CN115926629B - 具有改进再循环性能的化学机械抛光组合物 - Google Patents

具有改进再循环性能的化学机械抛光组合物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及化学机械抛光组合物以及使用可用于抛光硅晶片的相同组合物对含有硅材料的基材进行化学机械抛光的方法。本发明具体涉及一种化学机械抛光组合物，其包含胶体二氧化硅磨粒、含氮化合物、螯合剂、阴离子聚合物，其特征在于所述胶体二氧化硅磨粒在组合物中9至12的pH下具有至少‑3mV的zeta电位，并且所述阴离子聚合物具有至多50,000g/mol的分子量。本发明的组合物表现出高材料去除率，同时减少了再循环过程中材料去除率的降低。

Description

具有改进再循环性能的化学机械抛光组合物
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种具有改进再循环性能的化学机械抛光组合物。
背景技术
化学机械抛光(CMP)是指同时通过化学和机械力对晶片等产品的表面进行抛光处理，CMP组合物常用于微机电和集成电路领域中。这些组合物通常是水溶液，包含分散在组合物中的各种化学添加剂和磨粒。CMP组合物也称为抛光浆料、CMP浆料或抛光组合物。CMP组合物极大地影响基材抛光和平滑化过程中的许多因素，例如基材的材料去除率、平坦化和缺陷率。
含硅基材经常用于许多应用中，例如电子、太阳能和纳米技术设备。例如用于电子设备的硅晶片是通过提拉法从单晶硅锭获得的。硅锭用金刚石锯切成薄的晶片。在称为研磨的粗抛光工艺之后，用CMP组合物抛光晶片以获得具有所需厚度和平整度的晶片。晶片在多个抛光步骤中抛光，包括初级抛光、可选的次级抛光和最终抛光。对于初级抛光步骤，需要高材料去除率。含有金属氧化物颗粒如二氧化硅的CMP组合物经常用于含硅基材的初级抛光。
为了降低制造成本、废品数目和环境负担，CMP组合物通常再循环使用。例如，CMP组合物用于抛光，从抛光装置中排出，收集在罐中，并再循环回到抛光装置中用于进一步抛光。然而，通常在再循环期间，材料去除率随时间降低，例如由于磨粒的活性损失、在抛光过程中形成的不希望组分的积累、以及组合物的化学添加剂的活性损失。CMP组合物的抛光活性降低导致CMP组合物可再循环用于抛光的时间减少，并且需要更换CMP组合物，导致制造成本和环境负担增加。仍然需要表现出高材料去除率且可实现再循环时间增加的、适用于抛光含硅基材的包含二氧化硅磨粒的CMP组合物。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有技术的问题。具体来说，本发明的一个目的是提供一种适用于初级抛光含硅基材如硅晶片的新型CMP组合物，其一方面表现出高材料去除率，另一方面减少再循环过程中材料去除率的降低。
本发明解决了上述问题，本发明的化学机械抛光组合物包括胶体二氧化硅磨粒、含氮化合物、螯合剂和阴离子聚合物；其中胶态二氧化硅磨粒在组合物中在pH 9至12下具有至少-3mV的zeta电位，阴离子聚合物具有至多50,000g/mol的分子量。
CMP组合物(本文称为“组合物”)包含分散在水性载体中的磨粒。所述磨粒可以帮助在抛光过程中从基材表面去除多余的材料。优选所述磨粒是选自铈氧化物(二氧化铈)、铝氧化物(氧化铝)、硅氧化物(二氧化硅)、锆氧化物(氧化锆)、钛氧化物(二氧化钛)、锗氧化物(氧化锗)、镁氧化物(氧化镁)、镍氧化物、镓氧化物(氧化镓)、钇氧化物(氧化钇)及其组合的金属氧化物磨粒。优选所述磨粒包含至少72(重量)wt％、更优选至少83wt％、更优选至少91wt％、更优选至少96wt％、最优选至少98wt％的二氧化硅。在特别优选的实施方案中，所述磨粒是二氧化硅磨粒。
所述二氧化硅磨粒可以例如是气相二氧化硅(热解二氧化硅)、胶态二氧化硅及其混合物。术语胶态二氧化硅是指通过湿法制备的颗粒，而术语气相二氧化硅是指通过热解法或火焰水解法制备的二氧化硅。在特别优选的实施方案中，所述磨粒是胶态二氧化硅。胶态二氧化硅可以通过湿法，例如沉淀(沉淀二氧化硅)、缩聚或类似工艺获得。在特别优选的实施方案中，胶体二氧化硅磨粒是沉淀二氧化硅。
在使用时，所述组合物优选包含至少0.003wt％、更优选至少0.04wt％、更优选至少0.08wt％、更优选至少0.16wt％、更优选至少0.31wt％的磨粒。如果磨粒的wt百分比低，则CMP处理期间材料去除率会降低。本文所用术语“使用时”是指在CMP过程中将所述组合物应用到基材表面的时刻。如果磨粒的wt百分比高，颗粒会形成不希望的聚集体，聚集体会沉积并缩短组合物的保质期。因此在使用时，所述组合物优选包含至多20.2wt％、更优选至多16.4wt％、更优选至多12.4wt％、更优选至多9.6wt％、更优选至多7.8wt％的磨粒。在优选的实施方案中，所述组合物包含0.08wt％至12.4wt％、更优选0.16wt％至9.6wt％、更优选0.31wt％至7.8wt％的磨粒。
