DE102007004120A1 - Zusammensetzungen und Verfahren für das chemisch-mechanische Polieren von Zwischenschicht-Dielektrikumschichten - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung und als Rest Wasser, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft das chemisch-mechanische Planarisieren (CMP) von Halbleiterwafermaterialien und insbesondere CMP-Zusammensetzungen und -Verfahren zum Polieren von Dielektrikumschichten von Halbleiterstrukturen in Zwischenschicht („Interlevel")-Dielektrikum-Verfahren (ILD-Verfahren).
- Moderne integrierte Schaltungen werden durch ein kompliziertes Verfahren hergestellt, bei dem elektronische Schaltungen, die aus Halbleitervorrichtungen zusammengesetzt sind, integriert auf einer kleinen Halbleiterstruktur ausgebildet werden. Die herkömmlichen Halbleitervorrichtungen, die auf der Halbleiterstruktur ausgebildet werden, umfassen Kondensatoren, Widerstände, Transistoren, Dioden und dergleichen. Bei der modernen Herstellung von integrierten Schaltungen werden Hunderttausende dieser Halbleitervorrichtungen auf einer einzelnen Halbleiterstruktur ausgebildet.
- Zusätzlich können integrierte Schaltungen als angrenzende Einzelfelder bzw. -schaltkreise auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat der Halbleiterstruktur angeordnet werden. Typischerweise befinden sich zwischen den Einzelfeldern Ritzbereiche auf einem Oberflächenniveau, wo die Einzelfelder getrennt werden, so dass sie diskrete integrierte Schaltungen bilden. Innerhalb der Einzelfelder ist die Oberfläche der Halbleiterstruktur durch erhöhte Bereiche gekennzeichnet, die durch die Bildung der Halbleitervorrichtungen verursacht werden. Diese erhöhten Bereiche bilden Gruppierungen („Linien") und sind durch niedrigere Bereiche mit einer geringeren Höhe („Zwischenräume") auf dem Siliziumsubstrat der Halbleiterstruktur getrennt.
- Herkömmlich werden die Halbleitervorrichtungen der Halbleiterstruktur durch abwechselndes Abscheiden und Strukturieren von Schichten aus leitendem und isolierendem Material auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur gebildet. Häufig muss bei der Vorbereitung für die Abscheidung aufeinander folgender Schichten die Oberfläche der Halbleiterstruktur glatt und flach gemacht werden. Um folglich die Oberfläche der Halbleiterstruktur für einen Materialabscheidungsvorgang vorzubereiten, muss auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur ein Planarisierungsverfahren durchgeführt werden.
- Die Planarisierung wird typischerweise durch Wachsenlassen oder Abscheiden einer Zwischenschicht-Dielektrikumschicht aus einem isolierenden Material, wie z.B. einem Oxid oder Nitrid, auf der Halbleiterstruktur implementiert, um raue oder diskontinuierliche Bereiche aufzufüllen. Zwischenschicht-Dielektrikumschichten werden als konformer Film abgeschieden, wodurch diese eine nicht-planare Oberfläche aufweisen, die durch vertikal erhöhte, vorgewölbte Merkmale mit einer größeren Höhe, die sich nach oben über die Linien erstrecken, und durch offene Mulden mit einer geringeren Höhe, die sich oberhalb der Zwischenräume befinden, gekennzeichnet ist. Das Planarisierungsverfahren wird zur Verminderung der Höhe („Stufenhöhe") der vertikal vorgewölbten Merkmale bis hinab zu einer gewünschten Höhe eingesetzt, die sich typischerweise um einen vorgegebenen Abstand oberhalb des Niveaus der Oberseiten der Linien befindet, wo idealerweise eine planarisierte Oberfläche gebildet wird. Gegenwärtig ist das CMP die führende Technik zum Erreichen der gewünschten Flachheit oder Planarisierung. Das CMP verbessert die Entfernung von Oberflächenmaterial, wobei die Oberfläche mechanisch einer Abrasion unterzogen wird, während eine chemische Zusammensetzung („Aufschlämmung") die Oberfläche selektiv angreift.
