CN116656244A - 用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，包括：研磨粒子、添加剂，添加剂包括：研磨抑制剂、研磨选择剂、介质水、pH调节剂，研磨粒子起到研磨作用，研磨粒子为二氧化铈包覆的无机氧化物颗粒；研磨抑制剂用于降低氧化物沟槽研磨力，研磨抑制剂选用有机高分子酸及其衍生物或者盐所形成的聚合物中的一种或者多种；研磨选择剂用于降低氮化硅研磨力，研磨选择剂选用多元醇；pH调节剂用于调整组合物的pH值和Zeta电位。本发明还公开了一种用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物及制备方法。本发明得到的组合物能够有效降低氧化物沟槽的碟型坑形成，并且组合物有宽pH适用范围。
Description
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，具体涉及一种用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物及制备方法。
背景技术
半导体器件用于各种电子应用，如个人电脑、手机、数码相机和其他电子设备。半导体器件通常通过将绝缘层或介电层，导电层和半导体层依次沉积在半导体基板上，并使用光刻技术对各种材料进行图案化，以在其上形成电路组件和元件。
随着半导体行业向纳米技术工艺节点迈进，以追求更高的器件密度、更高的性能和更低的成本，制造和设计问题带来的挑战导致了三维设计的发展，例如鳍式场效应晶体管（FinFET，Fin Field-Effect Transistor），FinFET是用从基板延伸的薄垂直“翅片”（或翅片结构）制造的。鳍式场效应晶体管的通道就是在这个垂直鳍片中形成的，翅片上方设有栅极。FinFET的优点是可以减少短沟道效应并且提供更高的电流。
集成电路工艺制程从最小栅长（Gate or channel length）小于28 nm开始，为了解决短沟道效应及失配等问题，从平面结构转向立体结构，鳍式场效应晶体管FINFET就是28 nm以下的一种立体结构的半导体工艺制程。
FinFET称为鳍式场效应晶体管（Fin Field-Effect Transistor），是由美籍华人科学家胡正明（Chenming Hu）教授在1999年提出来的。其中的Fin在构造上与鱼鳍非常相似，所以称为“鳍式”，FET的全名是“场效应晶体管”。他们的研究目标是CMOS技术如何拓展到25 nm领域，当时的研究结果显示有两种途径可以实现这种目的：一是立体型结构的FinFET，另外一种是基于SOI的超薄绝缘层上硅体技术（UTB-SOI，也就是现在常说的FD-SOI技术）。
FinFET是一种新的互补式金属氧半导体（CMOS）晶体管，源自于传统标准的“场效应晶体管”的一项创新设计。传统MOSFET结构是平面的，只能在栅门的一侧控制电路的导通与断开。但是在FinFET架构中，栅极（Gate）被设计成类似鱼鳍的3D架构，可于电路的两侧控制电路的导通与断开。这种叉状3D架构不仅能改善电路控制和减少漏电流（leakage），同时让晶体管的栅长大幅度缩减。目前，英特尔的14纳米工艺中晶体管的栅长已经缩短至20纳米，三星的5纳米工艺中已经缩短至10纳米，未来还有可能缩短至7纳米。
在微电子器件的制造中，涉及的一个重要步骤是平坦化，特别是用于化学机械抛光的表面，用于使结构平坦化。例如，将Si3N4层沉积在SiO2层下以用作抛光停止层，这种抛光停止的作用在浅沟槽隔离（STI）结构中尤为重要。选择性表示为氧化物抛光速率与氮化物抛光速率的比值。一个例子是，与氮化硅（Si3N4）相比，二氧化硅（SiO2）的抛光选择性提高。
如图1所示，是现有技术中化学机械研磨（CMP）过程中形成碟型凹陷1的流程图。
a、用高密度电浆化学气相沉积（HDP-CVD）SiO2形成STI，CMP平坦化；
b、回刻SiO2，控制时间确定Fin的高度；
c、光刻，离子沟道注入；
d、沉积iO2缓冲层；
e、沉积多晶硅；
f、光刻和蚀刻形成栅极；
g、形成碟型凹陷1。
化学机械研磨（CMP）过程中形成碟型凹陷1，在图案化STI结构的全球平面化中，降低碟型凹陷1是需要考虑的重要因素，较低的沟槽氧化物损耗将防止电流在相邻晶体管之间泄漏。芯片两端（芯片内）不均匀的沟槽氧化物损耗将影响晶体管性能和器件制造良品率。严重的碟型凹陷1会导致晶体管隔离不良，导致器件故障。因此，CMP过程中减少沟槽氧化物损失非常重要。
美国专利号US5876490公开了含有磨料颗粒并表现出正应力效应的抛光组合物，该浆料由氧化铈颗粒和聚合物电解质组成，可用于浅沟槽隔离（STI）抛光应用。浆料还含有非抛光颗粒，通过非抛光颗粒使凹槽处的抛光速率降低，而磨料颗粒在高处保持高抛光速率，使平坦化得以改进。
