高的移除速率。举例而言，当根据本发明的实施方式抛光包含硅碳化物的硅晶片时，抛光组合物合乎需要地展现出约或更高、约或更高、约或更高、约 或更高、约或更高、约或更高、约或更高、约或更高、约或更高、或约或更高的硅碳化物移除速率。
当根据本发明的方法抛光包含硅的氮化物的基板时，本发明的化学机械抛光组合物合乎需要地展现出低的移除速率。举例而言，当根据本发明的实施方式抛光包含硅氮化物的硅晶片时，抛光组合物合乎需要地展现出约或更低，例如，约或更低、约或更低、约 或更低、约或更低、约或更低、约或更低、约或更低、约或更低、或甚至约或更低的硅氮化物移除速率。因此，当用于抛光包含硅碳化物层及硅氮化物层的基板时，抛光组合物合乎需要地展现出硅碳化物层相对于硅氮化物层的抛光选择性。第一材料相对于第二材料的抛光选择性可定义为第一材料与第二材料的移除速率之比。当第一材料的移除速率大于第二材料的移除速率时，可认为抛光组合物展现出针对第一材料的移除的选择性。
当根据本发明的方法抛光包含硅的氧化物的基板时，本发明的化学机械抛光组合物合乎需要地展现出低的移除速率。举例而言，当根据本发明的实施方式抛光包含诸如高密度等离子体(HDP)氧化物、等离子体增强的原硅酸四乙酯(tetraethyl orthosilicate,PETEOS)及/或原硅酸四乙酯(TEOS)的硅氧化物的硅晶片时，抛光组合物合乎需要地展现出约或更低，例如，或更低、约或更低、约或更低、约或更低、约或更低、约或更低、约或更低、约或更低、或甚至约或更低的硅氧化物移除速率。因此，当用于抛光包含硅碳化物层及硅氧化物层的基板时，抛光组合物合乎需要地展现出硅碳化物层相对于硅氧化物层的抛光选择性。
本发明的化学机械抛光组合物可被调整(定制，tailor)成在对特定的薄层材料具有选择性的所需抛光范围内提供有效的抛光，并同时使停止层(stop layer)的移除以及表面不完美性、缺陷、腐蚀、侵蚀最小化。通过改变抛光组合物的组分的相对浓度，可以在一定程度上控制选择性。当需要时，本发明的化学机械抛光组合物可用于以约5:1或更高(例如，约10:1或更高、约15:1或更高、约25:1或更高、约50:1或更高、约100:1或更高、或约150:1或更高)的硅碳化物对硅氮化物的抛光选择性来抛光基板。此外，本发明的化学机械抛光组合物可用于以约5:1或更高(例如，约10:1或更高、约15:1或更高、约25:1或更高、约50:1或更高、约100:1或更高、或约150:1或更高)的硅碳化物对硅氧化物的抛光选择性来抛光基板。因此，在实施方式中，当用于抛光包含至少一个硅碳化物层以及至少一个硅氮化物层和/或至少一个硅氧化物层的基板时，所述抛光组合物及抛光方法允许相比于硅氮化物及/或硅氧化物的移除优先移除硅碳化物。
本发明的化学机械抛光组合物及方法特别适合于与化学机械抛光设备结合使用。典型地，该设备包含：平台，其在使用时处于运动中并且具有由轨道、线性或圆周运动产生的速度；抛光垫，其与该平台接触且在运动时随该平台移动；以及载体，其固持待通过使该基板与该抛光垫的表面接触并且使该基板相对于该抛光垫的表面移动而抛光的基板。该基板的抛光通过如下发生：将该基板放置成与该抛光垫和本发明的抛光组合物接触，且随后使该抛光垫相对于该基板移动，以便磨除该基板的表面的至少一部分以抛光该基板。