- Beispielsweise diskutiert das US-Patent 5,391,258 (Brancaleoni et al.) ein Verfahren zur Erhöhung der Poliergeschwindigkeit von Silizium, Siliziumdioxid oder Silizium-enthaltenden Gegenständen, einschließlich Verbundmaterialien von Metallen und Siliziumdioxid. Die Zusammensetzung umfasst etwa 33 Gew.-% Aluminiumoxid, um die Entfernungsgeschwindigkeit für die Dielektrikumschicht zu erhöhen. Die Zusammensetzung umfasst auch ein Oxidationsmittel zusammen mit einem Anion, das die Geschwindigkeit der Entfernung des relativ weichen Siliziumdioxid-Dünnfilms vermindert. Das vermindernde Anion kann jedwedes einer Anzahl von Carbonsäuren sein.
- Bor-Phosphat-Silikat-Glas (BPSG) wurde in der Halbleiterindustrie zur Erzeugung von Zwischenschicht-Dielektrikumfilmen verbreitet verwendet. Für diese Anwendungen bietet BPSG eine gute Lückenfüllung und wirkt als effektive Barriere gegen eine Alkaliionenwanderung in Richtung empfindlicher Vorrichtungsbereiche. Ferner senkt das Hinzufügen von Bor zu BPSG-Filmen die Glasübergangstemperatur von Oxidfilmen effektiv, wodurch Oxidfilme bei relativ niedrigen Temperaturen fließen können. Folglich kann BPSG zum Füllen von Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis verwendet werden, während gleichzeitig eine Oberflächenglättung der Topographie von gestapelten DRAM-Vorrichtungen bereitgestellt wird.
- Leider kann, was bekannt ist, die Entfernungsgeschwindigkeit von BPSG nicht leicht gesteuert werden. Dies wird im Allgemeinen auf die Konzentration einer Fremdatomdotierung der Schicht von BPSG und auf die Wärmebehandlung zurückgeführt, der die polierte Schicht von BPSG unterzogen worden ist. Beispielsweise weist BPSG eine sehr hohe Entfernungsgeschwindigkeit sowohl bei den hohen Merkmalen (Linien) als auch bei den niedrigen Bereichen (Zwischenräumen) auf. Dennoch wird das Linienoxid (hohe Bereiche aus Oxid) aufgrund von Druckdifferenzen typischerweise etwa zweimal so schnell planarisiert wie die Zwischenräume. Da für die am Ende erforderliche Oxiddicke keine Stufenhöhe erwünscht ist, wird überschüssiges Oxid abgeschieden (d.h. eine Deckschicht), so dass die Linienoxidentfernung fortgesetzt werden kann, bis es im Wesentlichen planar mit dem Zwischenraumoxid ist. Mit anderen Worten: Um eine Stufenhöhe von 3500 Å zu planarisieren, müssen 7000 Å eines Linienoxids und 3500 Å eines Zwischenraumoxids entfernt werden. Dies erfordert die Abscheidung einer Überschussmenge von mindestens 3500 Å eines Opferdeckschichtoxids, was zusätzliche Zeit erfordert und zusätzliche Kosten verursacht.
- Es besteht daher ein Bedarf für eine Zusammensetzung und ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren von Dielektrikumschichten mit verbesserten Entfernungsgeschwindigkeiten und einer verbesserten Selektivität. Es besteht insbesondere ein Bedarf für eine Zusammensetzung und ein Verfahren zum Polieren von Siliziumdioxid und BPSG in ILD-Verfahren mit verbesserten Entfernungsgeschwindigkeiten und einer verbesserten Selektivität sowie einer verbesserten Planarisierungseffizienz.
- In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung und als Rest Wasser, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist.