所述磨粒可以作为单个颗粒、聚集体及其混合物存在于所述组合物中。单个颗粒可以例如通过范德华力彼此附着，从而形成超过一个的单个颗粒的聚集体。聚集体的形成是可逆的。本文所用的术语磨粒是指单个颗粒、聚集体及其混合物。单个颗粒和聚集体的数目可以由本领域技术人员通过透射电子显微镜(TEM)或扫描电子显微镜(SEM)图像确定。分析应基于统计学上有意义的大量随机选择的颗粒，例如至少300个。发现聚集体的数目更多可以提高基材的材料去除率。优选所述磨粒包含至少占磨粒10wt％、更优选至少20wt％、更优选至少30wt％、更优选至少40wt％、最优选至少50wt％的聚集体。
优选所述磨粒具有球形形态。术语球形形态不限于完美的球体，是指没有实质性边缘和顶点(角)的任何圆形形态，例如球状、椭圆状、葡萄状结构等。所述形态可由本领域技术人员例如使用透射电子显微镜(TEM)或扫描电子显微镜(SEM)图像确定。
所述磨粒的平均粒径(直径)会影响材料去除率。如本领域技术人员所知，平均粒径可以通过动态光散射测量(例如用来自Malvern Instruments的Malvern MastersizerS)获得。通过该测量获得的曲线图提供了具有一定尺寸的颗粒的累积体积百分比。平均粒径(D50)是50体积％颗粒的粒径小于该值的粒径。较小的D50会导致材料去除率降低。优选所述磨粒具有动态光散射测量为至少5nm、更优选至少11nm、更优选至少23nm、更优选至少33nm、最优选至少48nm的D50。然而，如果D50太大，则在CMP处理过程中，基材表面会出现大量不希望有的缺陷，例如划痕。优选所述磨粒具有动态光散射测量为至多380nm、更优选至多221nm、更优选至多181nm、更优选至多151nm、最优选至多125nm的D50。在优选的实施方案中，所述磨粒具有动态光散射测量为11nm至221nm、更优选23nm至181nm、更优选33nm至151nm、最优选48nm到125nm的D50。
D10是10体积％颗粒的粒径小于该值的粒径。优选所述磨粒具有动态光散射测量为至少3nm、更优选至少9nm、更优选至少18nm、更优选至少28nm、最优选至少39nm的D10。磨粒的D10较小会增加CMP处理过程中基材表面上的颗粒堆积密度(减少空隙体积)，这有助于提高材料去除率。因此，所述磨粒优选具有动态光散射测量为至多320nm、更优选至多211nm、更优选至多152nm、更优选至多112nm、最优选至多87nm的D10。在优选的实施方案中，所述磨粒具有动态光散射测量为9nm至211nm、更优选18nm至152nm、更优选28nm至112nm、最优选39nm到87nm的D10。
D90是90体积％颗粒的粒径小于该值的粒径。磨粒的D90较高会提高CMP处理过程中的材料去除率。优选所述磨粒具有动态光散射测量为至少24nm、更优选至少41nm、更优选至少76nm、更优选至少83nm、最优选至少99nm的D90。然而，如果磨粒的D90过高，则在CMP处理过程中会出现更多不希望有的缺陷，如划痕。因此，所述磨粒优选具有动态光散射测量为至多489nm、更优选至多376nm、更优选至多269nm、更优选至多194nm、最优选至多176nm的D90。在优选的实施方案中，所述磨粒具有动态光散射测量为41nm至376nm、更优选76nm至269nm、更优选83nm至194nm、最优选99nm到176nm的D90。
通常，粒径分布宽会使材料去除率更高，这是由于较大颗粒的数目更多，以及在CMP处理过程中磨粒更好装载。然而，粒径分布宽通常与基材表面缺陷数量较多有关。粒径分布的宽度可以用粒径分布因子来描述。本文所用的粒径分布因子是指通过公式(D90-D10)/D50获得的值。粒径分布宽提供大的粒径分布因子，而粒径分布窄提供小的粒径分布因子。D90、D10和D50可以如上所述通过动态光散射获得。令人惊讶的是，发现粒径分布因子较大与材料去除率较高相关联，并没有导致更多的缺陷。优选所述磨粒具有至少0.34、更优选至少0.45、更优选至少0.53、更优选至少0.60、最优选至少0.65的粒径分布因子。
所述磨粒应该具有小的陡度因子。本文所用的陡度因子指的是通过公式(D30/D70)*100得到的值。D30和D70可以如上所述通过动态光散射获得。D30是30体积％颗粒的粒径小于该值的粒径。D70是70体积％颗粒的粒径小于该值的粒径。粒径分布宽提供小的陡度因子，而粒径分布窄提供大的陡度因子。令人惊讶的是，发现陡度因子较小与材料去除率较高相关，并没有导致更多的缺陷。因此，所述磨粒优选具有至多95、更优选至多90、更优选至多86、更优选至多83、最优选至多80的陡度因子。优选所述磨粒优选具有至少11、更优选至少23、更优选至少27、更优选至少31、最优选至少39的陡度因子。
