EP1019456A1 - Poliermittel, verfahren zum chemisch-mechanischen planarisieren und verwendung des poliermittels zum planarisieren eines halbleitersubstrats - Google Patents

Poliermittel, verfahren zum chemisch-mechanischen planarisieren und verwendung des poliermittels zum planarisieren eines halbleitersubstrats

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Publication number
EP1019456A1
EP1019456A1 EP98958172A EP98958172A EP1019456A1 EP 1019456 A1 EP1019456 A1 EP 1019456A1 EP 98958172 A EP98958172 A EP 98958172A EP 98958172 A EP98958172 A EP 98958172A EP 1019456 A1 EP1019456 A1 EP 1019456A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
solution
polishing agent
polishing
planarized
chemically active
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98958172A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Catharina Pusch
Jocelyne Boiton
Peter Golz
Alexandre Pierron-Darbonne
Franz Hagl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1019456A1 publication Critical patent/EP1019456A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/3105—After-treatment
    • H01L21/31051—Planarisation of the insulating layers
    • H01L21/31053—Planarisation of the insulating layers involving a dielectric removal step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09G—POLISHING COMPOSITIONS; SKI WAXES
    • C09G1/00—Polishing compositions
    • C09G1/02—Polishing compositions containing abrasives or grinding agents

Definitions

  • Polishing agent method for chemical-mechanical planarization and use of the polishing agent for planarizing a semiconductor substrate
  • the invention relates to a polishing agent with a solution, a chemically active component being contained in the solution and polishing grains being suspended.
  • the invention further relates to a method for chemical-mechanical planarization, in which a polishing agent with a solution is fed between a substrate to be planarized and a grinding wheel moving relative to the substrate, wherein a chemically active component is contained in the solution and polishing grains are suspended.
  • the invention also relates to the use of a polishing agent for planarizing a semiconductor substrate.
  • polishing agents and methods for chemical mechanical polishing are used in a variety of ways in practice.
  • a polishing agent is used which, in addition to the polishing grains, also contains active chemical additives. These active chemical additives are matched to the material to be removed.
  • the active chemical additives have the effect that the material to be planarized is removed more than an underlying stop layer made of another material.
  • the quotient from the removal rate of the layer to be planarized (.ffiP / time) is one Multiple the removal rate of the stop layer
  • polishing agent When removing thicker layers, especially layers thicker than 100 nm, several adverse effects occur.
  • the polishing agent or an active chemical component contained in it lose their effectiveness, i.e. a so-called depletion of the slurry occurs. This reduces the removal rate for the material to be planarized and the selectivity.
  • the removal rate is often different at different points on the substrate to be planarized.
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages of the prior art.
  • a polishing agent and a method for chemical mechanical planarization are to be created, by means of which it is possible to planarize even thick semiconductor substrates with the highest possible removal rate.
  • the selectivity should be as large as possible compared to a stop layer. According to the invention this object is achieved in that the pH of the solution is smaller by at least 0.1 than the pK a of the chemically active component.
  • the invention provides for making a polishing agent so that the pH of the solution is less than the pK a of the chemically active component contains.
  • the invention thus includes a targeted lowering of the pH.
  • chemically active component is to be understood here to mean any substance which is able to interact with a material to be planarized in such a way that its chemical bonds are weakened or destroyed.
  • a particularly advantageous embodiment of the inventive SSEM polishing agent is characterized in that the pH value of the solution to 0.4 to 1.2 is less than the pK a of the chemically active component.
  • the invention works regardless of how big the pK s - is value of the chemically active component.
  • the pH of the solution only has to be lower than this.
  • a particularly useful polishing agent is characterized in that the pH of the solution is a maximum of 6.7.
  • Particularly high selectivities of the polishing agent according to the invention can be achieved in that the pH of the solution is in the range from 5.0 to 6.7.
  • a high removal rate while largely avoiding microscratches can expediently be achieved in that the polishing grains consist of corundum.
  • the concentration of the polishing grains in the solution is 0.03% by weight to 30% by weight.
  • the concentration of the polishing grains in the solution is 0.3% by weight to 10% by weight. With this concentration range, sedimentation of the polishing grains is avoided and a high removal rate is achieved.
  • the diameter of the polishing grains is 0.001 ⁇ m to 100 ⁇ m, with diameters of 0.01 ⁇ m to 0.5 ⁇ m being particularly suitable.
  • the diameters of 95% of the polishing grains differ from one another by less than 20%.
  • the invention further provides to perform the generic method for chemical mechanical planarization so that the pH value of the solution is lowered by at least 0.1 compared to the pK of the chemically active component.
