CN110192272A - 间隙填充介电材料 - Google Patents

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海伦·晓·徐
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Abstract

本发明公开了一种用于使半导体器件表面平面化的组合物，该组合物包含聚(甲基倍半硅氧烷)树脂；季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者；以及至少一种溶剂。聚(甲基倍半硅氧烷)树脂在该组合物的1重量％至40重量％的范围内。聚(甲基倍半硅氧烷)树脂具有500Da与5,000Da之间的重均分子量。季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者在该组合物的0.01重量％至0.20重量％的范围内。至少一种溶剂构成该组合物的剩余部分。

Description

间隙填充介电材料
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年1月20日提交的美国临时专利申请序列号62/448,488的优先权，该临时专利申请的公开内容据此全文明确地以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及介电材料，并且具体地讲，涉及用于半导体制造的间隙填充介电材料。
背景技术
在先进半导体制造中，需要可旋涂到半导体器件的表面上的介电材料以填充器件结构之间的狭窄空间或间隙，从而提供适用于后续器件层处理的相对平坦的表面。
要为具有约20纳米宽及更窄的间隙的先进半导体器件提供平面化，需要对平面化介电材料加以改进。重要的是此类介电材料不含空隙并且基本上能够抑制流过介电材料的电流(泄漏电流)。
发明内容
用于使半导体器件表面平面化的组合物包含聚(甲基倍半硅氧烷)树脂；季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者；以及至少一种溶剂。聚(甲基倍半硅氧烷)树脂在该组合物的1重量％至40重量％的范围内。聚(甲基倍半硅氧烷)树脂具有500Da与5,000Da之间的重均分子量。季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者在该组合物的0.01重量％至0.20重量％的范围内。至少一种溶剂构成该组合物的剩余部分。
各种实施方案涉及用于使半导体器件表面平面化的组合物。该组合物包含聚(甲基倍半硅氧烷)树脂；季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者；以及至少一种溶剂。聚(甲基倍半硅氧烷)树脂在该组合物的1重量％至40重量％的范围内。聚(甲基倍半硅氧烷)树脂具有500Da与5,000Da之间的重均分子量。季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者在该组合物的0.01重量％至0.20重量％的范围内。至少一种溶剂构成该组合物的剩余部分。在一些实施方案中，季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者包含氨基丙基三乙氧基硅烷三氟甲磺酸盐。在一些实施方案中，至少一种溶剂是包含丙二醇甲醚乙酸酯和乙酸正丁酯的溶剂混合物，其中丙二醇甲醚乙酸酯与乙酸正丁酯的重量比在0.5:1至2:1的范围内。在一些特定实施方案中，该组合物还包含在该组合物的0.05重量％至5重量％的范围内的高沸点溶剂，该高沸点溶剂具有154℃至274℃的范围内的沸点。在一些另外的实施方案中，高沸点溶剂包含1-辛醇、苄醇、己醇、乙二醇、二丙二醇、二丙二醇甲醚、二丙二醇正丙醚、三丙二醇正丁醚、苯甲醚以及碳酸丙稀酯中的至少一者。在一些实施方案中，该组合物还包含在该组合物的0.05重量％至8重量％的范围内的苯基倍半硅氧烷。在一些实施方案中，该组合物还包含在该组合物的0.25重量％至1重量％的范围内的表面活性剂。在一些特定实施方案中，表面活性剂包括聚醚改性聚二甲基硅氧烷表面活性剂。在一些实施方案中，聚(甲基倍半硅氧烷)具有1,200Da与4,300Da之间的重均分子量。