优选所述磨粒具有动态光散射测量为4nm至353nm、更优选20nm至168nm、最优选44nm至03nm的D30。优选所述磨粒具有动态光散射测量为16nm至421nm、更优选43nm至218nm、最优选62nm至137nm的D70。
所述磨粒应具有低的斜率因子。本文所用的术语斜率因子指的是粒径分布图的上升斜率除以下降斜率的绝对值(意思是不考虑其符号)。如本领域技术人员已知的，粒径分布图可以如上所述由粒径分布测量获得，其中相对于颗粒的体积百分比(y轴)对粒径(x轴)作图。本文使用的术语上升斜率是指从P_D01到P_max绘制的切线(直线)的斜率。本文使用的术语下降斜率是指从P_max到P_D99绘制的切线(直线)的斜率。P_D01是指粒径分布图中粒径等于D01的点。D01是如上所述通过动态光散射获得的粒径，1体积％的颗粒具有小于D01的粒径。P_D99是指粒径分布图中粒径等于D99的点。D99是如上所述通过动态光散射获得的粒径，99体积％的颗粒具有小于D99的粒径。P_max是指粒径分布图的绝对最大值，即粒径分布图中具有最大体积％颗粒的点。斜率因子较低例如可以是较小颗粒比较大颗粒的分布更宽的结果，这会改善CMP处理过程中的颗粒堆积。发现斜率因子较低可以增加CMP处理过程中的材料去除率。优选所述磨粒具有至多10.6、更优选至多6.3、更优选至多4.7、更优选至多3.6、最优选至多3.0的斜率因子。
优选所述磨粒带有负电荷。电荷是指zeta电位，可以通过例如Mastersizer S(Malvern Instruments)测量。如本领域技术人员所知，zeta电位是指在组合物内的移动流体与附着于分散在所述组合物中的磨粒上的流体稳定层之间的界面处的电位。zeta电位取决于组合物的pH值。zeta电位的绝对值越高，粒子间的静电斥力越强，因此粒子在组合物中的分散稳定性越高。优选所述磨粒在组合物中在9至12的pH下具有至少-3mV、更优选至少-7mV、更优选至少-10mV、最优选至少-13mV的zeta电位。优选所述磨粒在组合物中在9至12的pH下具有至多-50mV、更优选至多-40mV、更优选至多-30mV、最优选至多-25mV的zeta电位。优选所述磨粒在组合物中在9至12的pH下具有-3mV至-50mV、更优选-7mV至-40mV、更优选-10mV至-30mV、更优选-13mV至-25mV的zeta电位。
优选所述组合物具有低导电率。导电率描述了材料传导电流的能力。发现导电率高会增加磨粒的聚集和沉积。优选所述组合物具有至多1,000mS/cm、更优选至多100mS/cm、更优选至多50mS/cm、最优选至多20mS/cm的导电率。
所述组合物还包含一种或多种化学添加剂。该化学添加剂可以在CMP处理过程中例如与磨粒和/或与基材和/或与抛光垫相互作用。该相互作用可以基于例如氢键、范德华力、静电力等。所述化学添加剂可以是适合用作例如去除率促进剂、抛光率抑制剂、表面活性剂、增稠剂、调节剂、络合剂、螯合剂、生物杀灭剂、分散剂、氧化剂、成膜剂、蚀刻抑制剂、催化剂、终止化合物、溶解抑制剂或其组合的任何组分。
所述组合物包含水性载体。所述磨粒和化学添加剂悬浮在水性载体中。该水性载体使磨粒和化学添加剂能够在CMP处理过程中与基材和抛光垫接触。该水性载体可以是适合用于悬浮磨粒和化学添加剂的任何组分。该水性载体的实例有水、醚类(如二烷和四氢呋喃)、醇类(如甲醇和乙醇)以及它们的组合。优选该水性载体含至少50wt％水、更优选至少70wt％水、更优选至少90wt％水、更优选至少95wt％水、最优选至少99wt％水。优选所述水是去离子水。
优选所述组合物在使用时包含pH调节剂。该pH调节剂帮助组合物实现合适的pH。该pH调节剂可以是碱或其盐。该碱或其盐可以是有机碱、无机碱或其组合。
无机碱的实例有碱金属的氢氧化物(例如氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂)、碱土金属的氢氧化物(例如氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化铍)、碱金属碳酸盐(例如碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢锂)、碱土金属碳酸盐(如碳酸镁、碳酸钙、碳酸铍)、碱金属磷酸盐(如磷酸三钾、磷酸三钠、磷酸二钾、磷酸二钠)、碱土金属磷酸盐(例如磷酸镁、磷酸钙、磷酸铍)、碳酸铵、碳酸氢铵、氢氧化铵及其组合。
