DE102007008997A1

DE102007008997A1 - Zusammensetzungen zum chemisch-mechanischen Polieren von Siliziumdioxid und Siliziumnitrid

Info

Publication number: DE102007008997A1
Application number: DE102007008997A
Authority: DE
Inventors: Sarah J. Lane; Charles Wilmington Yu
Original assignee: Rohm and Haas Electronic Materials CMP Holdings Inc; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Current assignee: Rohm and Haas Electronic Materials CMP Holdings Inc; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2007-09-13
Also published as: JP2007273973A; KR20070092109A; TW200736375A; CN101054498A; US20070210278A1; FR2898361A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0,005 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0,005 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 Erfindung betrifft das chemisch-mechanische Planarisieren (CMP) von Halbleiterwafer-Materialien und insbesondere CMP-Zusammensetzungen 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.

Gegenwärtig stehen verschiedene Aufschlämmungen für die STI-Anwendung zur Verfügung. Die Aufschlämmung der ersten Generation („Gen-I„) besteht typischerweise aus Ceroxid-Schleifmitteln und einem Dispergiermittel. Die Gen-I-Aufschlämmung ist ein kostengünstiges und einfaches System, das hohe Entfernungsgeschwindigkeiten und einen hohen Durchsatz bereitstellt. Die Gen-I-Aufschlämmung ist jedoch aufgrund der übermäßigen Nitriderosion und des übermäßigen Graben-„Dishing" für Technologieknoten von 130 nm und darunter nicht geeignet. Die Aufschlämmung der zweiten Generation („Gen-II") enthält typischerweise zusätzlich zu dem Ceroxid und dem Dispergiermittel wie die Gen I chemische Additive. Chemische Additive dienen zur Verbesserung der Entfernungsselektivität von Siliziumoxid bezogen auf Siliziumnitrid und zur Bereitstellung eines hervorragenden Abtragungsvermögens, während die Nitriderosion gemäßigt und das Graben-„Dishing" unterdrückt wird. Diese Gen-II-Aufschlämmung ist heutzutage die am häufigsten eingesetzte STI-Aufschlämmung für die 130 nm- und Sub-130 nm-Knoten. Trotzdem ergeben sich, wenn fortgeschrittenere Technologieknoten (z.B. Sub-90 nm) erreicht werden, in Bereichen wie z.B. dem „Dishing" und der Nitriderosion aufgrund einer Strukturabhängigkeit bei dem Entfernungsverhalten der Aufschlämmung Probleme. Die Aufschlämmung der dritten Generation („Gen-III") ist die sogenannte „Stop-auf-Ebene" („stop-on-planar") oder „umgekehrte Preston'sche" Aufschlämmung. Die Gen-III-Aufschlämmung enthält typischerweise ein chemisches Additiv, das eine starke Affinität zu der Siliziumoxidoberfläche in einer wässrigen Umgebung aufweist, und zeigt ein „kinetisches" Adsorptionsverhalten. Die Gen-III-Aufschlämmung kann eine ausgeprägte Oxidentfernungsschwelle (nicht Preston-artig) aufweisen oder deren Oxidentfernungsgeschwindigkeit kann sich im Zeitverlauf vermindern. Die Gen-III-Aufschlämmung ist für fortgeschrittene STI-Anwendungen gestaltet, um die Strukturabhängigkeit während des Polierens durch zuerst selektives Entfernen der Topographie zu berücksichtigen. Ein solcher Gestaltungsansatz erzeugt während der Durchführung jedoch seine eigenen Probleme. Beispielsweise wurde die Gen-III-Aufschlämmung aufgrund ihres Unvermögens, aktive Merkmale abzutragen, nicht verbreitet verwendet. Als Ergebnis muss die Gen-III-Aufschlämmung typischerweise in einer Kombination mit einer weiteren Aufschlämmung (z.B. einer Gen-II-Aufschlämmung) zum Abtragen verwendet werden.

Kido et al. beschreiben in der US-Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2002/0045350 eine bekannte Schleifmittelzusammensetzung zum Polieren einer Halbleitervorrichtung, die ein Ceroxid und eine wasserlösliche organische Verbindung umfasst. Gegebenenfalls kann die Zusammensetzung ein Viskositätseinstellmittel, einen Puffer, ein oberflächenaktives Mittel und ein Chelatisierungsmittel bzw. einen Komplexbildner enthalten, obwohl keines davon spezifisch angegeben ist. Obwohl die Zusammensetzung von Kido eine angemessene Polierleistung bereitstellt, erfordert die ständig zunehmende Integrationsdichte in mikroelektronischen Schaltungen verbesserte Zusammensetzungen und Verfahren.

