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ANWENDUNGSBEREICH DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft chemisch-mechanische Polierzusammensetzungen,
die polyelektrolytbeschichtete Schleifmittel enthalten, und Verfahren
für deren
Verwendung beim chemisch-mechanischen Polieren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zusammensetzungen
und Verfahren zum Planen oder Polieren der Oberfläche eines
Substrates sind auf diesem Gebiet gut bekannt. Polierzusammensetzungen
(auch als Polierschlämme
bekannt) enthalten typischerweise einen Schleifwerkstoff in einer
wässrigen
Lösung
und werden gewöhnlich
auf eine Oberfläche
durch Inkontaktbringen der Oberfläche mit einem Polierkissen
aufgetragen, welches mit der Polierzusammensetzung gesättigt ist.
Typische Schleifwerkstoffe umfassen Siliziumdioxid, Zeroxid, Aluminiumoxid,
Zirkonoxid und Zinndioxid. In dem
U.S.-Patent 5,527,423 ist
zum Beispiel ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren einer
Metallschicht durch Inkontaktbringen der Oberfläche mit einem Polierschlamm
beschrieben, der hochreine Feinmetalloxidpartikel in einem wässrigen
Medium aufweist. Alternativ kann der Schleifwerkstoff in das Polierkissen
integriert sein. In dem
U.S.-Patent 5,489,233 ist
die Verwendung massiver Polierkissen offenbart, die eine Oberflächenstruktur
oder -muster aufweisen, und in dem
U.S.-Patent
5,958,794 ist ein fixiertes Schleifpolierkissen offenbart.
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Herkömmliche
Poliersysteme und Polierverfahren sind typischerweise beim Planen
von Halbleitermikroplättchen
nicht vollständig
zufriedenstellend. Insbesondere können Polierzusammensetzungen und
Polierkissen weniger als wünschenswerte
Polierraten aufweisen, und ihre Verwendung beim Polieren von chemisch-mechanischen
Halbleiterflächen
kann eine schlechte Oberflächenqualität zum Ergebnis
haben. Da die Leistung eines Halbleitermikroplättchens direkt mit der Planarität seiner
Oberfläche
in Zusammenhang steht, ist es entscheidend, eine Polierzusammensetzung
und -verfahren zu verwenden, welches einen hohen Polierwirkungsgrad,
Einheitlichkeit und Abtragungsrate zum Ergebnis hat, und eine qualitativ
hochwertige Politur mit minimalen Oberflächenfehlern hinterlässt.
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Die
Schwierigkeit bei der Erzeugung einer wirksamen Polierzusammensetzung
für Halbleitermikroplättchen liegt
in der Komplexität
des Halbleitermikroplättchens begründet. Halbleitermikroplättchen bestehen
typischerweise aus einem Substrat, auf welchem eine Vielzahl von
Transistoren ausgebildet wurde. Integrierte Schaltungen sind mit
dem Substrat chemisch und physikalisch durch die Musterung von Bereichen
in dem Substrat und Schichten auf dem Substrat verbunden. Zur Erzeugung
eines betriebsfähigen
Halbleitermikroplättchens
und zur Maximierung von Ausbeute, Leistung und Zuverlässigkeit
des Mikroplättchens
ist es wünschenswert,
ausgewählte Oberflächen des
Mikroplättchens
zu polieren, ohne die darunterliegenden Strukturen oder die Topografie nachteilig
zu beeinflussen. In der Tat können
viele Probleme bei der Halbleiterherstellung auftreten, wenn die
Verarbeitungsschritte nicht auf angemessen geplanten Mikroplättchenoberflächen ausgeführt werden.
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Die
Verwendung von Polyelektrolyten bei chemisch-mechanischen Polierzusammensetzungen
ist allgemein in diesem Bereich bekannt. In einigen Fällen werden
Polyelektrolyte als Komplexbildner für die abzutragende Oberflächenschicht
verwendet. In anderen Fällen
wird der Polyelektrolyt hinzugefügt,
um die Eigenschaften der Polierzusammensetzung zu verändern, indem
er als ein Dispersionsmittel, ein Verdickungsmittel oder als ein
Ausflockungsmittel wirkt. Und in anderen Fällen wird der Polyelektrolyt
außerdem
zur Veränderung
der Oberfläche
des Schleifpartikels verwendet.
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In
den folgenden Patenten und Patentanmeldungen werden Polierzusammensetzungen
offenbart, die Polyelektrolyte aufweisen, die zweckmäßigerweise
die Oberfläche
des Substrates bilden. In dem
U.S.-Patent
6,099,604 ist eine Polierzusammensetzung offenbart, die
ein Lösungsmittel,
Schleifpartikel und einen Polykarboxylsäurechelatbildner aufweist.
Der Chelatbildner stabilisiert zweckmäßigerweise Teile des Substrates,
die durch den chemisch-mechanischen Polierprozess verlagert sind.
In der
WO 99/64527 ist
eine Polierzusammensetzung offenbart, die Wasser, ein Schleifmittel,
ein Oxidationsmittel, optional einen Komplexbildner und/oder ein
Dispersionsmittel und ein organisches Polymer aufweist, um die Abtragung
eines Oxidfilms abzuschwächen.
In er
WO 01/14496 ist
eine Polierzusammensetzung offenbart, die ein organisches Polymer mit
einem Rückgrat
aufweist, welches mindestens 16 Kohlenstoffe und optional Schleifpartikel,
Dispersionsmittel aufweist, welche die Zusammenballung der Schleifpartikel,
Oxidationsmittel und Komplexbildner verhindern. Das organische Polymer
ist so konzipiert, dass es an der Oberfläche eines polierten Mikroplättchens
anhaftet und dadurch Verkratzen und erneute Ablagerung von Rückständen beseitigt.