- In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Polieren von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas auf einem Halbleiterwafer bereit, umfassend: Inkontaktbringen des Siliziumdioxids und des Bor-Phosphat-Silikat-Glases auf dem Wafer mit einer Polierzusammensetzung, wobei die Polierzusammensetzung 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung und als Rest Wasser umfasst, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist, und Polieren des Siliziumdioxids und des Bor-Phosphat-Silikat-Glases mit einem Polierkissen.
- Die Zusammensetzung und das Verfahren stellen in unerwarteter Weise eine verbesserte Entfernung für Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas auf einem Halbleiterwafer bereit. Die Zusammensetzung umfasst in vorteilhafter Weise Polyvinylpyrrolidon für eine verbesserte Selektivität und Steuerbarkeit während des Polierverfahrens. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, und die Polyvinylpyrrolidon, Carbonsäurepolymer, Schleifmittel und als Rest Wasser umfasst. Gegebenenfalls kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung eine kationische Verbindung zur Förderung der Planarisierung und zur Regulierung der Wafersäuberungszeit und der Siliziumdioxidentfernung enthalten. Die Zusammensetzung enthält gegebenenfalls auch eine zwitterionische Verbindung zur Förderung der Planarisierung und um als Unterdrückungsmittel für die Bor-Phosphat-Silikat-Glas-Entfernung zu dienen. Die Erfinder haben gefunden, dass es durch Verkappen des BPSG z.B. mit Siliziumdioxid (z.B. Tetraethylorthosilikat-Oxid („TEOS"-Oxid)) und Verwenden der erfindungsgemäßen Zusammensetzung möglich ist, die Entfernungsgeschwindigkeiten des Zwischenraumoxids verglichen mit dem Linienoxid zu senken, schnellere Planarisierungszeiten zu fördern und weniger Deckschichtoxid einzusetzen. Die vorliegende Erfindung kann Entfernungsgeschwindigkeitsverhältnisse zwischen dem Zwischenraumoxid und dem Linienoxid von etwa 0,30 bis etwa 0,50 für eine herkömmliche Aufschlämmungszusammensetzung bereitstellen.
- Vorzugsweise enthält die neue Polierzusammensetzung etwa 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon zur Bereitstellung der Druckschwellenreaktion während der Oxidentfernung. 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.
- 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 10000 g/mol. Darüber hinaus können Gemische von Polyvinylpyrrolidon mit einem höheren und einem niedrigeren Zahlenmittel des Molekulargewichts verwendet werden.
- Zusätzlich zu dem Polyvinylpyrrolidon enthält die Zusammensetzung vorteilhaft 0,01 bis 5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers, das als Dispergiermittel für die Schleifmittelteilchen (nachstehend 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 Gemische von Carbonsäurepolymeren mit einem höheren und einem niedrigeren Zahlenmittel des Molekulargewichts verwendet werden. Diese Carbonsäurepolymere liegen im Allgemeinen in einer Lösung vor, können jedoch in einer wässrigen Dispersion vorliegen. Das Carbonsäurepolymer kann vorteilhaft als Dispergiermittel für die Schleifmittelteilchen (nachstehend beschrieben) 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 die Anhydride davon und sind z.B. Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Glutarsäure, Itaconsäure, Itaconsäureanhydrid und Cyclohexendicarbonsäure. Darüber hinaus können auch wasserlösliche Salze der vorstehend genannten Säuren verwendet werden.
