CN1131288C - 抛光组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包含30-99wt%的去离子水、0.1-50wt%的金属氧化物粉末和0.01-20wt%的环胺的抛光组合物。该抛光组合物可用于制备集成电路用的薄膜进行化学机械抛光，并具有抛光后在薄膜上留下的微小划痕减至最少的效果。因此它可应用于高度集成电路如浅槽隔离的制备工艺。
Description
本发明涉及用于抛光玻璃、半导体和集成电路的抛光组合物。具体地讲，本发明涉及由去离子水、金属氧化物和环胺组成的可对制造集成电路用的薄膜进行化学机械抛光的抛光组合物。
现如今，随着集成电路密度的增大，中间绝缘层的整体平面化就变得日益重要了。特别是，CMP(化学机械平面化)作为一种平面化方法已受到特别的关注。高度集成的半导体装置是通过在绝缘材料间交替地淀积导电材料以形成图形来制造的。
为实施上述的图形层，表面必须是平坦的。没有一个平坦的表面，制备图形是不可能的。
随着半导体装置越来越集成化，需要使特征尺寸最小化并需要多层互连。为达到此目标的最重要的前提条件之一是整体的平面化。
随着微处理器和DRAM的结构变得多层化以后，如果在其上淀积薄膜的层不平的话，则会发生问题。
特别是在光刻过程中，如果该过程是在不平坦的层上开始的，入射光就会漫反射，这将引起光致抗蚀剂图形不精确。因此，我们需要通过将不必需的沉积部分抛光来使表面平面化。
CMP是迄今为止已知的最有效的方法。已经开发出的平面化方法如SOG/Etch Back/ECR Depo & Etch是非常复杂的，需要2-3个步骤，但是CMP方法可只通过抛光和清洗而完成。
用于CMP方法的传统的抛光组合物或浆液通常包含去离子水、金属氧化物和添加剂。根据被抛光的材料可将他们分为三类：
1)用于单晶硅抛光的抛光组合物
2)用于绝缘层抛光的抛光组合物
3)用于金属线和接点抛光的抛光组合物
用于这些抛光组合物的金属氧化物可以是二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化铈(CeO2)、二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)，他们是通过烟化或溶胶法而制得的。这些抛光组合物还包含用于控制pH值的酸或碱以及用于提高清除速率的氧化剂。
以下是这类抛光组合物按照金属氧化物和添加剂的几个例子。
在美国专利4,169,337中公开了一种由二氧化硅和胺组成的在集成电路的制备过程中用于抛光绝缘层的浆液；在美国专利5,139,571中公开了一种由二氧化硅和季铵盐组成的浆液；在美国专利5,244,534中公开了一种由氧化铝和H2O2组成的在集成电路的制备过程中用于抛光金属线和接点的浆液；在美国专利5,340,370中公开了一种由二氧化硅和K3Fe(CN)6组成的浆液；在EP专利786,504中公开了一种由氮化硅和二羧酸组成的浆液；在WO专利9740030中公开了一种由金属氧化物、氧化剂和氟离子组成的浆液。
目前这些浆液根据CMP方法的要求和被抛光的材料而被用于制造半导体器件。
这些浆液满足上述方法对清除速率、均匀性和选择性的要求。
然而，它们的一个缺点是它们会造成薄膜表面上的许多微小划痕，因此需要加以改进。
在CMP方法中，特别是在浅槽隔离(STI)工艺中，微小划痕将导致器件破坏，这是非常严重的。在STI工艺中，沟槽结构很浅(200nm)，也很小。微小划痕可引起上述沟槽结构的破坏，这将影响随后在其上制备的晶体管或电容器。所以，在CMP方法中尽量减少微小划痕的出现是很重要的。
本发明涉及在包括半导体、光掩模、玻璃盘和合成聚合物在内的各种工艺中使用的抛光组合物。具体地讲，本发明涉及对用于半导体集成电路的薄膜进行化学机械抛光的抛光组合物。
该抛光组合物在抛光后在晶片上不引起任何微小的划痕，因此他可用于高密度集成电路的制造工艺，如STI工艺。
