CN111378379B - 一种化学机械抛光液及其应用 - Google Patents

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    • H01L21/32115Planarisation
    • H01L21/3212Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]

Abstract

本发明提供了一种化学机械抛光液,包括二氧化硅研磨颗粒,含一个或多个羧基的含氮杂环化合物,乙氧基化丁氧基化的烷基醇。本发明的还提供了一种上述的化学机械抛光液二氧化硅、多晶硅、氮化硅的抛光中的应用。本发明的抛光液对氮化硅的抛光速率远远大于对二氧化硅、多晶硅的抛光速率,从而能够很好地应用于二氧化硅/多晶硅为停止层的化学机械抛光之中,可以较好地控制抛光过程中基板表面上的氧化物及多晶硅的去除量。

Description

一种化学机械抛光液及其应用
技术领域
本发明涉及化学机械抛光领域,尤其涉及一种化学机械抛光液及其应用。
背景技术
在半导体芯片的生产过程中,各个阶段都要进行去除氮化硅层的步骤,例如,在形成元素分离结构的步骤中,要去除作为阻挡层的氮化硅层。但是,这种去除步骤通常是在约150℃的高温下,通过使用例如磷酸/硝酸混合溶液的湿法刻蚀处理进行,很少采用化学机械抛光的方法。
目前,关于隔离半导体器件中各元件的方法,主要为浅沟槽隔离(STI)工艺,即首先在硅基板上形成氮化硅层,经蚀刻或光刻法形成浅沟槽,之后沉积介电层以填充这些沟槽。由于蚀刻过程中形成的沟槽或线路的深度经常发生变化,所以需要在沉积过程中将过量的介电材料沉积在基板顶部以确保所有沟槽完全填满。在此之后,通过化学机械平坦化工艺来移除过量的介电材料(例如氧化物)以暴露出氮化硅层。最后,通过抛光除去氮化硅层,以获得高度平坦且均匀的表面。
通常,对于化学机械抛光液来说,一直强调氧化物的抛光优先于氮化硅抛光。在抛光过程中,氮化硅层暴露后整体抛光速率会降低。因此,氮化硅层化学机械抛光中常作为终止层。随着蚀刻技术的进步,氧化物线宽变得更小。此时,抛光过程中使用的化学机械抛光液对氮化硅的抛光能力应当高于对氧化物的抛光能力,以尽可能地降低基板表面的氧化物的去除量。
另外,对于一些半导体器件,需要在抛光中除去氮化硅层,而将氧化硅和多晶硅层作为化学机械抛光的停止层。故需要化学机械抛光液具有特定的氮化硅/氧化硅/多晶硅三种物质的抛光速率选择性,即需要相对较高的氮化硅的去除速率和较低的氧化硅和多晶硅的去除速率。而现有的化学机械抛光液并不具备如上所述的氮化硅/氧化硅/多晶硅三种物质的抛光速率选择性。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种化学机械抛光液,通过将含一个或多个羧基的含氮杂环化合物和乙氧基化丁氧基化的烷基醇复配使用,获得较高的氮化硅的抛光速率,和较低的二氧化硅和多晶硅的抛光速率,从而具有适当的氮化硅/氧化硅/多晶硅的抛光速率选择性。
具体地,本发明提供了一种化学机械抛光液,包括二氧化硅研磨颗粒、含一个或多个羧基的含氮杂环化合物、乙氧基化丁氧基化的烷基醇。
优选地,所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比含量为0.5%-8%。
优选地,所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比含量为1%-5%。
优选地,所述含一个或多个羧基的含氮杂环化合物包括含一个或多个羧基的吡啶化合物、哌啶化合物、吡咯烷化合物或吡咯化合物中的一种或多种。
优选地,所述含一个或多个羧基的含氮杂环化合物包括2-羧基吡啶、3-羧基吡啶、4-羧基吡啶、2,3-二羧基吡啶、2,4-二羧基吡啶、3,4-二羧基吡啶、2,6-二羧基吡啶、3,5-二羧基吡啶、2-羧基哌啶、3-羧基哌啶、4-羧基哌啶、2,3-二羧基哌啶、2,4-二羧基哌啶、2,6-二羧基哌啶、3,5-二羧基哌啶、2-羧基吡咯烷、3-羧基吡咯烷、2,4-二羧基吡咯烷、2,5-二羧基吡咯烷、2-羧基吡咯、3-羧基吡咯、2,5-二羧基吡咯中的一种或多种。