美国专利号US 6964923公开了含有氧化铈颗粒和聚合物电解质的抛光组合物，用于浅沟槽隔离（STI）抛光应用。所使用的聚合物电解质包括聚丙烯酸的盐，聚电解质的分子量为300至20000。
美国专利号US6616514公开了一种化学机械抛光浆料。所公开的化学机械抛光浆料包括研磨剂、水性介质和有机多元醇，有机多元醇在水介质中含不可解离的至少三个羟基的化合物，或由其单体形成的聚合物。该抛光组合物对pH值较敏感，适用的pH范围比较窄。
现有的浅沟槽隔离（STI）抛光组合物并未涉及如何消除或者降低碟型凹陷1。FinFet结构中STI的结构远比MOSFET更精细，对平坦化要求更高，因此，必须采用合适、高效的抛光组合物以满足制程要求，在CMP过程中对STI的填充介质氧化硅对停止层氮化硅的选择性要求更高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物及制备方法，得到的组合物能够有效降低氧化物沟槽的碟型坑形成，并且组合物有宽pH适用范围。
本发明使用的技术解决方案：
用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，包括：研磨粒子、添加剂、水，研磨粒子的含量为组合物的0.5-55wt%，添加剂的含量为组合物的0.6-15wt%，用水补足100wt%；添加剂包括：研磨抑制剂、研磨选择剂、pH调节剂；研磨粒子起到研磨作用，研磨粒子选用二氧化铈包覆的无机氧化物颗粒；研磨抑制剂用于降低氧化物沟槽研磨力，研磨抑制剂选用有机高分子酸及其衍生物或者盐所形成的聚合物中的一种或者多种；研磨选择剂用于降低氮化硅研磨力，研磨选择剂选用多元醇；pH调节剂用于调整组合物的pH值和Zeta电位。
进一步，研磨抑制剂含量为组合物的0.01-5wt%，研磨选择剂的含量为组合物的0.5-8wt%，pH调节剂的含量为组合物的0.5-5wt%，组合物的pH范围为7.5-11；研磨粒子选用二氧化铈包覆的胶体二氧化硅、二氧化铈包覆的氧化铝、二氧化铈包覆的二氧化钛或者二氧化铈包覆的氧化锆。
进一步，组合物的pH范围为8.5-11。
进一步，二氧化铈的粒度20-200nm，二氧化硅的粒度20-120nm，摩尔比SiO2：CeO2=1：2-6。
进一步，聚合物分子量范围为1000至1000000，研磨抑制剂选用聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙基丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丙酯的一种或者多种。
进一步，多元醇选用甘露醇、山梨醇、木糖醇、甘露糖、葡聚糖、山梨醇糖中的一种或多种。
进一步，pH调节剂选用硝酸、盐酸、磷酸、氢氧化铵、三乙醇胺、二乙醇胺、一乙醇胺、三甲基氢氧化铵或者三乙基氢氧化铵中的一种或多种。
进一步，还包括杀菌剂，杀菌剂选用1，2-苯并异噻唑啉-3-酮、苯并米唑酯、亚甲基双硫氰酸酯、2，2-二溴一氰基乙酰胺、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮中的一种或多种。
化学机械抛光组合物的制备方法，其特征在于，包括：
制备含有二氧化铈包覆的无机氧化物颗粒的浆料，通过过滤、干燥、煅烧、研磨得到二氧化铈包覆的胶体二氧化硅，煅烧温度为450℃-1000℃，恒温时间16-28小时；
取浆料加入介质水、研磨选择剂、研磨抑制剂，用pH调节剂调整研磨浆料的pH值和Zeta电位，Zeta电位不小于-50mV，pH值范围为7.5-11，得到用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物。
优选的，将氢氧化高铈与硅溶胶混合，氢氧化铈的纯度CeO2/TREO=>99.99wt%、Ce4 +/TCe>99wt%，硅溶胶粒度40-150nm，氢氧化铈分散在硅溶胶中，加入水，分散、搅拌，过滤、干燥、煅烧，加水调浆研磨得到浆料；浆料加入多元醇和聚丙烯酸铵，用pH调节剂调pH值和Zeta电位。
本发明技术效果包括：
本发明的CMP组合物具有高二氧化硅（SiO2）膜去除率，低氮化硅（Si3N4）膜去除率，以及可调的选择性（选择性表示为氧化物抛光速率与氮化物抛光速率的比值），选择性大于80。
CMP组合物具有高的选择性，能够有效降低氧化物沟槽的碟型凹陷的形成，并且有宽pH适用范围。
附图说明
图1是现有技术中化学机械研磨（CMP）过程中形成碟型凹陷的流程图；
图2本发明中氧化物沟槽的碟型凹陷消失后的示意图。