- Besonders gut geeignet sind „Poly(meth)acrylsäuren" mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von etwa 1000 bis 1500000, vorzugsweise von 3000 bis 250000 und mehr bevorzugt von 20000 bis 200000. Der Begriff „Poly(meth)acrylsäure", so wie er hier verwendet wird, ist als Polymere von Acrylsäure, Polymere von Methacrylsäure oder Copolymere von Acrylsäure und Methacrylsäure definiert. Gemische von Poly(meth)acrylsäuren mit verschiedenem Zahlenmittel des Molekulargewichts sind besonders bevorzugt. In diesen Gemischen von Poly(meth)acrylsäuren wird eine Poly(meth)acrylsäure mit niedrigerem Zahlenmittel des Molekulargewichts mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von 1000 bis 100000 und vorzugsweise von 4000 bis 40000 in einer Kombination mit einer Poly(meth)acrylsäure mit höherem Zahlenmittel des Molekulargewichts mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von 150000 bis 1500000, vorzugsweise von 200000 bis 300000 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 Gemisch 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, bei denen die Carbonsäurekomponente 5 bis 75 Gew.-% des Polymers umfasst.
- Typisch für ein solches Polymer sind Polymere von (Meth)acrylsäure und Acrylamid oder Methacrylamid, Polymere von (Meth)acrylsäure und Styrol und anderen vinylaromatischen Monomeren, Polymere von Alkyl(meth)acrylaten (Ester von Acryl- oder Methacrylsäure) und einer Mono- oder Dicarbonsäure, wie z.B. Acryl- oder Methacrylsäure oder Itaconsäure, Polymere von 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 von monoethylenisch ungesättigten Monomeren, die einen Stickstoffring enthalten, wie z.B. Vinylpyridin, Alkylvinylpyridin, Vinylbutyrolactam, Vinylcaprolactam, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure, Polymere von Olefinen, wie z.B. Propylen, Isobutylen oder langkettigen Alkylolefinen mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure, Polymere von 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, Poly-mere von Alkyl(meth)acrylaten mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe und einer ungesättigten Monocarbonsäure, wie z.B. Acrylsäure oder Methacrylsäure. Dies sind nur wenige Beispiele der verschiedenen Polymere, die in der neuen erfindungsgemäßen Polierzusammensetzung verwendet werden können. Es ist auch möglich, Polymere zu verwenden, 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.
- Vorteilhaft enthält die Polierzusammensetzung 0,2 bis 6 Gew.-% Schleifmittel zur Erleichterung der Siliziumdioxidentfernung. 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 Planarisierung durch die 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 eine der vorstehend genannten Substanzen umfassen. Geeignete anorganische Oxide umfassen z.B. Siliziumdioxid (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. Diamant kann gegebenenfalls auch als Schleifmittel verwendet werden. Alternative Schleifmittel umfassen auch polymere Teilchen und beschichtete polymere Teilchen. Das bevorzugte Schleifmittel ist Ceroxid.
- Die Verbindungen stellen eine Wirksamkeit über einem breiten pH-Bereich in Lösungen bereit, die als Rest Wasser enthalten. Der geeignete pH-Bereich dieser Lösung reicht von mindestens 4 bis 9. Darüber hinaus basiert die Lösung bevorzugt auf einem Rest aus entionisiertem Wasser, um zufällige Verunreinigungen zu beschränken. Der pH-Wert des erfindungsgemäßen Polierfluids beträgt vorzugsweise 4,5 bis 8, mehr bevorzugt weist es einen pH-Wert von 5,5 bis 7,5 auf. 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.
- Gegebenenfalls enthält die Zusammensetzung vorteilhaft 0 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung zur Förderung der Planarisierung und um als Unterdrückungsmittel für die Nitridentfernung zu dienen. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung 0,01 bis 1,5 Gew.-% zwitterionische 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 Anteilen enthält, die durch eine physische Brücke, 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: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, bestehend aus Wasserstoff, einer Alkylgruppe und einer Arylgruppe, ausgewählt sind.