有机碱的实例有脂族胺、芳族胺、季铵氢氧化物(例如四甲基氢氧化铵(TMAH)、四乙基氢氧化铵(TEAH)、四丙基氢氧化铵(TPAH)、四丁基氢氧化铵(TBAH))及其组合。
优选所述pH调节剂为碱金属氢氧化物、季铵氢氧化物、碱金属碳酸盐或其组合。在特别优选的实施方案中，pH调节剂选自四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸氢钠和它们的组合。发现本发明的pH调节剂可以增加CMP处理过程中基材的材料去除率。所述组合物可以包含浓度适合于实现本发明的pH的pH调节剂。
所述组合物还任选包含pH缓冲剂。该pH缓冲剂帮助维持组合物合适的pH。该pH缓冲剂可以是任何合适的缓冲剂。该pH缓冲剂可以例如是磷酸盐、硫酸盐、乙酸盐、硼酸盐、铵盐或其组合。所述组合物可以包含浓度适合维持本发明的pH的pH缓冲剂。
所述组合物的pH影响CMP处理过程中基材的去除率。酸性pH会降低材料去除率。因此在使用时，组合物优选具有至少7.0、更优选至少7.5、更优选至少8.0、更优选至少8.5、最优选至少9.0的pH。
优选所述组合物包含螯合剂。螯合剂可以结合CMP处理过程中可能形成的金属离子。根据被抛光的基材不同，螯合剂可以提高抛光过程中的材料去除率。合适的螯合剂有二羧酸、多羧酸、氨基酸、氨基羧酸、氨基多羧酸、磷酸盐、多聚磷酸盐、氨基膦酸、膦酰羧酸及其组合。
二羧酸的实例有草酸、丙二酸、琥珀酸、马来酸、邻苯二甲酸、酒石酸、天冬氨酸、谷氨酸及其组合。多羧酸的实例有柠檬酸、丁烷四羧酸及其组合。氨基多羧酸的实例有乙二胺四乙酸(EDTA)、羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)、三甘醇二胺四乙酸(EGTA)、二亚乙基三胺五乙酸(DTPA)、二氨基羟基丙烷四乙酸(DTPA-OH)、三亚乙基四胺六乙酸(TTHA)、亚氨基二乙酸(IDA)、次氮基三乙酸(NTA)、双氨基苯氧基乙烷四乙酸(BAPTA)、tetraxetan(DOTA)、烟酰胺、乙二胺双羟苯基乙酸(EDDHA)及其组合。氨基膦酸的实例有乙二胺四(亚甲基膦酸)(EDTMP)、氨基三(亚甲基膦酸)、二亚乙基三胺五(亚甲基膦酸)(DTPMP)及其组合。
在优选的实施方案中，所述螯合剂是氨基多羧酸。在特别优选的实施方案中，所述螯合剂选自EDTA、DTPA-OH、HEDTA、EGTA、DTPA、TTHA、DTPMP、EDTMP及其组合。已发现本发明的螯合剂在CMP处理期间增加了基材的材料去除率。
优选在使用时，所述组合物包含至少0.0001wt％、更优选至少0.0006wt％、更优选至少0.001wt％、更优选至少0.003wt％、更优选至少0.005wt％的螯合剂。优选在使用时，所述组合物包含至多2.7wt％、更优选至多1.3wt％、更优选至多0.7wt％、更优选至多0.2wt％、更优选至多0.11wt％的螯合剂。在优选的实施方案中，所述组合物包含0.0001wt％至2.7wt％、更优选0.0006wt％至1.3wt％、更优选0.001wt％至0.7wt％、更优选0.003wt％至0.2wt％、更优选0.005wt％至0.11wt％的螯合剂。
优选所述组合物包含含氮化合物。该含氮化合物可具有1个氨基、2个氨基、3个氨基或超过3个氨基，例如5个氨基。优选该含氮化合物是直链伯二胺、哌嗪、胍、胆碱、链烷醇胺或其组合。
哌嗪的实例有哌嗪、双氨基丙基哌嗪、羟乙基哌嗪、氨乙基哌嗪、双羟乙基哌嗪、甲基苄基哌嗪、叔丁氧羰基哌嗪、甲氧基苯基哌嗪二盐酸盐、哌嗪羧酸酰胺、甲基哌嗪、乙基哌嗪、丁基哌嗪、甲酰基哌嗪、二甲基哌嗪、溴甲基哌嗪、氨甲基哌嗪、异丙基哌嗪、甲氧基乙基哌嗪、环丙基甲基哌嗪、苄基哌嗪、苄氧羰基哌嗪、乙酰基哌嗪、环己基哌嗪、哌嗪甲醇、哌嗪甲醛及其组合。
胍可以是胍、胍衍生物、胍盐及其组合。胍的实例有碳酸胍、盐酸胍、精氨酸、肌酸及其组合。
链烷醇胺的实例有乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、氨基乙基乙醇胺、氨基乙氧基乙醇、氨基乙基异丙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺、氨基乙基甲基乙醇胺、氨基丙醇、氨基丙醇、甲基氨基乙醇、氨基丁醇、丙醇、异丙基氨基乙醇、丁基氨基丙醇、叔丁基氨基乙醇、二甲基氨基丁基氨基乙醇、二甲基氨基己醇、氨基甲基丙二醇、甲基二乙醇胺、二异丙醇胺、甲氧基乙醇乙基二乙醇胺、氨基乙基乙醇、丁基二乙醇胺、三异丙醇胺、三乙醇胺、二甲基氨基丙醇、二甲基氨基丙醇、丁基氨基乙醇、叔丁基氨基乙醇、二乙基乙醇胺、二甲基氨基甲基丙醇、二异丙基氨基乙醇、二丁基氨基乙醇、二甲基氨基己醇、氨甲基丙二醇、甲基二乙醇胺、二异丙醇胺、二甲氨基乙氧基乙醇、乙基二乙醇胺、丁基二乙醇胺、三异丙醇胺及其组合。