  • the invention therefore provides for the method to be carried out in such a way that the pH of the solution is lowered in a targeted manner. This lowering of the pH takes place, for example, by adding an acid to the polishing agent.
  • a high removal rate can be achieved with a low consumption of the polishing agent by filling in 150 ml to 200 ml of the polishing agent every minute.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the grinding wheel is moved at a speed of rotation of at least 10 rpm. It is even more advantageous that the speed of rotation is 40 rpm to 60 rpm, with 50 rpm having proven to be favorable.
  • the substrate to be planarized is moved at a speed of rotation of at least 10 rpm. It is even more expedient that the speed of rotation is 40 rpm to 60 rpm, with 50 rpm being preferred here as well.
  • the method is expediently carried out in such a way that the grinding wheel and the substrate to be planarized are pressed against one another with a force, the force producing a pressure between the grinding wheel and the material to be planarized.
  • High material removal rates without the occurrence of microscratches can be generated in that the pressure between the grinding wheel and the material to be planarized is in the range from 7 x 10 2 kg / m 2 to 10.5 x 10 3 kg / m 2 .
  • the method is carried out in such a way that the polishing process is interrupted.
  • the invention further provides for the use of the polishing agents found for planarizing a semiconductor substrate.
  • semiconductor substrate and “semiconductor layer” are to be understood broadly in the present invention. They also contain connections of semiconducting materials - like their oxides - which are insulators from their electrical properties.
  • a particularly useful use is distinguished by the fact that the pH of the solution is selected as a function of a stop layer located below the substrate to be planarized.
  • the pH can be adapted to the stop layer in such a way that removal of the stop layer is largely avoided.
  • Such an adaptation of the polishing agent to the stop layer can expediently take place in that the pH value of the solution is reduced as the content of nitrogen or a nitrogen compound in the stop layer decreases.
  • a 600 nm to 700 nm thick layer of tetraethyl orthosilicate (TEOS) is used to fill a 500 nm to 600 nm deep isolation trench formed in a shallow trench isolation process on a 110 nm to 170 nm thick stop layer made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) applied. This stop layer is applied on a silicon layer.
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • a polishing agent containing potassium hydroxide is made from its components
  • Components A and B of this polishing agent are the two-component polishing agent Corundum 05 from Rodel, with component Corundum A having the batch number XSHD3562A and component B, for example, the batch number XSHD3562B.
  • the mixture of the components Corundum A and Corundum B contains, in addition to the polishing grains, a surface-active substance and a buffer system.
  • the buffer system is designed so that a constant pH between 6.8 and 7.0 is established.
  • the mixing process takes place immediately before the polishing process in order to avoid flocculation of components.
  • 3.8 kg of Co-all around A are mixed with 19 kg of Corundum B.
  • the selectivity of the removal process of the TEOS layer compared to the silicon nitride layer is less than 4.
  • the silicon nitride layer is etched away by the planarization process, so that the underlying silicon layer is attacked. This leads to the destruction of a CMOS circuit constructed with this insulation structure.
  • the multi-stage planarization process essentially comprises the following steps - regardless of the polishing agent used: applying a photoresist, plasma etching and a subsequent chemical-mechanical polishing step.
  • steps each comprise several sub-steps.
  • the photoresist is first applied selectively at selected points in two partial steps and then on the entire surface by means of a spinning process.
  • Plasma etching requires placing the wafer to be processed in an etching chamber.
  • a conventional polishing step is then carried out after the plasma etching.
  • a polish containing potassium hydroxide solution is mixed from its components A and B in a ratio of 1: 5 and then used in the process of chemical mechanical polishing.
  • Components A and B of this polishing agent are the two-component polishing agent Corundum 05 from Rodel, with component Corundum A having the batch number XSHD3562A and component B, for example, the batch number XSHD3562B.
  • the mixture of the components Corundum A and Corundum B contains, in addition to the polishing grains, a surface-active substance and a Buffer system.
  • the buffer system is designed so that a constant pH between 6.8 and 7.0 is established.
  • the pH of the polishing agent is thus reduced by about 0.5 to 1.1 units, which can be done by adding any acid.
  • This small drop in pH alone increases the selectivity of the removal process of the TEOS layer on structured semiconductor wafers compared to the silicon nitride layer to more than 20.
  • This high selectivity means that the silicon nitride stop layer remains intact. Its thickness after the planarization process only decreases by 30 nm to 40 nm to 80 nm to 130 nm.
  • a 250 nm thick layer of silicon oxide (Si0 2 ) is applied to a stop layer made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) in order to fill isolation trenches.