- Der Begriff „Alkyl" (oder Alkyl- oder Alk-), so wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine substituierte oder unsubstituierte, geradkettige, 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-Trimethylammoniumacetat, das durch die folgende Struktur dargestellt wird:
- Gegebenenfalls kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung umfassen. Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung gegebenenfalls 0,01 bis 1,5 Gew.-% kationische Verbindung. Die kationische Verbindung der vorliegenden Erfindung kann in vorteilhafter Weise die Planarisierung fördern, die Wafersäuberungszeit regulieren und zur Unterdrückung der Oxidentfernung dienen. Bevorzugte kationische Verbindungen umfassen Alkylamine, Arylamine, quaternäre Ammoniumverbindungen und Alkoholamine. Beispiele für kationische Verbindungen umfassen Methylamin, Ethylamin, Dimethylamin, Diethylamin, Trimethylamin, Triethylamin, Anilin, Tetramethylammoniumhydroxid, Tetraethylammoniumhydroxid, Ethanolamin und Propanolamin.
- Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Siliziumdioxid und BPSG auf einem Halbleiterwafer für ILD-Verfahren geeignet ist. Die Zusammensetzung umfasst in vorteilhafter Weise Polyvinylpyrrolidon für eine verbesserte Dishing-Leistung. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammen setzung bereit, die zum Polieren von Siliziumdioxid und BPSG auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung und als Rest Wasser, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist. Die Zusammensetzung zeigt in einem pH-Bereich von 4 bis 9 eine besonders stark verbesserte Schwellendruckreaktion.
- Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung besonders gut geeignet, wenn sie mit einem Polierkissen verwendet wird, das eine verminderte Verschleißrate im Zentrum oder in der Nähe des Zentrums des Wafers aufweist. ILD-Aufschlämmungen weisen häufig ein „Centerfast"-Phänomen (d.h. ein Polieren mit einer höheren Geschwindigkeit im Zentrum oder in der Nähe des Zentrums des Wafers) relativ zu den anderen Bereichen des Wafers auf. Die Erfinder haben gefunden, dass das Polieren mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eine verbesserte Verminderung des „Center-fast"-Phänomens bereitstellt, wenn es mit einem Polierkissen mit einer weniger aggressiven Verschleißrate für den Wafer im Zentrum oder in der Nähe des Zentrums des Wafers eingesetzt wird. Mit anderen Worten: Das Polierkissen weist Rillen auf, die so konfiguriert sind, dass sie in der Nähe des Zentrums des Wafers ein vermindertes Polieren bereitstellen. Das Polierkissen kann porös, nicht-porös oder eine Kombination davon sein. Das Polierkissen kann auch jede gewünschte Rillengeometrie oder -konfiguration aufweisen, wie z.B. spiralförmig, kreisförmig, radial, gekreuzt schraffiert oder eine Kombination davon. Eine besonders bevorzugte Rillenkonfiguration ist eine spiralförmigradial-spiralförmig-Konfiguration.
- Beispiele
- In den Beispielen stellen Zahlen erfindungsgemäße Beispiele und Buchstaben Vergleichsbeispiele dar. Alle Lösungen der Beispiele enthielten 1,8 Gew.-% Ceroxid, 0,27 Gew.-% Polyacrylsäure, 0,5 Gew.-% Betain und 0,15 Gew.-% Ethanolamin. Die erfindungsgemäßen Beispiele enthielten 0,1 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon. Die Aufschlämmung wurde durch Kombinieren eines Schleifmittelgebindes mit einem Chemikaliengebinde hergestellt. Das Schleifmittelgebinde wurde durch Lösen des Polyacrylsäurekonzentrats in entionisiertem Wasser unter Verwendung eines Rührblattmischers 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 einen Kady-Mischer mit hoher Scherung eingebracht. Das Chemikaliengebinde wurde durch Lösen aller restlichen Chemikalien in entionisiertem Wasser in ge eigneten Mengen, Mischen mit einem Rührblattmischer und Titrieren zu dem gewünschten pH-Endwert unter Verwendung von Salpetersäure oder Ammoniumhydroxid hergestellt. Die fertige Aufschlämmung wird durch Mischen des Schleifmittelgebindes mit dem chemischen Gebinde und Titrieren zu dem gewünschten pH-Wert hergestellt.