各种实施方案涉及用于制备平面化组合物的方法。该方法包括提供重均分子量在500Da与5,000Da之间的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂；提供一种或多种溶剂；将聚(甲基倍半硅氧烷)树脂溶解于一种或多种溶剂中以形成聚(甲基倍半硅氧烷)溶液；以及将季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者溶解于聚(甲基倍半硅氧烷)溶液中以形成平面化组合物。在一些实施方案中，季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者包含氨基丙基三乙氧基硅烷三氟甲磺酸盐。在一些实施方案中，提供一种或多种溶剂包括将丙二醇甲醚乙酸酯和乙酸正丁酯共混在一起，丙二醇甲醚乙酸酯与乙酸正丁酯的重量比在0.5:1至2:1的范围内。在一些特定实施方案中，提供一种或多种溶剂还包括将高沸点溶剂与丙二醇甲醚乙酸酯和乙酸正丁酯共混在一起，该高沸点溶剂具有154℃至274℃的范围内的沸点。在一些实施方案中，该方法还包括提供苯基倍半硅氧烷；将苯基倍半硅氧烷溶解于溶剂中以形成苯基倍半硅氧烷溶液；并将苯基倍半硅氧烷溶液与聚(甲基倍半硅氧烷)溶液共混以形成平面化组合物。在一些实施方案中，该方法还包括将表面活性剂溶解于聚(甲基倍半硅氧烷)溶液中。在一些实施方案中，该方法还包括通过一系列至少两个0.1微米过滤器过滤平面化组合物。
各种实施方案包括用于半导体器件的平面化膜。该膜包含由重均分子量在500Da与5,000Da之间的聚(甲基倍半硅氧烷)聚合物链形成的固化的聚(甲基倍半硅氧烷)。在一些实施方案中，平面化膜还包含季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者的残基。在特定实施方案中，季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者的残基包含氨基丙基三乙氧基硅烷三氟甲磺酸盐的残基。在一些实施方案中，平面化膜还包含苯基倍半硅氧烷的残基。
通过结合附图参考以下对本发明实施方案的描述，本发明的上述特征和其他特征及其获得方式将变得更加明显，并且将更好地理解本发明本身。
附图说明
图1是示出待平面化的表面形貌的半导体器件的一部分的示意性横截面。
图2是示出根据本公开的实施方案通过平面化膜使表面形貌平面化的图1的半导体器件的部分的示意性横截面。
图3是由高分子量聚(甲基倍半硅氧烷)树脂形成的平面化膜的TEM显微照片。
图4是根据本公开的实施方案形成的平面化膜的TEM显微照片。
图5是根据本公开的实施方案形成的另一个平面化膜的TEM显微照片。
具体实施方式
本公开的实施方案可在组合物中采用聚(甲基倍半硅氧烷)树脂以便旋涂到半导体器件的表面上，从而使半导体器件表面平面化。已发现根据本公开的实施方案通过使聚(甲基倍半硅氧烷)组合物固化而形成的平面化膜表现出优异介电属性和低泄漏电流水平。还已发现平面化膜在氮气中在最高至450℃下是热稳定的并且是尺寸稳定的。
图1是示出待平面化的表面形貌的半导体器件的一部分的示意性横截面。图1示出了包括衬底12和多个翅片14的器件10。衬底12可为例如绝缘材料(诸如二氧化硅或氮化硅)层。衬底12可在其他器件层(未示出)的顶部上。多个翅片14可为例如导电材料(诸如掺杂硅、铜或铝)的翅片。多个翅片14形成多个间隙16，每个间隙16由相邻翅片对14限定，如图1所示。如图1进一步所示，每个间隙16可被描述为具有宽度W和深度D。因此，每个间隙16可进一步由长径比限定。出于本公开的目的，每个间隙16的长径比是其深度D与其宽度W的比率，通常表示为D:W。具有更高长径比(诸如4:1、6:1、8:1或10:1或更高)的间隙对于用平面化膜完全或基本上完全填充可具有挑战性。
图2是示出根据本公开的实施方案通过平面化膜使表面形貌平面化的图1的半导体器件10的部分的示意性横截面。图2示出了根据本公开的实施方案在由聚(甲基倍半硅氧烷)组合物形成平面化膜18之后的器件10。平面化膜18填充多个间隙16中的每一个间隙以提供优异介电特性并且使相邻翅片14之间的泄漏电流最小化。平面化膜还提供可在其上形成后续器件层(未示出)的基本上平坦的表面。
图1和图2示出了可采用根据本公开的实施方案的平面化膜的一个示例。应当理解，可在涉及导电、非导电和半导体材料的不同布置方式的许多其他形貌上采用根据本公开的实施方案的平面化膜。
已发现，通过将该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂的重均分子量(Mw)限制于不大于5,000道尔顿(Da)，该组合物可为具有包括约20纳米宽及更窄的间隙的形貌的先进半导体器件提供平面化，这些间隙具有至少4:1的长径比。相比之下，发现包含Mw大于10,000Da的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂的组合物不能以至少4:1的长径比填充20纳米宽的间隙而没有明显缺陷，包括随后固化的膜中的空隙。不希望受任何理论的束缚，据信较低分子量聚(甲基倍半硅氧烷)所提供的较低粘度使得能够填充20纳米宽且处于高长径比的间隙。