  • a silicon layer is applied to the non-oxidizable silicon nitride layer in a LOCOS process.
  • the silicon layer is then oxidized to a silicon oxide layer, so that an insulation structure is formed.
  • a polishing agent containing potassium hydroxide from its components A and B is also mixed in a ratio of 1: 5 and then used in the process of chemical mechanical polishing.
  • Components A and B of this polishing agent are the two-component Corundum 05 polishing agent from Rodel, with component Corundum A being the batch number XSHD3562A and component B being the batch number
  • XSHD3562B has.
  • the mixture of the components Co-rundum A and Corundum B contains, in addition to the polishing grains, a surface-active substance and a buffer system.
  • the buffer system is designed so that a constant pH between 6.8 and 7.0 is set.
  • the mixing process takes place immediately before the polishing process in order to avoid flocculation of components.
  • 3.8 kg of Co-all around A are mixed with 19 kg of Corundum B.
  • the selectivity of the removal process of the silicon oxide layer compared to the silicon nitride layer is approximately 4.
  • Example 1 a The silicon nitride layer is etched away by the planarization process, so that the silicon layer below the silicon nitride layer is attacked. This leads to the destruction of a CMOS circuit constructed with this insulation structure.
  • a polish containing potassium hydroxide solution is mixed from its components A and B in a ratio of 1: 5 and then used in the process of chemical mechanical polishing.
  • Components A and B of this polishing agent are the two-component Corundum 05 polishing agent from Rodel, whereby the Corundum A component has the batch number XSHD3562A and the component B has the batch number XSHD3562B.
  • the mixture of the components Corundum A and Corundum B contains, in addition to the polishing grains, a surface-active substance and a buffer system.
  • the buffer system is designed so that a constant pH between 6.8 and 7.0 is established.
  • This small drop in pH alone increases the selectivity of the removal process of the oxide layer compared to the silicon nitride layer to more than 20.
  • the pH to be set depends on the composition of a semiconductor wafer as follows:
  • the polishing agent according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for etching a silicon oxide-containing layer, which is applied as a stop layer on a nitride layer, with high selectivity.
  • the method according to the invention is also generally suitable for planarizing insulation structures.
  • Such insulation structures can be formed, for example, in a LOCOS process by thermal oxidation of an insulation layer. It is equally possible to form the isolation structures using a shallow trench isolation process. With the help of an etching mask, trenches are etched in the substrate, which are filled with insulating material.
  • the invention increases - particularly due to the increased selectivity of the planarization process - the stability of insulation structures produced in a LOCOS process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Poliermittel mit einer Lösung, wobei in der Lösung eine chemisch aktive Komponente enthalten ist und Polierkörner suspendiert sind, das sich dadurch auszeichnet, dass der pH-Wert der Lösung um wenigstens 0,1 kleiner ist als der pKs-Wert der chemisch aktiven Komponente. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Planarisieren, bei dem zwischen einem zu planarisierenden Substrat und einer sich relativ zu dem Substrat bewegenden Schleifscheibe ein Poliermittel mit einer Lösung zugeführt wird, wobei in der Lösung eine chemisch aktive Komponente enthalten ist und Polierkörner suspendiert sind. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der pH-Wert der Lösung um wenigstens 0,1 gegenüber dem pKs-Wert der chemisch aktiven Komponente abgesenkt wird. Die Erfindung betrifft ausserdem die Verwendung eines Poliermittels zum Planarisieren eines Halbleitersubstrats. Das Poliermittel enthält eine Lösung, wobei in der Lösung eine chemisch aktive Komponente enthalten ist und Polierkörner suspendiert sind. Dieses Poliermittel zeichnet sich dadurch aus, dass der pH-Wert der Lösung um wenigstens 0,1 kleiner ist als der pKs-Wert der chemisch aktiven Komponente.

Description

Beschreibung
Poliermittel, Verfahren zum chemisch-mechanischen Planarisieren und Verwendung des Poliermittels zum Planarisieren eines Halb- leitersubstrats
Die Erfindung betrifft ein Poliermittel mit einer Lösung, wobei in der Lösung eine chemisch aktive Komponente enthalten und Polierkörner suspendiert sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Planarisieren, bei dem zwischen einem zu planarisierenden Substrat und einer sich relativ zu dem Substrat bewegenden Schleifscheibe ein Poliermittel mit einer Lösung zugeführt wird, wobei in der Lösung eine chemisch aktive Komponente enthalten und Polierkörner suspendiert sind. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines Poliermittels zum Planarisieren eines Halbleitersubstrats.