优选地,所述含一个或多个羧基的含氮杂环化合物的质量百分比含量为0.01%-0.5%。
优选地,所述乙氧基丁氧基化的烷基醇中,乙氧基数x为5-20,丁氧基数y为5-20,烷基为碳原子数11-15的直链或支链。
优选地,所述乙氧基化丁氧基化的烷基醇的质量百分比含量为0.01%-1%。
优选地,所述化学机械抛光液的pH为2-6。
本发明的化学机械抛光液中,还可以包括杀菌剂和pH调节剂。其中,杀菌剂可以选择5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮,2-甲基-4-异噻唑啉酮,1,2-苯丙异噻唑啉酮,碘代丙炔基氨基甲酸酯,1,3-二羟甲基-5,5-甲基海因等,pH调节剂可以选择HNO3、KOH、K2HPO4或KH2PO4等。
本发明的另一方面,提供了一种上述的化学机械抛光液二氧化硅、多晶硅、氮化硅的抛光中的应用。
与现有技术相比,本发明的优点在于:在含二氧化硅研磨颗粒的抛光液中将含一个或多个羧基的含氮杂环化合物和乙氧基化丁氧基化的烷基醇复配使用,使抛光液对氮化硅的抛光速率远远大于对二氧化硅、多晶硅的抛光速率,从而能够很好地应用于二氧化硅/多晶硅为停止层时的化学机械抛光之中,能较好地控制抛光过程中基板表面上的氧化物及多晶硅的去除量。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步阐述本发明的优点,但本发明的保护范围不仅仅局限于下述实施例。
表1为本发明实施例1-10以及对比例1-5的抛光液的成分及含量。按照该表配制实施例和对比例抛光液,将各组分混合均匀,用水补足质量百分比至100%,用pH调节剂调节pH至相应值,得到本发明各实施例及对比例的抛光液。
表1本发明实施例1-10和对比例1-5的抛光液成分
Figure BDA0001929956700000031
Figure BDA0001929956700000041
分别用上述实施例1-10和对比例1-5的化学机械抛光液对含有氮化硅和二氧化硅的的8寸多晶硅晶片进行抛光,抛光条件为:采用LK抛光机进行抛光,使用IC1010pad抛光垫,转速为93/87,抛光压力:1.5psi,抛光流量150ml/min,得到每个实施例的抛光液对铜和氮化硅的抛光速率,记于表2。
表2本发明实施例1-10和对比例1-4的抛光结果
Figure BDA0001929956700000042
Figure BDA0001929956700000051
由表2可见,与对比例相比,本发明实施例1-10的抛光液对氮化硅的抛光速率较高,而对二氧化硅和多晶硅的抛光速率较低,从而很好地满足了二氧化硅/多晶硅为停止层时的抛光需求。对比例1的抛光液只包括二氧化硅研磨颗粒,对氮化硅的抛光速率低,而对二氧化硅和多晶硅的抛光速率较高,即该抛光液对三种物质的抛光速率选择性与上述抛光需求恰好相反;对比例2和3的抛光液在对比例1的基础上分别添加了羟基亚乙基-1,1-二磷酸或者抗坏血酸,其应用于抛光时,相对于对比例1提高了氮化硅的抛光速率,但是,其对二氧化硅和多晶硅的抛光速率与对氮化硅的抛光速率非常接近,因此不能体现对这三种物质的抛光速率选择性,不适用于将氧化硅和多晶硅层作为化学机械抛光的停止层的半导体器件制造工艺中。对比例4中利用2-羧基吡啶替换了对比例2或3中的有机酸类,其对氮化硅和二氧化硅的抛光速率进一步提高了,但是仍接近与对多晶硅的抛光速率,无法体现对这三种物质的抛光速率选择性,也无法适用于将氧化硅和多晶硅层作为化学机械抛光的停止层的半导体器件制造工艺中。对比例5与对比例1相比,添加了乙氧基化丁氧基化烷基醇,其表现出了对二氧化硅和多晶硅的抛光速率的抑制作用,但对二者抛光速度仍在
Figure BDA0001929956700000052
以上,而且,对氮化硅的抛光速度仍然很低,即对比例5并没有改变对比例1中氮化硅的抛光速率低,二氧化硅和多晶硅的抛光速率较高的状况,从而,无法实现提高氮化硅与二氧化硅或者氮化硅与多晶硅之间的抛光速率选择比的效果,也无法适用于将氧化硅和多晶硅层作为化学机械抛光的停止层的半导体器件制造工艺中。
本发明实施例1-10的抛光液,将含一个或多个羧基的含氮杂环化合物和乙氧基化丁氧基化的烷基醇复配使用,获得的抛光液对氮化硅的抛光速率达到了
