DE69709828T2 - Neues Verfahren zum chemisch mechanischen Polieren von Isolationsschichten aus Silizium oder Silizium enthaltenden Materialien - Google Patents
Neues Verfahren zum chemisch mechanischen Polieren von Isolationsschichten aus Silizium oder Silizium enthaltenden MaterialienInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft die Technik der Planarisierung durch chemischmechanisches Polieren eines elektrisch isolierenden Materials für die Isolierung von integrierten Schaltungen.
- Im Zuge der Verkleinerung der Dimensionen und der Erhöhung der Dichte auf dem Gebiet der Mikroelektronik werden Isoliertechniken weiterentwickelt. So folgten auf Techniken zur Isolierung der aktiven Zonen auf der Basis lokalisierter Oxidation Techniken zur lateralen Isolierung der aktiven Zonen durch flache Gräben, bei denen man die Gräben ätzt, durch Abscheidung des Isoliermaterials auffüllt und diese Isolierschicht planarisiert.
- Die Hauptschwierigkeit liegt bei diesen Isoliertechniken in der Planarisierung der Isoliermaterialschicht.
- Für diesen Schritt des Planarisierungsverfahrens scheint das chemisch-mechanische Polieren die leistungsfähigste Lösung darzustellen. Es bietet gegenüber herkömmlichen Flüssigkeits- oder Plasmaätztechniken den Vorteil, dass die Materialien unter sehr effizienter Planarisierung der anfänglichen erhabenen Strukturen geätzt werden.
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung der Planarisierungsschritte für das zur Herstellung von integrierten Schaltungen verwendete Siliciumoxid bei der lateralen Isolierung (STI: Shallow Trench Isolation) und bei der Isolierung von Verdrahtungen (ILD: Inter-Level Dielectrics).
- Die Technik des chemisch-mechanischen Polierens kombiniert zwei Effekte, die den Angriff auf das Isoliermaterial beeinflussen, nämlich einen mechanischen Effekt und einen chemischen Effekt.
- Der mechanische Effekt ergibt sich aus dem Auflagedruck der Scheibe aus Halbleitermaterial auf einem Poliertuch, den relativen Bewegungsgeschwindigkeiten (z. B. Rotationsgeschwindigkeiten) der Scheibe und des Tuches, den Eigenschaften des Tuchs und dem Durchmesser der Kieselsäureteilchen des Schleifmittels.
- Der chemische Effekt ergibt sich im wesentlichen aus der Oberflächenchemie der kolloidalen Kieselsäure.
- Durch diese beiden gekoppelten Effekte verschwinden die Moleküle des polierten Materials vorzugsweise in den erhabenen Zonen unter Induzierung der Planarisierung des zu polierenden Materials.
- Zum Polieren eines Isoliermaterials auf Basis von Siliciumderivaten, wie Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid, verwendet man als Schleifmittel im allgemeinen basische wässrige Lösungen von kollodialen Teilchen aus pyrogener Kieselsäure.
- Diese pyrogenen Kieselsäuren erhält man nach pyrogenen Verfahren durch Verbrennen von hochreinem Tetrachlorsilan mit Wasserstoff und Sauerstoff in einer Hochtemperatur-Brennkammer.
- Dabei erhält man in der Regel 5 bis 50 Nanometer grosse kugelförmige Kieselsäure- Primärteilchen, die Teilchenaggregate bilden, welche im allgemeinen zwischen 50 und 500 Nanometer lang sind.