Die bekannten Poliermittel und Verfahren zum chemischmechanischen Polieren werden in der Praxis vielfältig einge- setzt. Bei den bekannten Verfahren zum chemisch-mechanischen Planarisieren eines Halbleitersubstrats wird ein Poliermittel eingesetzt, das neben den Polierkörnern auch aktive chemische Zusätze enthält. Diese aktiven chemischen Zusätze sind auf das abzutragende Material abgestimmt. Die aktiven chemischen Zusät- ze bewirken, daß das zu planarisierende Material stärker abgetragen wird als eine darunterliegende Stoppschicht aus einem anderen Material . Der Quotient aus der Abtragegeschwindigkeit der zu planarisierenden Schicht (.ffiP/Zeit) beträgt dabei ein Vielfaches der Abtragegeschwindigkeit der Stoppschicht
(JES/Zeit) . Hierbei bezeichnet das Verhältnis EP/RS die Selektivität.
Beim Abtragen dickerer Schichten, insbesondere von Schichten, die dicker sind als 100 nm, treten mehrere nachteilige Effekte auf. Das Poliermittel oder eine in ihm enthaltene aktive chemische Komponente verlieren ihre Wirksamkeit, das heißt eine sogenannte Verarmumg der Slurry tritt auf . Hierdurch sinken die Abtragerate für das zu planarisierende Material und die Selektivität. Außerdem ist vielfach an verschiedenen Stellen des zu planarisierenden Substrats die Abtragerate unterschiedlich. Ferner kann es zu einer Verstärkung von in vorhergehenden Prozeßschritten aufgeprägten Profilen kommen. Auf diese Weise ver- schlechtert sich die Uniformität des Planarisierungsvorganges. Durch die auftretenden Unregelmäßigkeiten kann es insbesondere bei Substraten, welche komplexe integrierte elektronische Schaltungen bilden, zu Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere sollen ein Poliermittel und ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Planarisieren geschaffen werden, durch die es möglich ist, auch dicke Halbleitersubstrate mit einer möglichst hohen Abtragerate zu planarisieren. Ferner sollte die Selektivität im Vergleich zu einer Stoppschicht möglichst groß sein. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der pH- Wert der Lösung um wenigstens 0,1 kleiner ist als der pKs-Wert der chemisch aktiven Komponente.
Die Erfindung sieht also vor, ein Poliermittel so zu gestalten, daß der pH-Wert der Lösung geringer ist als der pKs-Wert der in ihr enthaltenen chemisch aktiven Komponente. Die Erfindung beinhaltet so ein gezieltes Absenken des pH-Wertes. Unter dem Begriff „chemisch aktive Komponente" ist hier eine beliebige Sub- stanz zu verstehen, die in der Lage ist, mit einem zu planarisierenden Material derart in Wechselwirkung zu treten, daß seine chemischen Bindungen geschwächt oder zerstört werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemä- ßem Poliermittels zeichnet sich dadurch aus, daß der pH-Wert der Lösung um 0,4 bis 1,2 kleiner ist als der pKs-Wert der chemisch aktiven Komponente.
Es ist überraschend, daß eine derartige Absenkung des pH-Wertes zu einer Erhöhung der Selektivität um das fünf- bis zehnfache führen kann.
Die Erfindung funktioniert unabhängig davon, wie groß der pKs- Wert der chemisch aktiven Komponente ist. Der pH-Wert der Lö- sung muß lediglich niedriger als dieser sein.
Ein besonders zweckmäßiges Poliermittel ist dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der Lösung maximal 6,7 beträgt. Besonders hohe Selektivitäten des erfindungsgemäßen Poliermittels lassen sich dadurch erreichen, daß der pH-Wert der Lösung im Bereich von 5,0 bis 6,7 liegt.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß gerade in diesem pH-Bereich sowohl eine hohe Selektivität bei der Abtragung von Halbleiterschichten - insbesondere von Oxidschichten - auf Stoppschichten, vor allem auf Nitridschichten, als auch eine große Geschwindigkeit des Abtragevorganges vorliegen.
Eine hohe Abtragerate unter weitgehender Vermeidung von Mikro- kratzern läßt sich zweckmäßigerweise dadurch erreichen, daß die Polierkörner aus Korund bestehen.
Besonders zweckmäßig ist es, daß die Konzentration der Polierkörner in der Lösung 0,03 Gew.-% bis 30 Gew.-% beträgt.
Noch vorteilhafter ist es, daß die Konzentration der Polierkör- ner in der Lösung 0,3 Gew.-% bis 10 Gew.-% beträgt. Bei diesem Konzentrationsbereich wird sowohl eine Sedimentation der Polierkörner vermieden als auch eine hohe Abtragerate erzielt .