Es besteht somit ein Bedarf für eine Zusammensetzung zum chemisch-mechanischen Polieren von Siliziumdioxid ("Silica") und Siliziumnitrid für Verfahren der flachen Grabenisolation, die eine verbesserte Abtragungsleistung aufweist, während sie eine verbesserte Selektivität und Steuerbarkeit während des Polierverfahrens bereitstellt.

In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0,005 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0,005 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 eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Ceroxid, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0,005 bis 5 Gew.-% Ethanolamin, 0,005 bis 5 Gew.-% Betain und als Rest Wasser, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1A, 1B und 1C veranschaulichen die Abtragungsleistung der erfindungsgemäßen Aufschlämmung,

2 veranschaulicht die „Stop-auf-Ebene„-Leistung der erfindungsgemäßen Aufschlämmung,

3 veranschaulicht die Stufenhöhenverminderungsleistung der erfindungsgemäßen Aufschlämmung,

4A, 4B, 4C veranschaulichen die direkte STI-Leistung der erfindungsgemäßen Aufschlämmung, und

5 veranschaulicht die Stufenhöhenverminderungsleistung der erfindungsgemäßen Aufschlämmung weiter.

Die Zusammensetzung und das Verfahren stellen eine unerwartete Unterdrückung der Entfernung und Abtragung für aktive Schichten auf einem Halbleiterwafer für Verfahren der flachen Grabenisolation bereit. Die Zusammensetzung umfasst in vorteilhafter Weise ein Schleifmittel, ein Dispergiermittel, ein Planarisierungshilfsmittel und ein Leistungsverbesserungsmittel für eine verbesserte Selektivität und Steuerbarkeit während des Poliervorgangs. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend Ceroxid, Carbonsäurepolymer, Polyvinylpyrrolidon und als Rest Wasser. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung enthält ferner eine kationische Verbindung zur Förderung der Planarisierung und zur Regulierung der Waferabtragungszeit und der Silicaentfernung. Die Zusammensetzung enthält auch eine zwitterionische Verbindung zur Förderung der Planarisierung, die auch als Mittel zur Unterdrückung der Nitridentfernung dient.

Die neue Polierzusammensetzung enthält in vorteilhafter Weise 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 10000 g/mol.

Zusätzlich zu dem Polyvinylpyrrolidon enthält die Zusammensetzung in vorteilhafter Weise 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, das als Dispergiermittel für die Schleifmittelteilchen (weiter unten diskutiert) dient. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung 0,05 bis 1,5 Gew.-% Carbonsäurepolymer. 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 Acrylsäure, 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 abbaubar ist, ist ein Polyacrylsäurepolymer, das Segmente von Poly(acrylat-co-methyl-2-cyanacrylat) enthält.

Die Polierzusammensetzung enthält in vorteilhafter Weise 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 der Ausdruck "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 Ceroxid.

Die Zusammensetzungen stellen in Lösungen, die als Rest Wasser enthalten, eine Effizienz 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 als Rest 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, Chlorwasserstoffsäure, Phosphorsäure und dergleichen. Beispiele für Basen, die zur Einstellung des pH-Werts der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwendet werden, sind z.B. Ammoniumhydroxid und Kaliumhydroxid.

Darüber hinaus enthält die Zusammensetzung in vorteilhafter Weise 0,005 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung, um die Planarisierung zu fördern und als Mittel zur Unterdrückung der Nitridentfernung zu dienen. Die Zusammensetzung enthält in vorteilhafter Weise 0,01 bis 1,5 Gew.-% zwitterionische Verbindung.

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:

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, 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 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:

In vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung 0,005 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 Waferabtragungszeit regulieren und zur Unterdrückung der Oxidentfernung dienen. 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.

Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer für Verfahren der flachen Grabenisolation geeignet ist. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0,005 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0,005 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 insbesondere in einem pH-Bereich von 4 bis 9 eine verbesserte Druckschwellenreaktion und Abtragungsleistung.