- Der Literatur ist zu entnehmen, dass beim chemisch-mechanischen Polieren eines Isoliermaterials auf Basis von Siliciumderivaten, insbesondere auf Basis von Siliciumdioxid, die Geschwindigkeit des Angriffs auf das Isoliermaterial unter Verwendung von pyrogenen Kieselsäuren um so höher ist, je grösser der Durchmesser der verwendeten Teilchen aus kolloidaler Kieselsäure und je höher der pH-Wert der verwendeten Lösung von kolloidaler Kieselsäure ist (siehe insbesondere R. Jairath et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Band 337, 1994, S. 121-31, G. J. Pietsch et al., Surface Science 331-333 (1995), S. 395-401, M. Borda et al., Dumic Conference 21-22, 2, 1995, S. 331-337, D. DeVlieger et al., Conference Proceedings ULSI-X, 1995, Materials Research Society, S. 201-205, W. J. Patrick et al., J. Electrochem. Soc., Band 138, Nr. 6, Juni 1991, S. 1778-1784, R. Kolenkow et al., Solid State Technology, Juni 1992, S. 112-114, Beyer, Klaus Dietrich EP 224646, Sears George Wallace Jr, US-PS 3,922,393, Doan Trung T. US-PS 5,169,491, Koto Itsuki JP 07316846).
- Häufig arbeitet man bei pH-Werten zwischen 9 und 12,5. Bei saurem pH-Wert sind die Angriffsgeschwindigkeiten dagegen besonders gering, siehe insbesondere Fig. 1 im Aufsatz von G. J. Pietsch et al. Surface Science 331-333 (1995) S. 396.
- Die Verwendung derartiger wässriger Suspensionen in stark basischer Lösung ist mit bestimmten Nachteilen behaftet. Erstens neigen die Aggregate aufgrund der breiten Aggregatlängenverteilung dazu, sich im Lauf der Zeit abzusetzen. Diesen Nachteil kann man nur durch dauerndes Bewegen der Suspension auf ein Minimum reduzieren. Ausserdem ist die Verwendung von stark basischen wässrigen Suspensionen immer mit Nachteilen hinsichtlich Umwelt und Arbeitsbedingungen verbunden.
- Das Hauptziel der Anmelderin besteht in einer Verbesserung der Planarisierung von Siliciumdioxidschichten bei Isolierverfahren, die bei der Fertigung von integrierten Schaltungen anzutreffen sind, beispielsweise bei Verfahren zur lateralen Isolierung von zukünftigen aktiven Zonen des Halbleitersubstrats durch flache Gräben sowie bei anderen Verfahren zur Isolierung von integrierten Schaltungen, bei denen eine völlige Planarisierung des Siliciumdioxids erforderlich ist. Dazu gehört auch die Isolierung von Verdrahtungen von integrierten Schaltungen mit Siliciumdioxid.
- Für die Realisierung all dieser Verbesserungen beim chemisch-mechanischen Polieren mit basischen wässrigen Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure hat sich überraschenderweise und unerwarteterweise herausgestellt, dass Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure, die individualisierte, nicht über Siloxanbindungen miteinander verknüpfte feine Kieselsäureteilchen enthalten oder daraus bestehen und in saurem Milieu verwendet werden, die Erzielung von stark verbesserten Planarisierungseffekten unter Erhaltung einer guten Angriffsgeschwindigkeit auf das Isoliermaterial sowie hervorragende Einheitlichkeit des Angriffs der Politur ermöglichen.
- Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher die Verwendung eines Schleifmittels, das eine saure wässrige Suspension von kolloidaler Kieselsäure mit individualisierten, nicht über Siloxanbindungen miteinander verknüpften Teilchen von kolloidaler Kieselsäure und Wasser als Suspensionsmedium enthält, zum chemisch-mechanischen Polieren von Schichten auf Basis von Silicium oder Siliciumderivaten, insbesondere chemisch-mechanischen Polieren von Siliciumdioxidschichten, sowie ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren einer Schicht aus Isoliermaterial auf Basis von Silicium oder einem Siliciumderivat, bei dem man die Schicht aus Isoliermaterial durch Reiben mit einem ein Schleifmittel enthaltenden Tuch schleift, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifmittel eine saure wässrige Suspension von kolloidaler Kieselsäure mit individualisierten, nicht über Siloxanbindungen miteinander verknüpften Teilchen von kolloidaler Kieselsäure und Wasser als Suspensionsmedium enthält und vorzugsweise im wesentlichen aus einer derartigen sauren wässrigen Suspension besteht.