- Beispiel 1
- Bei diesem Experiment wurde der Effekt der vorliegenden Aufschlämmung auf die Schwellendruckreaktion und die Selektivität der Entfernung von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas gemessen. Insbesondere wurde der Effekt von Polyvinylpyrrolidon auf die Schwellendruekreaktion und die Selektivität der Entfernung von Siliziumdioxid und BPSG in den Linien und Zwischenräumen des Testwafers getestet. Die „verkappten" Wafer waren MIT864TM-Maskernvafer von Sematech mit 500 Å TEOS-Oxid, das auf 9500 Å BPSG verkappt war. Die „unverkappten" Wafer waren MIT864TM-Maskenwafer von Sematech mit 10000 Å BPSG. Das Wafermerkmal war 50 % Dichte bei 1000 μm Rasterabstand/500 μm Zwischenraum. Dabei ist 50 % Dichte als die Zwischenräume in einer Gruppierung von wiederholten Strukturen definiert, wobei die Zwischenraumbreite/(Zwischenraumbreite + Linienbreite) × 100 % = 50 %. Wenn beispielsweise Zwischenraumbreite + Linienbreite = 1000 μm beträgt, weist der 50%-Zwischenraum eine Breite von 500 μm auf. Die Proben wurden mit einer Applied Materials Mirra® 200 mm-Poliermaschine unter Verwendung eines IC1000TM-Polyurethan-polierkissens (Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc.) bei Andruckbedingungen von 10,3 kPa (1,5 psi) und einer Polierlösungsflussrate von 150 cm3/min, einer Plattengeschwindigkeit von 52 U/min und einer Trägergeschwindigkeit von 50 U/min planarisiert. Die Polierlösungen wiesen einen pH-Wert von 6,5 auf, der mit Salpetersäure oder Ammoniumhydroxid eingestellt worden ist. Alle Lösungen enthielten als Rest entionisiertes Wasser.
- Tabelle 1 Wafermerkmal (50 % Dichte bei 1000 μm Rasterabstand/500 μm Zwischenraum)
- Wie es in der vorstehenden Tabelle 1 veranschaulicht ist, stellte die Zugabe des Polyvinylpyrrolidons eine Schwellendruckreaktion und eine Selektivität der Zusammensetzung für Siliziumdioxid und BPSG bereit. Beispielsweise zeigte die Zusammensetzung im Beispiel 1 für den TEOS-Oxid-verkappten Wafer einen Zwischenraumdickenverlust von nur 1480 Å bei einer restlichen Stufenhöhe von 24 Å. Die Zusammensetzung zeigte auch ein Entfernungsratenverhältnis von Zwischenraum/Linienoxid von 0,31. Mit anderen Worten: Das BPSG in der Linie wurde mit einer Geschwindigkeit entfernt, die etwa dreimal höher war als diejenige des BPSG in dem Zwischenraum. Im Vergleich dazu zeigte die gleiche Zusammensetzung, wenn sie auf dem unverkappten Wafer verwendet wurde, keine verbesserten Druckreaktions- und Selektivitätsergebnisse. Beispielsweise zeigte die Zusammensetzung (Beispiel 1) für den unverkappten Wafer einen Zwischenraumdickenverlust von 2100 Å bei einer restlichen Stufenhöhe von 265 Å. Die Zusammensetzung zeigte auch ein Entfernungsratenverhältnis von Zwischenraum/Linienoxid von 0,44. Darüber hinaus zeigte die Zusammensetzung von Test A keine verbesserten Druckreaktions- und Selektivitätsergebnisse sowohl bei den verkappten als auch bei den unverkappten Wafern. Beispielsweise zeigte die Zusammensetzung von Test A einen Zwischenraumdickenverlust von 2550 Å für den TEOS-Oxid-verkappten Wafer und von 3200 Å für den unverkappten Wafer. Mit anderen Worten: Da die Zusammensetzung von Test A nicht die verbesserte Druckreaktion und Selektivität der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zeigte, war ein viel größerer Verlust an BPSG erforderlich, bevor das Linien/Zwischenraumoxid im Wesentlichen planar war.