In dem
U.S.-Patent 6,117,775 ist
eine Polierzusammensetzung offenbart, die weniger als 1 Gewichts
Schleifpartikel, Oxidationsmittel, organische Säuren und grenzflächenaktive
Stoffe aufweist, die zweckmäßigerweise Ätzen und
Oxidation verhindern. In dem
U.S.-Patent
6,303,049 ist eine Polierzusammensetzung offenbart, die
ein Schleifmittel, ein Abrieb steigerungsmittel (zum Beispiel Phosphorsäure) und
eine wasserlösliche
anionische Chemikalie aufweist (zum Beispiel ein Akrylat, Phosphat,
Sulfat oder eine sulfonathaltige Verbindung, Polymer und/oder Kopolymer).
Die anionische Chemikalie überzieht
die Oberfläche
des Metallfilmes zweckmäßigerweise
während dem
Polieren.
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In
den folgenden Patenten und Patentanmeldungen werden Polierzusammensetzungen
offenbart, die Polyelektrolyte aufweisen, die zweckmäßigerweise
dahingehend wirken, dass sie die Eigenschaften der Polierzusammensetzungen
verändern. In
dem
U.S.-Patent 4,752,628 ist
eine Polierzusammensetzung offenbart, die aus einem anorganischen Schleifmittel
mit feiner Teilung, einem Biozid, einem Karboxylsäuredispersionsmittelpolymer,
Karboxylsäurepolymerverdickungsmittel,
Korrosionshemmer und optional einem Schmiermittel besteht. In dem
U.S.-Patent 4,867,757 ist
eine Polierzusammensetzung mit einem pH-Wert von größer als
8,5 offenbart, der aus anorganischem Schleifmittel mit feiner Teilung,
Karboxylsäuredispersionsmittelpolymer
und einem Schmiermittel besteht. In dem
U.S.-Patent 5,123,958 ist eine Polierzusammensetzung
offenbart, die ein Schleifmittel, einen gelartigen Träger aufweist,
der eine Polyvinylalkohol- und Wassermischung aufweist, und optional
ein Polyelektrolytausflockungsmittel. In dem
U.S.-Patent 5,352,277 ist eine Polierzusammensetzung
offenbart, die Wasser, kolloidale Kieselerde, eine wasserlösliche Polymerverbindung
und ein wasserlösliches
Salz mit einem alkalischen pH-Wert aufweist. Die Polymerverbindung
hilft zweckmäßigerweise
bei der Ausbildung einer regelmäßigen Laminarströmung zwischen
dem Polierkissen und der Substratoberfläche während dem Polieren. In dem
U.S.-Patent 5,860,848 ist
eine Polierzusammensetzung offenbart, die Wasser, Submikron-Kieselerdepartikel,
ein Salz, eine Aminverbindung und einen Polyelektrolyten mit einem
pH-Wert 8-11 aufweist. Der Polyelektrolyt reduziert zweckmäßigerweise
die Partikelhaftung an der Substratoberfläche. In dem
U.S.-Patent 6,117,220 ist eine Polierzusammensetzung
offenbart, die Wasser, Polystyrolsulfonsäure, eine anorganische oder
organische Säure
und ein Schleifmittel aufweist. Die Polystyrolsulfonsäure wirkt
zweckmäßigerweise
dahingehend, dass die Schleifpartikel ausgeflockt werden, wodurch eine
Polierzusammensetzung mit guten Schaumbildungshemmungseigenschaften
und niedrigem Auftreten von Oberflächengrübchenbildung während des
chemisch-mechanischen Polierens erzeugt wird. In dem
U.S.-Patent 6,117,783 wird eine Polierzusammensetzung
offenbart, die eine Hydroxylaminverbindung und ausreichend Polyelektrolyt
aufweist, um Partikel voneinander und von der Oberfläche des Substrates
weg abzustoßen.
In dem
U.S.-Patent 6,132,637 wird
eine Polierzusammensetzung offenbart, die ein wässriges Medium, ein Schleifmittel,
einen grenzflächenaktiven
Stoff, ein organisches Polymer und einen Komplexbildner mit zwei
oder mehr Säuregruppen
aufweist, die zur Komplexierung von Kieselerde und Siliziumnitrid
in der Lage sind. Das organische Polymer wirkt zweckmäßigerweise
dahingehend, dass es die Viskosität der Polierzusammensetzung
steigert und das Verkratzen des mit der Polierzusammensetzung polierten
Substrates verhindert. In dem
U.S.-Patent
6,171,352 wird eine Polierzusammensetzung offenbart, die
ein wässriges
Medium, ein Abriebbeschleunigungsmittel und optional ein Nitratsalz
oder einen anionischen grenzflächenaktiven
Stoff (zum Beispiel Polykarboxylsäure) aufweist, der die Viskosität der Polierzusammensetzung verringert.
In der
JP 1087146 wird
eine Polierzusammensetzung offenbart, die ein Schleifmittel und
eine Polystyrolsulfonsäure
aufweist, die zweckmäßigerweise
als Dispersionsmittel verwendet wird und die Polierleistung verbessert.
