DE102005058272A1 - Mehrstufige Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren von Siliziumdioxid und Siliziumnitrid - Google Patents

Mehrstufige Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren von Siliziumdioxid und Siliziumnitrid Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer bereit, das den Schritt des Planarisierens des Silica mit einer ersten wässrigen Zusammensetzung umfasst, die 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% einer kationischen Verbindung, 0 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0 bis 5 Gew.-% einer zwitterionischen Verbindung und als Rest Wasser umfasst, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist. Das Verfahren stellt ferner das Erfassen eines Endpunkts der Planarisierung und das Abtragen des Silica mit einer zweiten wässrigen Zusammensetzung bereit, die 0,001 bis 1 Gew.-% einer quartären Ammoniumverbindung, 0,001 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,01 bis 5 Gew.-% Schleifmittel und als Rest Wasser umfasst.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft das chemisch-mechanische Planarisieren (CMP) von Halbleiterwafer-Materialien und insbesondere CMP-Verfahren zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid von Halbleiterwafern in Verfahren der flachen Grabenisolation (STI-Verfahren).
  • Abnehmende Abmessungen von Vorrichtungen und die zunehmende Integrationsdichte in mikroelektronischen Schaltungen haben eine entsprechende Verminderung der Größe von Isolationsstrukturen erforderlich gemacht. Diese Verminderung führt zu hohen Anforderungen bezüglich der reproduzierbaren Bildung von Strukturen, die eine effektive Isolation bereitstellen, während ein minimales Ausmaß der Substratoberfläche belegt wird.
  • Die STI-Technik ist ein verbreitet verwendetes Halbleiterherstellungsverfahren zur Bildung von Isolationsstrukturen, um die verschiedenen aktiven Komponenten, die in integrierten Schaltungen ausgebildet sind, elektrisch zu isolieren. Ein Hauptvorteil der Verwendung der STI-Technik gegenüber der herkömmlichen LOCOS-Technik (Lokale Oxidation von Silizium) ist die hohe Skalierbarkeit zu CMOS-IC-Vorrichtungen (komplementäre Metalloxid-Halbleiter-IC-Vorrichtungen) zur Herstellung auf einem Submikrometer-Integrationsniveau. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die STI-Technik dabei unterstützt, das Auftreten eines sogenannten Vogelschnabelstruktur-Vordringens zu verhindern, das für die LOCOS-Technik zur Bildung von Isolationsstrukturen charakteristisch ist.
  • Bei der STI-Technik ist der erste Schritt die Bildung einer Mehrzahl von Gräben an vorgegebenen Stellen in dem Substrat, gewöhnlich durch anisotropes Ätzen. Als nächstes wird Silica in jedem dieser Gräben abgeschieden. Das Silica wird dann mittels CMP bis hinab zum Siliziumnitrid (Stoppschicht) poliert, um die STI-Struktur zu bilden. Um ein effizientes Polieren zu erreichen, stellt die Polieraufschlämmung typischerweise eine hohe Selektivität bereit, welche die Entfernungsgeschwindigkeit von Silica relativ zu derjenigen von Siliziumnitrid umfasst ("Selektivität").
  • Leider zeigen Aufschlämmungen mit hoher Selektivität eine signifikante Dichteabhängigkeit, was Dickenvariationen der Chipschichten verursacht. Beispielsweise ist gemäß den 1A bis 1D ein Siliziumsubstrat 1 veranschaulicht, das eine Nitridschicht 5 und eine Oxidschicht 3 umfasst. Die 1A veranschaulicht die Topographie des vorpolierten Siliziumsubstrats 1, die Bereiche mit „hoher" Dichte 7 und Bereiche mit „niedriger" Dichte 9 umfasst. Wenn die Bereiche mit niedriger Dichte 9 planarisiert werden, können die Bereiche mit hoher Dichte 7 nach wie vor eine signifikante Stufenhöhe in einem Ausmaß von 3000 Å aufweisen. Wenn die Bereiche mit niedriger Dichte 9 abgetragen werden, können die Bereiche mit hoher Dichte 7 nach wie vor signifikante Rückstände von Oxid 3 in einem Ausmaß von 3000 Å aufweisen. Als Folge davon können dann, wenn die Bereiche mit hoher Dichte 7 abgetragen werden, die Bereiche mit niedriger Dichte 9 ein signifikantes Dishing in der Größenordnung von 500 Å oder mehr aufweisen.
  • Hattori et al. beschreiben in EP 1 479 741 A2 ein bekanntes Verfahren zum Polieren in STI-Verfahren. Obwohl das Verfahren von Hattori eine angemessene Selektivität bereitstellt, fordert die immer weiter zunehmende Integrationsdichte in mikroelektronischen Schaltungen verbesserte Verfahren.
    •
  • Es besteht somit ein Bedarf für ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren von Siliziumdioxid ("Silica") und Siliziumnitrid für Verfahren der flachen Grabenisolation mit verbessertem Dishing.
  • Beschreibung der Erfindung
  • In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer bereit, das die Schritte umfasst: Planarisieren des Silica mit einer ersten wässrigen Zusammensetzung, die 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% einer kationischen Verbindung, 0 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0 bis 5 Gew.-% einer zwitterionischen Verbindung und als Rest Wasser umfasst, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist, Erfassen eines Endpunkts der Planarisierung und Abtragen des Silica mit einer zweiten wässrigen Zusammensetzung, die 0,001 bis 1 Gew.-% einer quartären Ammoniumverbindung, 0,001 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,01 bis 5 Gew.-% Schleifmittel und als Rest Wasser umfasst.
  • In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein zweistufiges Verfahren zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer bereit, das die Schritte umfasst: Planarisieren des Silica mit einer inhibierenden Aufschlämmung, Erfassen eines ersten End punkts und Stoppen der Planarisierung, Abtragen des Silica mit einer selektiven Aufschlämmung, und Erfassen eines zweiten Endpunkts und Stoppen des Abtragens.