- Diese wässrigen Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure enthalten oder bestehen aus individualisierten, nicht über Siloxanbindungen miteinander verknüpften feinen Kieselsäureteilchen in Suspension in Wasser und sind vorzugsweise weitgehend frei von Teilchenaggregaten. Zum erfindungsgemässen chemisch-mechanischen Polieren von Materialschichten werden die wässrigen Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure in saurem Milieu verwendet und weisen vorzugsweise individuelle Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 3 und 250 nm, insbesondere zwischen 3 und 150 nm und im besonderen zwischen 10 und 50 nm auf.
- Derartige wässrige Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure sind entweder aus alkalischen Silicaten, insbesondere Natrium- oder Kaliumsilicaten, oder aus Ethylsilicat erhältlich. In beiden Fällen sind mit dem Fachmann bekannten Mitteln, die von K.K. Iler in "The Chemistry of Silica", Kapitel 9, Seiten 331 bis 343, Verlag Wiley Interscience 1979, eingehender beschrieben werden, saure wässrige Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure mit individualisierten, nicht über Siloxanbindungen miteinander verknüpften Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 3 und 250 nm erhältlich.
- Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht in der Verbesserung des chemisch-mechanischen Polierens von Schichten aus Isoliermaterial, wie Siliciumdioxid, mit sauren wässrigen Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure.
- Diese Verbesserung lässt sich beispielsweise anhand von 3 Testtypen im wesentlichen belegen:
- a) Tests der Geschwindigkeit des Angriffs auf Siliciumdioxidschichten durch die wässrige Schleifmitteldispersion von kolloidaler Kieselsäure. Diese Angriffsgeschwindigkeit wird anhand der Differenz von Dickenmessungen vor und nach dem Polieren an einer unstrukturierten Siliciumdioxid-Scheibe gemessen. Die Angriffsgeschwindigkeit wird in Å/min ausgedrückt.
- b) Planarisierungstests, insbesondere des Planarisierungsgrads (PG), der den Stufenhöhenunterschied zwischen der anfänglichen erhabenen Struktur (vor dem Polieren) und der am Ende erhaltenen erhabenen Struktur (nach dem Polieren) kennzeichnet und an Scheiben mit isolierten Strukturen mit einer Anfangshöhe von 7000 A gemessen wird. Er wird in Prozent ausgedrückt und ist durch die folgende Formel definiert:
- worin AH = Anfangsstufenhöhe, EH = Endstufenhöhe
- Eine vollständige Planarisierung ergibt einen Totalplanarisierungsgrad von 100%. Gar keine Planarisierung ergibt einen Planarisierungsgrad von 0%.
- Die Definition des Planarisierungsgrads wird in den Fig. 1, 2 und 3 erläutert. Der Planarisierungsgrad beläuft sich in Fig. 1 auf 0%, in Fig. 2 auf 50% und in Fig. 3 auf 100%.
- Für alle Planarisierungstests wurde die Abtragsdicke in den tiefliegenden Teilen (ausserhalb der Struktur) auf 3500 A eingestellt.
- c) Tests der Einheitlichkeit des Angriffs der Politur. Diese gibt die Oxiddickenvariation auf einer Scheibe wieder. Sie wird aus Oxidmessungen an einer SiO&sub2;-Scheibe vor und nach dem Polieren gemäss folgender Formel berechnet:
- Je niedriger der erhaltene Wert, desto zufriedenstellender die Einheitlichkeit des Angriffs.
- Dieses vorteilhafte Polierverfahren wird mit Hilfe von besonderen sauren wässrigen Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure, die aus individualisierten, nicht über Siloxanbindungen miteinander verknüpften Teilchen bestehen, durchgeführt.
