CN1367809A - 含硅烷改性研磨颗粒的化学机械抛光(cmp)组合物 - Google Patents

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Abstract

一种包括硅烷改性的研磨颗粒的分散系的抛光组合物,该组合物是通过混合至少一种金属氧化物与至少一种硅烷化合物而形成的,所述的金属氧化物具有至少一种表面金属氢氧化物,以及使用该抛光组合物抛光基材部位如金属部位和氧化物部位的方法。

Description

含硅烷改性研磨颗粒的化学机械抛光(CMP)组合物
                         发明背景
(1)发明领域
本发明涉及一种包含硅烷改性的金属氧化物研磨颗粒分散系的CMP组合物，该硅烷改性的研磨颗粒是具有表面金属氢氧化物的研磨剂与包括至少一个不可水解的取代基的硅烷化合物混合在一起的产物。本发明还涉及一种使用硅烷改性研磨颗粒分散系以抛光与基材表面有关的部位的方法，以及使用包含硅烷溶液改性过的抛光衬垫的研磨剂抛光基材部位的方法。
(2)现有技术描述
计算机及电子工业中使用的电子元件的小型化已取得巨大的进展。一般而言，电子元件的小型化包括沉积，蚀刻和/或抛光多金属及氧化物层以构成电子基材。然而，小型化导致元件的品质问题，其中的许多问题可通过精确地抛光计算机及电子基材材料而克服。为了精确地抛光电子元件表面，已逐渐需要开发可以与欲抛光的表面组合兼容的化学机械抛光浆液。
化学机械抛光浆液中一种很少改善的组分是研磨剂。一般而言，在化学机械抛光浆液中使用金属氧化物研磨剂。除了改善浆液中所使用的研磨颗粒大小或研磨颗粒种类之外，很少努力改良浆液研磨剂。
最近，已对于研磨颗粒的表面化学修饰做过一些尝试。例如，US 5645736公开了一种抛光工件的方法，该方法使用有机聚硅氧烷聚合物分散和保持欲抛光的基材上的临时薄膜或基质中的研磨颗粒。US 5767106公开了一种抛光组合物，其包括与有机金属化合物如γ-氨基丙基三乙氧基硅烷结合的研磨颗粒。接着在浆液中使用该颗粒以抛光半导体器件。
除了这些改进之外，仍需要一种化学机械抛光组合物，使之适于抛光与电子基材有关的金属和/或氧化物层的特定组合。更具体地，仍需要一种研磨颗粒，使之适于以受控的速率抛光特定金属和/或介电层，同时使基材瑕疵率减至最低。
                          发明简述
本发明包括一种包含硅烷改性的研磨颗粒的分散系的化学机械抛光组合物，该硅烷改性的研磨颗粒为至少一种金属研磨剂与至少一种硅烷化合物的混合产物。所述的金属研磨剂包含至少一种表面金属氢氧化物，所述的硅烷化合物包含至少一个不可水解的取代基。
在另一实施方案中，本发明涉及一种包含分散系的化学机械抛光组合物，所述的分散系包括至少一种硅烷改性的研磨颗粒，该颗粒为具有至少一种表面金属氢氧化物的金属氧化物研磨剂与至少一种具由下式
                     Y-Si-(X1X2R)的硅烷化合物及其二聚体、三聚体和寡聚体的组合产物，其中Y为羟基(-OH)或可水解的取代基，X1与X2独立选自羟基、可水解的取代基和不可水解的取代基，且R为一种不可水解的取代基，其中每个不可水解的取代基独立地选自烷基、环烷基、芳香基、官能化的烷基、官能化的芳香基和官能化的环烷基，其中的每一个可以被一个或多个选自氧、氮、硫、磷、卤素的原子及其组合所取代，其中该硅烷不是氨基硅烷。
在另一实施方案中，本发明包括抛光一种含至少一个表面特征的基材的方法。该方法包括以下步骤：制备一种化学机械抛光浆液，其包含一种选自水与有机溶剂之溶液，及含至少一种表面金属氢氧化物的金属氧化物研磨剂与至少一种含至少一个不可水解的取代基以给出硅烷改性的研磨颗粒的硅烷化合物的组合。然后将该抛光浆液施用于抛光衬垫，使该基材部位与该抛光衬垫接触，且相对于该抛光衬垫移动该基材表面部位，直到部分该部位从该基材上除去为止。
在又实施方案中，本发明涉及一种制备抛光用的抛光衬垫的方法，该方法包括以下步骤：将硅烷溶液施用于抛光垫，该抛光垫包括至少一种包含表面金属氢氧化物的研磨颗粒，以形成硅烷改性的研磨颗粒；使包括至少一个表面部位的基材与该抛光衬垫接触，并相对于抛光衬垫移动基材，以从基材上除去至少部分的该部位表面。
已发现本发明的组合物及方法可为集成电路的介电层和金属层提供可操控的抛光特性。
                     本发明具体实施方案的描述
本发明系涉及一种包含硅烷改性的研磨颗粒的分散系的化学机械抛光组合物，该硅烷改性的研磨颗粒为至少一种含至少一种表面金属氢氧化物的金属氧化物研磨颗粒与至少一种含至少一个不可水解的取代基的硅烷化合物的组合产物。本发明还涉及一种使用硅烷改性研磨颗粒的分散系抛光基材部位的方法。本发明进一步包括使用硅烷溶液改性含研磨剂的抛光衬垫中的研磨剂的方法。