  • In einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein mehrstufiges Verfahren zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer bereit, umfassend: Planarisieren des Silica mit einer ersten wässrigen Zusammensetzung, die 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% einer kationischen Verbindung, 0 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0 bis 5 Gew.-% einer zwitterionischen Verbindung und als Rest Wasser umfasst, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist, Erfassen eines ersten Endpunkts und Stoppen der Planarisierung, Abtragen des Silica mit einer zweiten wässrigen Zusammensetzung, die 0,001 bis 1 Gew.-% einer quartären Ammoniumverbindung, 0,001 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,01 bis 5 Gew.-% Schleifmittel und als Rest Wasser umfasst, und Erfassen eines zweiten Endpunkts und Stoppen des Abtragens.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1A bis 1D veranschaulichen die polierte Topographie von Siliziumdioxid und Siliziumnitrid unter Verwendung eines einstufigen Polierverfahrens, und
  • 2A bis 2C veranschaulichen die polierte Topographie von Siliziumdioxid und Siliziumnitrid unter Verwendung eines zweistufigen Polierverfahrens.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Es wurde ein mehrstufiges Verfahren zum Planarisieren von STI-Strukturen entwickelt. In dem ersten Schritt wird eine neue „Stopp-auf-Ebene" oder „inhibierende" Aufschlämmung verwendet. Die inhibierende Aufschlämmung zeigt eine nicht-Preston-Reaktion. Die inhibierende Aufschlämmung zeigt in einem „oben liegenden" Bereich eines Oxidfilms ein signifikant schnelleres Polieren als in einem „unten liegenden" Bereich eines Oxidfilms. Die Poliergeschwindigkeit bei dieser Aufschlämmung nimmt vorzugsweise ab, wenn die Stufenhöhe des Oxids vermindert wird und eine Planarisierung erreicht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Endpunktsignal genutzt, um das Ende des ersten Schritts auszulösen. Es können verschiedene Verfahren verwendet werden, einschließlich Endpunktsignale auf Reibungs- oder Motorstrombasis. Der Punkt, an dem die Planarisierung erreicht ist, kann auf der Basis von charakteristischen Merkmalen des Endpunktsignals bestimmt werden. Durch Koppeln des Endpunktsignals mit der „inhibierenden" Aufschlämmung des ersten Schritts können die verbesserten Planarisierungseigenschaften aufrechterhalten werden, während verglichen mit dem Betrieb in einem richtigen Stopp-auf-Ebene-Modus höhere Poliergeschwindigkeiten und signifikant kürzere Verfahrenszeiten erhalten werden.
  • Am Ende des ersten Schritts ist der Wafer durch eine im Wesentlichen Planare Oxidüberfüllung gekennzeichnet, die den gesamten Wafer bedeckt. In dem zweiten Schritt wird eine neue, sehr „selektive" STI-Aufschlämmung verwendet, um die Überfüllung abzutragen. Diese Aufschlämmung zeigt eine Preston-Reaktion. Der Endpunkt des zweiten Schritts kann auch durch die Verwendung eines Endpunkts auf Reibungs- oder Motorstrombasis bestimmt werden. Vorzugsweise ist der Wafer bereits planarisiert (durch den ersten Schritt) und die stärkere Strukturdichteabhängigkeit der selektiven Aufschlämmung beeinträchtigt die Planarisierungsleistung nicht. Darüber hinaus können auch andere Endpunktbestimmungssysteme (wie z.B. thermische oder optische) verwendet werden, die charakteristische Merkmale zeigen, die der Planarisierung entsprechen.
  • Unter Bezugnahme auf die 2A bis 2C wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Polieren von Siliziumdioxid und Siliziumnitrid veranschaulicht, bei dem die wässrige Polierzusammensetzung des ersten Schritts und die wässrige Zusammensetzung des zweiten Schritts verwendet werden. Die 1A veranschaulicht die vorpolierte Topographie des Siliziumsubstrats 1, das die Nitridschicht 5 und eine Oxidschicht 3 sowie Bereiche mit „hoher" Dichte 7 und Bereiche mit „niedriger" Dichte 9 umfasst. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Bereiche mit hoher Dichte 7 und die Bereiche mit niedriger Dichte 9 am Ende des Polierens des ersten Schritts unter Verwendung der Polierzusammensetzung des ersten Schritts mit ähnlichen Geschwindigkeiten planarisiert, wie es in der 2B gezeigt ist. Vorzugsweise kann der Endpunkt der Planarisierung des Polierens des ersten Schritts unter Verwendung von z.B. Reibungsendpunktsignalen oder optischen Endpunktsignalen bestimmt werden. Darüber hinaus können auch andere Endpunktbestimmungssysteme (wie z.B. thermische oder optische) verwendet werden, die charakteristische Merkmale zeigen, die der Planarisierung entsprechen. Dann werden, wie es in der 2C gezeigt ist, die Bereiche mit hoher Dichte 7 und die Bereiche mit niedriger Dichte 9 am Ende des Polierens des zweiten Schritts unter Verwendung der Polierzusammensetzung des zweiten Schritts der vorliegenden Erfindung mit ähnlichen Geschwindigkeiten abgetragen. Gegebenenfalls kann der Endpunkt oder die Planarisierung des Polierens des ersten Schritts unter Verwendung von z.B. Reibungsendpunktsignalen oder optischen Endpunktsignalen bestimmt werden.
  • Vorzugsweise enthält die neue Polierzusammensetzung des ersten Schritts etwa 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, um die Druckschwellenreaktion während der Oxidentfernung bereitzustellen. Vorzugsweise liegt das Polyvinylpyrrolidon in einer Menge von 0,015 bis 5 Gew.-% vor. Mehr bevorzugt liegt das Polyvinylpyrrolidon in einer Menge von 0,02 bis 0,5 Gew.-% vor. Darüber hinaus können Blends von Polyvinylpyrrolidon mit höherem und niedrigerem Zahlenmittel des Molekulargewichts verwendet werden.
  • Das Gewichtsmittel des Molekulargewichts des Polyvinylpyrrolidons beträgt 100 bis 1000000 g/mol, bestimmt mittels Gelpermeationschromatographie (GPC). Vorzugsweise weist das Polyvinylpyrrolidon ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 500 bis 500000 g/mol auf. Mehr bevorzugt beträgt das Gewichtsmittel des Molekulargewichts des Polyvinylpyrrolidons etwa 1500 bis etwa 100000 g/mol.
  • Zusätzlich zu dem Polyvinylpyrrolidon enthält die Polierzusammensetzung des ersten Schritts vorzugsweise 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, das als Dispergiermittel für die Schleifmittelteilchen (weiter unten diskutiert) dient. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung 0,05 bis 1,5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers. Das Polymer weist vorzugsweise ein Zahlenmittel des Molekulargewichts von 4000 bis 1500000 auf. Darüber hinaus können Blends von Carbonsäurepolymeren mit höherem und niedrigerem Zahlenmittel des Molekulargewichts verwendet werden. Diese Carbonsäurepolymere liegen im Allgemeinen in Lösung vor, können jedoch auch in einer wässrigen Dispersion vorliegen. Das Carbonsäurepolymer kann in vorteilhafter Weise als Dispergiermittel für die Schleifmittelteilchen (weiter unten diskutiert) dienen. Das Zahlenmittel des Molekulargewichts der vorstehend genannten Polymere wird mittels GPC bestimmt.