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，包括：研磨粒子、添加剂、水，研磨粒子的含量为组合物总量的0.5-55wt%，添加剂的含量为组合物总量的0.6-15wt%，纯水补足100wt%；添加剂包括：研磨抑制剂、研磨选择剂、pH调节剂，研磨抑制剂的含量为组合物的0.01-5wt%，研磨选择剂的含量为组合物的0.5-8wt%，pH调节剂的含量为组合物的0.5-5wt%；其中，研磨粒子起到研磨作用，研磨抑制剂用于降低氧化物沟槽研磨力，研磨选择剂用于降低氮化硅研磨力，pH调节剂用于调整组合物的pH值和Zeta电位，根据pH实际值进行调节用量，组合物的pH范围为7.5-11；优选实施例中还可以包含杀菌剂。
化学机械抛光组合物属于化学机械平坦化（CMP）抛光组合物，以氧化铈为研磨粒子，应用在超大规模集成电路制造工艺中的浅沟槽隔离（STI）。
聚合物（研磨抑制剂）浓度、研磨粒子浓度和尺寸、抛光组合物的pH值，能够影响隔离介质SiO2的去除率。
a、研磨粒子
研磨粒子为二氧化铈包覆的无机氧化物颗粒；可以选用二氧化铈包覆的胶体二氧化硅、二氧化铈包覆的氧化铝、二氧化铈包覆的二氧化钛或者二氧化铈包覆的氧化锆。
本发明优选二氧化铈包覆的胶体二氧化硅。二氧化铈的粒度20-200 nm，二氧化硅的粒度20-120 nm，摩尔比SiO2：CeO2=1：2-6。
b、研磨抑制剂
研磨抑制剂选用有机高分子酸及其衍生物或者盐所形成的聚合物中的一种或者多种。聚合物分子量范围为1000至1000000。
本发明为了提高研磨效率，提高浆料的分散性采用加入丙烯酸类聚合物的方法提高了浆料体系的ζ电位（Zeta电位）。
本优选实施例的研磨抑制剂选用聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙基丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丙酯的一种或者多种。
表1聚合物的影响
表1可以看出在pH值为7.5、聚合物浓度为0.5wt%时，二氧化硅的去除率降低。
c、研磨选择剂
研磨选择剂选用多元醇，研磨选择剂用于降低氮化硅（Si3N4）膜去除率，停止层Si3N4的去除率由多元醇调节。
多元醇选用：甘露醇（C6H14O6）、山梨醇（C6H14O6）、木糖醇(C5H12O5)、甘露糖（C6H14O6）、葡聚糖[C6H10O5]n、山梨醇糖中的一种或多种。
表2多元醇对Si3N4去除率的作用
如表2，在研磨粒子浓度0.5wt%，多元醇大大降低了氮化硅的去除率，去除率是无多元醇的十分之一，由此有效的提高了选择性。
表3多元醇含量的影响
表3可以看出多元醇含量增加降低了氮化硅的去除率。
d、介质水
水选用去离子水、交换水或者高纯蒸馏水。
e、pH调节剂
pH调节剂选用：硝酸、盐酸、磷酸、氢氧化铵、三乙醇胺、二乙醇胺、一乙醇胺、三甲基氢氧化铵或者三乙基氢氧化铵中的一种或多种。
表4pH的作用
表4可以看出，随着pH的降低，二氧化硅的去除率也降低。
f、杀菌剂
杀菌剂选用：1，2-苯并异噻唑啉-3-酮、苯并米唑酯、亚甲基双硫氰酸酯、2，2-二溴一氰基乙酰胺、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮中的一种或多种。
实施例1
用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物的制备方法，具体如下：
步骤1：制备含有二氧化铈包覆的无机氧化物颗粒的浆料；
二氧化铈包覆的胶体二氧化硅（SiO2/CeO2）的制备方法，将氢氧化铈（纯度：CeO2/TREO=>99.99wt%，Ce4+/TCe>99wt%）与硅溶胶混合（硅溶胶粒度40-150nm），氢氧化铈分散在硅溶胶中，通过过滤、干燥、煅烧、研磨得到二氧化铈包覆的胶体二氧化硅。
煅烧温度为450℃-1000℃，恒温时间16-28小时。
1、1000克Ce（OH）4（TREO=39.04wt%，CeO2/TREO=99.99wt%），加入84克硅溶胶（质量百分比40wt%，D50=80 nm）；
2、加入介质水1000 ml，分散、搅拌，过滤，100℃干燥8小时；
3、700℃煅烧22小时；
4、加水3Kg调浆研磨得到浆料，二氧化铈包覆的胶体二氧化硅的粒度D50=112 nm，浆料浓度11.76wt%。
步骤2：取浆料加入介质水、研磨选择剂、研磨抑制剂，用pH调节剂调整研磨浆料（化学机械抛光组合物）的pH值和Zeta电位，Zeta电位不小于-50mV，pH值范围为7.5-11。
取上述浆料1Kg加介质水22Kg，加入2wt%多元醇（甘露醇、山梨醇、木糖醇）和0.5wt%聚丙烯酸铵，用三乙醇胺调pH值到8.5，测定Zeta电位=-55 mv。