Beispiele
Alle Beispiellösungen enthielten 1,8 Gew.-% Ceroxid, 0,27 Gew.-% Polyacrylsäure, 0,5 Gew.-% Betain und 0,15 Gew.-% Ethanolamin. Darüber hinaus enthielten die erfindungsgemäßen Beispiele 0,1 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon. 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 Mischen des Schleifmittelgebindes mit dem chemischen Gebinde und Titrieren zu dem gewünschten pH-Wert hergestellt.
Die strukturierten Wafer waren STI-MIT-864^TM-Masken von Praesagus, Inc. mit HDP- und LPCVD-SiN-Filmen. Die MIT-864-Maskengestaltung wies ein 20 mm × 20 mm-Einzelfeld auf, das aus 4 mm × 4 mm-Merkmalen bestand. Die Merkmale in der Maske wiesen 100 μm-Abstände mit Dichten im Bereich von jeweils 10 % bis 100 % auf, wobei 50 %-Dichten mit Abständen im Bereich von 1 bis 1000 μm vorlagen. Hier ist die 50 %-Dichte als Zwischenräume in einer Gruppierung wiederholter Strukturen, bei denen Zwischenraumbreite/(Zwischenraumbreite + Linienbreite) × 100 % = 50 % beträgt, definiert. Wenn beispielsweise Zwischenraumbreite + Linienbreite = 1000 Mikrometer beträgt, weist der 50 %-Zwischenraum eine Breite von 500 Mikrometer auf. Für alle Tests wurden IC1000^TM-Polierkissen verwendet. Die Proben wurden mit einem Applied Materials Mirra^® 200 mm-Poliergerät unter Verwendung eines IC1000^TM-Polyurethanpolierkissens (Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc., Newark, DE) bei Andruckkraftbedingungen von 10,4 kPa (1,5 psi) und einer Polierlösungsströmungsgeschwindigkeit 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. Die Oxid- und Nitridfilmdicken wurden unter Verwendung eines Opti-probe^® 2600-Metrologiegeräts von Therma-Wave, Inc. gemessen.
Beispiel 1: Vergleich der Abtragungsleistung
Wie es in den 1A, 1B und 1C gezeigt ist, wurde ein Vergleich der Gen-I-, Gen-II- und Gen-IV-Aufschlämmungen bei einer Entfernungsgeschwindigkeit von 1800 Å/min durchgeführt, um deren Abtragungsleistung zu bewerten. Die Gen-III-Aufschlämmung wurde aufgrund ihres Mangels an Abtragungsvermögen ausgeschlossen. Die in der 1 angegebenen Daten sind Durchschnitte der Ergebnisse nach dem Polieren von Zentrum-, Mitte- und Kanten-Einzelfeldern zur Bewahrung des Grads der Waferskalaeinheitlichkeitsinformationen. Von diesen drei Aufschlämmungen wies Gen-IV den geringsten Nitridverlust auf (1A). Gen-I wies einen niedrigeren Gesamtnitridverlust auf als Gen-II, mit Ausnahme des 10 %-Merkmals, bei dem der Gen-I-Nitridverlust höher war. Gen-IV war die Aufschlämmung mit der besten Leistung, gefolgt von Gen-II, bezogen auf das „Dishing" und die Erosion für Merkmale mit verschiedenen Dichten sowie für breite Gräben auf MIT-Wafern (1B und 1C). Der Gesamtgrabenoxidverlust gibt die Kombination von „Dishing" und Erosion wieder.
Beispiel 2: Vergleich des „Stop-auf-Ebene"-Vermögens
Wie es in den 2 und 3 veranschaulicht ist, wurden die Gen-III- und Gen-IV-Aufschlämmungen bezüglich ihres „Stop-auf-Ebene"-Vermögens bewertet. Gen-I- und Gen-II-Aufschlämmungen wurden bezüglich ihres Mangels an „Stop-auf-Ebene"-Vermögen ausgeschlossen. Die 2 zeigt Oxidüberfüllungen nach dem Polieren (im „Stop-auf-Ebene"-Modus), die für die beiden Aufschlämmungen verblieben. Die bereitgestellten Daten sind Durchschnitte von Zentrum-, Mitte- und Kanten-Einzelfeldergebnissen. Beide Aufschlämmungen zeigten bezüglich der Planarisierung eine gute Leistung. Die Gen-III-Aufschlämmung stellte ein „hartes" Stoppen bereit, wie es durch die Überfüllungsdicken nach dem Polieren gezeigt ist, die nahe an ihrem Vor-CMP-Niveau liegen. Gen-IV stellte ein „weiches" Stoppen bereit, wie es durch die Überfüllungsdicken nach dem Polieren gezeigt ist, die bei der Hälfte zwischen der Vor-CMP-Dicke und der Abtragungsdicke (Null-Dicke) liegen. Für Gen-IV kann die Stoppdicke (verbleibende Überfüllung nach dem Polieren) durch die Aggressivität der Polierbedingungen gesteuert werden. Die 3 zeigt AFM-Topographien eines 100 μm Abstand-50 %-Merkmals auf einem MIT-Wafer nach dem Polieren, wobei die Stufenhöhe gezeigt ist, die für Gen-III- und Gen-IV-Aufschlämmungen verbleibt. Wie es ge zeigt ist, stellte die Gen-IV-Aufschlämmung eine viel bessere Stufenhöhenverminderungsleistung bereit.