本文中所使用的“基材部位”是指电子基材部位，例如引线(vias)和铜互联线；及沉积在该部位之上或之内的材质层，例如介电层，低-k材料层，粘合层，金属层等。本发明的抛光组合物可用以抛光基材以移除材质层，并且可用以抛光曝露的基材部位。
可用于本发明的CMP组合物中的研磨剂必须包含至少一种表面金属氢氧化物。术语“表面金属氢氧化物”是指P---OH结构，其中P是指研磨颗粒。此外，该表面金属氢氧化物必须易于接近一种或多种含有硅烷的化合物，以形成本发明的硅烷改性的研磨颗粒。因此，优选的包含本发明的研磨剂的表面金属氢氧化物可选自金属氧化物研磨剂，其包括矾土，氧化钛，氧化锆，氧化锗，硅石，氧化铈，氧化钽(TaOx)及其混合物，以及它们的化学混合物。术语“化学混合物”是指包括原子性混合或涂覆的金属氧化物研磨剂混合物的颗粒。最优选的金属氧化物研磨剂为硅石(二氧化硅)。
用于本发明的研磨颗粒可由金属氧化物聚集体或个别的单一颗粒组成。本文中所使用的术语“颗粒”是指不止一种的主要颗粒的聚集体合单一颗粒。优选的金属氧化物颗粒为硅石及矾土，且最优选硅石。
用于本发明的该金属氧化物研磨剂可通过本领域的技术人员所熟知的技术来制备，以得到具上述特征的研磨颗粒。用于本发明的金属氧化物研磨剂来源于下列方法：火焰法，溶胶凝胶法，水热法，等离子体法，气凝胶法，发烟法，沉淀法，机械化学研磨法，采矿法，以及这些方法的任意组合，只要研磨剂包含表面金属氢氧化物。
金属氧化物研磨颗粒与至少一种硅烷组分结合，以形成硅烷改性的研磨颗粒。能够与研磨颗粒的金属氢氧化物组分结合的任何硅烷组分均可用于本发明，只要该硅烷包括至少一个不可水解的取代基。一些可用于本发明的硅烷化合物的种类包括烷氧基硅烷，烷基硅烷，官能化的硅烷，二硅烷，三硅烷及其组合。
优选的硅烷组分具有下式：
                        Y-Si-(X1X2R)且包括其二聚物，三聚物及寡聚物，其中术语“寡聚物”是指含4至15个硅氧烷单元的化合物。在上式中，Y为羟基(-OH)或可水解的取代基。X1与X2每个均独立地选自羟基，可水解的取代基，且R为不可水解的部分。在一优选的实施方案中，该硅烷组分可具有上式，其中Y为羟基(-OH)或可水解的取代基，R为不可水解的取代基，且X1与X2各自独立为不可水解的取代基。自上式可知，用于本发明的硅烷必须包含一个可水解的取代基Y，且其必须包含一个不可水解的取代基R。每个X1与X2均可以是可水解的，不可水解的，或者其中之一为可水解的取代基，而另一个为不可水解的取代基。
通常，“可水解”的取代基是那些在含水体系中会形成Si(OH)的化合物。这种部分包括但不限于醇盐，卤素如Cl，羧酸酯，及酰胺。不可水解的部分为在含水体系中不发生水解而形成Si(OH)的任何化合物。
不可水解的取代基各自独立地选自烷基，环烷基，芳香基，官能化烷基，官能化芳香基，官能化环烷基，烯类，烷基硅烷，其中一个或多个碳原子可能被一个或多个选自氧，氮，硫，磷，卤素，硅及其组合的原子所取代，且其中每个不可水解的取代基包含1至100个碳原子，优选2至25个碳原子，且最优选2至10个碳原子。
优选每个不可水解的取代基选自烷基，官能化烷基，及其具由2至25个碳原子的混合物。更优选每个不可水解的取代基为选自烷基腈，烷基酰胺，烷基羧酸，烷基卤，醇，烷基脲基，及其混合物的官能化烷基。最优选至少一个不可水解的取代基为丙基官能化的烷基。
当X1与X2均为羟基或可水解的取代基时，硅烷化合物优选选自缩水甘油氧基丙基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，脲基丙基三烷氧基硅烷，巯基丙基三烷氧基硅烷，氰基乙基三烷氧基硅烷，4，5-二氢-1-(3-三烷氧基甲硅烷基丙基)咪唑，丙酸3-(三烷氧基甲硅烷基)-甲酯，三烷氧基[3-(环氧乙烷基烷氧基)丙基]硅烷，2-丙烯酸2-甲基-3-(三烷氧基甲硅烷基)丙酯，[3-(三烷氧基甲硅烷基)丙基]脲，及其混合物。
当一个选自X1与X2的取代基为不可水解的取代基时，该硅烷优选选自氯丙基甲基二烷氧基硅烷，1，2-乙二基双[烷氧基二甲基]硅烷，二烷氧基甲基苯基硅烷，及其混合物。
当X1与X2每个均为不可水解的部分时，硅烷优选选自氰基丙基二甲基烷氧基硅烷，N，N′-(烷氧基甲基甲硅亚烷基)双[N-甲基-苯酰胺]，氯甲基二甲基烷氧基硅烷，及其混合物。
就本发明而言，用于硅烷名称中的术语“烷氧基”是指可水解的基团，且可包含-OR，Cl，Br，I，及NRR′，其中R与R′可包含1至20个碳原子。
就本发明主要方面而言，除了使用硅烷组分改性含研磨剂的抛光衬垫的方法以外，还优选该硅烷不为氨基硅烷。
R，X1与X2的选择通常取决于对所得到的硅烷改性研磨剂的抛光品质的要求。与R，X1及X2相对应的组分的选择，使得硅烷改性研磨剂可用于特定抛光应用。例如，可以选择R1，X1及X2取代基，以增强第一金属层的抛光速率，并抑制第二金属层之抛光速率。作为选择，可以选择取代基，以增强两种或多种金属的抛光速率，抑制两种或多种金属之抛光速率，或者抑制或增强金属及氧化物层组合的抛光速率。