Figure BDA0001929956700000053
以上,而对二氧化硅和多晶硅的抛光速率均处于
Figure BDA0001929956700000054
以下,即抛光液对氮化硅抛光速率远远大于对二氧化硅、多晶硅的抛光速率,从而能够很好地应用于二氧化硅/多晶硅为停止层时的化学机械抛光之中。由于本发明实施例的抛光液对二氧化硅和多晶硅的抛光速率低,所以可以较好地控制抛光过程中基板表面上的氧化物及多晶硅的去除量。
另外,本发明抛光液可以通过选择适当的研磨颗粒的含量、不同种类的含羧基的含氮杂环化合物和不同烷基链长的乙氧基化丁氧基化烷基醇,在保持抛光液对氮化硅抛光速率远远大于对二氧化硅、多晶硅的抛光速率的情况下,获得更高的氮化硅抛光速率或者更低的二氧化硅和多晶硅的抛光速率。例如,实施例6的抛光液中,研磨颗粒的含量高,对氮化硅的抛光速率超过了
Figure BDA0001929956700000061
而实施例10的抛光液中,各种物质的含量均比较低,对二氧化硅和多晶硅的抛光速率均只有
Figure BDA0001929956700000062
Figure BDA0001929956700000063
从而,本发明实施例的抛光液具有较广的抛光速率选择范围,可以适用于多种情形下的化学机械抛光。
综上所述,本发明的抛光液中利用一个或多个羧基的含氮杂环化合物来提高氮化硅的抛光速率,利用乙氧基化丁基化烷基醇来抑制TEOS及多晶硅的抛光速率,从而抛光液对氮化硅的抛光速率远远大于对二氧化硅、多晶硅的抛光速率,从而能够很好地应用于二氧化硅/多晶硅为停止层时的化学机械抛光之中,可以较好地控制抛光过程中基板表面上的氧化物及多晶硅的去除量。
应当注意的是,本发明中的含量,如果没有特别说明,均为质量百分比含量。
应当理解的是,本发明的实施例有较佳的实施性,且并非对本发明作任何形式的限制,任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例,但凡未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种化学机械抛光液,包括二氧化硅研磨颗粒、含一个或多个羧基的含氮杂环化合物、乙氧基化丁氧基化的烷基醇;
所述含一个或多个羧基的含氮杂环化合物包括含一个或多个羧基的吡啶化合物、哌啶化合物、吡咯烷化合物或吡咯化合物中的一种或多种;
所述含一个或多个羧基的含氮杂环化合物的质量百分比含量为0.01%-0.5%;
所述乙氧基化丁氧基化的烷基醇中,乙氧基数x为5-20,丁氧基数y为5-20,烷基为碳原子数11-15的直链或支链;
所述乙氧基化丁氧基化的烷基醇的质量百分比含量为0.01%-1%;
所述化学机械抛光液的pH为2-6。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光液,其特征在于,
所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比含量为0.5%-8%。
3.根据权利要求2所述的化学机械抛光液,其特征在于,
所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比含量为1%-5%。
4.根据权利要求1所述的化学机械抛光液,其特征在于,
所述含一个或多个羧基的含氮杂环化合物包括2-羧基吡啶、3-羧基吡啶、4-羧基吡啶、2,3-二羧基吡啶、2,4-二羧基吡啶、3,4-二羧基吡啶、2,6-二羧基吡啶、3,5-二羧基吡啶、2-羧基哌啶、3-羧基哌啶、4-羧基哌啶、2,3-二羧基哌啶、2,4-二羧基哌啶、2,6-二羧基哌啶、3,5-二羧基哌啶、2-羧基吡咯烷、3-羧基吡咯烷、2,4-二羧基吡咯烷、2,5-二羧基吡咯烷、2-羧基吡咯、3-羧基吡咯、2,5-二羧基吡咯中的一种或多种。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的化学机械抛光液在二氧化硅、多晶硅、氮化硅的抛光中的应用。
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