Um eine hohe Abtragerate des zu planarisierenden Materials mit einer gleichzeitigen Vermeidung von Mikrokratzern zu verbinden, ist es vorteilhaft, daß der Durchmesser der Polierkörner 0,001 μm bis 100 μm beträgt, wobei sich Durchmesser von 0,01 μm bis 0,5 μm besonders eignen. Zur Vermeidung von Mikrokratzern ist es besonders zweckmäßig, daß sich die Durchmesser von 95 % der Polierkörner um weniger als 20 % voneinander unterscheiden.
Die Erfindung sieht ferner vor, das gattungsgemäße Verfahren zum chemisch-mechanischen Planarisieren so durchzuführen, daß der pH-Wert der Lösung um wenigstens 0,1 gegenüber dem pKs-Wert der chemisch aktiven Komponente abgesenkt wird.
Die Erfindung sieht also vor, das Verfahren so durchzuführen, daß der pH-Wert der Lösung gezielt abgesenkt wird. Dieses Absenken des pH-Wertes erfolgt beispielsweise durch die Zugabe einer Säure in das Poliermittel .
Besonders zweckmäßig ist es, daß der pH-Wert der Lösung um 0,4 bis 1,2 gegenüber dem pKs-Wert der chemisch aktiven Komponente gesenkt wird.
Zur Vermeidung von Mikrokratzern und zur Erzielung einer ausreichend hohen Abtragerate bei hoher Selektivität und guter Uniformität ist es zweckmäßig, daß in jeder Minute wenigstens 100 ml des Poliermittels eingefüllt werden.
Eine hohe Abtragerate kann bei einem geringen Verbrauch des Poliermittels dadurch erzielt werden, daß in jeder Minute 150 ml bis 200 ml des Poliermittels eingefüllt werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die Schleifscheibe mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von wenigstens 10 U/min bewegt wird. Noch vorteilhafter ist es, daß die Umdrehungsgeschwindig- keit 40 U/min bis 60 U/min beträgt, wobei sich 50 U/min als günstig erwiesen haben.
Es ist außerdem zweckmäßig, daß das zu planarisierende Substrat mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von wenigstens 10 U/min be- wegt wird. Noch zweckmäßiger ist es, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit 40 U/min bis 60 U/min beträgt, wobei auch hier 50 U/min bevorzugt sind.
Um eine ausreichende Abtragerate zu erzielen, wird das Verfah- ren zweckmäßigerweise so durchgeführt, daß die Schleifscheibe und das zu planarisierende Substrat mit einer Kraft gegeneinander gedrückt werden, wobei die Kraft einen Druck zwischen der Schleifscheibe und dem zu planarisierenden Material erzeugt.
Hohe Abtrageraten des Materials ohne Entstehung von Mikrokratzern lassen sich dadurch erzeugen, daß der Druck zwischen der Schleifscheibe und dem zu planarisierenden Material im Bereich von 7 x 102 kg/m2 bis 10,5 x 103 kg/m2 liegt.
Um auch bei Polierzeiten von mehreren Minuten eine zu der Polierzeit proportionale Abtragung zu erzielen, ist es ferner vorteilhaft, das Verfahren so durchzuführen, daß der Druck zwischen der Schleifscheibe und dem zu planarisierenden Material während des Verfahrens verändert wird. Dies führt zu einer stabilen Abtragerate und damit zu einem effektiveren und schnelleren Prozeß. Die Druckveränderung macht es nicht erforderlich, daß der Poliervorgang unterbrochen wird. Der Poliervorgang kann vielmehr als ein kontinuierlicher Prozeß mit veränderlichem Druck durchgeführt werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren so durchgeführt, daß der Poliervorgang unterbrochen wird.
Die Erfindung sieht ferner die Verwendung der gefundenen Poliermittel zum Planarisieren eines Halbleitersubstrats vor.
Diese Verwendung ist besonders vorteilhaft, weil so eine hohe Abtragerate des zu planarisierenden Halbleitersubstrats erzielt werden kann. Die Begriffe „Halbleitersubstrat" und „Halbleiterschicht" sind bei der vorliegenden Erfindung weit zu verstehen. Sie beinhalten auch Verbindungen von halbleitenden Materialien - wie ihre Oxide - die von ihren elektrischen Eigenschaften Isolatoren sind.
Eine besonders • zweckmäßige Verwendung zeichnet sich dadurch aus, daß der pH-Wert der Lösung in Abhängigkeit von einer un- terhalb des zu planarisierenden Substrats befindlichen Stoppschicht gewählt ist. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung kann der pH-Wert so an die Stoppschicht angepaßt werden, daß ein Abtragen der Stoppschicht weitgehend vermieden wird.