本发明的硅烷改性研磨颗粒通常以式：P---O(H)Si-X1X2R来表示。本发明的重要特征是硅烷化合物与研磨颗粒缔合。这种缔合在该式中以颗粒(P)与氧原子(O)间的虚线(---)来表示。本文中所使用的术语“缔合”是指联结研磨颗粒与至少一种硅烷醇化合物的任何类型的键。这种键的实例包括来源于缩合的共价键，化学吸附作用，物理吸附作用，氢键和/或范德华缔合。
本发明的硅烷改性研磨颗粒可包含与单一颗粒表面氢氧化物缔合的单一硅烷，或于多位置与颗粒缔合的单一硅烷化合物。在另一实施方案中，硅烷改性的研磨颗粒可以通过硅烷二聚物，三聚物，寡聚物来改性，其中每个硅烷二聚物，三聚物或寡聚物与单一的粒子或与颗粒上多个表面金属氢氧化物位置缔合。
本发明的硅烷改性颗粒应具有足以实现所需抛光结果的硅烷“覆盖率”。术语“覆盖率”是指与硅氧烷缔合的颗粒表面氢氧化物的百分比。通常硅烷覆盖度的范围为约10至约99％或更多。然而，大于单层的覆盖是可接受的。
可以将本发明的硅烷改性研磨颗粒掺入化学机械抛光浆液中或掺入含研磨剂的抛光衬垫中，该抛光衬垫可用以抛光许多基材层，其包括与制造集成电路及其它电子基材有关的金属层，粘合层及氧化物层。可通过本发明的硅烷改性研磨颗粒抛光的层的实例包括铜，铝，镍，磷化镍，钨，钛，氮化钛，氮化钨，硅，氧化锗，二氧化硅，氮化硅，包括其组合的层等。
当使用硅烷改性研磨颗粒抛光与基材表面如超低-k材料，氧化硅，氧化铝，磷或硼掺杂的硅石等有关的氧化物或介电部位，且需要降低抛光速率时，改性研磨颗粒所使用的硅烷组分优选包括一个或两个羟基和/或可水解部分。参考上述的硅烷结构，R与X1优选为不可水解的取代基，X2可选自羟基，可水解的取代基及不可水解的取代基，而Y为羟基或另一可水解的取代基。优选在此种抛光应用中羟基及可水解部分最小化，因为在该研磨颗粒表面上存在硅烷醇会促成迅速的且有时是不可控制的氧化物层抛光。因此，使研磨表面的硅烷醇化合物最小化或基本上消除有助于对氧化物层抛光的控制。
可使用的硅烷的R取代基可适当地按大小排序，以便以两种方式之一发挥作用。第一种R取代基大小即原子数的选择能够改性该颗粒的机械特征。即当R包含许多原子时，R取代基可以改变该颗粒的物理特性如形态，大小及硬度，进而对于经本发明的硅烷改性研磨颗粒抛光的基材的瑕疵率产生影响。大的R基团还可以屏蔽任何未与硅烷反应的研磨表面氢氧化物，且使之在抛光期间不易被接触，从而阻止可利用的表面氢氧化物参与氧化物层的抛光。作为选择，可以选择R基团与其它取代基来影响硅烷改性研磨颗粒与欲抛光的基材部分的化学相互作用的方式。改变经化学处理的研磨颗粒的化学性质，使得颗粒适于用作抛光促进剂，抛光抑制剂或其组合。
优选使与本发明的CMP组合物的硅烷改性研磨剂有关的羟基数目和可水解部分最小化。因此，优选X1或X2与R为不可水解部分。最优选X1，X2和R均为不可水解部分。
具有不可水解部分可使用硅烷实例包括烷基硅烷；官能化烷基硅烷如烷基环氧化合物，烷基氢氧化物，烷基腈，烷基羧酸及烷基酰胺；芳族硅烷；杂环硅烷；及其混合物。可使用的不可水解硅烷组分的特定实例包括但不限于缩水甘油氧基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，脲基丙基三烷氧基硅烷，巯基丙基三烷氧基硅烷，氰基乙基三烷氧基硅烷，4，5-二氢-1-(3-三烷氧基甲硅烷基丙基)咪唑，丙酸3-(三烷氧基甲硅烷基)-甲酯，三烷氧基[3-(环氧乙烷基烷氧基)丙基]-硅烷，2-丙烯酸2-甲基-3-(三烷氧基甲硅烷基)丙酯，[3-(三烷氧基甲硅烷基)丙基]脲，氯丙基甲基二烷氧基硅烷，1，2-乙二基双[烷氧基二甲基]硅烷，二烷氧基甲基苯基硅烷，氰基丙基二甲基烷氧基硅烷，N，N′-(烷氧基甲基甲硅亚烷基)双[N-甲基-苯酰胺]，氯甲基二甲基烷氧基硅烷，及其混合物。
可以选择用以制备本发明硅烷改性研磨剂的硅烷，以增强氧化物部位抛光速率。为了增强氧化物部位抛光速率，用于改性研磨颗粒的硅烷优选包括包含氧化物抛光促进剂如羟基或氟化物部分的取代基R。优选的强化氧化物抛光速率的硅烷化合物为可水解成二醇的缩水甘油氧基丙基三烷氧基硅烷。
除了抛光氧化物层之外，还可以使用本发明的抛光组合物来抛光一个或多个与基材有关的金属部位。用来抛光基材金属部位的硅烷改性研磨颗粒优选经由具上式的硅烷改性，该硅烷中至少一个不可水解的取代基-R及任选的X1或X2或其组合包含抛光促进剂部分。金属抛光促进剂部分可以是本领域已知的促进金属在化学机械处理期间溶解的任何部分。金属抛光促进剂部分的实例包括但不限于羧酸，膦酸，硫醇，腈，磷酸酯及其混合物。可用以制备硅烷改性抛光剂以增强金属抛光的硅烷化合物包括但不限于甲基丙烯酰氧基丙基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，脲基丙基三烷氧基硅烷，巯基丙基三烷氧基硅烷，氰基乙基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，4，5-二氢-1-(3-三烷氧基甲硅烷基丙基)咪唑，及其混合物。