直链伯二胺的实例有二氨基甲烷、1,2-乙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺、1,7-庚二胺、1,8-辛二胺、1,9-壬二胺、1,10-二氨基癸烷、1,11-十一烷二胺、1,12-十二烷二胺及其组合。
在特别优选的实施方案中，含氮化合物选自哌嗪、1,2-乙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺、1,7-庚二胺、1,8-辛二胺、1,9-壬二胺、乙醇胺、二乙醇胺、碳酸胍、盐酸胍及其组合。已发现本发明的含氮化合物可显著增加含硅基材的材料去除率。
优选在使用时，所述组合物包含至少0.0001wt％、更优选至少0.0006wt％、更优选至少0.001wt％、更优选至少0.003wt％、最优选至少0.005wt％的含氮化合物。优选在使用时，所述组合物包含至多9.72wt％、更优选至多6.13wt％、更优选至多3.27wt％、更优选至多1.34wt％、最优选至多0.41wt％的含氮化合物。在优选的实施方案中，所述组合物包含0.0001wt％至9.72wt％、更优选0.0006wt％至6.13wt％、更优选0.001wt％至3.27wt％、更优选0.003wt％至1.34wt％、更优选0.005wt％至0.41wt％的含氮化合物。
优选所述组合物包含阴离子聚合物。优选所述阴离子聚合物是水溶性聚合物。本文所用术语“水溶性”是指在水中25℃下具有至少0.1mg/ml溶解度的聚合物。优选所述水溶性聚合物在25℃下自由溶于水。优选所述阴离子聚合物包含重复单体单元，所述重复单体单元包含选自羧酸、磺酸、硫酸盐、膦酸、磷酸及其组合的官能团。重复单体单元的羧酸的实例有马来酸、丙烯酸、天冬氨酸、甲基丙烯酸、琥珀酸、对苯二甲酸、衣康酸及其组合。重复单体单元的磺酸的实例有乙烯基磺酸、苯乙烯磺酸盐、乙烯基苯磺酸、甲基丙烯酸磺乙酯、丙烯磺酸(propenesulfonic acid)、甲基丙烯酸磺丙酯、丙烯酸磺丙酯、丙烯酰胺基甲基丙磺酸(AMPS)和丙烯酸磺酸乙酯以及它们的组合。重复单体单元的膦酸的实例有双二乙基膦酸甲基丙烯酸铵(ammonium bisdiethylphosphonate methacrylic acid)、乙烯基膦酸酯、乙烯基苄基二甲基膦酸、丙烯酰胺膦酸、亚乙烯基二膦酸及其组合。
所述阴离子聚合物可以是均聚物、共聚物或它们的组合。阴离子均聚物的实例有聚磺酸、聚(丙烯酰胺基甲丙磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚(乙烯基磺酸)、聚(天冬氨酸)、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、膦酸化聚丙烯酸(phosphonated polyacrylic acid,phosphonatedpolyacryl acid)、聚(甲基丙烯酸)、聚(马来酸)、聚(衣康酸)、聚(马来酸酐)、阴离子聚丙烯酰胺、聚(甲基丙烯酰胺)、聚(甲基乙烯基醚-共聚-马来酸)、聚(甲基丙烯酰胺基甲丙磺酸)、聚(乙烯基膦酸)、聚(乙烯基磷酸)、聚(丙烯酰胺基甲基丙磺酸)、聚(甲基丙烯酰氧基乙磺酸)、聚(丙烯酰胺基甲丙磺酸)、聚(甲基丙烯酰氧基乙基磷酸)、聚(甲基丙烯酰胺基甲丙磺酸)、羧甲基菊粉、聚萘磺酸、聚羟丙基丙烯酸、聚(十八烷基丙烯酸)、聚(叔丁基丙烯酸)、聚(四氢糠基甲基丙烯酸)、聚(乙基丙烯酸)、聚(异冰片基丙烯酸)、聚(异丁基丙烯酸)、聚(异癸基丙烯酸)、聚(异癸基甲基丙烯酸)、聚(异辛基丙烯酸)、聚(月桂基丙烯酸)、聚(丙基丙烯酸)、聚(丁基丙烯酸)、聚(癸基丙烯酸)、聚(己基丙烯酸)、聚(辛基丙烯酸)、聚(辛基甲基丙烯酸)、聚(丙烯酸-共-马来酸)共聚物、聚(苯乙烯磺酸-共-马来酸)、聚环氧琥珀酸、膦酰甲基化壳聚糖、聚(丙烯酰胺-共-丙烯酸)、聚(乙烯基膦酸-共-丙烯酸)、聚(乙烯基硫酸盐)、丙烯酸-丙烯酰胺基-甲丙磺酸共聚物以及它们的组合。阴离子聚合物可以任何合适的形式，例如酸、共轭酸、盐(例如钾盐、钠盐、铵盐)或其组合存在于组合物中。
在特别优选的实施方案中，所述阴离子聚合物选自聚(羟丙基丙烯酸)、聚(十八烷基丙烯酸)、聚(乙烯基磺酸)、聚(叔丁基丙烯酸)、聚(四氢糠基甲基丙烯酸)、聚(乙基丙烯酸)、聚(异冰片基丙烯酸)、聚(异丁基丙烯酸)、聚(马来酸)、聚(异癸基丙烯酸)、聚丙烯酸、聚(异癸基甲基丙烯酸)、聚苯乙烯磺酸、聚(甲基丙烯酸)、聚(异辛基丙烯酸)、聚(月桂基丙烯酸)、聚(丙基丙烯酸)、聚(丁基丙烯酸)、聚(癸基丙烯酸)、聚(己基丙烯酸)、聚(辛基丙烯酸)、聚(乙烯基膦酸)、聚(乙烯基磷酸)、聚(辛基甲基丙烯酸)、聚(苯乙烯磺酸-共-马来酸)、聚环氧琥珀酸、聚(乙烯基硫酸盐)、丙烯酸-丙烯酰胺基-甲丙磺酸共聚物、聚(天冬氨酸)及其组合。发现本发明的阴离子聚合物在组合物的再循环过程中减轻了材料去除率的下降，从而增加了组合物的再循环时间。再循环时间是指组合物可以再循环用于基材的化学机械抛光，而基本不损失诸如材料去除率的抛光性能的时间。令人惊奇地发现，本发明的阴离子聚合物还可以降低含硅基材如硅晶片的表面粗糙度和总厚度变化。