- Beispiel 2
- Bei diesem Experiment wurde der Effekt der vorliegenden Aufschlämmung auf die Schwellendruckreaktion und die Selektivität der Entfernung von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas gemessen. Insbesondere wurde der Effekt von Polyvinylpyrrolidon auf die Schwellendruckreaktion und die Selektivität der Entfernung von Siliziumdioxid und BPSG in den Linien und Zwischenräumen des Testwafers getestet. Alle Bedingungen entsprachen denjenigen des vorstehenden Beispiels 1, mit der Ausnahme, dass das Wafermerkmal eine Dichte von 90 % war.
- Tabelle 2 Wafermerkmal (90 % Dichte bei 100 μm Rasterabstand/90 μm Zwischenraum)
- Wie es in der vorstehenden Tabelle 2 veranschaulicht ist, stellte die Zugabe des Polyvinylpyrrolidons eine Schwellendruckreaktion und eine Selektivität der Zusammensetzung für Siliziumdioxid und BPSG bereit. Beispielsweise zeigte die Zusammensetzung im Beispiel 2 für den TEOS-Oxid-verkappten Wafer einen Zwischenraumdickenverlust von nur 2000 Å bei einer restlichen Stufenhöhe von 38 Å. Im Vergleich dazu zeigte die gleiche Zusammensetzung, wenn sie auf dem unverkappten Wafer verwendet wurde, nicht das gleiche Niveau an verbesserten Druckreaktions- und Selektivitätsergebnissen. Beispielsweise zeigte die Zusammensetzung für den unverkappten Wafer einen Zwischenraumdickenverlust von 2800 Å bei einer restlichen Stufenhöhe von 64 Å. Darüber hinaus zeigte die Zusammensetzung von Test B keine verbesserten Druckreaktions- und Selektivitätsergebnisse sowohl bei den verkappten als auch bei den unverkappten Wafern. Beispielsweise zeigte die Zusammensetzung von Test B einen Zwischenraumdickenverlust von 3412 Å für den TEOS-Oxidverkappten Wafer und von 4180 Å für den unverkappten Wafer. Mit anderen Worten: Da die Zusammensetzung von Test B nicht die verbesserte Druckreaktion und Selektivität der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zeigte, war ein viel größerer Verlust an BPSG erforderlich, bevor das Linien/Zwischenraumoxid im Wesentlichen planar war.
- Beispiel 3
- Bei diesem Experiment wurde der Effekt der vorliegenden Aufschlämmung auf die Schwellendruckreaktion und die Selektivität der Entfernung von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas gemessen. Insbesondere wurde der Effekt von Polyvinylpyrrolidon auf die Schwellendruckreaktion und die Selektivität der Entfernung von Siliziumdioxid und BPSG in den Linien und Zwischenräumen des Testwafers getestet. Alle Bedingungen entsprachen denjenigen des vorstehenden Beispiels 1, mit der Ausnahme, dass das Wafermerkmal eine Dichte von 10 % war.