- Unter den bevorzugten Bedingungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet man saure wässrige Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure mit einem pH-Wert zwischen 1 und 6, insbesondere zwischen 1,5 und 4 und im besonderen zwischen 2 und 3.
- Unter anderen bevorzugten Bedingungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens liegen die Durchmesser der Elementarteilchen der Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure zwischen 3 und 250 nm, insbesondere zwischen 3 und 150 nm und im besonderen zwischen 10 und 50 nm.
- Zur Erzielung der besten Polierleistung, insbesondere für die beiden gewählten Haupttests, nämlich die Geschwindigkeit des Angriffs auf Siliciumdioxidschichten und die Qualität der Planarisierung von behandelten Schichten, arbeitet man unter noch anderen bevorzugten Bedingungen mit einer Konzentration an Polierprodukt, d. h. Kieselsäure, von 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 30 Gew.-%.
- Die Isoliermaterialschicht basiert vorzugsweise auf Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Polysilicium oder amorphem Silicium und insbesondere auf Siliciumdioxid.
- Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die sauren wässrigen Supsensionen von kolloidaler Kieselsäure, die aus individualisierten, nicht über Siloxanbindungen miteinander verknüpften Teilchen mit praktisch monodispersem Teilchendurchmesser bestehen, eine sehr gute zeitliche Stabilität aufweisen, so dass keine Sedimentation im Lauf der Zeit auftritt.
- Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung besser verständlich machen.
- Auf jeder untersuchten Testscheibe wird eine Siliciumdioxid-Abscheidung in einer Dicke von etwa 1 um hergestellt und dann vor dem Polieren vermessen.
- Dann wird die Scheibe nach dem folgenden Standardverfahren poliert:
- - Auflagedruck: 0,5 daN/cm²
- - Plattengeschwindigkeit: 25 UpM
- - Kopfgeschwindigkeit (Träger): 22 UpM
- - Temperatur 20ºC
- - Schleifmitteldurchsatz: 80 cm³/min
- - Tuch: IC 1000 auf Suba 4 von RODEL PRODUCTS
- Die in jedem Beispiel angegebenen Ergebnisse wurden für die Angriffsgeschwindigkeiten und die Einheitlichkeit des Angriffs mit einer massiven Siliciumdioxid-Scheibe und zur Bestimmung des Planarisierungsgrads mit einer strukturierten Scheibe erhalten.
- Mit einer kolloidalen Kieselsäure mit den folgenden Eigenschaften:
- - mittlerer Durchmesser der Elementarteilchen von kolloidaler Kieselsäure: 12 nm
- - pH-Wert der wässrigen Suspension: 2,2
- - Gewichtskonzentration an kolloidaler Kieselsäure: 20%
- erhält man:
- - einen Planarisierungsgrad von 78%
- - eine SiO&sub2;-Angriffsgeschwindigkeit von 1050 Å/min
- - eine prozentuale Angriffseinheitlichkeit von 3%.
- Unter den gleichen Bedingungen erhält man mit einer kollidalen Kieselsäure mit den folgenden Eigenschaften:
- - mittlerer Durchmesser der Elementarteilchen von kolloidaler Kieselsäure: 25 nm
- - pH-Wert der wässrigen Suspension: 2,2
- - Gewichtskonzentration an kolloidaler Kieselsäure: 20%
- - einen Planarisierungsgrad von 52%
- - eine SiO&sub2;-Angriffsgeschwindigkeit von 1850 Amin
- - eine prozentuale Angriffseinheitlichkeit von 2,5%.
- Das Polierverfahren wird unter den obigen Bedingungen durchgeführt, jedoch mit der Abwandlung, dass die Gewichtskonzentration an Kieselsäure auf 12-13% eingestellt wurde.