在一些实施方案中，该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂的重均分子量(Mw)低至500Da、600Da、700Da、800Da、1,000Da或1,200Da，或高至1,600Da、2,100Da、2,600Da、3,400Da、4,300Da或5,000Da，或在由任何两个前述值限定的任何范围内。例如，在一些实施方案中，该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂的Mw在500Da至5,000Da、600Da至4,300Da、1,000Da至2,100Da、1,200Da至4,300Da、或1,200Da至1,600Da的范围内。在一些实施方案中，该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂的Mw为约1,300Da。如本领域中所公知的，Mw可通过凝胶渗透色谱法测量。
在一些实施方案中，该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂中的至少90％硅存在于重均分子量小于或等于5,000Da的聚(甲基倍半硅氧烷)聚合物链中，并且该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂中的少于10％硅存在于具有重均分子量大于5,000Da的聚(甲基倍半硅氧烷)聚合物链中。在一些实施方案中，该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂中的至少92％、94％、96％、98％或99％(或任何前述值之间的任何值)硅存在于重均分子量小于或等于5,000Da的聚(甲基倍半硅氧烷)聚合物链中，并且该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂中的不超过8％、6％、4％、2％或1％(或任何前述值之间的任何值)的硅存在于具有重均分子量大于5,000Da的聚(甲基倍半硅氧烷)聚合物链中。
该组合物可包含重均分子量介于500Da与5,000Da之间的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂以及使聚(甲基倍半硅氧烷)溶解的至少一种溶剂。在一些实施方案中，至少一种溶剂可包括单种溶剂，诸如乙二醇醚、乙二醇醚乙酸酯、乙酸正丁酯、酮或醇。乙二醇醚可包括例如丙二醇丙醚或丙二醇甲醚。乙二醇醚乙酸酯可包括例如丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)、乙酸2-乙氧基乙酯或乙酸2-甲氧基乙酯。酮可包括例如丙酮或二乙酮。醇可包括例如异丙醇、丁醇或乙醇。在其他实施方案中，至少一种溶剂包括两种或更多种前述溶剂的混合物。例如，在一些实施方案中，至少一种溶剂可包括具有相对中等沸点的溶剂(诸如PGMEA)和具有相对较低沸点的另一种溶剂(诸如乙酸正丁酯)的混合物。已发现，通过将PGMEA与乙酸正丁酯共混，所得的平面化膜表现出与仅包含PGMEA作为溶剂的实施方案相比时更少的辉纹和风纹缺陷。
在一些实施方案中，PGMEA与乙酸正丁酯的重量比可低至0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1或0.9:1，或高至1.1:1、1.2:1、1.4:1、1.6:1、1.8:1或2:1，或在由任何两个前述值限定的任何范围内。例如，在一些实施方案中，PGMEA与乙酸正丁酯的重量比在0.5:1至2:1、0.6:1至1.8:1、0.7:1至1.6:1、0.8:1至1.4:1、或0.9:1至1.2:1的范围内。在一些实施方案中，PGMEA与乙酸正丁酯的重量比为约1:1。在一些实施方案中，至少一种溶剂由任何前述比率的PGMEA和乙酸正丁酯组成。
在一些实施方案中，该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂的浓度可低至该组合物的总重量的1重量百分比(重量％)、5重量％、10重量％或15重量％，或高至25重量％、30重量％、35重量％或40重量％，或在由任何两个前述值限定的任何范围内，该组合物的剩余部分是至少一种溶剂。在一些实施方案中，该组合物中的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂的浓度可在该组合物的总重量的1重量％至40重量％、5重量％至35重量％、10重量％至30重量％、或15重量％至25重量％的范围内，该组合物的剩余部分是至少一种溶剂。