  • Die Carbonsäurepolymere werden vorzugsweise aus ungesättigten Monocarbonsäuren und ungesättigten Dicarbonsäuren gebildet. Typische ungesättigte Monocarbonsäuremonomere enthalten 3 bis 6 Kohlenstoffatome und umfassen Acrylsäure, oligomere Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure und Vinylessigsäure. Typische ungesättigte Dicarbonsäuren enthalten 4 bis 8 Kohlenstoffatome und umfassen deren Anhydride, wobei es sich z.B. um Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Glutarsäure, Itaconsäure, Itaconsäureanhydrid und Cyclohexendicarbonsäure handelt. Darüber hinaus können auch wasserlösliche Salze der vorstehend genannten Säuren verwendet werden.
  • Besonders geeignet sind "Poly(meth)acrylsäuren" mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von etwa 1000 bis 1500000, vorzugsweise 3000 bis 250000 und mehr bevorzugt 20000 bis 200000. Der Ausdruck "Poly(meth)acrylsäure" ist hier als Polymere von Acrylsäu re, Polymere von Methacrylsäure oder Copolymere aus Acrylsäure und Methacrylsäure definiert. Blends von Poly(meth)acrylsäuren mit verschiedenen Zahlenmitteln des Molekulargewichts sind besonders bevorzugt. In diesen Blends oder Gemischen von Poly(meth)acrylsäuren wird eine Poly(meth)acrylsäure mit einem niedrigeren Zahlenmittel des Molekulargewichts, die ein Zahlenmittel des Molekulargewichts von 1000 bis 100000 und vorzugsweise 4000 bis 40000 aufweist, in Kombination mit einer Poly(meth)acrylsäure mit einem höheren Zahlenmittel des Molekulargewichts, die ein Zahlenmittel des Molekulargewichts von 150000 bis 1500000, vorzugsweise 200000 bis 300000 aufweist, verwendet. Typischerweise beträgt das Gewichtsprozentverhältnis der Poly(meth)acrylsäure mit niedrigerem Zahlenmittel des Molekulargewichts zu der Poly(meth)acrylsäure mit höherem Zahlenmittel des Molekulargewichts etwa 10:1 bis 1:10, vorzugsweise 5:1 bis 1:5 und mehr bevorzugt 3:1 bis 2:3. Ein bevorzugtes Blend umfasst eine Poly(meth)acrylsäure mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von etwa 20000 und eine Poly(meth)acrylsäure mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von etwa 200000 in einem Gewichtsverhältnis von 2:1.
  • Darüber hinaus können Carbonsäure-enthaltende Copolymere und Terpolymere verwendet werden, in denen die Carbonsäurekomponente 5 bis 75 Gew.-% des Polymers umfasst. Typische Beispiele solcher Polymere sind Polymere aus (Meth)acrylsäure und Acrylamid oder Methacrylamid; Polymere aus (Meth)acrylsäure und Styrol und anderen vinylaromatischen Monomeren; Polymere aus Alkyl(meth)acrylaten (Ester von Acryl- oder Methacrylsäure) und einer Mono- oder Dicarbonsäure, wie z.B. Acryl- oder Methacrylsäure oder Itaconsäure; Polymere aus substituierten vinylaromatischen Monomeren mit Substituenten wie z.B. Halogen (d.h. Chlor, Fluor, Brom), Nitro, Cyano, Alkoxy, Halogenalkyl, Carboxy, Amino, Aminoalkyl, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure und einem Alkyl(meth)acrylat; Polymere aus monoethylenisch ungesättigten Monomeren, die einen Stickstoffring enthalten, wie z.B. Vinylpyridin, Alkylvinylpyridin, Vinylbutyrolactam, Vinylcaprolactam, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure; Polymere aus Olefinen, wie z.B. Propylen, Isobutylen oder langkettigen Alkylolefinen mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure, Polymere aus Vinylalkoholestern, wie z.B. Vinylacetat und Vinylstearat oder Vinylhalogeniden, wie z.B. Vinylfluorid, Vinylchlorid, Vinylidenfluorid, oder Vinylnitrilen, wie z.B. Acrylnitril und Methacrylnitril, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure; Polymere aus Alkyl(meth)acrylaten mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe und einer ungesättigten Monocarbonsäure, wie z.B. Acrylsäure oder Methacrylsäure. Dabei handelt es sich nur um wenige Beispiele aus der Vielzahl von Polymeren, die in der neuen Polierzusammensetzung dieser Erfindung verwendet werden können. Es können auch Polymere verwendet werden, die biologisch abbaubar, durch Licht abbaubar oder durch ein anderes Mittel abbaubar sind. Ein Beispiel für eine solche Zusammensetzung, die biologisch abbau bar ist, ist ein Polyacrylsäurepolymer, das Segmente von Poly(acrylat-co-methyl-2-cyanacrylat) enthält.
  • Die Polierzusammensetzung des ersten Schritts enthält vorzugsweise 0,2 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, um die Silicaentfernung zu erleichtern. Innerhalb dieses Bereichs ist es bevorzugt, dass das Schleifmittel in einer Menge von 0,5 Gew.-% oder mehr vorliegt. Innerhalb dieses Bereichs ist auch eine Menge von 2,5 Gew.-% oder weniger bevorzugt.
  • Das Schleifmittel weist eine durchschnittliche Teilchengröße von 50 bis 200 Nanometer (nm) auf. Für die Zwecke dieser Beschreibung bezieht sich die Teilchengröße auf die durchschnittliche Teilchengröße des Schleifmittels. Es ist mehr bevorzugt, ein Schleifmittel mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 80 bis 150 nm zu verwenden. Bei der Verminderung der Größe des Schleifmittels auf 80 nm oder weniger besteht eine Tendenz dahingehend, dass die Planarisierungswirkung der Polierzusammensetzung verbessert wird, jedoch auch dahingehend, dass die Entfernungsgeschwindigkeit vermindert wird.