测试用基板8吋，CVD淀积SiO2，PECVD淀积Si3N4。
研磨工艺参数：压力8psi，上定盘转速70rpm，下定盘转速65 rpm，浆料流量150ml/min。
表50.5wt% SiO2/CeO2，pH8.5
如表5，组合物具有低二氧化硅（SiO2）膜去除率、低氮化硅（Si3N4）膜去除率和可调的选择性，选择性均大于80。
具有高的选择性的CMP组合物，能够有效降低氧化物沟槽的碟型坑形成，并且有宽pH适用范围。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，其特征在于，包括：研磨粒子、添加剂、水，研磨粒子的含量为组合物的0.5-55wt%，添加剂的含量为组合物的0.6-15wt%，用水补足100wt%；添加剂包括：研磨抑制剂、研磨选择剂、pH调节剂；研磨粒子起到研磨作用，研磨粒子选用二氧化铈包覆的无机氧化物颗粒；研磨抑制剂用于降低氧化物沟槽研磨力，研磨抑制剂选用有机高分子酸及其衍生物或者盐所形成的聚合物中的一种或者多种；研磨选择剂用于降低氮化硅研磨力，研磨选择剂选用多元醇；pH调节剂用于调整组合物的pH值和Zeta电位。
2.如权利要求1所述的用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，其特征在于，研磨抑制剂含量为组合物的0.01-5wt%，研磨选择剂的含量为组合物的0.5-8wt%，pH调节剂的含量为组合物的0.5-5wt%，组合物的pH范围为7.5-11。
3.如权利要求2所述的用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，其特征在于，组合物的pH范围为8.5-11。
4.如权利要求1所述的用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，其特征在于，研磨粒子选用二氧化铈包覆的胶体二氧化硅、二氧化铈包覆的氧化铝、二氧化铈包覆的二氧化钛或者二氧化铈包覆的氧化锆；二氧化铈的粒度20-200nm，二氧化硅的粒度20-120nm，摩尔比SiO2：CeO2=1：2-6。
5.如权利要求1所述的用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，其特征在于，聚合物分子量范围为1000至1000000，研磨抑制剂选用聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙基丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丙酯的一种或者多种。
6.如权利要求1所述的用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，其特征在于，多元醇选用甘露醇、山梨醇、木糖醇、甘露糖、葡聚糖、山梨醇糖中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，其特征在于，pH调节剂选用硝酸、盐酸、磷酸、氢氧化铵、三乙醇胺、二乙醇胺、一乙醇胺、三甲基氢氧化铵或者三乙基氢氧化铵中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物，其特征在于，还包括杀菌剂，杀菌剂选用1，2-苯并异噻唑啉-3-酮、苯并米唑酯、亚甲基双硫氰酸酯、2，2-二溴一氰基乙酰胺、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮中的一种或多种。
9.如权利要求1~8任一项所述的化学机械抛光组合物的制备方法，其特征在于，包括：
制备含有二氧化铈包覆的无机氧化物颗粒的浆料，通过过滤、干燥、煅烧、研磨得到二氧化铈包覆的胶体二氧化硅，煅烧温度为450℃-1000℃，恒温时间为16-28小时；
取浆料加入介质水、研磨选择剂、研磨抑制剂，用pH调节剂调整研磨浆料的pH值和Zeta电位，Zeta电位不小于-50mV，pH值范围为7.5-11，得到用于鳍式场效应晶体管的化学机械抛光组合物。
10.如权利要求9所述的化学机械抛光组合物的制备方法，其特征在于，将氢氧化高铈与硅溶胶混合，氢氧化铈的纯度CeO2/TREO=>99.99wt%、Ce4+/TCe>99wt%，硅溶胶粒度40-150nm，氢氧化铈分散在硅溶胶中，加入水，分散、搅拌，过滤、干燥、煅烧，加水调浆研磨得到浆料；浆料加入多元醇和聚丙烯酸铵，用pH调节剂调pH值和Zeta电位。
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