在一些实施方案中，该组合物还可包含季铵盐和/或氨基丙基三乙氧基硅烷盐。已发现，添加季铵盐(诸如四甲基硝酸铵、四丁基乙酸铵、四甲基乙酸铵、四丁基硝酸铵)和/或氨基丙基三乙氧基硅烷盐(诸如氨基丙基三乙氧基硅烷三氟甲磺酸盐)可减少该组合物的除气，该组合物在涂布到半导体器件的表面上之后进行加热时可发生该除气。这种除气可不利地影响各种半导体工艺，降低长期器件可靠性，并且缩短用于制备半导体器件的设备的使用寿命。
在一些实施方案中，该组合物中的季铵盐和/或氨基丙基三乙氧基硅烷盐的浓度可低至该组合物的总重量的0.01重量％、0.02重量％、0.04重量％、0.06重量％或0.08重量％，或高至0.12重量％、0.14重量％、0.16重量％、0.18重量％或0.20重量％，或在由任何两个前述值限定的任何范围内。在一些实施方案中，该组合物中的季铵盐和/或氨基丙基三乙氧基硅烷盐的浓度可在该组合物的总重量的0.01重量％至0.20重量％、0.02重量％至0.18重量％、0.04重量％至0.16重量％、0.06重量％至0.14重量％、或0.08重量％至0.12重量％的范围内。在一些实施方案中，该组合物中的季铵盐和/或氨基丙基三乙氧基硅烷盐的浓度可为约0.1重量％。
在一些实施方案中，该组合物还可包含高沸点溶剂。已发现，高沸点溶剂的添加可进一步改善平面化膜的间隙填充和平面化特性。不希望受任何理论的束缚，据信具有高蒸气压的高沸点溶剂往往将在旋涂和后续烘烤工艺期间在该组合物中保留更久。据信高沸点溶剂改善该组合物的流体属性，从而提高该组合物整平并填充高长径比特征之间的间隙的能力。在一些实施方案中，高沸点溶剂的沸点可低至154℃、170℃、180℃或190℃，或高至213℃、230℃、245℃或274℃，或在任何两个前述值之间。在一些实施方案中，高沸点溶剂的沸点可在154℃至274℃、170℃至245℃、180℃至230℃、或190℃至213℃的范围内。高沸点溶剂的示例包括1-辛醇、苄醇、己醇、乙二醇、二丙二醇、二丙二醇甲醚、二丙二醇正丙醚、三丙二醇正丁醚、苯甲醚以及碳酸丙烯酯。
在一些实施方案中，该组合物中的高沸点溶剂的浓度可低至该组合物的总重量的0.05重量％、0.07重量％、0.1重量％或0.2重量％，或高至0.7重量％、1重量％、2重量％或5重量％，或在由任何两个前述值限定的任何范围内。在一些实施方案中，该组合物中的高沸点溶剂的浓度可在该组合物的总重量的0.05重量％至5重量％、0.07重量％至2重量％、0.1重量％至1重量％、或0.2重量％至0.7重量％的范围内。在一些实施方案中，该组合物中的高沸点溶剂的浓度可为该组合物的总重量的约0.5重量％。
在一些实施方案中，该组合物还可包含苯基倍半硅氧烷。苯基倍半硅氧烷可充当增塑剂，从而进一步改善该组合物的流体属性。在一些实施方案中，该组合物中的苯基倍半硅氧烷的浓度可低至该组合物的总重量的0.05重量％、0.1重量％、0.2重量％或0.3重量％，或高至1重量％、2重量％、4重量％或8重量％，或在由任何两个前述值限定的任何范围内。在一些实施方案中，该组合物中的苯基倍半硅氧烷的浓度可在该组合物的总重量的0.05重量％至8重量％、0.1重量％至4重量％、0.2重量％至2重量％、或0.3重量％至1重量％的范围内。在一些实施方案中，该组合物中的苯基倍半硅氧烷的浓度可为该组合物的总重量的约0.5重量％。
在一些实施方案中，该组合物还可包含表面活性剂。已发现，表面活性剂可进一步减少辉纹和风纹缺陷，这在该组合物被旋涂到较大直径的半导体器件晶圆(诸如300mm直径的晶圆)时可特别有用。在一些实施方案中，表面活性剂可为聚醚改性聚二甲基硅氧烷表面活性剂，诸如购自德国韦塞尔的毕克化学公司(BYK-Chemie,Wesel,Germany)的或
在一些实施方案中，该组合物中的表面活性剂的浓度可低至该组合物的总重量的0.25重量％、0.3重量％、0.4重量％或0.5重量％，或高至0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％或1重量％，或在由任何两个前述值限定的任何范围内。在一些实施方案中，该组合物中的表面活性剂的浓度可在该组合物的总重量的0.25重量％至1重量％、0.30重量％至0.90重量％、0.40重量％至0.80重量％、或0.50重量％至0.70重量％的范围内。
用于制备根据本公开的实施方案的平面化组合物的方法可包括提供重均分子量在500Da与5,000Da之间的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂以及提供根据上述任何实施方案的一种或多种溶剂。聚(甲基倍半硅氧烷)树脂可溶解于一种或多种溶剂中以形成聚(甲基倍半硅氧烷)溶液。根据上述任何实施方案的季铵盐和/或氨基丙基三乙氧基硅烷盐可溶解于聚(甲基倍半硅氧烷)溶液中以形成平面化组合物。