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In
den folgenden Patenten und Patentanmeldungen werden Polierzusammensetzungen
offenbart, die Schleifpartikel aufweisen, die zweckmäßigerweise
elektrostatisch mit dem Polyelektrolyten zusammenwirken. In dem
U.S.-Patent 5,876,490 ist eine Polierzusammensetzung
offenbart, die Schleifpartikel und einen Polyelektrolyten (Molekulargewicht von
500 bis 10.000) mit einer Ladung aufweist, die sich von derjenigen
der Schleifpartikel unterscheidet. Der Polyelektrolyt überzieht
zweckmäßigerweise
die Oberfläche
der Schleifpartikel, was zu einem verbesserten Polierverhalten führt. In
der
EP 1 036 836 A1 ist
eine Polierzusammensetzung offenbart, die eine wässrige Dispersion von Polymerpartikeln
von thermoplastischen Harzen und anorganischen Partikeln aufweist,
die ein entgegengesetztes Zeta-Potential aufweisen und durch elektrostatische
Kraft gebunden sind. Auf ähnliche
Weise ist in der
EP
1 104 778 A2 eine Polierzusammensetzung offenbart, die
Verbundpartikel aufweist, die aus anorganischen Partikeln und Polymerpartikeln
mit entgegengesetztem Zeta-Potential bestehen. In der
EP 1 118 647 A1 ist eine
Polierzusammensetzung offenbart, die aus einem Schleifmittel, einem
Oxidationsmittel, einem Kooxidationsmittel und einem Ausflockungshemmungsmittel
besteht. Das Ausflockungshemmungsmittel wird zweckmäßigerweise
zur Stabilisation kolloidaler Partikel verwendet. Es wird kein Bereich
für das
Molekulargewicht des Ausflockungshemmungsmittels beschrieben. In
der
JP 200164631 ist
eine Polierzusammensetzung offenbart, die Schleifmittel aufweist,
und ein Polymer oder Kopolymer, welches Sulfonsäuregruppen (Molekulargewicht
von 5.000 bis 20.000) aufweist. Das Polymer haftet zweckmäßigerweise
an dem während
dem chemisch-mechanischen Polieren erzeugten Polierabfall an. In
der
WO 01/02134 ist
eine Polierzusammensetzung offenbart, die ein wässriges Medium und Schleifpartikel
aufweist, die durch das Vorhandensein von Innenspezies (zum Beispiel
Polyelektrolyte und grenzflächenaktive
Stoffe) in einer metastabilen Phase aufrechterhalten werden, welche
die Oberfläche
der Schleifpartikel überziehen.
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Folglich
bleibt jedoch ein Bedürfnis
nach Poliersystemen und Polierverfahren bestehen, die eine wünschenswerte
Planarisierungswirksamkeit, Einheitlichkeit und Abtragungsrate während dem
Polieren und Planen von Substraten an den Tag legen, während Fehlerhaftigkeit
wie zum Beispiel Oberflächenfehler
und Schäden
an Barunterliegenden Strukturen und der Topografie während dem
Polieren und dem Planen minimiert werden.
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Mit
der Erfindung wird versucht, ein solches chemisch-mechanisches Poliersystem
und -verfahren bereitzustellen. Diese und weitere Vorteile der Erfindung
werden an Hand der in diesem Dokument bereitgestellten Beschreibung
der Erfindung offensichtlich.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt chemisch-mechanische Poliersysteme („CMP") bereit, wie in
Anspruch 1 definiert. Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum
Polieren eines Substrates unter Verwendung der chemisch-mechanischen Poliersysteme
bereit.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft chemisch-mechanische Poliersysteme („CMP"), wie in Anspruch
1 definiert.
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Das
chemisch-mechanische System wird typischerweise weiterhin ein Polierkissen
aufweisen. Die Schleifpartikel können
auf dem Polierkissen befestigt und/oder in Partikelform sein und
in der Trägerflüssigkeit
schwebend gehalten sein. Das Polierkissen kann jedes geeignete Polierkissen
sein. Das Schleifmittel (wenn vorhanden und in der Trägerflüssigkeit
schwebend gehalten) und der/die positiv geladene/n Polyelektrolyten
sowie beliebige andere, in der Trägerflüssigkeit schwebend gehaltene
Komponenten, bilden die Polierzusammensetzung des chemisch-mechanischen
Poliersystems aus.
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Der
positiv geladene Polyelektrolyt und die Schleifpartikel verbinden
sich elektrostatisch so, dass mindestens ein Teil der Partikeloberfläche durch
den Polyelektrolyten überzogen
wird. Der Polyelektrolyt wird positiv geladen und verbindet sich mit
jedem beliebigen Schleifpartikel, der bei dem pH-Wert des chemisch-mechanischen Poliersystems ein
geeignetes Zeta-Potential aufweist. Das Zeta-Potential eines Schleifpartikels
betrifft den Unterschied zwischen der elektrischen Ladung der den
Schleifpartikel umgebenden Ionen und der elektrischen Ladung der
Massenlösung
(zum Beispiel die Trägerflüssigkeit
und alle anderen darin aufgelösten
Komponenten). Das Zeta-Potential der Schleifpartikel wird sich mit
dem pH-Wert verändern.
Die Schleifpartikel weisen vorzugsweise bei dem pH-Wert des chemisch-mechanischen
Systems ein negatives Zeta-Potential
auf. In einigen Fällen
werden die Schleifpartikel, die ein negatives Zeta-Potential aufweisen, durch
Behandlung eines Schleifpartikels mit einem positiven Zeta-Potential
mit einem Ladungsumkehrungsmittel erhalten, bevor sie dem positiv
geladenen Polyelektrolyten ausgesetzt werden. Das Ladungsumkehrungsmittel
ist typischerweise eine anorganische Säure, eine organische Säure oder
ein Salz davon. Das Ladungsumkehrungsmittel kann Weinsäure sein.