Eine derartige Anpassung des Poliermittels an die Stoppschicht kann zweckmäßigerweise dadurch erfolgen, daß der pH-Wert der Lösung mit sinkendem Gehalt von Stickstoff oder einer Stick- stoffverbindung in der Stoppschicht gleichermaßen abgesenkt wird.
Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbei- spiele .
Beispiel 1:
Eine 600 nm bis 700 nm dicke Schicht aus Tetraethylorthosilikat (TEOS) ist zur Füllung eines in einem Shallow-Trench- Isolationsprozesses gebildeten, 500 nm bis 600 nm tiefen Isola- tionsgrabens auf einer 110 nm bis 170 nm dicken Stoppschicht aus Siliziumnitrid (Si3N4) aufgebracht. Diese Stoppschicht ist auf einer Siliziumschicht aufgetragen. Diese Strukturen befinden sich auf einem Wafer, der eine Vielzahl elektrischer Schaltungen enthält .
a.) Ein kalilaugehaltiges Poliermittel wird aus seinen Komponenten
A und B im Verhältnis 1 : 5 gemischt und anschließend im Prozeß des chemisch-mechanischen Polierens eingesetzt. Bei den Komponenten A und B dieses Poliermittels handelt es sich um das zweikomponentige Poliermittel Corundum 05 der Firma Rodel, wobei die Komponente Corundum A beispielsweise die Chargennummer XSHD3562A und die Komponente B die Chargennummer XSHD3562B hat. Die Mischung der Komponenten Corundum A und Corundum B enthält neben den Polierkörnern eine oberflächenaktive Substanz und ein Puffersystem. Das Puffersystem ist so ausgebildet, daß sich ein konstanter, zwischen 6,8 und 7,0 liegender pH-Wert einstellt. Der Mischvorgang erfolgt unmittelbar vor dem Poliervorgang um ein Ausflocken von Bestandteilen zu vermeiden. Hierbei werden 3,8 kg Co-rundum A mit 19 kg Corundum B gemischt.
Die Selektivität des AbtrageVorgangs der TEOS-Schicht gegenüber der Siliziumnitridschicht beträgt weniger als 4.
Somit wird durch den Planarisierungsprozeß die Siliziumnitrid- Schicht weggeätzt, so daß die unten liegende Siliziumschicht angegriffen wird. Dies führt zur Zerstörung einer mit dieser Isolationsstruktur aufgebauten CMOS-Schaltung.
Um ein Wegätzen der Siliziumnitridschicht zu vermeiden, ist es daher notwendig, einen mehrstufigen Planarisierungsprozeß anzuwenden . Der mehrstufige Planarisierungsprozeß umfaßt - unabhängig vom eingesetzten Poliermittel - im wesentlichen die Schritte: Auftragen eines Photolacks, Plasmaätzen und einen anschließenden chemisch-mechanischen Polierschritt .
Diese Schritte umfassen jeweils mehrere Teilschritte. So wird beispielsweise der Photolack in zwei Teilschritten erst selektiv an ausgewählten Stellen und dann auf der gesamten Oberfläche durch einen Schleuderprozeß aufgetragen.
Das Plasmaätzen erfordert das Verbringen des zu bearbeitenden Wafers in eine Ätzkammer.
Nach dem Plasmaätzen wird dann ein konventioneller Polier- schritt durchgeführt.
b.)
Ein kalilaugehaltiges Poliermittel wird aus seinen Komponenten A und B im Verhältnis 1 : 5 gemischt und anschließend im Prozeß des chemisch-mechanischen Polierens eingesetzt. Bei den Komponenten A und B dieses Poliermittels handelt es sich um das zweikomponentige Poliermittel Corundum 05 der Firma Rodel, wobei die Komponente Corundum A beispielsweise die Chargennummer XSHD3562A und die Komponente B die Chargennummer XSHD3562B hat. Die Mischung der Komponenten Corundum A und Corundum B enthält neben den Polierkörnern eine oberflächenaktive Substanz und ein Puffersystem. Das Puffersystem ist so ausgebildet, daß sich ein konstanter, zwischen 6,8 und 7,0 liegender pH-Wert einstellt.
Es werden wiederum 3,8 kg Corundum A mit 19 kg Corundum B ge- mischt. Durch die Zugabe von etwa 40 bis 60 ml 15 %-iger HN03 wird der pH-Wert von 6,8 auf 6,2 gesenkt. Danach wird das Poliermittel mit abgesenktem pH-Wert in dem Planarisierungsprozeß eingesetzt.