本发明的硅烷改性研磨颗粒被制成分散系。该分散系种所使用的溶剂可选自水或有机溶剂，一旦研磨颗粒分散在该溶剂中时，该溶剂可以形成研磨颗粒表面的羟基。优选的溶剂是醇和水，且最优选水。
本发明的抛光组合物可包含一种或多种任选的化学机械抛光浆液添加剂。可使用的抛光浆液添加剂的实例包括络合剂，氧化剂，催化剂，稳定剂，分散剂，表面活性剂，腐蚀抑制剂，缓冲剂，调整溶液pH的化合物等。本领域种已知的任何可用于化学机械抛光浆液合组合物中的成分均掺入本发明的硅烷改性研磨颗粒抛光组合物分散系中。
可以通过使用一种或多种硅烷组分修饰研磨颗粒得到硅烷混合物改性的颗粒，使本发明的抛光组合物适于特定抛光应用。当含金属氢氧化物的研磨颗粒与不止一种硅烷组分结合时，可以调整硅烷组分的相对量以获得具有所需抛光性能的硅烷改性研磨颗粒。作为选择，本发明的硅烷改性研磨颗粒可含有已由第一硅烷组分改性的第一改性研磨颗粒，及已由第二硅烷组分改性之第二改性研磨颗粒。事实上，可以将每种都由不同的硅烷组分改性的两种、三种或四种或更多种研磨颗粒的混合物掺入本发明化学机械抛光浆液中。
可以将本发明的硅烷改性研磨颗粒及其组合掺入化学机械抛光浆液中。作为选择，可以将该硅烷掺入溶液中并施用于含研磨剂的衬垫上，借此使含金属氢氧化物的研磨剂在抛光过程中持续地改性。抛光垫的实例包括含研磨剂的衬垫，其公开于US 5849051和5849052中，其说明书引入本文作为参考。含研磨剂的抛光垫可以在基材抛光之前、之中或之后用含硅烷的溶液进行改性，最优选恰好在基材抛光之前和抛光之中进行改性。上述的硅烷“溶液”包括硅烷溶解在溶剂中的溶液以及硅烷/溶剂乳液。
对本发明的研磨颗粒是如何施用于基材或抛光衬垫上以进行抛光的没有限制。重要的是所使用的研磨颗粒包含与硅烷组分结合的表面氢氧化物。
可以通过硅烷组分与含研磨颗粒的表面金属氢氧化物缔合的任何已知方法制备本发明的硅烷改性研磨颗粒。在一种方法中，可以使硅烷组分溶解在溶剂如水中，并使之喷洒于研磨颗粒的表面上，然后使其干燥以产生硅烷改性研磨颗粒。干燥之后，可将该硅烷改性研磨颗粒立即混入分散系中。作为选择，也可以通过使含表面金属氢氧化物的研磨颗粒与溶剂如水结合，并通过机械方法使研磨剂分散在溶剂中来制备硅烷改性研磨颗粒。一旦研磨颗粒分散在该溶剂中，可添加硅烷组分或溶液至该分散系中，以产生硅烷改性的研磨颗粒，其中硅烷主要通过非共价键的方法如氢键与研磨颗粒表面的金属氢氧化物结合。可以使硅烷改性研磨颗粒与处理溶液分离并干燥，或者将硅烷改性研磨颗粒分散系直接用于化学机械抛光浆液的制备。
优选分散系和/或使用本发明的分散硅烷改性研磨颗粒的化学机械抛光浆液包含小于约15重量％的硅烷改性研磨颗粒。最优选用硅烷改性研磨颗粒抛光金属层时，最终的化学机械抛光组合物包含约0.1至7重量％的硅烷改性研磨颗粒。当使用硅烷改性研磨颗粒抛光氧化物层时，优选该抛光组合物中包含约5至约15重量％硅烷改性研磨颗粒。
除了通过调整所使用的硅烷以改性本发明的抛光组合物中所使用的研磨颗粒，进而调整抛光组合物的抛光性能之外，经硅烷组合物改性的研磨颗粒还可以使包括该改性研磨颗粒的抛光组合物分散系稳定。更具体地，在硅烷改性研磨颗粒的分散系混入水溶液中时，其可能很少凝聚和沉降。因此，与未改性的研磨颗粒分散系相比，硅烷改性的研磨颗粒分散系可以具有提高了的贮存期稳定性。
优选硅烷改性的研磨剂以浓的分散系的形式混入含水CMP抛光浆液中，所述的分散系的固含量为约3％至约45％的固体，且优选为10％至20％的固体。硅烷改性研磨剂的含水分散系可采用常规的技术制备，如通过缓慢添加金属氧化物研磨剂至适合的介质如去离子水中以形成胶体分散系。一般而言，该分散系可以通过本领域的技术人员所熟知的高剪切混合条件来完成。
本发明的抛光组合物常常是通过常规的方法利用常规的抛光机来抛光基材部位。本发明的抛光组合物可直接施用于基材上，或施用于抛光垫上，或在基材抛光期间以受控的方式施用于二者。然而，优选将抛光组合物施用于抛光垫上，然后使抛光垫与基材表面接触，接着使抛光垫相对于基材表面移动运动，以完成基材的抛光。其后，可持续或间歇地将本发明的抛光组合物施用于抛光垫上，以在衬垫/基材表面上保持足量的抛光组合物。当达到抛光终点时，使抛光组合物至抛光垫的流动中断，并使用去离子水其它溶剂洗掉基材上的过量抛光组合物。
                      实施例1
在本实施例中，将硅烷改性的硅石研磨颗粒掺入CMP浆液中。该研磨剂为Cabot公司制造的火成硅石(LM150级)的分散系，并以5.0重量％混入浆液中。除了包含研磨剂及硅烷化合物外，该浆液还包含4.0重量％的过氧化氢，0.018重量％的无水硝酸铁，0.014重量％的丙二酸，0.042重量％的吡嗪。以硝酸调整该浆液的pH至2.3。