优选在使用时，所述组合物包含至少0.0007wt％、更优选至少0.001wt％、更优选至少0.004wt％、更优选至少0.008wt％、更优选至少0.011wt％的阴离子聚合物。优选在使用时，所述组合物包含至多6.13wt％、更优选至多3.48wt％、更优选至多1.67wt％、更优选至多0.84wt％、更优选至多0.15wt％的阴离子聚合物。在优选的实施方案中，所述组合物包含0.0007wt％至6.13wt％、更优选0.001wt％至3.48wt％、更优选0.004wt％至1.67wt％、更优选0.008wt％至0.84wt％、更优选0.011wt％至0.15wt％的阴离子聚合物。
所述阴离子聚合物应具有低的分子量(MW)。本文所用的分子量是指重均分子量。已发现具有高分子量的阴离子聚合物不能显著减轻组合物再循环过程中材料去除率的下降。此外，发现具有高分子量的阴离子聚合物增加了磨粒的沉积和聚集。优选所述阴离子聚合物具有至多为50,000g/mol、更优选至多40,000g/mol、更优选至多30,000g/mol、更优选至多20,000g/mol、更优选至多16,000g/mol、最优选至多13,000g/mol的分子量。优选所述阴离子聚合物具有至少10g/mol、更优选至少50g/mol、更优选至少100g/mol、更优选至少200g/mol、最优选至少300g/mol的分子量。优选所述阴离子聚合物具有10g/mol至50,000g/mol、更优选50g/mol至40,000g/mol、更优选100g/mol至30,000g/mol、更优选200g/mol至20,000g/mol、更优选300g/mol至16,000g/mol的分子量。令人惊奇地发现，具有本发明的分子量的阴离子聚合物可以显著减轻组合物再循环过程中含硅基材的材料去除率的下降，从而增加组合物的再循环时间。
所述组合物中含氮化合物与螯合剂和阴离子聚合物之和应具有合适的wt百分比。优选所述含氮化合物与螯合剂和阴离子聚合物之和的wt百分比为至多100、更优选至多50、更优选至多10、更优选至多5、最优选至多为2。令人惊奇地发现，本文所述的wt百分比可增加CMP处理期间的材料去除率，以及有助于减轻组合物再循环期间含硅基材的材料去除率的下降。
所述组合物还任选包含一种或多种生物杀灭剂。该生物杀灭剂可以是防止、抑制、减少生长、抑制活性或消除不需要的微生物的任何适当化合物。适当生物杀灭剂的实例有次氯酸钠、甲基异噻唑啉酮、苯并异噻唑酮、氯甲基异噻唑啉酮及其组合。优选在使用时，所述组合物包含按重量计至少0.2ppm、更优选按重量计至少0.9ppm、更优选按重量计至少1.4ppm、更优选按重量计至少1.9ppm、更优选按重量计至少2.6ppm的生物杀灭剂。高浓度的生物杀灭剂可导致生物杀灭剂与组合物的其他组分以及基材之间发生不希望的相互作用。因此在使用时，所述组合物优选包含按重量计至多98ppm、更优选按重量计至多83ppm、更优选按重量计至多74ppm、更优选按重量计至多69ppm的生物杀灭剂。本文所用的ppm是指重量ppm。
本发明还提供了一种化学机械抛光包含硅材料的基材的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供化学机械抛光组合物；(b)使基材与所述化学机械抛光组合物和抛光垫接触；(b)相对于所述基材移动抛光垫，所述组合物位于两者之间；和(c)去除至少一部分基材。步骤(a)提供的CMP组合物是本发明的组合物。该方法可以任选包括其他步骤。
所述磨粒可以通过本领域技术人员已知的任何合适的方法制备，以赋予磨粒上述特性。在实施方案中，胶体二氧化硅颗粒可通过缩聚制备，例如通过缩合Si(OH)4以形成球形颗粒。Si(OH)4可通过烷氧基硅烷的水解或硅酸盐水溶液的酸化获得。在实施方案中，胶体二氧化硅磨粒可以通过例如从含有硅酸钠和硫酸的酸性溶液沉淀来制备。胶体二氧化硅磨粒也可以从供应商，例如拜耳、杜邦、扶桑化学工业、纳尔科(Nalco)和日产化学处获得。所述颗粒例如通过搅拌分散并用于配制组合物。