在一些实施方案中，提供一种或多种溶剂可包括将PGMEA和乙酸正丁酯以根据上述任何实施方案的比率共混在一起。在一些实施方案中，提供一种或多种溶剂还可包括共混在根据上述任何实施方案的高沸点溶剂中。
在一些实施方案中，用于制备平面化组合物的方法还可包括提供根据上述任何实施方案的苯基倍半硅氧烷。苯基倍半硅氧烷可溶解于一种或多种溶剂中以形成苯基倍半硅氧烷溶液。一种或多种溶剂可与为溶解聚(甲基倍半硅氧烷)而提供的一种或多种溶剂相同或不同。例如，聚(甲基倍半硅氧烷)可溶解于PGMEA与乙酸正丁酯的1:1混合物中，并且苯基倍半硅氧烷可溶解于PGMEA中。苯基倍半硅氧烷溶液可与聚(甲基倍半硅氧烷)溶液共混以形成平面化组合物。
在一些实施方案中，用于制备平面化组合物的方法还可包括提供根据上述任何实施方案的表面活性剂以及将表面活性剂溶解于聚(甲基倍半硅氧烷)溶液中以形成平面化组合物。
在一些实施方案中，可将平面化组合物在滚轴混合器上混合过夜而得到均匀溶液。在一些实施方案中，可通过一系列至少两个0.1微米过滤器过滤平面化组合物。
在使用中，可将根据本公开的实施方案的平面化组合物旋涂到半导体器件晶圆的表面上，从而使该表面的形貌平面化。然后可将半导体器件晶圆在120℃至280℃范围内的温度下烘烤1分钟至5分钟范围内的时间，以从平面化组合物馏出基本上所有该一种或多种溶剂。随后可使半导体器件晶圆在约400℃至约450℃范围内的温度下固化以形成平面化膜。平面化膜可为半导体器件的永久部分。
根据本公开的实施方案的平面化膜可包含由重均分子量在500Da与5,000Da之间的聚(甲基倍半硅氧烷)聚合物链形成的固化的聚(甲基倍半硅氧烷)。在一些实施方案中，平面化膜还可包含根据上述任何实施方案的季铵盐和/或氨基丙基三乙氧基硅烷盐的残基，诸如氨基丙基三乙氧基硅烷三氟甲磺酸盐。在一些实施方案中，平面化膜还可包含根据上述任何实施方案的苯基倍半硅氧烷的残基。在一些实施方案中，平面化膜还可包含根据上述任何实施方案的表面活性剂残基，包括聚醚改性聚二甲基硅氧烷表面活性剂，诸如
尽管已经相对于示例性设计描述了本发明，但是可以在本公开的实质和范围内进一步修改本发明。此外，本申请旨在涵盖本发明所属领域的已知或惯常实践内的与本公开的此类偏离。
实施例
比较例1
高分子量聚(甲基倍半硅氧烷)
聚(甲基倍半硅氧烷)树脂GR 650可购自俄亥俄州佩里斯堡的Techneglas公司(Techneglas,Perrysburg,Ohio)。通过以下方式得出聚(甲基倍半硅氧烷)的重均分子量(Mw)：制备PGMEA与乙酸正丁酯的50/50混合物中的45重量％聚(甲基倍半硅氧烷)的溶液，然后使用0.1微米过滤器过滤该溶液。随后通过如本领域中所公知的凝胶渗透色谱法(GPC)分析过滤后的溶液以确定Mw。得出聚(甲基倍半硅氧烷)的Mw为10,223Da。
将100克(g)的10,223Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂添加到400g的丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)中。将该组合在滚轴混合器上混合过夜以确保均质性。通过一系列两个0.1微米过滤器过滤所得的溶液。将该溶液旋涂到200mm直径的图案化测试晶圆上，该图案化测试晶圆包括宽度为约20nm且深度为约80nm至100nm的高长径比特征。将具有流延膜的晶圆在一系列三个热板上各烘烤60秒，这些热板分别具有140℃、150℃和210℃的温度。将具有经烘烤的膜的晶圆在425℃的热板上在氮气环境中固化5分钟，并且立即在冷却板上冷却。通过隧道电子显微镜(TEM)分析来评估图案化晶圆的间隙填充。图3示出了由10,223Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂形成的平面化膜的TEM显微照片。如图3所示，在高长径比特征中观察到许多空隙。观察到热板烘烤期间的严重除气。
实施例2
低分子量聚(甲基倍半硅氧烷)
分子量为约1.5K Da的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂GR 650可购自俄亥俄州佩里斯堡的Techneglas公司(Techneglas,Perrysburg,Ohio)。通过以下方式得出聚(甲基倍半硅氧烷)的实际重均分子量(Mw)：制备PGMEA与乙酸正丁酯的50/50混合物中的45重量％聚(甲基倍半硅氧烷)的溶液，然后使用0.1微米过滤器过滤该溶液。随后通过如本领域中所公知的凝胶渗透色谱法(GPC)分析过滤后的溶液以确定Mw。得出聚(甲基倍半硅氧烷)的Mw为1,323Da。