在IPEC 472机械上，使用Rodel IC 1000细孔衬垫，以5psi的向下力，60rpm的工作台速度，40rpm的载体速度以及150毫升/分钟的浆液流速，使用该浆液对式样的钨薄片进行抛光。结果见下面的表1。
将该式样的钨薄片抛光至目视终点，然后再抛光20％以除去残留的金属，并提供制造环境中所需的一般方法余量。
                           表1
操作数 硅烷 W速率/分钟 端点时间(秒) 过度抛光时间(秒) 作业区域中剩下之氧化物()
    1     无   3581     133     27     5040
2 0.39重量％的3-氰基丙基二甲基氯硅烷 2579 181 36 5186
表1的抛光结果表明，通过使用本发明的含硅烷改性硅石研磨颗粒的CMP组合物，作业区域中氧化物的损失大量减少(例如，该作业区域更厚)。即使具有硅烷改性研磨剂的CMP浆液在该作业区域上抛光更长的时间，这种减少也是明显的。
                           实施例2
在本实施例中，将硅烷改性研磨颗粒掺入CMP浆液中。该研磨颗粒为Cabot公司制造的火成硅石(LM150级)的分散系，且以2.0重量％混入浆液中。添加硅烷化合物，4.0重量％过氧化氢，0.036重量％无水硝酸铁，0.028重量％丙二酸以及0.02重量％甘氨酸至该研磨颗粒分散体中。用硝酸调整该浆液的pH至2.3。
在IPEC472机械上，使用RodelIC 1000多孔衬垫，以5psi的向下力，60rpm工作台速度，40rpm载体速度及150毫升/分钟的浆液流速，用该浆液抛光毯状钨及BPSG氧化物薄片。抛光结果见下面的表2。
                            表2
操作数     硅烷 W速率/分钟 BPSG氧化物速率/分钟
    3     无     2301     229
4  0.084重量％的3-氰基丙基二甲基氯硅烷 2328 178
抛光该BPSG薄片1分钟，该具硅烷改性研磨颗粒之分散体显示毯状氧化物之抛光速率明显降低。
                           实施例3
在本实施例中，将硅烷改性硅石研磨颗粒掺入CMP浆液中。该研磨剂是Cabot公司制造的火成硅石(LM150级)的分散体，且以3.0重量％混入浆液中。添加硅烷化合物，4.0重量％过氧化氢，0.036重量％无水硝酸铁，0.028重量％丙二酸，及0.057重量％吡嗪至该研磨剂分散系中。以硝酸调整该浆液的pH至2.3。
在IPEC472机械上，使用Rodel IC 1000多孔衬垫，以5psi的向下力，60rpm工作台速度，40rpm载体速度及150毫升/分钟浆液流速，使用该浆液抛光毯状钨及式样的钨薄片，且该结果记载在表3中。
                               表3
# 硅烷  W速率/分钟 经45秒过度抛光后样式芯片之作业区中氧化物厚度之变化
5 无    2580/分钟 Δ厚度＝76
6  0.13重量％的3-氰基丙基二甲基氯硅烷    2779/分钟 Δ厚度＝41
7 0.19重量％的γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷    2539/分钟 Δ厚度＝116
将先前已抛光至目视终点的式样薄片再抛光20％。评估本实例该浆液，以确定在钨引线及PETEOS氧化物均暴露的45秒过度抛光期间，该CMP组合物中硅烷改性研磨颗粒对抛光的影响。表中的数据显示，添加硅烷3-氰基丙基二甲基氯硅烷后，作业区域的氧化物损失减少，而添加可水解成二醇的硅烷缩水甘油氧基丙基三烷氧基硅烷时，则导致氧化物的移除增加。
                        实施例4
本实施例探讨抛光浆液的能力，包括用溶液中不同量的硅烷抛光铜薄片。所使用每种抛光组合物为包含3重量％火成矾土，0.7重量％草酸铵及2.5重量％过氧化氢的水溶液。使用KOH调整各浆液的pH至7.7。各抛光组合物包含不同种类及数量的硅烷。下表4给出了所测试的各抛光组合物所包含的硅烷的量及种类，以及在抛光之后从溶液中所检测到的硅烷含量。下表4还总结了每种试验浆液的铜抛光速率，TEOS抛光速率和钽移除速率。
使用Applied Materials Mirra抛光机及单一步骤法(MP/IP/RRP/PS为4/4.5/4/63/57)进行薄片抛光。抛光是用Rodel IC 1000通过Suba IV抛光垫完成的。
                                表4
操作数     硅烷 在溶液中检到的硅烷 Cu速率(/分钟)   Diawiwnn  Ta速率(/分钟) TEOS速率(/分钟)