所述组合物可以用本领域技术人员已知的合适技术来制备。如上所述的磨粒和化学添加剂可以以任何顺序以合适的量添加到水性载体中以达到所需的浓度。所述磨粒和化学添加剂可以在水性载体中混合和搅拌。pH值可以用上述pH调节剂和pH缓冲剂进行调节，以获得并保持希望的pH。所述磨粒和化学添加剂可以在使用前任何时间(例如一个月、一天、一小时或一分钟)或CMP处理过程中添加。
所述组合物可以作为单部分系统、两部分系统或多部分系统提供。例如，作为双部分系统，第一部分可包括磨粒和一种或多种化学添加剂，第二部分可包括pH调节剂和一种或多种化学添加剂。第一部分和第二部分可以在CMP处理之前的任何时间(例如一个月、一天、一小时或一分钟)或在CMP处理过程中混合，例如当使用具有多个CMP组合物的供给路径的抛光设备时。
所述组合物可以作为浓缩物提供，并且可在使用前用适量的水稀释。所述组合物中各组分的浓缩度可以是任何合适的，例如上述使用时浓度的2倍、3倍、10倍、25倍或100倍。例如，所述浓缩物所含磨粒和化学添加剂的浓度使得在用适量水稀释后，磨粒和任选的化学添加剂以上述浓度存在于组合物中。如果所述组合物例如作为两部分系统提供，则其中的一个或两个部分可以作为浓缩物提供。两部分可以不同的浓缩度提供，例如第一部分的浓缩度为三倍，第二部分的浓缩度为五倍。两部分在混合之前可以按任何顺序稀释。
在抛光过程中，所述组合物应实现包含硅材料的基材(例如硅晶片)的高材料去除率。优选所述组合物在CMP处理过程中表现出至少/min、更优选至少/>/min、更优选至少/>/min、更优选至少/>/min的包含硅材料的基材的材料去除率。
本发明还涉及本发明组合物的用途。优选本发明的组合物用于化学机械抛光包含硅材料的基材。该组合物可用于硅晶片的表面抛光，例如用于初级抛光、次级抛光、最终抛光和硅晶片回收中的抛光。在特别优选的实施方案中，本发明的组合物用于硅晶片的初级抛光。硅可以是未掺杂的硅或掺杂的硅，例如硼或铝掺杂的硅。硅也可以是单晶硅或多晶硅。在实施方案中，所述硅还可以包括氧化硅。如本领域技术人员已知的，化学机械抛光是指将基材放置在CMP装置内，使其与抛光垫和位于两者之间的CMP组合物接触的过程。所述抛光垫与基材相对移动，以除去部分基材。
具体实施方式
通过但不限于以下实施例来进一步说明本发明。通过将化学添加剂添加并溶解在去离子水中，然后添加胶态二氧化硅磨粒并搅拌至胶态二氧化硅磨粒分散，来制备所有实施例的组合物。
实施例1
评估组合物A1和E1-E15的硅材料去除率。所有组合物都包含浓度如表1所列的胶态二氧化硅和按重量计30ppm的生物杀灭剂KATHONTM LX 150(Dow Inc.)。组合物A1包含0.1重量％的EDTA并用KOH将pH值调节至11。组合物E1-E15包含含氮化合物、螯合剂和pH调节剂，其对应浓度如表1所列。将组合物E1-E15调节至如表1所列的pH。所有组合物都使用Suba600抛光垫(Nitta Haas)和KIZI抛光工具(东莞金研精密研磨机械制造有限公司)在50rpm的台板速度、50rpm的机头速度、4.5psi的下压压力和250ml/min的浆料流速下抛光直径6英寸的圆形硅晶片10分钟。用电子秤测量，并根据抛光前后的重量差计算硅晶片的材料去除率，列于表1中。不含含氮化合物的组合物A1表现出/min的硅去除率。
缩略语：Comp.：组合物；N-化合物：含氮化合物；PI：哌嗪；PDA：1,3-丙二胺；BDA：1,4-丁二胺；GC：碳酸胍
从表1中可以看出，与组合物A1相比，包含不同含氮化合物的组合物E1-E15表现出更高的硅材料去除率。
实施例2
评估组合物A2和E16-E25的抛光硅晶片的平整度。所有组合物均包含表2所列浓度的胶体二氧化硅、0.1wt％EDTA、0.2wt％哌嗪和按wt计30ppm的生物杀灭剂KATHONTM LX 150(Dow Inc.)。用KOH将所有组合物的pH调节至11。组合物E16-E25包含阴离子聚合物(购自Sigma Aldrich、Polysciences Inc.、山东泰和科技有限公司)，其浓度和分子量如表2所列。如实施例1中所述，所有组合物均用于抛光6英寸直径的圆形硅晶片。使用NX20(ParkSystems)在中心和距硅晶片边缘20mm的4个测量点测量抛光硅晶片的表面粗糙度(平均粗糙度，Ra)。表面粗糙度(Ra)是指轮廓高度与平均高度的偏差的绝对值的算术平均值。总厚度变化(TTV)是指硅晶片最大厚度与最小厚度之差，常用于评估晶片表面的厚度变化。TTV是通过在硅晶片中心和距离硅晶片边缘2mm处的四个测量点处测量硅晶片的厚度，并计算厚度的最大测量差获得的。表面粗糙度和TTV列在表2中。
表2
缩略语：PSSA-S：聚(苯乙烯磺酸)钠盐；PSS-MA：聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)；PAA：聚丙烯酸；PMA：聚马来酸；PVSA-S：聚(乙烯基磺酸)钠盐；PVPA：聚(乙烯基膦酸)；PESA：聚环氧琥珀酸；PAPA-S：聚天冬氨酸钠盐