  • Beispiele für Schleifmittel umfassen anorganische Oxide, anorganische Hydroxide, Metallboride, Metallcarbide, Metallnitride, Polymerteilchen und Gemische, die mindestens einen der vorstehend genannten Stoffe umfassen. Geeignete anorganische Oxide umfassen z.B. Silica (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO2), Ceroxid (CeO2), Manganoxid (MnO2) oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehend genannten Oxide umfassen. Modifizierte Formen dieser anorganischen Oxide wie z.B. polymerbeschichtete anorganische Oxidteilchen und anorganisch beschichtete Teilchen können gegebenenfalls ebenso verwendet werden. Geeignete Metallcarbide, -boride und -nitride umfassen z.B. Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid (SiCN), Borcarbid, Wolframcarbid, Zirkoniumcarbid, Aluminiumborid, Tantalcarbid, Titancarbid oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehend genannten Metallcarbide, -boride und -nitride umfassen. Gegebenenfalls kann auch Diamant als Schleifmittel verwendet werden. Alternative Schleifmittel umfassen auch polymere Teilchen und beschichtete polymere Teilchen. Das bevorzugte Schleifmittel ist Cer-oxid.
  • Die Verbindungen stellen in Lösungen, die als Rest Wasser enthalten, eine Wirksamkeit über einen breiten pH-Bereich bereit. Der geeignete pH-Bereich dieser Lösung erstreckt sich von mindestens 4 bis 9. Darüber hinaus wird in der Lösung in vorteilhafter Weise entionisiertes Wasser verwendet, um zufällige Verunreinigungen zu beschränken. Der pH-Wert des Polierfluids dieser Erfindung beträgt vorzugsweise 4,5 bis 8 und mehr bevorzugt liegt ein pH-Wert von 5,5 bis 7,5 vor. Die Säuren, die zur Einstellung des pH-Werts der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwendet werden, sind z.B. Salpetersäure, Schwefelsäure, Chlor wasserstoffsäure, Phosphorsäure und dergleichen. Beispiele für Basen, die zur Einstellung des pH-Werts der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwendet werden, sind z.B. Ammoniumhydroxid und Kaliumhydroxid.
  • Gegebenenfalls enthält die Polierzusammensetzung des ersten Schritts vorzugsweise 0 bis 5 Gew.-% einer zwitterionischen Verbindung, um die Planarisierung zu fördern und die Nitridentfernung zu unterdrücken. Die Zusammensetzung enthält vorzugsweise 0,01 bis 1,5 Gew.-% einer zwitterionischen Verbindung. Die zwitterionische Verbindung der vorliegenden Erfindung kann in vorteilhafter Weise die Planarisierung fördern und die Nitridentfernung unterdrücken.
  • Der Ausdruck „zwitterionische Verbindung" steht für eine Verbindung, die kationische und anionische Substituenten in etwa gleichen Verhältnissen enthält, die durch eine physikalische Verbrückung wie z.B. eine CH2-Gruppe verbunden sind, so dass die Verbindung insgesamt netto neutral ist. Die zwitterionischen Verbindungen der vorliegenden Erfindung umfassen die folgende Struktur:
    Figure 00080001
    worin n eine ganze Zahl ist, Y Wasserstoff oder eine Alkylgruppe umfasst, Z Carboxyl, Sulfat oder Sauerstoff umfasst, M ein Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom umfasst, und X1, X2 und X3 unabhängig Substituenten umfassen, die aus der Gruppe, umfassend Wasserstoff, eine Alkylgruppe und eine Arylgruppe, ausgewählt sind.
  • In der hier angegebenen Definition bezieht sich der Begriff „Alkyl" (oder Alkyl- oder Alk-) auf eine substituierte oder unsubstituierte, gerade, verzweigte oder cyclische Kohlenwasserstoffkette, die vorzugsweise 1 bis 20 Kohlenstoffatome enthält. Alkylgruppen umfassen z.B. Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Cyclopropyl, Butyl, Isobutyl, tert-Butyl, sec-Butyl, Cyclobutyl, Pentyl, Cyclopentyl, Hexyl und Cyclohexyl.
  • Der Begriff "Aryl" bezieht sich auf jedwede substituierte oder unsubstituierte aromatische carbocyclische Gruppe, die vorzugsweise 6 bis 20 Kohlenstoffatome enthält. Eine Arylgruppe kann monocyclisch oder polycyclisch sein. Arylgruppen umfassen z.B. Phenyl, Naphthyl, Biphenyl, Benzyl, Tolyl, Xylyl, Phenylethyl, Benzoat, Alkylbenzoat, Anilin und N-Alkylanilino.
  • Bevorzugte zwitterionische Verbindungen umfassen z.B. Betaine. Ein bevorzugtes Betain der vorliegenden Erfindung ist N,N,N-Trimethylammonioacetat der folgenden Struktur:
    Figure 00090001
  • Gegebenenfalls kann die erfindungsgemäße Polierzusammensetzung des ersten Schritts 0 bis 5 Gew.-% einer kationischen Verbindung umfassen. Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung gegebenenfalls 0,01 bis 1,5 Gew.-% einer kationischen Verbindung. Die kationische Verbindung der vorliegenden Erfindung kann in vorteilhafter Weise die Planarisierung fördern, die Waferabtragungszeit regulieren und dient zur Unterdrückung der Oxidentfernung. Bevorzugte kationische Verbindungen umfassen Alkylamine, Arylamine, quartäre Ammoniumverbindungen und Alkoholamine. Beispiele für kationische Verbindungen umfassen Methylamin, Ethylamin, Dimethylamin, Diethylamin, Trimethylamin, Triethylamin, Anilin, Tetramethylammoniumhydroxid, Tetraethylammoniumhydroxid, Ethanolamin und Propanolamin.
  • Gegebenenfalls enthält die Polierzusammensetzung des ersten Schritts vorzugsweise 0 bis 1 Gew.-% eines Komplexierungsmittels. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung 0,01 bis 0,5 Gew.-% eines Komplexierungsmittels. Beispiele für Komplexierungsmittel umfassen Carbonylverbindungen (z.B. Acetylacetonate und dergleichen), einfache Carboxylate (z.B. Acetate, Arylcarboxylate und dergleichen), Carboxylate, die eine oder mehrere Hydroxylgruppe(n) enthalten (z.B. Glykolate, Lactate, Glukonate, Gallensäure und Salze davon und dergleichen), Di-, Tri- und Polycarboxylate (z.B. Oxalate, Phthalate, Citrate, Succinate, Tartrate, Malate, Edetate (z.B. Dinatrium-EDTA), Gemische davon und dergleichen), Carboxylate, die eine oder mehrere Sulfon- und/oder Phosphonsäuregruppe(n) enthalten. Andere geeignete Komplexierungsmittel umfassen z.B. Di-, Tri- oder Polyalkohole (z.B. Ethylenglykol, Brenzkatechin, Pyrogallol, Gerbsäure und dergleichen) und Phosphatenthaltende Verbindungen (z.B. Phosphoniumsalze und Phosphonsäuren). Vorzugsweise ist das Komplexierungsmittel Phthalsäure und Salze davon. Bevorzugte Phthalatsalze umfassen Ammoniumhydrogenphthalat und Kaliumhydrogenphthalat und Gemische davon.
  • Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Polieren unter Verwendung einer Polierzusammensetzung eines ersten Schritts zur Verwendung zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer für Verfahren der flachen Grabenisolation bereit. Die Zusammensetzung umfasst vorzugsweise Polyvinylpyrrolidon für eine verbesserte Dishing-Leistung. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, wobei die Zusammensetzung 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% einer kationischen Verbindung, 0 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0 bis 5 Gew.-% einer zwitterionischen Verbindung und als Rest Wasser umfasst, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist. Die Zusammensetzung zeigt insbesondere in einem pH-Bereich von 4 bis 9 eine verbesserte Druckschwellenreaktion.
  • Vorzugsweise kann, wie es zum Teil vorstehend diskutiert worden ist, zur Bestimmung des Endes des ersten Schritts ein Endpunktsignal verwendet werden. Verschiedene Verfahren können verwendet werden, einschließlich Endpunktsignale auf Reibungs- oder Motorstrombasis. Der Punkt, an dem die Planarisierung erreicht ist, kann auf der Basis charakteristischer Merkmale des Endpunktsignals ermittelt werden. Durch Koppeln des Endpunktsignals mit der „inhibierenden" Aufschlämmung des ersten Schritts können die verbesserten Planarisierungseigenschaften aufrechterhalten werden, während verglichen mit dem Betrieb in einem richtigen Stopp-auf-Ebene-Modus höhere Poliergeschwindigkeiten und signifikant kürzere Verfahrenszeiten erhalten werden. Mit dem mehrstufigen STI-Polierverfahren können verschiedene Endpunkterfassungssysteme (z.B. thermisch und optisch) verwendet werden. Das Endpunktsignal für den ersten Schritt wird durch Nutzen der Verminderung des Polierens und des Erreichens der Planarität am Ende des ersten Schritts bestimmt. Dieses Endpunktsignal für den zweiten Schritt ist verglichen mit dem Endpunktsignal eines einstufigen Polierverfahrens unter Verwendung einer herkömmlichen STI-Aufschlämmung stark erhöht. Dieses Endpunktsignal (d.h. am Ende des ersten Schritts) kann für eine optimierte STI-CMP-Leistung (d.h. Planarisierung und Durchsatz) wirksam eingesetzt werden.
  • Vorzugsweise enthält die neue Polierzusammensetzung des zweiten Schritts 0,001 bis 1 Gew.-% einer quartären Ammoniumverbindung zur selektiven Entfernung des Silica relativ zu dem Siliziumnitrid. Mehr bevorzugt enthält die Zusammensetzung 0,01 bis 0,5 Gew.-% einer quartären Ammoniumverbindung.
  • Die quartären Ammoniumverbindungen der vorliegenden Erfindung umfassen die folgende Struktur:
    Figure 00100001
    wobei R1, R2, R3 und R4 eine organische Verbindung sind, die eine Kohlenstoffkettenlänge von 1 bis 15 Kohlenstoffatomen aufweist. Mehr bevorzugt weisen R1, R2, R3 und R4 eine Kohlenstoffkettenlänge von 1 bis 10 auf. Insbesondere weisen R1, R2, R3 und R4 eine Kohlenstoffkettenlänge von 1 bis 5 Kohlenstoffatomen auf. Die organische Verbindung von R1, R2, R3 und R4 kann eine substituierte oder unsubstituierte Aryl-, Alkyl-, Aralkyl- oder Alkarylgruppe sein. Beispiele für Anionen umfassen Nitrat, Sulfat, Halogenide (wie z.B. Bromid, Chlorid, Fluorid und Iodid), Citrat, Phosphat, Oxalat, Malat, Glukonat, Hydroxid, Acetat, Borat, Lactat, Thiocyanat, Cyanat, Sulfonat, Silikat, Perhalogenide (wie z.B. Perbromat, Perchlorat und Periodat), Chromat und Gemische, die mindestens eines der vorstehend genannten Anionen umfassen.
  • Bevorzugte quartäre Ammoniumverbindungen umfassen Tetramethylammoniumhydroxid, Tetraethylammoniumhydroxid, Tetrapropylammoniumhydroxid, Tetraisopropylammoniumhydroxid, Tetracyclopropylammoniumhydroxid, Tetrabutylammoniumhydroxid, Tetraisobutylammoniumhydroxid, Tetra-tert-butylammoniumhydroxid, Tetra-sec-butylammoniumhydroxid, Tetracyclobutylammoniumhydroxid, Tetrapentylammoniumhydroxid, Tetracyclopentylammoniumhydroxid, Tetrahexylammoniumhydroxid, Tetracyclohexylammoniumhydroxid und Gemische davon. Die am meisten bevorzugte quartäre Ammoniumverbindung ist Tetramethylammoniumhydroxid.
  • Zusätzlich zu der quartären Ammoniumverbindung enthält die Polierzusammensetzung des zweiten Schritts vorzugsweise 0,001 bis 1 Gew.-% eines Komplexierungsmittels. Mehr bevorzugt enthält die Zusammensetzung 0,01 bis 0,5 Gew.-% eines Komplexierungsmittels. Beispiele für Komplexierungsmittel umfassen Carbonylverbindungen (z.B. Acetylacetonate und dergleichen), einfache Carboxylate (z.B. Acetate, Arylcarboxylate und dergleichen), Carboxylate, die eine oder mehrere Hydroxylgruppe(n) enthalten (z.B. Glykolate, Lactate, Glukonate, Gallensäure und Salze davon und dergleichen), Di-, Tri- und Polycarboxylate (z.B. Oxalate, Phthalate, Citrate, Succinate, Tartrate, Malate, Edetate (z.B. Dinatrium-EDTA), Gemische davon und dergleichen), Carboxylate, die eine oder mehrere Sulfon- und/oder Phosphonsäuregruppe(n) enthalten. Andere geeignete Komplexierungsmittel umfassen z.B. Di-, Tri- oder Polyalkohole (z.B. Ethylenglykol, Brenzkatechin, Pyrogallol, Gerbsäure und dergleichen) und Phosphat-enthaltende Verbindungen (z.B. Phosphoniumsalze und Phosphonsäuren). Vorzugsweise ist das Komplexierungsmittel Phthalsäure und Salze davon. Bevorzugte Phthalatsalze umfassen Ammoniumhydrogenphthalat und Kaliumhydrogenphthalat und Gemische davon.