- Tabelle 3 Wafermerkmal (10 % Dichte bei 100 μm Rasterabstand/10 μm Zwischenraum)
- Wie es in der vorstehenden Tabelle 3 veranschaulicht ist, stellte die Zugabe des Polyvinylpyrrolidons eine Schwellendruckreaktion und eine Selektivität der Zusammensetzung für Siliziumdioxid und BPSG bereit. Beispielsweise zeigte die Zusammensetzung im Beispiel 3 für den TEOS-Oxid-verkappten Wafer einen Zwischenraumdickenverlust von nur 1600 Å bei einer restlichen Stufenhöhe von 29 Å. Im Vergleich dazu zeigte die gleiche Zusammensetzung, wenn sie auf dem unverkappten Wafer verwendet wurde, nicht das gleiche Niveau an verbesserten Druckreaktions- und Selektivitätsergebnissen. Beispielsweise zeigte die Zusammensetzung für den unverkappten Wafer einen Zwischenraumdickenverlust von 2140 Å bei einer restlichen Stufenhöhe von 93 Å. Darüber hinaus zeigte die Zusammensetzung von Test C keine verbesserten Druckreaktions- und Selektivitätsergebnisse sowohl bei den verkappten als auch bei den unverkappten Wafern. Beispielsweise zeigte die Zusammensetzung von Test C einen Zwischenraumdickenverlust von 2600 Å für den TEOS-Oxidverkappten Wafer und von 4100 Å für den unverkappten Wafer. Mit anderen Worten: Da die Zusammensetzung von Test C nicht die verbesserte Druckreaktion und Selektivität der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zeigte, war ein viel größerer Verlust an BPSG erforderlich, bevor das Linien/Zwischenraumoxid im Wesentlichen planar war.
- Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas auf einem Halbleiterwafer für Flachgraben-Isolierverfahren geeignet ist. Die Zusammensetzung umfasst in vorteilhafter Weise Polyvinylpyrrolidon für eine verbesserte Selektivität und Steuerbarkeit während des Poliervorgangs. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung bereit, die für das Polieren von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, die Polyvinylpyrrolidon, Carbonsäurepolymer, Schleifmittel und als Rest Wasser umfasst. Gegebenenfalls kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung eine kationische Verbindung zur Förderung der Planarisierung, zur Regulierung der Wafersäuberungszeit und zur Entfernung von Siliziumdioxid enthalten. Die Zusammensetzung enthält gegebenenfalls eine zwitterionische Verbindung zur Förderung der Planarisierung und um als Unterdrückungsmittel für die BPSG-Entfernung zu dienen. Es sollte beachtet werden, dass trotz der Nutzung von TEOS-Oxid-verkapptem BPSG in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung auf TEOS-Oxid-verkapptem Phosphorsilikatglas (PSG), auf Borosilikatglas (BSG), einer hochdichten Plasma (HDP)-Siliziumoxidschicht, einem undotierten Silikatglas (USG), einem stark thermischen (HT)-USG oder einer Plasma-verstärkten (PE)-Siliziumoxidschicht verwendet werden.
Claims (10)
- Wässrige Zusammensetzung, die zum Polieren von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung und als Rest Wasser, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist.
- Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung 0,02 bis 1 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon umfasst.
- Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 1500 g/mol bis 10000 g/mol aufweist.
- Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zwitterionische Verbindung die folgende Struktur aufweist: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, bestehend aus Wasserstoff, einer Alkylgruppe und einer Arylgruppe, ausgewählt sind.
- Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Carbonsäurepolymer eine Polyacrylsäure ist.
- Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die kationische Verbindung aus der Gruppe, bestehend aus Alkylaminen, Arylaminen, quartären Ammoniumverbindungen und Alkoholaminen ausgewählt ist.
- Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schleifmittel Ceroxid ist.
- Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die wässrige Zusammensetzung einen pH-Wert von 4 bis 9 aufweist.
- Verfahren zum Polieren von Siliziumdioxid und Bor-Phosphat-Silikat-Glas auf einem Halbleiterwafer, umfassend: Inkontaktbringen des Siliziumdioxids und des Bor-Phosphat-Silikat-Glases auf dem Wafer mit einer Polierzusammensetzung, wobei die Polierzusammensetzung 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung und als Rest Wasser umfasst, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist, und Polieren des Siliziumdioxids und des Bor-Phosphat-Silikat-Glases mit einem Polierkissen.
- Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Zusammensetzung 0,02 bis 1 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon umfasst.
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