- Mit einer handelsüblichen pyrogenen kolloidalen Kieselsäure für diese Anwendung mit den folgenden Eigenschaften:
- - mittlerer Durchmesser der Elementarteilchen: 10 nm
- - mittlere Teilchenaggregatdurchmesser: 150 nm
- - pH-Wert der wässrigen Suspension: 10,3
- - Gewichtskonzentration an aktivem Produkt: 12%
- erhält man:
- - einen Planarisierungsgrad von 42%
- - eine SiO&sub2;-Angriffsgeschwindigkeit von 1100 Amin
- - eine prozentuale Angriffseinheitlichkeit von 8,5%.
- Mit einer handelsüblichen pyrogenen kolloidalen Kieselsäure für diese Anwendung mit den folgenden Eigenschaften:
- - mittlerer Durchmesser der Elementarteilchen: 25 nm
- - mittlerer Teilchenaggregatdurchmesser: 200 nm
- - pH-Wert der wässrigen Suspension: 10,2
- - Gewichtskonzentration an aktivem Produkt: 13%
- erhält man:
- - einen Planarisierungsgrad von 56%
- - eine SiO&sub2;-Angriffsgeschwindigkeit von 1500 Amin
- - eine prozentuale Angriffseinheitlichkeit von 11,5%.
- Daher ist erstens festzustellen, dass man im Gegensatz zu den Angaben in der Literatur unerwarteterweise mit den sauren wässrigen Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure Angriffsgeschwindigkeiten auf die Siliciumdioxidschicht erhalten kann, die in der gleichen Grössenordnung wie bei vorher eingesetzten basischen wässrigen Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure liegen.
- Zweitens ist zu erkennen, dass die sauren wässrigen Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure in ebenso unerwarteter Weise Planarisierungseffekte ergeben, die weit über den mit basischen wässrigen Suspensionen von pyrogener kolloidaler Kieselsäure erhältlichen Effekten liegen, und dass die sauren wässrigen Suspensionen auf Basis von kleinen Teilchen in sehr überraschender Weise die besten Ergebnisse aller geprüften Produkte liefern.
- Schliesslich konnte eine sehr gute Angriffseinheitlichkeit der erfindungsgemässen sauren wässrigen Suspensionen von kolloidaler Kieselsäure im Vergleich zu den basischen wässrigen Suspensionen von pyrogener kolloidaler Kieselsäure klar herausgestellt werden.
Claims (9)
1. Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren einer Schicht aus
Isoliermaterial auf Basis von Silicium oder einem Siliciumderivat, bei dem man die
Schicht aus Isoliermaterial durch Reiben mit einem ein Schleifmittel enthaltenden
Tuch schleift, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifmittel eine saure
wässrige Suspension von kolloidaler Kieselsäure mit individualisierten, nicht über
Siloxanbindungen miteinander verknüpften Teilchen von kolloidaler Kieselsäure
und Wasser als Suspensionsmedium enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die saure wässrige
Suspension von kolloidaler Kieselsäure einen pH-Wert zwischen 1 und 6
aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die saure wässrige
Suspension von kolloidaler Kieselsäure einen pH-Wert zwischen 2 und 3
aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
saure wässrige Suspension von kolloidaler Kieselsäure individualisierte, nicht
über Siloxanbindungen miteinander verknüpfte Teilchen von kolloidaler
Kieselsäure mit einem Durchmesser zwischen 3 und 250 nm enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die saure wässrige
Suspension von kolloidaler Kieselsäure individualisierte, nicht über
Siloxanbindungen miteinander verknüpfte Teilchen von kolloidaler Kieselsäure mit einem
Durchmesser zwischen 10 und 50 nm enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
man die saure wässrige Suspension von kolloidaler Kieselsäure mit einer
Kieselsäure-Konzentration zwischen 5 und 50 Gew.-% einsetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die saure
wässrige Suspension von kolloidaler Kieselsäure mit einer Kieselsäure-
Konzentration zwischen 15 und 30 Gew.-% einsetzt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schicht aus Isoliermaterial auf Basis von Silicium oder Siliciumderivaten auf
Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Polysilicium oder amorphem Silicium basiert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Isoliermaterialschicht auf Siliciumdioxid basiert.
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