Beispiel 3: Vergleich der DSTI-Leistung
Wie es in den 4A bis C und 5 veranschaulicht ist, ergab ein direkter Vergleich der DSTI-Leistung deutliche Verbesserungen von Gen-IV bezüglich Gen-II im Hinblick auf den Nitridverlust und den Gesamtoxidverlust sowohl bei Dichtemerkmalen als auch bei breiten Gräben. Wie es in den 4A bis C gezeigt ist, benötigten die MIT-Wafer weniger als 3 min zur Abtragung sowohl im Gen-II- als auch im Gen-IV-Fall. Daten von Zentrum-, Mitte- und Kanten-Einzelfeldern wurden einzeln aufgetragen, um Waferskalaeinheitlichkeitsinformationen zu erhalten. Unter Verwendung der Gen-IV-Aufschlämmung mit einem nicht-optimierten Verfahren betrug der Nitridverlust nach dem CMP des problematischsten Merkmals (100 μm Abstand-50 % Dichte) etwa 70 Å. Der Gesamtgrabenoxidverlust nach dem CMP des problematischsten Merkmals (500 μm-Graben) betrug etwa 350 Å. Die 5 zeigt AFM-Topographieauftragungen nach dem CMP des typischen 100 μm Abstand-50 % Dichte-Merkmals auf einer MIT-Maske, die unter Verwendung von Gen-I-, Gen-II- und Gen-IV-Aufschlämmungen poliert worden ist. Die Gen-I-Aufschlämmung stellte eine Stufenhöhe nach dem CMP von etwa 500 Å bereit. Die Gen-I-Aufschlämmung stellte eine Stufenhöhenverminderung auf etwa 200 Å bereit. Die Gen-IV-Aufschlämmung verminderte die Stufenhöhe weiter auf weniger als 50 Å.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer für Verfahren der flachen Grabenisolation geeignet ist. Die Zusammensetzung stellt ein „hybrides" Verhalten bereit, das sowohl das „Stop-auf-Ebene"-Merkmal bereitstellen als auch aktive Merkmale abtragen kann. Die Zusammensetzung umfasst in vorteilhafter Weise Schleifmittel, Dispergiermittel, Planarisierungshilfsmittel und ein Leistungsverbesserungsmittel für eine verbesserte Selektivität und Steuerbarkeit während des Poliervorgangs. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung bereit, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, die Ceroxid, Carbonsäurepolymer, Polyvinylpyrrolidon und als Rest Wasser umfasst. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung enthält ferner Leistungsverbesserungsmittel, einschließlich eine kationische Verbindung, um die Planarisierung zu fördern und die Waferabtragungszeit sowie die Silicaentfernung zu regulieren, und eine zwitterionische Verbindung, um die Planarisierung zu fördern und als Mittel zur Unterdrückung der Nitridentfernung zu dienen.

Claims

Wässrige Zusammensetzung, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0,005 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung, 0,005 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, umfassend Wasserstoff, eine Alkylgruppe und eine 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, umfassend Alkylamine, Arylamine, quartäre Ammoniumverbindungen und Alkohol-amine, 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.
Wässrige Zusammensetzung, die zum Polieren von Silica und Siliziumnitrid auf einem Halbleiterwafer geeignet ist, umfassend 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Ceroxid, 0,01 bis 10 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon, 0,005 bis 5 Gew.-% Ethanolamin, 0,005 bis 5 Gew.-% Betain und als Rest Wasser, wobei das Polyvinylpyrrolidon ein durchschnittliches Molekulargewicht von 100 g/mol bis 1000000 g/mol aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 9, wobei die Zusammensetzung 0,02 bis 1 Gew.-% Polyvinylpyrrolidon umfasst.