Erfindungsgemäß wird also der pH-Wert des Poliermittels um etwa 0,5 bis 1,1 Einheiten gesenkt, was durch die Zugabe einer beliebigen Säure geschehen kann. Allein durch diese geringe Absenkung des pH-Wertes erhöht sich die Selektivität des Abtragevorgangs der TEOS-Schicht auf strukturierten Halbleiterwafern gegenüber der Siliziumnitridschicht auf mehr als 20.
Durch diese hohe Selektivität bleibt die Stoppschicht aus Siliziumnitrid intakt. Ihre Dicke nach dem Planarisierungsvorgang verringert sich lediglich um 30 nm bis 40 nm auf 80 nm bis 130 nm.
Erfindungsgemäß ist daher nur ein einzelner Planariserungs- schritt erforderlich. Der bei a.) dargestellte mehrstufige Abtragungsprozeß wird somit durch ein einstufiges Verfahren er- setzt. Hierdurch verkürzt sich die Herstellungszeit von 16
MBit-DRAMs um zwei Tage. Gleichzeitig sinkt der Herstellungsaufwand. Außerdem wird die Ausbeute des Verfahrens durch die Senkung des Ausschusses erhöht. Beispiel 2;
Eine 250 nm dicke Schicht aus Siliziumoxid (Si02) wird auf ei- ner Stoppschicht aus Siliziumnitrid (Si3N4) aufgebracht, um Isolationsgräben zu füllen. Hierzu wird in einem LOCOS-Prozeß auf die nicht oxidierbare Siliziumnitridschicht eine Siliziumschicht aufgetragen. Die Siliziumschicht wird dann zu einer Siliziumoxidschicht oxidiert, so daß sich eine Isolationsstruktur bildet.
a.)
Es wird gleichfalls ein kalilaugehaltiges Poliermittel aus sei- nen Komponenten A und B im Verhältnis 1 : 5 gemischt und anschließend im Prozeß des chemisch-mechanischen Polierens eingesetzt. Bei den Komponenten A und B dieses Poliermittels handelt es sich um das zweikomponentige Poliermittel Corundum 05 der Firma Rodel, wobei die Komponente Corundum A die Chargen- nummer XSHD3562A und die Komponente B die Chargennummer
XSHD3562B hat. Die Mischung der Komponenten Co-rundum A und Corundum B enthält neben den Polierkörnern eine oberflächenaktive Substanz und ein Puffersystem. Das Puffersystem ist so ausgebildet, daß sich ein konstanter, zwischen 6,8 und 7,0 lie- gender pH-Wert einstellt. Der Mischvorgang erfolgt unmittelbar vor dem Poliervorgang um ein Ausflocken von Bestandteilen zu vermeiden. Hierbei werden 3,8 kg Co-rundum A mit 19 kg Corundum B gemischt. Die Selektivität des Abtragevorgangs der Siliziumoxidschicht gegenüber der Siliziumnitridschicht beträgt etwa 4.
Somit wird - wie in Beispiel 1 a.) - durch den Planarisierungsprozeß die Siliziumnitridschicht weggeätzt, so daß die unter der Siliziumnitridschicht liegende Siliziumschicht angegriffen wird. Dies führt zur Zerstörung einer mit dieser Isolationsstruktur aufgebauten CMOS-Schaltung.
b.)
Ein kalilaugehaltiges Poliermittel wird aus seinen Komponenten A und B im Verhältnis 1 : 5 gemischt und anschließend im Prozeß des chemisch-mechanischen Polierens eingesetzt. Bei den Komponenten A und B dieses Poliermittels handelt es sich um das zweikomponentige Poliermittel Corundum 05 der Firma Rodel, wobei die Komponente Corundum A die Chargennummer XSHD3562A und die Komponente B die Chargennummer XSHD3562B hat. Die Mischung der Komponenten Corundum A und Corundum B enthält neben den Polierkörnern eine oberflächenaktive Substanz und ein Puffersystem. Das Puffersystem ist so ausgebildet, daß sich ein konstanter, zwischen 6,8 und 7,0 liegender pH-Wert einstellt.
Es werden wiederum 3,8 kg Corundum A mit 19 kg Corundum B gemischt. Durch die Zugabe von etwa 40 bis 60 ml 15 %-iger HN03 wird der pH-Wert von 6,8 auf 6,2 gesenkt. Danach wird das Po- liermittel mit abgesenktem pH-Wert in dem Planarisierungsprozeß eingesetzt .