可使用任何合适的抛光垫(例如，抛光表面)以化学机械抛光组合物对基板进行抛光。合适的抛光垫包括，例如，编织及非编织的抛光垫。此外，合适的抛光垫可包含具有不同密度、硬度、厚度、可压缩性、压缩回弹能力和压缩模量的任何合适的聚合物。合适的聚合物包括，例如，聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龙、碳氟化合物、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、其共形成产物、及其混合物。软质聚氨酯抛光垫与本发明抛光方法结合是特别有用的。典型的垫包括但不限于SURFINTM 000、SURFINTM SSW1、SPM3100(可从例如Eminess Technologies商购获得)、POLITEXTM和Fujibo POLYPASTM 27(Fujibo H7000、H800、H600、H804等，不确定这些实例是否确实需要)。
合乎需要地，该化学机械抛光设备进一步包含原位抛光终点检测系统，其中的许多是本领域中已知的。通过分析从正被抛光的基板表面反射的光或其它辐射来检查和监控抛光过程的技术是本领域中已知的。这样的方法描述于例如美国专利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和美国专利5,964,643中。合乎需要地，对于正被抛光的基板的抛光过程的进度的检查或监控使得能够确定抛光终点，即，确定何时终止对于特定基板的抛光过程。
以下实施例进一步说明本发明，但当然不应解释为以任何方式限制其范围。
实施例1
该实施例比较了由包含含有铝离子的氧化硅(silica)颗粒及磺酸聚合物或共聚物的抛光组合物显示出的硅碳化物(碳化硅，silicon carbide)(SiC)及硅氮化物(氮化硅，silicon nitride)(SiN)的移除速率。
包含SiC及SiN的毯覆式层的单独的基板用九种不同的抛光组合物(即，抛光组合物1A-1I)进行抛光。抛光组合物1A-1I中的每一者均包含：1.0重量％的Nalco TX13573氧化硅、120ppm缓冲剂、2重量％过氧化氢及15ppm的KordekTM杀生物剂(Dow Chemical,Midland,MI)、在水中、在3.5的pH值下。抛光组合物1A-1I还包括表1中所阐述的磺酸聚合物或共聚物及缓冲剂。
表1：抛光组合物1A-1I的组分
在抛光后，测定移除速率且结果阐述于表2中。
表2：随着磺酸聚合物或共聚物的类型而变化的SiC及SiN的移除速率
如自表2中所阐述的结果明晰的，本发明的抛光组合物1B-1G合乎期望地显示出良好的SiC移除速率以及约5.0至32.4的SiC/SiN选择比。通过确定SiC与SiN移除速率的比率来计算选择比。含有二辛基磺基琥珀酸盐的抛光组合物1H显示出比对照抛光组合物1A更低的SiC移除速率及更低的SiC/SiN选择比。将对比抛光组合物1I中的二辛基磺基琥珀酸盐的量提高至250ppm(即，提高单体磺酸的量)相比于对比抛光组合物1H改善了SiC/SiN选择比，但也显著地降低了SiC移除速率。
实施例2
该实施例说明了聚苯乙烯磺酸(即，磺酸聚合物)的量对于由包含含有铝离子的氧化硅颗粒及过氧化氢的抛光组合物显示出的SiC、SiN及硅氧化物(氧化硅，silicon oxide)(SiO)移除速率的影响。
包含SiC、SiN及SiO的毯覆式层的单独的基板用五种不同的抛光组合物(即，抛光组合物2A-2E)进行抛光。抛光组合物2A-2E中的每一者均包含：1.0重量％的Nalco TX13573氧化硅、120ppm甲酸(即，缓冲剂)、2重量％过氧化氢及15ppm的KordekTM杀生物剂、在水中、在3.5的pH值下。抛光组合物2B-2E还含有具有表3中所阐述的量的聚苯乙烯磺酸(PSA)。
在抛光后，测定SiC、SiN及SiO的移除速率且结果阐述于表3中。
表3：随着聚苯乙烯磺酸(PSA)浓度而变化的SiC、SiO及SiN的移除速率