将100g的1,323Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂添加到400g的丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)中。将该组合在滚轴混合器上混合过夜以确保均质性。通过一系列两个0.1微米过滤器过滤所得的溶液。将该溶液旋涂到200mm直径的空白硅晶圆上。将具有流延膜的晶圆在一系列三个热板上各烘烤60秒，这些热板分别具有140℃、150℃和210℃的温度。将具有经烘烤的膜的晶圆在425℃的热板上在氮气环境中固化5分钟，并且立即在冷却板上冷却。在50x放大倍率的光学显微镜下评估200mm经涂布的晶圆的膜缺陷。观察到辉纹和风纹缺陷。还观察到热板烘烤期间的严重除气。
实施例3
低分子量聚(甲基倍半硅氧烷)和溶剂共混物
将210g的PGMEA和210g的乙酸正丁酯共混在一起以形成溶剂混合物。将100g的1,323聚(甲基倍半硅氧烷)树脂与420g的溶剂混合物组合。将该组合在滚轴混合器上混合过夜以确保均质性。通过一系列两个0.1微米过滤器过滤该溶液。
将该溶液旋涂到200mm直径的空白硅晶圆上。将具有流延膜的晶圆在一系列三个热板上各烘烤60秒，这些热板分别具有140℃、150℃和210℃的温度。将具有经烘烤的膜的晶圆在425℃的热板上在氮气环境中固化5分钟，并且立即在冷却板上冷却。在50x放大倍率的光学显微镜下观察晶圆。未观察到辉纹或风纹缺陷。观察到热板烘烤期间的严重除气。
实施例4
低分子量聚(甲基倍半硅氧烷)、溶剂共混物、氨基丙基三乙氧基硅烷盐
将210g的PGMEA和210g的乙酸正丁酯共混在一起以形成溶剂混合物。将100g的1,323Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂与420g的溶剂混合物组合。将该组合在滚轴混合器上混合过夜以确保均质性。通过一系列两个0.1微米过滤器过滤所得的溶液。将0.33g的氨基丙基三乙氧基硅烷三氟甲磺酸盐添加到聚(甲基倍半硅氧烷)的溶液中，并且在滚轴混合器上混合1小时以确保均质性，然后通过一系列两个0.1微米过滤器过滤。
将该溶液旋涂到200mm直径的空白硅晶圆和200mm直径的图案化测试晶圆上，该图案化测试晶圆包括宽度为约20nm且深度为约80nm至100nm的高长径比特征。将具有流延膜的晶圆在一系列三个热板上各烘烤60秒，这些热板分别具有140℃、150℃和210℃的温度。将具有经烘烤的膜的晶圆在425℃的热板上在氮气环境中固化5分钟，并且立即在冷却板上冷却。在50x放大倍率的光学显微镜下观察经涂布的空白硅晶圆。未观察到辉纹或风纹缺陷。在任何热板烘烤时均未在经涂布的空白硅晶圆上观察到除气。通过隧道电子显微镜(TEM)分析来评估图案化测试晶圆的间隙填充。图4示出了由1,323Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂形成的平面化膜的TEM显微照片。如图4所示，平面化和间隙填充良好，且未在高长径比特征中观察到空隙。
实施例5
低分子量聚(甲基倍半硅氧烷)、溶剂共混物、苯基倍半硅氧烷
将410g的PGMEA和410g的乙酸正丁酯共混在一起以形成溶剂混合物。将100g的1,323Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂与420g的溶剂混合物组合。将该组合在滚轴混合器上混合过夜以确保均质性。通过一系列两个0.1微米过滤器过滤所得的溶液。将23g的苯基倍半硅氧烷与77g的PGMEA组合以形成苯基倍半硅氧烷溶液。将苯基倍半硅氧烷溶液在滚轴混合器上混合过夜以确保均质性，然后通过一系列两个0.1微米过滤器过滤。将0.33g的氨基丙基三乙氧基硅烷三氟甲磺酸盐添加到聚(甲基倍半硅氧烷)的溶液中，并且在滚轴混合器上混合1小时以确保均质性，然后通过一系列两个0.1微米过滤器过滤。
将聚(甲基倍半硅氧烷)溶液与苯基倍半硅氧烷溶液以三种比例组合以形成供评估的三个单独批次。在第一批次中，将90g的聚(甲基倍半硅氧烷)溶液与10g的苯基倍半硅氧烷溶液组合。在第二批次中，将80g的聚(甲基倍半硅氧烷)溶液与20g的苯基倍半硅氧烷溶液组合。在第三批次中，将70g的聚(甲基倍半硅氧烷)溶液与30g的苯基倍半硅氧烷溶液组合。