8     无     8392     5.6     255     11
9   0.25％的3-[双(2-羟乙基)氨基]丙基三乙氧基硅烷 0.165％ 8784 10.1 300 163
10   1.25％的3-[双(2-羟乙基)氨基]丙基三乙氧基硅烷 0.867％ 8873 12.5 279 224
11   0.03％的3-氰基丙基二甲基氯硅烷 0.010％ 12021 13.2 213 13
12   0.08％的3-氰基丙基二甲基氯硅烷 0.015％ 10728 14.5 242 9
13   0.3％的3-氰基丙基二甲基氯硅烷 0.05％ 10842 14.4 240 7
    14   无    9493   19.7   212    47
表4中的抛光结果显示，包含硅烷改性研磨颗粒的抛光组合物比不含硅烷的对照物抛光组合物能够以较快速率抛光铜部位，并以较低速率抛光氧化物部位。

Claims (65)

1.一种化学机械抛光组合物，该组合物包含分散系，所述的分散系包括至少一种硅烷改性的研磨颗粒，该硅烷改性研磨颗粒为具有至少一种表面金属氢氧化物的金属氧化物研磨剂与至少一种具有式：
                  Y-Si-(X1X2R)的硅烷化合物及其二聚物、三聚物和寡聚物的组合产物，其中Y为羟基或可水解的取代基，X1与X2各自独立地选自羟基，可水解的取代基及不可水解的取代基，且R为不可水解的取代基，其中该不可水解部分各自独立地选自烷基，环烷基，芳香基，官能化烷基，官能化芳香基，官能化环烷基，烯类，二硅烷及三硅烷，其中一个或多个碳原子可被一个或多个选自氧，氮，硫，磷，卤素及其组合的原子所取代，其中该硅烷不是氨基硅烷。
2.根据权利要求1的化学机械抛光组合物，其中该分散系包含至少一种选自水，醇及其组合的溶剂。
3.根据权利要求1的化学机械抛光组合物，其中该溶剂为水。
4.根据权利要求3的化学机械抛光组合物，其中该含水分散系的pH为2至11。
5.根据权利要求3的化学机械抛光组合物，其中该含水分散系的pH为5至9。
6.根据权利要求1的化学机械抛光组合物，其中每个X1与X2选自羟基或可水解的取代基。
7.根据权利要求6的化学机械抛光组合物，其中R选自包括烷基及官能化烷基的化合物。
8.根据权利要求6的化学机械抛光组合物，其中该硅烷化合物选自缩水甘油氧基丙基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，脲基丙基三烷氧基硅烷，巯基丙基三烷氧基硅烷，氰基乙基三烷氧基硅烷，4，5-二氢-1-(3-三烷氧基甲硅烷基丙基)咪唑，丙酸3-(三烷氧基甲硅烷基)-甲酯，三烷氧基[3-(环氧乙烷基氧基)丙基]-硅烷，2-丙烯酸2-甲基-3-(三烷氧基甲硅烷基)丙酯，[3-(三烷氧基甲硅烷基)丙基]脲，及其混合物。
9.根据权利要求1的化学机械抛光组合物，其中选自X1与X2的一个取代基为不可水解的取代基。
10.根据权利要求9的化学机械抛光组合物，其中R及选自X1与X2的不可水解的取代基各自独立地选自烷基，官能化烷基及其混合物的化合物。
11.根据权利要求10的化学机械抛光组合物，其中该硅烷选自氯丙基甲基二烷氧基硅烷，1，2-乙二基双[烷氧基二甲基]硅烷，二烷氧基甲基苯基硅烷，及其混合物。
12.根据权利要求1的化学机械抛光组合物，其中X1与X2每个均为不可水解的部分。
13.根据权利要求12的化学机械抛光组合物，其中R，X1与X2每个均独立地选自包括烷基及官能化烷基的化合物。
14.根据权利要求13的化学机械抛光组合物，其中该烷基与官能化烷基具有2至25个碳原子。
15.根据权利要求14的化学机械抛光组合物，其中每个不可水解的取代基均为选自烷基腈，烷基酰胺，烷基羧酸，烷基卤，醇，烷基脲基，及其混合物的官能化烷基。
16.根据权利要求15的化学机械抛光组合物，其中至少一种不可水解的部分为官能化的丙基烷基。
17.根据权利要求12的化学机械抛光组合物，其中该硅烷选自氰基丙基二甲基烷氧基硅烷，N，N′-(烷氧基甲基甲硅亚烷基)双[N-甲基-苯酰胺]，氯甲基二甲基烷氧基硅烷，及其混合物。
18.根据权利要求1的化学机械抛光组合物，其中该硅烷选自缩水甘油氧基丙基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，脲基丙基三烷氧基硅烷，巯基丙基三烷氧基硅烷，氰基乙基三烷氧基硅烷，4，5-二氢-1-(3-三烷氧基甲硅烷基丙基)咪唑，丙酸3-(三烷氧基甲硅烷基)-甲酯，三烷氧基[3-(环氧乙烷基烷氧基)丙基]-硅烷，2-丙烯酸2-甲基-3-(三烷氧基甲硅烷基)丙酯，[3-(三烷氧基甲硅烷基)丙基]脲，氯丙基甲基二烷氧基硅烷，1，2-乙二基双[烷氧基二甲基]硅烷，二烷氧基甲基苯基硅烷，氰基丙基二甲基烷氧基硅烷，N，N′-(烷氧基甲基甲硅亚烷基)双[N-甲基-苯酰胺]，氯甲基二甲基烷氧基硅烷，及其混合物。