从表2中可以看出，与不包含阴离子聚合物的组合物A2相比，包含不同阴离子聚合物的组合物E16-E25显著降低了抛光硅晶片的TTV和表面粗糙度，表明硅晶片的平整度得到改善。
实施例3
评估组合物A3-A5和E26-E39在再循环期间的硅材料去除率。所有组合物均包含2wt％的胶体二氧化硅和按重量计30ppm的生物杀灭剂KATHONTM LX 150(Dow Inc.)。组合物A3和E26-E39还包含0.1wt％的TTHA、0.15wt％的1,3-丙二胺，并用TMAH将pH调节至11。组合物A4和A5还包含0.1wt％DTPMP、0.15wt％1,4-丁二胺，并分别用KOH和TMAH将pH值调节至11。组合物E26-E39包含0.2wt％的阴离子聚合物(购自Sigma Aldrich、PolysciencesInc.、山东泰和科技有限公司)，其分子量如表3所列。所有组合物均用于在实施例1所述的条件下抛光6英寸直径的圆形硅晶片6小时。组合物在抛光过程中再循环和重复使用，这意味着将使用过的组合物收集在罐中并重新应用到基材上。在抛光过程开始时，将1L组合物用于抛光系统进行抛光。每2小时将额外的100ml组合物添加到抛光系统中以补偿再循环过程中再循环组合物的损失。在抛光过程开始时以及每隔一小时，如实施例1中所述测量硅材料去除率，并列于表3中。
表3
缩略语：PSSA-S：聚(苯乙烯磺酸)钠盐；PSS-MA：聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)；PAA：聚丙烯酸；PMA：聚马来酸；PVSA-S：聚(乙烯基磺酸)钠盐；PVPA：聚(乙烯基膦酸)，PMAA：聚(甲基丙烯酸)，PMAA-S：聚(甲基丙烯酸)钠盐，PESA：聚环氧琥珀酸，PAPA-S：聚天冬氨酸钠盐，PVSU-P：聚(乙烯基硫酸)钾盐
从表3中可以看出，不含阴离子聚合物的组合物A3-A5的硅去除率在再循环期间表现出显著下降的硅材料去除率，4小时后急剧下降。相比之下，包含不同阴离子聚合物的组合物E26-E39在再循环期间表现出较少的硅材料去除率下降，表明在再循环过程中硅材料去除率稳定。与具有较低分子量的阴离子聚合物的其他组合物相比，包含较高分子量的阴离子聚合物的组合物E27、E37-E38在再循环期间表现出下降更多的硅材料去除率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于抛光含有硅材料的基材的化学机械抛光组合物，该组合物包含：
胶体二氧化硅磨粒，
含氮化合物，
螯合剂，
阴离子聚合物；
其中所述胶态二氧化硅磨粒在组合物中9-12的pH下具有至少-3mV的zeta电位，和
其中所述阴离子聚合物具有至多为50,000 g/mol的分子量；
所述组合物包含至多20.2wt％的磨粒；
含氮化合物选自哌嗪、1,2-乙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺、1,7-庚二胺、1,8-辛二胺、1,9-壬二胺、乙醇胺、二乙醇胺、碳酸胍、盐酸胍及其组合，所述组合物包含0.0001wt%至9.72wt%的含氮化合物；
所述阴离子聚合物包含重复单体单元，所述重复单体单元包含选自羧酸、磺酸、硫酸盐、膦酸、磷酸及其组合的官能团；所述组合物包含0.0007wt%至6.13wt%的阴离子聚合物；
所述螯合剂是氨基多羧酸，所述组合物包含0.0001wt%至2.7wt%的螯合剂。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物具有至少7.0的pH。
3.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述含氮化合物与所述螯合剂和阴离子聚合物之和的重量百分比至多为100%。
4.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述胶体二氧化硅磨粒具有至多95的陡度因子。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组合物，其特征在于，所述胶体二氧化硅磨粒具有至少0.34的粒度分布因子。
6.一种对含有硅材料的基材进行化学机械抛光的方法，该方法包括以下步骤：
a) 提供前述权利要求中任一项所述的化学机械抛光组合物；
b) 使基材与所述化学机械抛光组合物和抛光垫接触；
c) 相对于基材移动抛光垫，所述组合物位于两者之间；和
d) 去除至少一部分基材。
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