将这些溶液中的每种溶液旋涂到三个不同200mm直径的空白硅晶圆上。将具有流延膜的晶圆在一系列三个热板上各烘烤60秒，这些热板分别具有140℃、150℃和210℃的温度。将具有经烘烤的膜的晶圆在425℃的热板上在氮气环境中固化5分钟，并且立即在冷却板上冷却。检查这些晶圆，并发现平面化膜是模糊的。
实施例6
低分子量聚(甲基倍半硅氧烷)、溶剂共混物、表面活性剂
将210g的PGMEA和210g的乙酸正丁酯共混在一起以形成溶剂混合物。将100g的1,323Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂与420g的溶剂混合物组合。将该组合在滚轴混合器上混合过夜以确保均质性。通过一系列两个0.1微米过滤器过滤所得的溶液。
将表面活性剂以三种重量百分比添加到聚(亚甲基倍半硅氧烷)的溶液中。在第一批次中，将1.5g的表面活性剂添加到150g的聚(甲基倍半硅氧烷)的溶液中，使得表面活性剂占该溶液的1重量％。在第二批次中，将0.75g的表面活性剂添加到150g的聚(甲基倍半硅氧烷)的溶液中，使得表面活性剂占该溶液的0.5重量％。在第三批次中，将0.375g的表面活性剂添加到150g的聚(甲基倍半硅氧烷)的溶液中，使得表面活性剂占该溶液的0.25重量％。将所得溶液各自在滚轴混合器上混合1小时以确保均质性，然后通过一系列两个0.1微米过滤器过滤。
将这些溶液中的每种溶液旋涂到不同300mm直径的空白硅晶圆上。将具有流延膜的晶圆在一系列三个热板上各烘烤60秒，这些热板分别具有140℃、150℃和210℃的温度。将具有经烘烤的膜的晶圆在425℃的热板上在氮气环境中固化5分钟，并且立即在冷却板上冷却。在50x放大倍率的光学显微镜下观察经涂布的晶圆。在用1重量％表面活性剂溶液涂布的晶圆中观察到辉纹和风纹缺陷。在用0.5重量％溶液或0.25重量％溶液涂布的晶圆中未观察到辉纹或风纹缺陷。
实施例7
低分子量聚(甲基倍半硅氧烷)、高沸点溶剂
将420g的PGMEA和420g的乙酸正丁酯共混在一起以形成溶剂混合物。将200g的1,323Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂与840g的溶剂混合物组合。将该组合在滚轴混合器上混合1小时以形成溶液。制备该溶液的八个100g部分。将0.5g的八种高沸点溶剂中的每一种连同0.06g的氨基丙基三乙氧基硅烷三氟甲磺酸盐一起添加到八个100g部分中的不同部分中，以形成包含0.5重量％高沸点溶剂的溶液。将所得部分各自在滚轴混合器上混合30分钟，然后通过一系列两个0.1微米过滤器过滤。所使用的八种高沸点溶剂是：1-辛醇、苄醇、己醇、乙二醇、二丙二醇甲醚、二丙二醇正丙醚、三丙二醇正丁醚以及苯甲醚。
重复该工艺两次，从而增加所添加的高沸点溶剂的量(1g和5g)以产生形成包含1重量％高沸点溶剂的溶液的第二组八个100g部分，以及形成包含5重量％高沸点溶剂的溶液的第三组八个100g部分。
将这24个部分中的每个部分旋涂到不同100mm直径的空白硅晶圆上。将具有流延膜的24个晶圆在一系列三个热板上各烘烤60秒，这些热板分别具有140℃、150℃和210℃的温度。将具有经烘烤的膜的晶圆在425℃的热板上在氮气环境中固化5分钟，并且立即在冷却板上冷却。在50x放大倍率的光学显微镜下观察经涂布的晶圆。结果示于表1中。如表1所示，发现所有用包含0.5重量％高沸点溶剂的溶液涂布的晶圆都没有任何缺陷。发现大多数用包含1重量％高沸点溶剂的溶液涂布的晶圆都没有任何缺陷。发现一些用包含5重量％高沸点溶剂的溶液涂布的晶圆没有任何缺陷。
表1
实施例8
低分子量聚(甲基倍半硅氧烷)、溶剂共混物、氨基丙基三乙氧基硅烷盐
分子量为约5K Da的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂GR 650可购自俄亥俄州佩里斯堡的Techneglas公司(Techneglas,Perrysburg,Ohio)。通过以下方式得出聚(甲基倍半硅氧烷)的实际重均分子量(Mw)：制备PGMEA与乙酸正丁酯的50/50混合物中的45重量％聚(甲基倍半硅氧烷)的溶液，然后使用0.1微米过滤器过滤该溶液。随后通过如本领域中所公知的凝胶渗透色谱法(GPC)分析过滤后的溶液以确定Mw。得出聚(甲基倍半硅氧烷)的Mw为4,114Da。
将26g的PGMEA和26g的乙酸正丁酯共混在一起以形成溶剂混合物。将10g的4,114Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂与52g的溶剂混合物和0.1g的氨基丙基三乙氧基硅烷三氟甲磺酸盐组合。将该组合在滚轴混合器上混合30分钟以确保均质性。通过一系列两个0.1微米过滤器过滤所得的溶液。