在CMP工艺中，微小划痕一般是由如抛光机的压板或载板速度、下压力和衬垫类型等工艺因素引起的，但更经常的是，微小划痕是由在浆液中存在其大小为数微米(1-10微米)的较大颗粒而引起的。
出现较大颗粒的原因如下：
1)凝聚或聚集
2)在容器中的部分干燥
3)温度或pH的变化
4)在传递或管道系统中的结块或结壳
由如(1)的凝集或聚集造成的大颗粒可通过分散方法和分散程度而被缩小，而且余下的大颗粒可通过过滤除去。
然而，由(2)-(4)的原因造成的大颗粒的出现却难以控制，因为该大颗粒的出现与分散方法或其程度无关，而与运输、储藏和环境的变化更有关。
基于如果能将由不可控制的因素引起的大颗粒去除或减少的话，在抛光后抛光表面上的微小划痕就会降至最少的这一想法，在我们进行了深入的研究后，本发明的发明人发现通过将环胺加入到抛光组合物中可使抛光的微小划痕最少或根本没有。
本发明的特征在于抛光组合物是由去离子水、金属氧化物粉末和环胺组成的。
直到如今，关于CMP浆液的研究一直与改善清除速率或选择性有关。本发明的焦点在于尽量减少抛光后的微小划痕。
根据本发明，提供一种由30-99wt％的去离子水、0.1-50wt％的金属氧化物粉末和0.01-20wt％的环胺组成的抛光组合物。可用于本发明的金属氧化物是二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化铈(CeO2)、二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)，他们是通过烟化或溶胶法而制得的。
这些金属氧化物的起始颗粒大小为10-100nm，优选为20-60nm。考虑到生产率，起始颗粒小于10nm是不利的，因为清除速率急剧下降。虽然起始颗粒大于100nm是有利的，因为清除速率高，但是大颗粒会引起产生很多微小的划痕的问题。
这些金属氧化物在水分散液中形成次级颗粒，这种次级颗粒的大小理想地为20-250nm。
最大的次级颗粒的大小理想地应为小于500nm，因为大于500nm的颗粒会引起沉淀的问题。颗粒大小的平均值及最大值越大，稳定性下降得也越多。如果在室温下放置超过一周，将发生生成沉淀的问题。
基于浆液的总量，抛光组合物中的金属氧化物的含量为0.1-50wt％，最好为1-25wt％。在CMP方法中，在用于抛光氧化物绝缘层的二氧化硅浆液中，金属氧化物的含量通常为9-15wt％，而在用于抛光金属线或接点的浆液中，金属氧化物的含量通常为3-6wt％。
用作本发明抛光组合物的基本添加剂的环胺为2-吡咯烷酮、吡咯烷、3-吡咯烷醇、3-吡咯啉、2-氧-1-吡咯烷乙酸甲酯、N-甲基吡咯烷酮和N-甲基吡咯烷。2-吡咯烷酮 吡咯烷 3-吡咯烷醇3-吡咯啉 2-氧-1-吡咯烷乙酸甲酯 N-甲基吡咯烷酮
N-甲基吡咯烷
基于抛光组合物的总量，该环胺的含量为0.01-20wt％，优选为0.05-10wt％。
如果该含量太低，不能预期通过使用本发明的抛光组合物来达到减少微小划痕的目的。
如果该含量太高，环胺的效果将保持不变，但生产成本将增大，因此在经济上是不利的。
这些添加剂可单独使用或与不同的环胺混合使用。
虽然难以解释加入环胺能减少微小划痕的具体原因，但是相信它起因于如下原因：
从环胺具有湿润剂特性这一基本知识来看，可能推断：
1)它们防止金属氧化物发生凝集或聚集；
2)它们防止金属氧化物在运输和储藏以及在传递/管道系统中发生结块或结壳。
因此，大颗粒出现的可能性就降低了。
可在将金属氧化物分散在去离子水中之前或之后加入这些添加剂。将这些添加剂加入到市售的浆液中，预期也可达到同样的效果。
另外，这些添加剂提高了浆液的稳定性。当将浆液长期储存时，通常会发生沉淀的问题；但是当想浆液中加入环胺后，该问题就不再发生了，因为所加入的添加剂促进了浆液的分散。
而且，在浆液的制备过程中，环胺添加剂防止浆液变成触变性液体，所述触变性是黏度陡然增加的现象，因此，这些添加剂实际上使得浆液的制造变得更容易了。