如自表3中所阐述的结果明晰的，将聚苯乙烯磺酸添加至抛光组合物2B-2E对SiO的移除速率影响很小。将聚苯乙烯磺酸的浓度自0ppm提高至25ppm导致SiC/SiN选择比自约1.6提高至约22.1，同时，SiC移除速率降低约6.7％。将聚苯乙烯磺酸的浓度提高至35ppm导致了约58.1的SiC/SiN选择比，但SiC移除速率发生降低，约为由不包含任何聚苯乙烯磺酸的对照抛光组合物2A所显示出的移除速率的71.4％。因此，5-35ppm的聚苯乙烯磺酸的存在在保持良好的SiC移除速率的同时导致SiC/SiN选择比的合乎期望的提高。当将聚苯乙烯磺酸的量提高至35ppm时，SiC/SiN选择比提高，但SiC移除速率降低。
实施例3
该实施例说明了pH值对于由包含含有铝离子的氧化硅颗粒及磺酸聚合物或共聚物的抛光组合物显示出的SiC、SiN及SiO移除速率的影响。
包含SiC、SiN及SiO的毯覆式层的单独的基板用七种不同的抛光组合物(即，抛光组合物3A-3G)进行抛光。抛光组合物3A-3G中的每一者均包含：1.0重量％的Nalco TX13573氧化硅、25ppm聚苯乙烯磺酸(即，磺酸聚合物)、120ppm甲酸(即，缓冲剂)、2重量％过氧化氢及15ppm的KordekTM杀生物剂、在水中。在表4中报告了抛光组合物3A-3G的pH值。
在抛光后，测定SiC、SiN及SiO的移除速率且结果阐述于表4中。
表4：随着抛光组合物pH值而变化的SiC、SiO及SiN的移除速率
如自表4中所阐述的结果明晰的，SiC移除速率在pH 2.5至pH 5.0下保持为高的，但是，SiC移除速率在pH 6.0下为在pH 5.0下的移除速率的约45％。SiC/SiN选择比在pH2.5下的24.3至pH 4.5下的47.0的范围内，但是，在pH 6.0下为18.0。SiC/SiO选择比自pH2.5下的3.8提高至pH 3.0下的7.5且自pH 5.0下的13.4降低至pH 6.0下的6.0。因此，在这些实施方式中，SiC/SiN选择比在3.0与5.0的pH值范围中是最优化的。在2.5的pH值下，SiO移除速率超过在3.0的pH值下所观测到的移除速率的两倍。在6.0的pH值下，SiN移除速率不到在5.0的pH值下所观测到的SiN移除速率的一半。
实施例4
该实施例说明了氧化硅颗粒对于由进一步包含磺酸聚合物或共聚物及缓冲剂的抛光组合物所显示出的SiC、SiN及SiO移除速率的影响。
包含SiC、SiN及SiO的毯覆式层的单独的基板用七种不同的抛光组合物(即，抛光组合物4A-4G)进行抛光。抛光组合物4A-4G中的每一者均包含：25ppm聚苯乙烯磺酸(即，磺酸聚合物)、120ppm甲酸(即，缓冲剂)、2重量％过氧化氢及15ppm的KordekTM杀生物剂、在水中、在3.5的pH值下。抛光组合物4A-4G中的每一者进一步包含1.0重量％的表5中所列出的氧化硅的类型。CMC WL-83A是已经用铝离子表面改性的胶态氧化硅颗粒，如美国公开申请2016/0222254中所描述的。
在抛光后，测定SiC、SiN及SiO的移除速率且结果阐述于表5中。
表5：随着氧化硅颗粒而变化的SiC、SiN及SiO的移除速率
如自表5中所阐述的结果明晰的，含有Nalco TX13573氧化硅颗粒的抛光组合物4A显示出最高的SiC/SiN选择比。含有Nissan ST-OZL-35氧化硅颗粒的抛光组合物4F显示出最高的SiC移除速率。含有Nissan ST-PSMO氧化硅的抛光组合物4G显示出最高的SiC/SiO选择比。这些结果表明，可经由使用特定的氧化硅颗粒来调整(定制，tailor)SiC、SiN及SiO的移除速率以及SiC/SiN和SiC/SiO的选择比。