  • Vorzugsweise enthält die neue Polierzusammensetzung des zweiten Schritts etwa 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung etwa 0,05 bis 3 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers. Das Polymer weist vorzugsweise ein Zahlenmittel des Molekulargewichts von etwa 20000 bis 1500000 auf. Darüber hinaus können Blends von Carbonsäurepolymeren mit höherem und niedrigerem Zahlenmittel des Molekulargewichts verwendet werden. Diese Carbonsäurepolymere liegen im Allgemeinen in Lösung vor, können jedoch auch in einer wässrigen Dispersion vorliegen. Das Zahlenmittel des Molekulargewichts der vorstehend genannten Polymere wird mittels GPC (Gelpermeationschromatographie) bestimmt.
  • Die Carbonsäurepolymere werden aus ungesättigten Monocarbonsäuren und ungesättigten Dicarbonsäuren gebildet. Typische ungesättigte Monocarbonsäuremonomere enthalten 3 bis 6 Kohlenstoffatome und umfassen Acrylsäure, oligomere Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure und Vinylessigsäure. Typische ungesättigte Dicarbonsäuren enthalten 4 bis 8 Kohlenstoffatome und umfassen deren Anhydride, wobei es sich z.B. um Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Glutarsäure, Itaconsäure, Itaconsäureanhydrid und Cyclohexendicarbonsäure handelt. Darüber hinaus können auch wasserlösliche Salze der vorstehend genannten Säuren verwendet werden.
  • Darüber hinaus können Carbonsäure-enthaltende Copolymere und Terpolymere verwendet werden, in denen die Carbonsäurekomponente 5 bis 75 Gew.-% des Polymers umfasst. Typische Beispiele solcher Polymere sind Polymere aus (Meth)acrylsäure und Acrylamid oder Methacrylamid; Polymere aus (Meth)acrylsäure und Styrol und anderen vinylaromatischen Monomeren; Polymere aus Alkyl(meth)acrylaten (Ester von Acryl- oder Methacrylsäure) und einer Mono- oder Dicarbonsäure, wie z.B. Acryl- oder Methacrylsäure oder Itaconsäure; Polymere aus substituierten vinylaromatischen Monomeren mit Substituenten wie z.B. Halogen (d.h. Chlor, Fluor, Brom), Nitro, Cyano, Alkoxy, Halogenalkyl, Carboxy, Amino, Aminoalkyl, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure und einem Alkyl(meth)acrylat; Polymere aus monoethylenisch ungesättigten Monomeren, die einen Stickstoffring enthalten, wie z.B. Vinylpyridin, Alkylvinylpyridin, Vinylbutyrolactam, Vinylcaprolactam, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure; Polymere aus Olefinen, wie z.B. Propylen, Isobutylen oder langkettigen Alkylolefinen mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure, Polymere aus Vinylalkoholestern, wie z.B. Vinylacetat und Vinylstearat oder Vinylhalogeniden, wie z.B. Vinylfluorid, Vinylchlorid, Vinylidenfluorid, oder Vinylnitrilen, wie z.B. Acrylnitril und Methacrylnitril, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure; Polymere aus Alkyl(meth)acrylaten mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe und einer ungesättigten Monocarbonsäure, wie z.B. Acrylsäure oder Methacrylsäure. Dabei handelt es sich nur um wenige Beispiele aus der Vielzahl von Polymeren, die in der neuen Polierzusammensetzung dieser Erfindung verwendet werden können. Es können auch Polymere verwendet werden, die biologisch abbaubar, durch Licht abbaubar oder durch ein anderes Mittel abbaubar sind. Ein Beispiel für eine solche Zusammensetzung, die biologisch abbaubar ist, ist ein Polyacrylsäurepolymer, das Segmente von Poly(acrylat-co-methyl-2-cyanacrylat) enthält.
  • Die Polierzusammensetzung des zweiten Schritts enthält vorzugsweise 0,01 bis 5 Gew.-% Schleifmittel, um die Silicaentfernung zu erleichtern. Innerhalb dieses Bereichs ist es bevorzugt, dass das Schleifmittel in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr vorliegt. Innerhalb dieses Bereichs ist auch eine Menge von 3 Gew.-% oder weniger bevorzugt.
  • Das Schleifmittel weist eine durchschnittliche Teilchengröße von 50 bis 200 Nanometer (nm) auf. Für die Zwecke dieser Beschreibung bezieht sich die Teilchengröße auf die durchschnittliche Teilchengröße des Schleifmittels. Es ist mehr bevorzugt, ein Schleifmittel mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 80 bis 150 nm zu verwenden. Bei der Verminderung der Größe des Schleifmittels auf 80 nm oder weniger besteht eine Tendenz dahingehend, dass die Planarisierungswirkung der Polierzusammensetzung verbessert wird, jedoch auch dahingehend, dass die Entfernungsgeschwindigkeit vermindert wird.
  • Beispiele für Schleifmittel umfassen anorganische Oxide, anorganische Hydroxide, Metallboride, Metallcarbide, Metallnitride, Polymerteilchen und Gemische, die mindestens einen der vorstehend genannten Stoffe umfassen. Geeignete anorganische Oxide umfassen z.B. Silica (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO2), Ceroxid (CeO2), Manganoxid (MnO2) oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehend genannten Oxide umfassen. Modifizierte Formen dieser anorganischen Oxide wie z.B. polymerbeschichtete anorganische Oxidteilchen und anorganisch beschichtete Teilchen können gegebenenfalls ebenso verwendet werden. Geeignete Metallcarbide, -boride und -nitride umfassen z.B. Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid (SiCN), Borcarbid, Wolframcarbid, Zirkoniumcarbid, Aluminiumborid, Tantalcarbid, Titancarbid oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehend genannten Metallcarbide, -boride und -nitride umfassen. Gegebenenfalls kann auch Diamant als Schleifmittel verwendet werden. Alternative Schleifmittel umfassen auch polymere Teilchen und beschichtete polymere Teilchen. Das bevorzugte Schleifmittel ist Cer-oxid.