将该溶液旋涂到200mm直径的空白硅晶圆和200mm直径的图案化测试晶圆上，该图案化测试晶圆包括宽度为约20nm且深度为约80nm至100nm的高长径比特征。将具有流延膜的晶圆在一系列三个热板上各烘烤60秒，这些热板分别具有140℃、150℃和210℃的温度。将具有经烘烤的膜的晶圆在425℃的热板上在氮气环境中固化5分钟，并且立即在冷却板上冷却。在50x放大倍率的光学显微镜下观察经涂布的空白硅晶圆。未观察到辉纹或风纹缺陷。在任何热板烘烤时均未在经涂布的空白硅晶圆上观察到除气。通过隧道电子显微镜(TEM)分析来评估图案化测试晶圆的间隙填充。图5示出了由4,114Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂形成的平面化膜的TEM显微照片。如图5所示，平面化和间隙填充良好，且未在高长径比特征中观察到空隙。
实施例9
低分子量聚(甲基倍半硅氧烷)
将250g的PGMEA和250g的乙酸正丁酯共混在一起以形成溶剂混合物。将100g的1,323Da聚(甲基倍半硅氧烷)树脂添加到500g的溶剂混合物中。将去离子水中的0.15g的2％四甲基硝酸铵与聚(甲基倍半硅氧烷)的溶液组合，并且将该组合在滚轴混合器上混合过夜以确保均质性。通过一系列两个0.1微米过滤器过滤所得的溶液。
将该溶液旋涂到200mm直径的空白硅晶圆上。将具有流延膜的晶圆在一系列三个热板上各烘烤60秒，这些热板分别具有100℃、140℃和210℃的温度。将具有经烘烤的膜的晶圆在425℃的热板上在氮气环境中固化5分钟，并且立即在冷却板上冷却。在50x放大倍率的光学显微镜下评估200mm经涂布的晶圆的膜缺陷。未观察到辉纹和风纹缺陷。未观察到热板烘烤期间的除气。

Claims (10)

1.一种用于使半导体器件表面平面化的组合物，所述组合物包含：
聚(甲基倍半硅氧烷)树脂，所述聚(甲基倍半硅氧烷)树脂在所述组合物的1重量％至40重量％的范围内，所述聚(甲基倍半硅氧烷)树脂具有500Da与5,000Da之间的重均分子量；
季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者，所述季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者在所述组合物的0.01重量％至0.20重量％的范围内；和
至少一种溶剂，所述至少一种溶剂构成所述组合物的剩余部分。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述至少一种溶剂是溶剂混合物，所述溶剂混合物包含：
丙二醇甲醚乙酸酯；和
乙酸正丁酯，所述丙二醇甲醚乙酸酯与所述乙酸正丁酯的重量比在0.5:1至2:1的范围内。
3.根据权利要求1所述的组合物，还包含在所述组合物的0.05重量％至8重量％的范围内的苯基倍半硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述聚(甲基倍半硅氧烷)具有1,200Da与4,300Da之间的重均分子量。
5.一种用于制备平面化组合物的方法，所述方法包括：
提供重均分子量在500Da与5,000Da之间的聚(甲基倍半硅氧烷)树脂；
提供一种或多种溶剂；
将所述聚(甲基倍半硅氧烷)树脂溶解于所述一种或多种溶剂中以形成聚(甲基倍半硅氧烷)溶液；以及
将季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者溶解于所述聚(甲基倍半硅氧烷)溶液中以形成所述平面化组合物。
6.根据权利要求5所述的方法，其中提供所述一种或多种溶剂包括将丙二醇甲醚乙酸酯和乙酸正丁酯共混在一起，所述丙二醇甲醚乙酸酯与所述乙酸正丁酯的重量比在0.5:1至2:1的范围内。
7.根据权利要求6所述的方法，其中提供所述一种或多种溶剂还包括将高沸点溶剂与所述丙二醇甲醚乙酸酯和所述乙酸正丁酯共混在一起，所述高沸点溶剂具有154℃至274℃的范围内的沸点。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括：
提供苯基倍半硅氧烷；
将所述苯基倍半硅氧烷溶解于溶剂中以形成苯基倍半硅氧烷溶液；以及
将所述苯基倍半硅氧烷溶液与所述聚(甲基倍半硅氧烷)溶液共混以形成所述平面化组合物。
9.一种用于半导体器件的平面化膜，所述膜包含：
固化的聚(甲基倍半硅氧烷)，所述固化的聚(甲基倍半硅氧烷)由重均分子量在500Da与5,000Da之间的聚(甲基倍半硅氧烷)聚合物链形成。
10.根据权利要求9所述的平面化膜，还包含季铵盐和氨基丙基三乙氧基硅烷盐中的至少一者的残基。
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