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Die
Schleifpartikel können
alle geeigneten Schleifpartikel sein, so kann das Schleifmittel
zum Beispiel natürlich
oder synthetisch sein, und kann Diamant (zum Beispiel polykristalliner
Diamant), Granat, Glas, Karborund, Metalloxid, Nitrid und dergleichen
aufweisen. Typischerweise werden die Schleifpartikel aus der aus
Kieselerde, Aluminiumoxid, Titanerde, Zirkonoxid, Zer(IV)-oxid,
Germanium, Magnesium, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Borkarbid,
Titankarbid, Titandiborid, Wolframkarbid, Diamant, gebildeten Nebenprodukten
davon und Kombinationen davon ausgewählt. Vorzugsweise umfassen
die Schleifpartikel Kieselerde oder Aluminiumoxid.
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Der
positiv geladene Polyelektrolyt kann jeder geeignete positiv geladene
Polyelektrolyt sein, und das chemisch-mechanische System kann einen oder mehrere
solcher positiv geladenen Polyelektrolyte aufweisen. Der positiv
geladene Polyelektrolyt ist wünschenswerterweise
ein Polymer oder ein grenzflächenaktiver
Stoff, der positiv geladene funktionelle Gruppen aufweist. Typischerweise
weist der positiv geladene Polyelektrolyt auf Stickstoff basierende funktionelle
Gruppen auf. Der Polyelektrolyt kann zum Beispiel ein Polyamin sein,
welches primäre,
sekundäre,
tertiäre
oder quaternäre
funktionelle Amingruppen oder Mischungen davon aufweist. Der Polyelektrolyt
kann ein kationischer grenzflächenaktiver Stoff
mit einer hydrophilen (stickstoffhaltigen) Kopfgruppe und einer
hydrophoben Schwanzgruppe sein. Der Polyelektrolyt weist vorzugsweise
eine oder mehrere Wiederholungseinheiten auf, die funktionelle Gruppen
aufweisen, die aus der aus Aminen, Amiden, Imiden, Iminen, Alkylaminen
und Aminoalkoholen bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Der Polyelektrolyt
kann ein Polymer oder Kopolymer sein, welches nur die oben zitierten
Wiederholungseinheiten enthält,
oder kann ein Kopolymer sein, welches eine oder mehrere dieser Wiederholungseinheiten
in Kombination mit anderen (vorzugsweise nichtionogenen) Wiederholungseinheiten
enthält,
zum Beispiel Ethylenoxid, Propylenoxid, Styrol und Mischungen davon.
Nichtionogene Wiederholungseinheiten können in dem positiv geladenen
Polyelektrolyten vorhanden sein, um ein räumliches Verhältnis zwischen den
komplexierenden Wiederholungseinheiten einzuführen. Die Anzahl nichtionogener
Wiederholungseinheiten, die in dem Polyelektrolyten vorhanden sind, überschreitet wünschenswerterweise
nicht 99% (zum Beispiel 95%) der Gesamtanzahl von Wiederholungseinheiten.
Vorzugsweise überschreitet
die Anzahl nichtionogener Wiederholungseinheiten, die in dem Polyelektrolyten
vorhanden sind, nicht 90% (zum Beispiel 85%). Der Polyelektrolyt
kann ein Kopolymer sein, welches die oben erwähnten Wiederholungseinheiten
in Kombination mit anderen Wiederholungseinheiten enthält, die
funktionelle Gruppen aufweisen, zum Beispiel Alkohole, Phosphonsäuren, Phosphonate,
Sulfate, Sulfonsäuren,
Phosphate, Karboxylsäuren,
Karboxylate und Mischungen davon. Der Polyelektrolyt kann ein Homopolymer, Zufallspolymer,
Wechselpolymer, periodisches Polymer, Block-Kopolymer (zum Beispiel
AB, ABA, ABC, usw.) Propf-Kopolymer oder Kamm-Kopolymer sein.
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Die
Integration nichtionogener oder anderer Wiederholungseinheiten,
die funktionelle Gruppen enthalten, mit kationischen stickstoffhaltigen
Wiederholungseinheiten ermöglicht
die Optimierung der chemisch-mechanischen Polierleistung. Wechselwirkungen
der positiv geladenen Polyelektrolyte mit der Schleifpartikeloberfläche, der
Substratoberfläche, der
Polierkissenoberfläche
und der Trägerflüssigkeit können alle
durch die Veränderung
der Arten und relativen Mengen von Wiederholungseinheiten verändert und
optimiert werden. Geeignete Polyelektrolyte umfassen Polyethylenimine,
Polyaminoamide, Poly(diallyldimethylammoniumchlorid), Poly(dimethylamin-co-epichlorohydrin), Poly(methacryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid),
Poly(methacryloyloxyethyldimethylammoniumchlorid), Poly(vinylpyrrolidon),
Poly(vinylimidazol), Poly(vinylpyridin), Poly(vinylamin), ein Siloxanpolymer
oder Kopolymer, anhängende
Amingruppen und Kombinationen davon. Vorzugsweise ist der positiv
geladene Polyelektrolyt ein Polyethylenimin.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
hat die Verbindung des positiv geladenen Polyelektrolyten mit den
Schleifpartikeln ein kolloidal stabiles Schleifmittel zum Ergebnis.
Kolloidal bezieht sich auf die Suspension von Schleifpartikeln in
der Trägerflüssigkeit.