根据要被抛光材料的种类，可向本发明的抛光组合物中加入第二种添加剂。例如，本发明的抛光组合物与碱如KOH或铵盐一起使用，来抛光氧化物绝缘层；与酸如硫酸、硝酸或乙酸和氧化剂一起使用，来抛光金属线和接点。
结合下文的实施例，本发明可得到更好的理解。这些只是描述本发明各种能力的几个例子。无论如何，本发明不仅限于下面的实施例。
实施例1
按如下方法制备抛光组合物。
将100克市售Aerosil 200(Degussa公司的产品)、18克29％KOH溶液和860克去离子水在2升的聚乙烯烧瓶中以1000rpm混合2小时。向所得的混合浆液中加入10克1wt％的2-吡咯烷酮。然后用500克2毫米的玻璃珠并采用batchtype dynomill将浆液分散1小时，接着再用1微米厚的滤膜过滤。
用该抛光组合物对硅基板上的CVD-沉积PE-TEOS膜的样品进行抛光。(抛光条件如下)。
以膜的剩余厚度来评价清除速率，用KLA晶片缺陷探测系统测量微小划痕的数目。结果如表1所列。
抛光条件如下：
抛光机：6EC(Strasbaugh)
衬垫类型：IC1000/SubaIV叠置型(Rodel)
压板速度：120rpm
载板速度：120rpm
下压力：6psi
反压力：0psi
温度：25
浆液流量：150毫升/分钟实施例2-7
按与实施例1相同的方法制备浆液，只是加入了表1所具体指明的另一些环胺，替代了2-吡咯烷酮。对抛光能力进行评价，结果列于表1中。
实施例8-11
按与实施例1相同的方法制备浆液，只是加入表1所具体指明的其他金属氧化物来替代发烟制得的二氧化硅，以及在分散之后再调节pH。对抛光能力进行评价，结果列于表1中。
实施例12-14
将按与实施例1相同的方法制得的浆液分别储藏1天(实施例12)、7天(实施例13)和30天(实施例14)后，评价它的抛光能力。
结果列于表3。比较例1
按与实施例1相同的方法制备浆液，只是不向浆液中加入2-吡咯烷酮。评价抛光能力，结果如表2所列。比较例2
按与实施例8相同的方法制备浆液，只是不向浆液中加入2-吡咯烷酮。评价抛光能力，结果如表2所列。比较例3
按与实施例9相同的方法制备浆液，只是不向浆液中加入2-吡咯烷酮。评价抛光能力，结果如表2所列。比较例4
按与实施例10相同的方法制备浆液，只是不向浆液中加入2-吡咯烷酮。评价抛光能力，结果如表2所列。比较例5
按与实施例11相同的方法制备浆液，只是不向浆液中加入2-吡咯烷酮。评价抛光能力，结果如表2所列。比较例6-8
将除了不向浆液中加入2-吡咯烷酮外其余按与实施例12-14相同的方法制得的浆液分别储藏1天(比较例6)、7天(比较例7)和30天(比较例8)后，评价它的抛光能力。结果列于表3。
表1
表2
表3
根据本发明得到的抛光组合物具有不在被抛光的表面留下微小划痕的效果。因此，它可应用于高度集成电路如浅槽隔离的制造方法中的CMP工艺。
Claims (3)
1.一种抛光组合物，由30-99wt％的去离子水、0.1-50wt％的金属氧化物粉末和0.01-20wt％的环胺组成，其中所述的环胺是选自由2-吡咯烷酮、吡咯烷、3-吡咯烷醇、3-吡咯啉、2-氧-1-吡咯烷乙酸甲酯、N-甲基吡咯烷酮和N-甲基吡咯烷所组成的组中的至少一种物质；其中所述的金属氧化物为选自由二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化铈(CeO2)、二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)所组成的组中的至少一种物质。
2.根据权利要求1的抛光组合物，其中所述的金属氧化物的平均颗粒大小为10-100nm。
3.根据权利要求1的抛光组合物，其中所述的金属氧化物为二氧化硅(SiO2)。
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