19.根据权利要求1的化学机械抛光组合物，其中该研磨剂选自矾土，氧化钛，氧化锆，氧化锗，硅石，氧化铈，氧化钽(TaOx)，其混合物，及其化学混合物。
20.根据权利要求1的化学机械抛光组合物，其中该研磨剂为硅石。
21.一种抛光包含至少一个表面部位的基材的方法，该方法包括以下步骤：
(a)制备化学机械抛光浆液，其包含选自水与有机溶剂的溶液，及包含至少一种表面金属氢氧化物的金属氧化物研磨剂与至少一种具有下式：
                        Y-Si-(X1X2R)的硅烷化合物及其二聚物、三聚物和寡聚物的组合产物，其中Y为羟基或可水解的取代基，X1与X2各自独立地选自烃基，可水解的取代基，及不可水解的取代基，且R为不可水解的取代基，其中该不可水解的部分各自独立地选自烷基，环烷基，芳香基，官能化烷基，官能化芳香基，及官能化环烷基，其中的一个或多个碳原子可以被一个或多个选自氧，氮，硫，磷，卤素及其组合的原子所取代，其中该硅烷不是氨基硅烷；
(b)将该化学机械抛光组合物施用于抛光垫上；及
(c)移动该基材表面部位，使之与抛光垫接触，并相对于基材表面部位移动抛光衬垫直到至少部分该表面部位自基材除去为止。
22.根据权利要求21的方法，其中抛光组合物是在选自下列的抛光期间的时间施用于抛光垫的：移动基材表面部位使其与抛光垫接触前；移动基材表面部位使其与抛光垫接触之后；以及二者的组合。
23.根据权利要求21的方法，其中该溶剂为水。
24.根据权利要求21的方法，其中X1与X2各自选自羟基及可水解的取代基。
25.根据权利要求24的方法，其中R为选自包含烷基及官能化烷基的化合物的不可水解的取代基。
26.根据权利要求25的方法，其中该硅烷化合物选自缩水甘油氧基丙基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，脲基丙基三烷氧基硅烷，巯基丙基三烷氧基硅烷，氰基乙基三烷氧基硅烷，4，5-二氢-1-(3-三烷氧基甲硅烷基丙基)咪唑，丙酸3-(三烷氧基甲硅烷基)-甲酯，三烷氧基[3-(环氧乙烷基烷氧基)丙基]-硅烷，2-丙烯酸2-甲基-3-(三烷氧基甲硅烷基)丙酯，[3-(三烷氧基甲硅烷基)丙基]脲，及其混合物。
27.根据权利要求21的方法，其中选自X1与X2的一个取代基为不可水解的取代基。
28.根据权利要求27的方法，其中R及选自X1与X2的不可水解的取代基各自独立地选自包括烷基，官能化烷基，及其混合物的化合物。
29.根据权利要求28的方法，其中该硅烷选自氯丙基甲基二烷氧基硅烷，1，2-乙二基双[烷氧基二甲基]硅烷，二烷氧基甲基苯基硅烷，及其混合物。
30.根据权利要求21的方法，其中每个X1与X2均为不可水解的部分。
31.根据权利要求30的方法，其中R，X1及X2各自独立地选自包括烷基，官能化烷基，及其混合物的化合物。
32.根据权利要求31的方法，其中该烷基及官能化烷基具有2至25个碳原子。
33.根据权利要求32的方法，其中每个不可水解的取代基均为选自烷基腈，烷基酰胺，烷基羧酸，烷基卤，醇，烷基脲基，及其混合物的官能化烷基。
34.根据权利要求33的方法，其中至少一个不可水解的部分为官能化的丙基烷基。
35.根据权利要求30的方法，其中该硅烷选自氰基丙基二甲基烷氧基硅烷，N，N′-(烷氧基甲基甲硅亚烷基)双[N-甲基-苯酰胺]，氯甲基二甲基烷氧基硅烷，及其混合物。
36.根据权利要求21的方法，其中该硅烷选自缩水甘油氧基丙基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，脲基丙基三烷氧基硅烷，巯基丙基三烷氧基硅烷，氰基乙基烷氧基硅烷，4，5-二氢-1-(3-三烷氧基甲硅烷基丙基)咪唑，丙酸3-(三烷氧基甲硅烷基)-甲酯，三烷氧基[3-(环氧乙烷基烷氧基)丙基]-硅烷，2-丙烯酸2-甲基-3-(三烷氧基甲硅烷基)丙酯，[3-(三烷氧基甲硅烷基)丙基]脲，氯丙基甲基二烷氧基硅烷，1，2-乙二基双[烷氧基二甲基]硅烷，二烷氧基甲基苯基硅烷，氰基丙基二甲基烷氧基硅烷，N，N′-(烷氧基甲基甲硅亚烷基)双[N-甲基-苯酰胺]，氯甲基二甲基烷氧基硅烷，及其混合物。
37.根据权利要求21的方法，其中该具有至少一个表面金属氢氧化物的金属氧化物研磨剂选自矾石，硅石，氧化铈，氧化锗，氧化钛，及其组合物。
38.根据权利要求21的方法，其中该研磨剂选自硅石。
39.根据权利要求21的方法，其中该基材表面部位是选自氧化物，粘合材料，金属层或它们的组合层的材料。
40.根据权利要求21的方法，其中该基材包括许多表面部位，其中每个表面部位为选自氧化物，粘合材料，金属，及其组合的材料。
41.根据权利要求21的方法，其中该基材表面部位为氧化物部位。
42.根据权利要求21的方法，其中该基材部位为铜或铜合金部位。
43.根据权利要求21的方法，其中所选择的硅烷在金属部位存在下，可降低氧化物部位的抛光速率。