Kolloidale Stabilität
bezieht sich auf die Aufrechterhaltung der Suspension über die
Zeit. Im Zusammenhang dieser Erfindung wird ein Schleifmittel dann als
kolloidal stabil betrachtet, wenn das Schleifmittel in einem Messzylinder
mit 100 ml positioniert wird und man es unbewegt für eine Zeitdauer
von 2 Stunden stehen lässt,
wobei der Unterschied zwischen der Konzentration von Partikeln in
den unteren 50 ml des Messzylinders ([B] in Bezug auf g/ml) und
der Konzentration von Partikeln in den oberen 50 ml des Messzylinders
([T] in Bezug auf g/ml) geteilt durch die Anfangskonzentration von
Partikeln in der Schleifmittelzusammensetzung ([C] in Bezug auf
g/ml) niedriger oder gleich 0,5 ist, (d.h. {[B] – [T]}/[C]≤0,5). Der positiv geladene Polyelektrolyt
der ersten Ausführungsform
weist wünschenswerterweise
ein Molekulargewicht von 15.000 oder mehr (zum Beispiel 20.000 oder
mehr) auf. Typischerweise weist der positiv geladene Polyelektrolyt
ein Molekulargewicht von 5.000.000 oder weniger auf. Vorzugsweise
weist der positiv geladene Polyelektrolyt ein Molekulargewicht von
20.000 bis 3.000.000 (zum Beispiel 35.000 bis 2.000.000 oder 50.000
bis 1.000.000) auf. Von Polyelektrolyten mit höherem Molekulargewicht (zum Beispiel
15.000 oder mehr) wird erwartet, dass sie eine dickere sterische
Barriere rund um die Schleifpartikel als Polyelektrolyten mit niedrigerem
Molekulargewicht (zum Beispiel 10.000 oder weniger) bereitstellen.
Bei sehr hohen Molekulargewichten (zum Beispiel ein Molekulargewicht
von 3.000.000 oder mehr, zum Beispiel 2.000.000 oder mehr) kann
sich die kolloidale Stabilität
des Schleifmittels verringern.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
weist der positiv geladene Polyelektrolyt wünschenswerterweise ein Molekulargewicht
von 15.000 oder mehr (zum Beispiel 20.000 oder mehr) und 2.000.000
oder weniger auf. Vorzugsweise weist der positiv geladene Polyelektrolyt
ein Molekulargewicht von 20.000 bis 1.500.000 (zum Beispiel 50.000
bis 1.000.000) auf.
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Wenn
das in den chemisch-mechanischen Poliersystemen vorhandene Schleifmittel
in der Trägerflüssigkeit
schwebend gehalten wird (d.h. wenn das Schleifmittel eine Komponente
der Polierzusammensetzung ist), be trägt die Menge an Schleifpartikeln
in der Polierzusammensetzung 0,1 Gewichts bis 5 Gewichts am vorteilhaftesten
0,5 Gewichts bis 3 Gewichts-%.
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Eine
Trägerflüssigkeit
wird verwendet, um die Anwendung des Schleifmittels (wenn es vorhanden
ist und in der Trägerflüssigkeit
schwebend gehalten wird) und des/der positiv geladenen Polyelektrolyts/e
oder Salzen davon, und beliebige optionale Zusätze zu der Oberfläche eines
zu polierenden oder zu planenden geeigneten Substrates zu erleichtern.
Die Trägerflüssigkeit
ist typischerweise ein wässriger Träger, und
kann ausschließlich
Wasser sein, Wasser enthalten und ein geeignetes, mit Wasser vermischbares
Lösungsmittel
sein, oder kann eine Emulsion sein. Geeignete, mit Wasser vermischbare Lösungsmittel
umfassen Alkohole wie zum Beispiel Methanol, Ethanol usw. Vorzugsweise
besteht der wässrige
Träger
aus Wasser, noch vorteilhafter aus entionisiertem Wasser.
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Der
pH-Wert der in diesem Dokument beschriebenen chemisch-mechanischen
Poliersysteme wird in einem Bereich gehalten, der für seine
beabsichtigte Endanwendung geeignet ist. Der bei den chemisch-mechanischen
Poliersystemen verwendete pH-Wert ist von mehreren Faktoren einschließlich (i)
dem pka des Polyelektrolyten (wenn der Polyelektrolyt ein stickstoffhaltiges
Polymer oder grenzflächenaktiver
Stoff ist), (ii) dem Zeta-Potential der Schleifpartikel und (iii)
der Art des zu polierendem Substrates abhängig. Das kationische Wesen
eines stickstoffhaltigen Polyelektrolyten ist eine vom pH-Wert abhängige Eigenschaft.
Um sicherzustellen, dass der Polyelektrolyt ausreichend die Schleifpartikel überzieht
(zum Beispiel Adsorption), wird der pH-Wert wünschenswerterweise so eingestellt,
dass 5% oder mehr aller funktionellen Gruppen des Polyelektrolyten
positiv geladen sind. Das heißt,
dass der pH-Wert des chemisch-mechanischen Poliersystems wünschenswerterweise
mindestens 1 Einheit niedriger als der pka von 5% oder mehr aller
funktionellen Gruppen des Polyelektrolyten ist. Zusätzlich sollten die
Schleifpartikel ein negatives Zeta-Potential bei dem pH-Wert des
chemisch-mechanischen Poliersystems aufweisen. Daher sollte der
pH-Wert auf einem Wert gehalten werden, der über dem isoelektrischen Punkt
(dem pH-Wert, bei dem das Zeta-Potential Null ist) der Schleifpartikel
liegt.