  • Die Polierzusammensetzung des zweiten Schritts stellt in Lösungen, die als Rest Wasser enthalten, eine Wirksamkeit über einen breiten pH-Bereich bereit. Der geeignete pH-Bereich dieser Lösung erstreckt sich von mindestens 4 bis 7. Darüber hinaus wird in der Lösung in vorteilhafter Weise entionisiertes Wasser verwendet, um zufällige Verunreinigungen zu beschränken. Der pH-Wert des Polierfluids dieser Erfindung beträgt vorzugsweise 4,5 bis 6,8 und mehr bevorzugt liegt ein pH-Wert von 5 bis 6,5 vor. Die Säuren, die zur Einstellung des pH-Werts der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwendet werden, sind z.B. Salpetersäure, Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure, Phosphorsäure und dergleichen. Beispiele für Basen, die zur Einstellung des pH-Werts der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwendet werden, sind z.B. Ammoniumhydroxid und Kaliumhydroxid.
  • Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Polieren unter Verwendung einer Polierzusammensetzung eines zweiten Schritts bereit, das zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer in Verfahren der flachen Grabenisolation geeignet ist. Die Zusammensetzung umfasst vorzugsweise quartäre Ammoniumverbindungen für eine verbesserte Selektivität. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist und eine quartäre Ammoniumverbindung, Phthalsäure und deren Salze, ein Carbonsäurepolymer, Schleifmittel und als Rest Wasser umfasst. Die Zusammensetzung zeigt in einem pH-Bereich von 4 bis 7 eine besonders stark verbesserte Selektivität.
    •
  • In den Beispielen stellen Zahlen erfindungsgemäße Beispiele und Buchstaben Vergleichsbeispiele dar. Alle wässrigen Lösungen des ersten Schritts enthielten 1,8 Gew.-% Ceroxid, 0,27 Gew.-% Polyacrylsäure, 0,5 Gew.-% Betain und 0,15 Gew.-% Ethanolamin. Darüber hinaus enthielt die Polierzusammensetzung des ersten Schritts 0,1 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon. Alle wässrigen Lösungen des zweiten Schritts enthielten 1,8 Gew.-% Ceroxid, 0,18 Gew.-% Polyacrylsäure, 0,21 Gew.-% Ammoniumhydrogenphthalat und 0,12 Gew.-% Tetramethylammoniumhydroxid. Die Aufschlämmung wurde durch Kombinieren eines Schleifmittelgebindes mit einem chemischen Gebinde hergestellt. Das Schleifmittelgebinde wurde durch Lösen des Polyacrylsäurekonzentrats in entionisiertem Wasser unter Verwendung eines Flügelmischers und Zugeben des Ceroxidkonzentrats zu der Polyacrylsäurelösung hergestellt. Dann wurde das Ceroxid-Polyacrylsäure-Wasser-Gemisch unter Verwendung von Salpetersäure oder Ammoniumhydroxid titriert. Das Gemisch wurde dann in eine Kady-Mühle mit hoher Scherung eingespeist. Das chemische Gebinde wurde durch Lösen aller restlichen Chemikalien in entionisiertem Wasser in geeigneten Mengen, Mischen mit einem Flügelmischer und Titrieren zu dem gewünschten End-pH-Wert unter Verwendung von Salpetersäure oder Ammoniumhydroxid hergestellt. Die fertige Aufschlämmung wird durch Mi schen des Schleifmittelgebindes mit dem chemischen Gebinde und Titrieren zu dem gewünschten pH-Wert hergestellt.
  • Beispiel 1
  • Bei diesem Experiment wurde die Planarisierungsleistung des zweistufigen Polierverfahrens im Vergleich zu einem einstufigen Verfahren zur Grabenoxidplanarisierung gemessen. Insbesondere wurde der Effekt des zweistufigen Polierverfahrens auf das Dishing in 10 %- bis 90 %-Grabenoxid getestet. Ein 10 %-Grabenoxid ist hier als die Gräben in einer Gruppierung wiederholter Strukturen definiert, bei denen aktive Breite/(Grabenbreite + aktive Breite) × 100 % = 10 %. Wenn beispielsweise Grabenbreite + aktive Breite = 100 μm, dann weist der 10 %-Graben eine Breite von 90 μm auf. Entsprechend weist der 90 %-Graben eine Breite von 10 μm auf. Für das einstufige Verfahren wurden die Proben durch ein Applied Materials Mirra 200 mm-Poliergerät unter Verwendung eines IC1000TM-Polyurethanpolierkissens (Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc.) unter Andruckkraftbedingungen von 2,7 psi und einer Polierlösung-Strömungsgeschwindigkeit von 85 cm3/min, einer Plattengeschwindigkeit von 123 U/min und einer Trägergeschwindigkeit von 44 U/min planarisiert. Für die erste Stufe des zweistufigen Verfahrens wurden die Proben durch ein Applied Materials Mirra 200 mm-Poliergerät unter Verwendung eines IC1000TM-Polyurethanpolierkissens (Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc.) unter Andruckkraftbedingungen von 3,7 psi und einer Polierlösung-Strömungsgeschwindigkeit von 125 cm3/min, einer Plattengeschwindigkeit von 51 U/min und einer Trägergeschwindigkeit von 68 U/min planarisiert. Der Endpunkt wurde unter Verwendung eines Luxtron Optima 9300-CMP-Endpunktkontrollgeräts bestimmt. Die Verfahrensbedingungen für die zweite Stufe des zweistufigen Verfahrens sind mit denjenigen des einstufigen Verfahrens identisch. Die Polierlösungen wiesen einen pH-Wert von 6,5 auf, der mit Salpetersäure oder Ammoniumhydroxid eingestellt wurde. Alle Lösungen enthielten als Rest entionisiertes Wasser.