44.根据权利要求21的方法，其中该基材表面部位为金属部位。
45.根据权利要求21的方法，其中该硅烷化合物可增进基材金属部位抛光。
46.一种抛光包含至少一个表面部位的基材的方法，该方法包括以下步骤：
a.使水与至少一种包含至少一种表面金属氢氧化物的金属氧化物研磨剂结合；
b.添加至少一种选自氨基硅烷，其二聚物、三聚物及寡聚物至步骤(a)的产物中，以形成化学机械抛光浆液；
c.将该化学机械抛光浆液施用于抛光垫上；及
d.移动基材表面部位，使之与该抛光垫接触，并相对于该基材表面部位移动抛光垫，直到至少一部分该基材表面部位自该基材除去为止。
47.一种改性抛光衬垫以利抛光的方法，该方法包括以下步骤：
a.将硅烷施用于至少包括一种研磨颗粒的抛光垫，所述的研磨颗粒包括表面金属氢氧化物，其中该硅烷化合物具有下式：
                     Y-Si-(X1X2R)其二聚物、三聚物及寡聚物，其中Y为羟基或可水解的取代基，X1与X2各自独立地选自羟基，可水解的取代基及不可水解的取代基，且R为不可水解的取代基，其中所述的不可水解的部分各自独立地选自烷基，环烷基，芳香基，卤素，官能化烷基，官能化芳香基及官能化环烷基，其中的一个或多个碳原子可以被一个或多个选自氧，氮，硫，磷，卤素及其组合的原子所取代，以形成包含硅烷改性研磨颗粒的抛光衬垫；及
b.使包含至少一个表面部位的基材与该含硅烷改性研磨颗粒的抛光衬垫接触，并相对于抛光衬垫移动基材，以使至少部分该部位表面脱离该基材。
48.根据权利要求47的方法，其中该硅烷溶液是在调整该抛光垫之前，调整该抛光垫之中，调整该抛光垫之后以及抛光之前，抛光之中，抛光之后及其组合时施用于抛光垫的。
49.根据权利要求47的方法，其中该硅烷是以硅烷水溶液的形式施用于抛光垫上的。
50.根据权利要求47的方法，其中每个X1与X2均选自羟基或可水解的取代基。
51.根据权利要求50的方法，其中R为选自包含烷基与官能化烷基的化合物的不可水解的取代基。
52.根据权利要求51的方法，其中该硅烷化合物选自缩水甘油氧基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，脲基丙基三烷氧基硅烷，巯基丙基三烷氧基硅烷，氰基乙基三烷氧基硅烷，4，5-二氢-1-(3-三烷氧基甲硅烷基丙基)咪唑，丙酸3-(三烷氧基甲硅烷基)-甲酯，三烷氧基[3-(环氧乙烷基烷氧基)丙基]-硅烷，2-丙烯酸2-甲基-3-(三烷氧基甲硅烷基)丙酯，[3-(三烷氧基甲硅烷基)丙基]脲，及其混合物。
53.根据权利要求47的方法，其中选自X1与X2的一个取代基为不可水解的取代基。
54.根据权利要求53的方法，其中R及选自X1与X2的不可水解的取代基各自独立地选自包括烷基，官能化烷基，及其混合物的化合物。
55.根据权利要求54的方法，其中该硅烷选自氯丙基甲基二烷氧基硅烷，1，2-乙二基双[烷氧基二甲基]硅烷，二烷氧基甲基苯基硅烷，及其混合物。
56.根据权利要求47的方法，其中X1与X2每个均为不可水解的部分。
57.根据权利要求56的方法，其中R，X1及X2各自独立地选自包含烷基，官能化烷基，及其混合物的化合物。
58.根据权利要求57的方法，其中该烷基及官能化烷基具有2至25个碳原子。
59.根据权利要求58的方法，其中每个不可水解的取代基均为选自烷基，烷基酰胺，烷基羧酸，烷基卤，醇，烷基脲基，及其混合物的官能化烷基。
60.根据权利要求59的方法，其中至少一个不可水解的部分为官能化的丙基烷基。
61.根据权利要求56的方法，其中该硅烷选自氰基丙基二甲基烷氧基硅烷，N，N′-(烷氧基甲基甲硅亚烷基)双[N-甲基-苯酰胺]，氯甲基二甲基烷氧基硅烷，及其混合物。
62.根据权利要求47的方法，其中该硅烷选自缩水甘油氧基丙基三烷氧基硅烷，异氰酰基丙基三烷氧基硅烷，脲基丙基三烷氧基硅烷，巯基丙基三烷氧基硅烷，氰基乙基三烷氧基硅烷，4，5-二氢-1-(3-三烷氧基甲硅烷基丙基)咪唑，丙酸3-(三烷氧基甲硅烷基)-甲酯，三烷氧基[3-(环氧乙烷基烷氧基)丙基]-硅烷，2-丙烯酸2-甲基-3-(三烷氧基甲硅烷基)丙酯，[3-(三烷氧基甲硅烷基)]脲，氯丙基甲基二烷氧基硅烷，1，2-乙二基双[烷氧基二甲基]硅烷，二烷氧基甲基苯基硅烷，氰基丙基二甲基烷氧基硅烷，N，N′-(烷氧基甲基甲硅亚烷基)双[N-甲基-苯酰胺]，氯甲基二甲基烷氧基硅烷，及其混合物。
63.根据权利要求47的方法，其中该具有至少一种表面金属氢氧化物的金属氧化物研磨剂选自矾土，硅石，氧化铈，氧化锗，氧化钛，及其组合。
64.根据权利要求47的方法，其中该研磨剂选自硅石。
65.根据权利要求47的方法，其中欲抛光的基材部位选自铜部位或铜合金部位。
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