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Wenn
die chemisch-mechanischen Poliersysteme zusammen mit dem Polieren
eines kupferhaltigen Substrates verwendet werden, beträgt der pH-Wert
wünschenswerterweise
7 oder weniger, vorzugsweise 3 bis 6, und noch vorteilhafter 3,5
bis 5 (zum Beispiel beträgt
der pH-Wert 4). Wenn chemisch-mechanische Poliersysteme zum Polieren
eines platinhaltigen Substrates verwendet werden, beträgt der pH-Wert
wünschenswerterweise
2 bis 7. Wenn chemisch-mechanische Poliersysteme zum Polieren eines
rutheniumhaltigen Substrates verwendet werden, beträgt der pH-Wert
wünschenswerterweise
5 oder mehr, vorzugs weise 7 bis 11. Wenn die chemisch-mechanischen
Poliersysteme zum Polieren eines iridiumhaltigen Substrates verwendet
werden, beträgt
der pH-Wert wünschenswerterweise
5 bis 12, vorzugsweise 7 bis 9.
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Die
chemisch-mechanischen Poliersysteme umfassen weiterhin ein Oxidationsmittel.
Das Oxidationsmittel kann jedes geeignete Oxidationsmittel sein.
Geeignete Oxidationsmittel umfassen anorganische und organische
Perverbindungen, Bromate, Nitrate, Chlorate, Chromate, Jodate, Eisen
und Kupfersalze (zum Beispiel Nitrate, Sulfate, EDTE und Zitrate),
Seltenerd- und Übergangsmetalloxide
(zum Beispiel Osmiumtetraoxid), rotes Blutlaugensalz, Kaliumdichromat,
Jodsäure
und dergleichen. Eine Perverbindung, wie sie in Hawley's Condensed Chemical
Dictionary definiert wird, ist eine Verbindung, die mindestens eine
Peroxy-Gruppe (--O-O--) oder eine Verbindung enthält, die
ein Element in seinem höchsten
Oxidationszustand aufweist. Beispiele von Verbindungen, die mindestens
eine Peroxy-Gruppe enthalten, umfassen Wasserstoffperoxid und dessen Addukte
wie zum Beispiel Harnstoff-Wasserstoffperoxid und Percarbonate,
organische Peroxide wie zum Beispiel Benzoylperoxid, Peressigsäure und Di-t-Butyl-Peroxid,
Monopersulfate (SO5 2-),
Dipersulfate (S2O8 2-) und Natriumperoxid, sind aber nicht darauf
beschränkt.
Beispiele von Verbindungen, die ein Element in seinem höchsten Oxidationszustand
aufweisen, umfassen Überjodsäure, Periodatsalze,
Perbromsäure,
Perbromatsalze, Perchlorsäure,
Perchlorsalze, Perborsäure,
Perborat salze und Permanganate, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Vorzugsweise
ist das zweite Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid.
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Die
chemisch-mechanischen Poliersysteme umfassen weiterhin optional
einen Korrosionshemmer (d.h. ein Filmbildungsmittel). Der Korrosionshemmer
kann jeder beliebige geeignete Korrosionshemmer sein. Typischerweise
ist der Korrosionshemmer eine organische Verbindung, die eine heteroatomhaltige
funktionelle Gruppe enthält.
So ist der Korrosionshemmer zum Beispiel eine heterozyklische organische
Verbindung mit mindestens einem aus 5 oder 6 Elementen bestehenden
heterozyklischen Ring als die aktive funktionelle Gruppe, wobei der
heterozyklische Ring mindestens ein Stickstoffatom, zum Beispiel
eine Azolverbindung enthält.
Vorzugsweise ist das Filmbildungsmittel ein Triazol, noch vorteilhafter
1,2,4-Triazol, 1,2,3-Triazol oder Benztriazol.
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Die
chemisch-mechanischen Poliersysteme umfassen weiterhin optional
einen nichtionogenen grenzflächenaktiven
Stoff. Ein Beispiel für
einen geeigneten nichtionogenen grenzflächenaktiven Stoff ist der grenzflächenaktive
Stoff Tetronic®,
der im Handel von der Firma BASF erhältlich ist.
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Die
chemisch-mechanischen Poliersysteme umfassen optional weiterhin
einen Chelat- oder Komplexbildner. Der Komplexbildner ist jeder
beliebige geeignete chemische Zusatz, der die Abtragungsrate der
abgetragenen Substratschicht steigert. Geeignete Chelat- oder Komplexbildner
können
zum Beispiel Karbonylverbindungen (zum Beispiel Azetylazetonate
und dergleichen), einfache Karboxylate (zum Beispiel Azetate, Arylkarboxylate
und dergleichen), Karboxylate, die eine oder mehrere Hydroxylgruppen (zum
Beispiel Glykolate, Laktate, Glukonate, Gallussäure und Salze davon, und dergleichen)
enthalten, umfassen, Di-, Tri- und Polykarboxylate (zum Beispiel
Oxalate, Phthalate, Zitrate, Succinate, Tartrate, Malate, EDTE-Salze
(zum Beispiel Dinatrium-EDTE), Mischungen
davon, und dergleichen), Karboxylate, die eine oder mehrere Sulfon-
und/oder Phosphongruppen enthalten, und dergleichen. Geeignete Chelat-
oder Komplexbildner können
zum Beispiel auch Di-, Tri- oder Polyalkohole (zum Beispiel Ethylenglykol,
Brenzkatechin, Pyrogallol, Gerbsäure,
und dergleichen) umfassen, und aminhaltige Verbindungen (zum Beispiel
Ammoniak, Aminosäuren,
Aminoalkohole, Di-, Tri- und Polyamine und dergleichen). Vorzugsweise
ist der Komplexbildner ein Karboxylatsalz, noch vorteilhafter ein
Oxalatsalz. Die Auswahl des Chelat- oder Komplexbildners wird von
der Art der im Verlauf des Polierens eines Substrates mit der Polierzusammensetzung
abgetragenen Substratschicht abhängig
sein.