  • Tabelle 1
    Figure 00150001
  • Wie es in der vorstehenden Tabelle 1 veranschaulicht ist, stellte das zweistufige Verfahren (Test 1) verglichen mit dem einstufigen Verfahren (Test A) ein signifikant geringes Dishing bei Merkmalen mit geringer Dichte bereit. Jeder der Grabenoxiddickenbereiche des Chipzentrums, der Chipmitte und der Chipkante war bei dem einstufigen Verfahren größer als bei dem zweistufigen Verfahren. Insbesondere betrugen die Grabenoxiddickenbereiche für das Chipzentrum, die Chipmitte und die Chipkante 328 Å, 257 Å bzw. 286 Å für das einstufige Verfahren, während die gleichen Dickenbereichsmessungen für das zweistufige Verfahren 46 Å, 71 Å bzw. 153 Å ergaben. Mit anderen Worten: Der durchschnittliche Grabenbereich innerhalb eines Chips betrug bei dem zweistufigen Polierverfahren etwa 90 Å, verglichen mit etwa 290 Å bei dem einstufigen Verfahren. Ferner betrug der allgemeine Grabenbereich innerhalb des Wafers bei dem zweistufigen Polierverfahren etwa 166 Å verglichen mit etwa 461 Å bei dem einstufigen Verfahren.
  • Beispiel 2
  • Bei diesem Experiment wurde die Planarisierungsleistung des zweistufigen Polierverfahrens im Vergleich zu einem einstufigen Verfahren zur Nitridplanarisierung gemessen. Insbesondere wurde der Effekt des zweistufigen Polierverfahrens auf den Nitridverlust in einem 10 %-bis 100 %-Einzelfeldmerkmal getestet. Die Verfahrensbedingungen waren mit denjenigen von Beispiel 1 identisch.
  • Tabelle 2
    Figure 00160001
  • Wie es in der vorstehenden Tabelle 2 veranschaulicht ist, stellte das zweistufige Verfahren (Test 2) verglichen mit dem einstufigen Verfahren (Test B) einen signifikant geringeren Nitridverlust bei Merkmalen mit geringer Dichte bereit. Jeder der Nitriddickenbereiche des Chipzentrums, der Chipmitte und der Chipkante war bei dem einstufigen Verfahren viel größer als bei dem zweistufigen Verfahren. Insbesondere betrugen die Nitriddickenbereiche für das Chipzentrum, die Chipmitte und die Chipkante 210 Å, 162 Å bzw. 172 Å für das einstufige Verfahren, während die gleichen Dickenbereichsmessungen für das zweistufige Verfahren 41 Å, 25 Å bzw. 41 Å ergaben. Mit anderen Worten: Der durchschnittliche Grabenbereich innerhalb eines Chips betrug bei dem zweistufigen Polierverfahren etwa 36 Å, verglichen mit etwa 181 Å bei dem einstufigen Verfahren. Ferner betrug der allgemeine Grabenbereich innerhalb des Wafers bei dem zweistufigen Polierverfahren etwa 58 Å verglichen mit etwa 210 Å bei dem einstufigen Verfahren.
  • Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein zweistufiges Verfahren zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer bereit, das die Schritte des Planarisierens des Silica mit einer inhibierenden Aufschlämmung und des Erfassens eines ersten Endpunkts zum Stoppen der Planarisierung umfasst. Das Verfahren stellt ferner das Abtragen des Silica mit einer selektiven Aufschlämmung und das Erfassen eines zweiten Endpunkts zum Stoppen des Abtragens bereit.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer, umfassend die Schritte: Planarisieren des Silica mit einer ersten wässrigen Zusammensetzung, die 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% einer kationischen Verbindung, 0 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0 bis 5 Gew.-% einer zwitterionischen Verbindung und als Rest Wasser umfasst, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist, Erfassen eines Endpunkts der Planarisierung, und Abtragen des Silica mit einer zweiten wässrigen Zusammensetzung, die 0,001 bis 1 Gew.-% einer quartären Ammoniumverbindung, 0,001 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,01 bis 5 Gew.-% Schleifmittel und als Rest Wasser umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 1500 g/mol bis 10000 g/mol aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zwitterionische Verbindung die folgende Struktur aufweist:
    Figure 00180001
    worin n eine ganze Zahl ist, Y Wasserstoff oder eine Alkylgruppe umfasst, Z Carboxyl, Sulfat oder Sauerstoff umfasst, M ein Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom umfasst, und X1, X2 und X3 unabhängig Substituenten umfassen, die aus der Gruppe, umfassend Wasserstoff, eine Alkylgruppe und eine Arylgruppe, ausgewählt sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Carbonsäurepolymer in der ersten und der zweiten wässrigen Zusammensetzung eine Polyacrylsäure ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die kationische Verbindung aus der Gruppe, umfassend Alkylamine, Arylamine, quartäre Ammoniumverbindungen und Alkoholamine, ausgewählt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schleifmittel in der ersten und der zweiten wässrigen Zusammensetzung Ceroxid ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die quartäre Ammoniumverbindung aus der Gruppe, umfassend Tetramethylammoniumhydroxid, Tetraethylammoniumhydroxid, Tetrapropylammoniumhydroxid, Tetraisopropylammoniumhydroxid, Tetracyclopropylammoniumhydroxid, Tetrabutylammoniumhydroxid, Tetraisobutylammoniumhydroxid, Tetra-tert-butylammoniumhydroxid, Tetra-sec-butylammoniumhydroxid, Tetracyclobutylammoniumhydroxid, Tetrapentylammoniumhydroxid, Tetracyclopentylammoniumhydroxid, Tetrahexylammoniumhydroxid, Tetracyclohexylammoniumhydroxid und Gemische davon, ausgewählt ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Phthalatsalz aus der Gruppe, umfassend Ammoniumhydrogenphthalat und Kaliumhydrogenphthalat, ausgewählt ist.
  9. Zweistufiges Verfahren zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer, umfassend die Schritte: Planarisieren des Silica mit einer inhibierenden Aufschlämmung, Erfassen eines ersten Endpunkts und Stoppen der Planarisierung, Abtragen des Silica mit einer selektiven Aufschlämmung, und Erfassen eines zweiten Endpunkts und Stoppen des Abtragens.
  10. Mehrstufiges Verfahren zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer, umfassend: Planarisieren des Silica mit einer ersten wässrigen Zusammensetzung, die 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% einer kationischen Verbindung, 0 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0 bis 5 Gew.-% einer zwitterionischen Verbindung und als Rest Wasser umfasst, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist, Erfassen eines ersten Endpunkts und Stoppen der Planarisierung, Abtragen des Silica mit einer zweiten wässrigen Zusammensetzung, die 0,001 bis 1 Gew.-% einer quartären Ammoniumverbindung, 0,001 bis 1 Gew.-% Phthalsäure und Salze davon, 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, 0,01 bis 5 Gew.-% Schleifmittel und als Rest Wasser umfasst, und Erfassen eines zweiten Endpunkts und Stoppen des Abtragens.
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