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佳模式。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 (19)

1.化学机械抛光基板的方法，包括：
(i)提供基板，其中该基板包含位于该基板的表面上的硅碳化物层；
(ii)提供抛光垫；
(iii)提供包含以下的抛光组合物：
(a)氧化硅颗粒，
(b)包含磺酸单体单元的聚合物，及
(c)水，
其中该抛光组合物具有约2至约5的pH值；
(iv)使该基板与该抛光垫及该抛光组合物接触；及
(v)使该抛光垫及该抛光组合物相对于该基板移动以磨除该基板的表面上的该硅碳化物层的至少一部分，从而抛光该基板。
2.权利要求1的方法，其中，所述氧化硅颗粒包含铝离子，且其中所述铝离子均匀地分布在所述氧化硅颗粒内。
3.权利要求1的方法，其中，所述氧化硅颗粒具有约40nm至约60nm的平均粒度。
4.权利要求1的方法，其中，该包含磺酸单体单元的聚合物具有约75,000克/摩尔至约200,000克/摩尔的平均分子量。
5.权利要求4的方法，其中，该包含磺酸单体单元的聚合物选自聚苯乙烯磺酸、聚(2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙磺酸)及聚(苯乙烯磺酸-共-顺丁烯二酸)。
6.权利要求1的方法，其中，该包含磺酸单体单元的聚合物是聚苯乙烯磺酸。
7.权利要求1的方法，其中，该抛光组合物进一步包含氧化剂。
8.权利要求1的方法，其中，该抛光组合物进一步包含缓冲剂。
9.权利要求1的方法，其中，该基板进一步包含位于该基板的表面上的硅氮化物层，且其中，磨除位于该基板的表面上的该硅氮化物层的至少一部分以抛光该基板。
10.权利要求1的方法，其中，该基板进一步包含位于该基板的表面上的硅氧化物层，且其中，磨除位于该基板的表面上的该硅氧化物层的至少一部分以抛光该基板。
11.化学机械抛光组合物，包含：
(a)含有铝离子的氧化硅颗粒，其中所述铝离子均匀地分布在所述氧化硅颗粒内，且其中所述氧化硅颗粒具有约40nm至约80nm的平均粒度，
(b)包含磺酸单体单元的聚合物
(c)缓冲剂，及
(d)水，
其中该抛光组合物具有约2至约5的pH值。
12.权利要求11的抛光组合物，其中，所述氧化硅颗粒具有约40nm至约60nm的平均粒度。
13.权利要求11的抛光组合物，其中，所述氧化硅颗粒是基本上球形的。
14.权利要求11的抛光组合物，其中，该包含磺酸单体单元的聚合物具有约75,000克/摩尔至约200,000克/摩尔的平均分子量。
15.权利要求11的抛光组合物，其中，该包含磺酸单体单元的聚合物选自聚苯乙烯磺酸、聚(2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙磺酸)及聚(苯乙烯磺酸-共-顺丁烯二酸)。
16.权利要求11的抛光组合物，其中，该缓冲剂选自甲酸、丙二酸、乙酸、草酸、柠檬酸及磷酸。
17.权利要求11的抛光组合物，其中，该抛光组合物进一步包含氧化剂。
18.权利要求17的抛光组合物，其中，该氧化剂为过氧化氢。
19.权利要求11的抛光组合物，其中，该抛光组合物不含哌嗪化合物、4-吗啉化合物、氨基磺酸化合物、经取代的胺化合物、叔胺化合物、或双胺化合物、或者它们的盐。
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