-
Es
wird davon ausgegangen, dass viele der zuvor erwähnten Verbindungen in Form
eines Salzes (zum Beispiel ein Metallsalz, ein Ammoniumsalz oder dergleichen),
einer Säure
oder eines Teilsalzes vorhanden sein können. So umfassen Zitrate zum
Beispiel Zitronensäure
sowie Mono-, Di- und Tri-Salze davon. Phthalate umfassen Phthalsäure sowie
Monosalze (zum Beispiel Kaliumwasserstoffphthalat) und Di-Salze
davon. Perchlorate umfassen die entsprechende Säure (d.h. Perchlorsäure) sowie
Salze davon. Weiterhin können
bestimmte Verbindungen mehr als eine Funktion ausführen. So
können
zum Beispiel manche Verbindungen als Chelatbildner und Oxidationsmittel
funktionieren (zum Beispiel bestimmte Eisennitrate und dergleichen).
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Die
in diesem Dokument beschriebenen chemisch-mechanischen Poliersysteme können zum
Polieren (zum Beispiel Planen) eines Substrates verwendet werden.
Das Verfahren zum Polieren eines Substrates umfasst (i) Bereitstellung
des chemisch-mechanischen Poliersystems, (ii) Berühren des
Substrates mit dem chemisch-mechanischen Polierssystem, und (iii)
Abschleifen mindestens eines Teils des Substrates zum Polieren des
Substrates. Das chemisch-mechanische Poliersystem wird wünschenswerterweise
bei einem Verfahren zum Polieren eines Substrates verwendet, welches
mindestens eine Metallschicht und optional eine Isolierschicht umfasst,
wobei das Substrat mit dem chemisch-mechanischen Poliersystem berührt wird
und mindestens ein Teil der Metallschicht oder Isolierschicht (wenn
vorhanden) des Substrates so abgeschliffen wird, dass die Metallschicht
oder Isolierschicht poliert wird. Das Substrat kann jedes geeignete
Substrat sein (zum Beispiel eine integrierte Schaltung, Speicher-
oder Festplatten, Metalle, ILD (Zwischenebenen-Nichtleiter)-Schichten,
Halbleiter, mikro-elektromechanische Systeme, Ferroelektrik, Magnetköpfe, Polymerfilme
und Schichten mit kleiner und großer dielektrischer Konstante),
und kann jede beliebige Isolier-, Metall- oder Metalllegierungsschicht
(zum Beispiel leitende Metallschicht) enthalten. Die Isolierschicht
kann ein Metalloxid, feinporiges Metalloxid, Glas, organisches Polymer,
fluoriertes organisches Polymer oder jede andere geeignete Isolierschicht
mit hohem oder niedrigem K-Wert sein. Die Isolierschicht weist vorzugsweise
Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder einen
Werkstoff mit einer Dielektrizitätskonstante
von 3,5 oder weniger auf. Die Metallschicht weist vorzugsweise Kupfer,
Wolfram, Titan, Aluminium, Tantal, Platin, Ruthenium (zum Beispiel
Rutheniumdioxid), Rhodium, Iridium (zum Beispiel Iridiumdioxid),
Nickel, Eisen oder Kobalt auf.
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Die
chemisch-mechanischen Poliersysteme der Erfindung sind zum Polieren
(zum Beispiel Planen) eines Substrates mit einer relativ hohen Rate
in der Lage, wobei während
dem Polieren des Substrates eine wünschenswerte Planwirksamkeit,
Gleichförmigkeit,
Abtragungsrate und Selektivität
an den Tag gelegt werden. Insbesondere sind die chemisch-mechanischen
Poliersysteme wünschenswerterweise
in der Lage, ein Substrat mit einer Verringerung bei der Fehlerhaftigkeit
zu polieren. Schleifmittel, die Partikel aufweisen, die mit positiv
geladenen Polyelektrolyten überzogen
sind, bieten (a) eine verringerte Zusammenballung der Partikel,
(b) veränderte
mechanische und chemische Eigenschaften der Partikel, und (c) ein
verändertes
Zeta-Potential der Partikel, was zu einer Verringerung von Oberflächenfehlern
auf dem polierten Substrat führen
kann. Schleifmittel, die Partikel aufweisen, die mit positiv geladenen
Polyelektrolyten überzogen
sind, können ebenfalls
eine Verbesserung der Selektivität
zwischen Substratschichten bereitstellen. So können zum Beispiel Schleifpartikel,
die mit aminhaltigen Polyelektrolyten überzogen sind, im Vergleich
zu nicht überzogenen
Schleifpartikeln verringerte Abtragungsraten für Isolierschichten aufweisen.
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Die
folgenden Beispiele veranschaulichen weiter die Erfindung, sollten
jedoch natürlich
in keinster Weise als deren Umfang begrenzend angesehen werden.
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BEISPIEL 1
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Dieses
Beispiel veranschaulicht ein Verfahren zur Erzeugung von polyelektrolytbeschichteten Schleifpartikeln,
die eine kolloidale Stabilität
in Übereinstimmung
mit der Erfindung an den Tag legen.
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Eine
Lösung
von Poly(dimethylamin-co-epichlorohydrin) (50 Gewichts-%, Molekulargewicht – 75.000)
wurde in entionisiertem Wasser aufgelöst, mit konzentrierter Schwefelsäure an den
pH-Wert angepasst, so dass der endgültige pH-Wert nach der Zugabe
von Kieselerde 4,5 betrug. Die Mischung wurde dann bei 20.000 U/min.
gemischt. Eine Suspension von kolloidalen Kieselerdepartikeln (50
Gewichts-%, 120 nm, Zeta-Potential von –15 bis –20 mV bei einem pH-Wert von
4,5) wurde der Mischung während
dem Mischen langsam über
die Dauer von 6 Minuten zugegeben. Die Mischung wurde dann für die Dauer
einer weiteren Minute zur Erzeugung einer Endzusammensetzung gemischt,
die 12 Gewichts-% Kieselerde und 2,5 Gewichts-% Polyelektrolyt umfasste.
Die sich daraus ergebenden polyelektrolytbeschichteten Kieselerdepartikel
wiesen eine durchschnittliche Partikelgröße von 132 nm auf. Das gemessene
Zeta-Potential betrug +28 mV bei einem pH-Wert von 4,5.
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Die
polyelektrolytbeschichteten Kieselerdepartikel wurden mit positiv
geladenen Aluminiumoxidpartikeln (Zusammensetzung 1A, Erfindung)
gemischt. Ähnliche
unbehandelte Kieselerdepartikel wurden ebenfalls mit positiv geladenen
Aluminiumoxidpartikeln gemischt (Zusammensetzung 1B, Kontrolle).
Nach dem Mischen blieb die Schleifmittelzusammensetzung aus polyelektrolytbeschichteten Schleifpartikeln
(1A) kolloidal stabil, und zwar im Gegensatz zu der unbehandelten
Schleifmittelzusammensetzung, die ausflockte und sich absetzte.
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Dieses
Beispiel demonstriert, dass polyelektrolytbeschichtete Schleifpartikel
leicht produziert, und zur späteren
Verwendung in einem chemisch-mechanischen Polierprozess gelagert
werden können.
Das Beispiel demonstriert ebenfalls, dass polyelektrolytbeschichtete
Partikel die bei den unbehandelten Schleifmitteln auftretenden Stabilitätsprobleme
beseitigen können.
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BEISPIEL 2
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Dieses
Beispiel veranschaulicht, dass sich die polyelektrolytbeschichteten
Schleifpartikel über die
Zeit nicht zusammenballen.
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Eine
Dispersion aus geräucherter
Kieselerde (5 Gewichts Zeta-Potential von –20 mV bei einem pH-Wert von
7, 156 nm) wurde mit einer Lösung
von 0,625 Gewichts Polyethylenimin in entionisiertem Wasser bei
einem pH-Wert von 7 behandelt. Die Mischung wurde für die Dauer
von 20 Minuten einer hohen Scherung ausge setzt, wodurch eine kolloidal stabile
Zusammensetzung erzeugt wurde, die ein Zeta-Potential von +15 mV
bei einem pH-Wert von 7 aufwies. Die sich ergebende Schleifmittelzusammensetzung
wies eine durchschnittliche Partikelgröße von 158 nm auf. Nach 27
Tagen betrug die Partikelgröße 167 nm.
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Dieses
Beispiel demonstriert, dass die positiv geladenen, polyelektrolytbeschichteten
Schleifpartikel sehr stabil sind.
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BEISPIEL 3
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Dieses
Beispiel demonstriert, dass Schleifpartikel, die ein positives Zeta-Potential
aufweisen, nach dem Kontakt mit einem Ladungsumkehrungsmittel ladungsumgekehrt
werden können,
welches mit einem positiv geladenen Polyelektrolyten überzogen
ist, um stabile polyelektrolytbeschichtete Schleifpartikeldispersionen
zu erzeugen.
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Eine
Dispersion aus geräuchertem
Aluminiumoxid (3 Gewichts-%, Zeta-Potential = +30 bis +40 mV bei
einem pH-Wert von 6) wurde mit Weinsäure (1,25 Gewichts-%) gemischt.
Die sich ergebende Dispersion von Schleifpartikeln wies ein Zeta-Potential
von –15
mV bei einem pH-Wert von 7 auf, wodurch demonstriert wurde, dass
ein Schleifmittel, welches ein positives Zeta- Potential aufweist, durch den Kontakt
mit einem Ladungsumkehrungsmittel ladungsumgekehrt werden kann.
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Eine
weitere Dispersion derselben Art aus geräuchertem Aluminiumoxid (3 Gewichts
Zeta-Potential = +30 bis +40 mV bei einem pH-Wert von 6) wurde auf ähnliche
Weise mit einer wässrigen
Lösung
behandelt, die Weinsäure
(100 ppm) und Polyethylenimin (1,25 Gewichts-%) enthielt, und wurde für die Dauer
von 20 Minuten einer hohen Scherung ausgesetzt. Die sich ergebende
Dispersion von polyethylenbeschichteten Aluminiumoxidpartikeln war
für über 4 Monate
stabil.
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Dieses
Beispiel demonstriert, dass Schleifpartikel, die ein positives Zeta-Potential
aufweisen, bei der Erfindung unter der Voraussetzung verwendbar sind,
dass die Schleifpartikel mit einem Ladungsumkehrungsmittel behandelt
werden. Solche Schleifpartikel können
mit positiv geladenen Polyelektrolyten überzogen sein, und demonstrieren
eine gute Beständigkeit
gegen Ausflockung und Absetzen über die
Zeit.