Allein durch diese geringe Absenkung des pH-Wertes erhöht sich wiederum die Selektivität des Abtragevorgangs der Oxidschicht gegenüber der Siliziumnitridschicht auf mehr als 20.
Bei den dargestellten Beispielen ist der einzustellende pH-Wert von der Zusammensetzung eines Halbleiterwafers wie folgt abhän- gig:
• Wird bei der TEOS-Abscheidung in einem Niederdruck-CVD- Verfahren ein nitridhaltiges TEOS aufgebracht, muß der pH- Wert umso weniger gesenkt werden, je mehr Silizium oder Oxo- nitrid im TEOS enthalten ist, um eine hohe Abtragerate von mehreren 100 nm TEOS pro Minute zu erhalten.
• Je weniger Siliziumnitrid (Si3N4) flächenmäßig als Stoppschicht auf der Oberfläche vorhanden ist, desto weiter muß der pH-Wert der Lösung abgesenkt werden, um eine Selektivität von 20 oder mehr zu erzielen.
Das erfindungsgemäße Poliermittel und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere dazu, eine siliziumoxidhaltige Schicht, die auf einer Nitridschicht als Stoppschicht aufgebracht ist, mit hoher Selektivität zu ätzen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich jedoch auch allgemein dazu, Isolationsstrukturen zu planarisieren. Derartige Isolationsstrukturen können beispielsweise in einem LOCOS- Prozeß durch thermische Oxidation einer Isolationsschicht ge- bildet werden. Es ist gleichermaßen möglich, die Isolationsstrukturen durch einen Shallow-Trench-Isolations-prozeß zu bilden. Hierbei werden mit Hilfe einer Ätzmaske in dem Substrat Gräben geätzt, die mit isolierendem Material aufgefüllt werden.
Da bei der Herstellung hochintegrierter CMOS-Schaltungen gemäß dem LOCOS-Prozeß bisher die Gefahr besteht, daß sich ein breiter Übergangsbereich zwischen Feldoxid und Gate-Oxid bildet, wird in der Praxis der Shallow-Trench-Isolations-prozeß angewendet. Bisher war dies mit dem Nachteil verbunden, daß nach dem Auftragen der Isolationsschicht ein Belackungsschritt, ein Belichtungsschritt, ein Entwicklungsschritt, ein weiterer Belackungsschritt, ein Ätzschritt und ein chemisch-mechanisches Polieren notwenig waren. Durch die Erfindung ist es möglich, auf diese Schritte zu verzichten.
Obendrein erhöht die Erfindung - insbesondere durch die vergrößerte Selektivität des Planarisierungsvorgangs - die Beständigkeit von in einem LOCOS-Prozeß hergestellten Isolationsstrukturen.

Claims

Patentansprüche :
1. Poliermittel mit einer Lösung, wobei in der Lösung eine chemisch aktive Komponente enthalten und Polierkörner suspen- diert sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der pH-Wert der Lösung um wenigstens 0,1 kleiner ist als der pKs-Wert der chemisch aktiven Komponente.
2. Poliermittel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der pH-Wert der Lösung um 0,4 bis 1,2 kleiner ist als der pKs-Wert der chemisch aktiven Komponente.
3. Poliermittel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der pH-Wert der Lösung maximal 6,7 beträgt.
4. Poliermittel nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der pH-Wert der Lösung im Bereich von 5,0 bis 6,7 liegt.
5. Poliermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Polierkorner aus Korund bestehen.
6. Poliermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Konzentration der Polierkörner in der Lösung 0,03 Gew.
% bis 30 Gew-% beträgt.
7. Poliermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Durchmesser der Polierkörner 0,01 μm bis 0,5 μm beträgt .
8. Poliermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich die Durchmesser von 95 % der Polierkörner um weniger als 20 % voneinander unterscheiden.
9. Verfahren zum chemisch-mechanischen Planarisieren, bei dem zwischen einem zu planarisierenden Substrat und einer sich relativ zu dem Substrat bewegenden Schleifscheibe ein Poliermittel mit einer Lösung zugeführt wird, wobei in der Lösung eine chemisch aktive Komponente enthalten und Polierkörner suspendiert sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der pH-Wert der Lösung um wenigstens 0,1 gegenüber dem pKs Wert der chemisch aktiven Komponente abgesenkt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der pH-Wert der Lösung um 0,4 bis 1,2 gegenüber dem pKs- Wert der chemisch aktiven Komponente gesenkt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß je Minute wenigstens 100 ml des Poliermittels eingefüllt werden .
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß je Minute 150 ml bis 200 ml des Poliermittels eingefüllt werde .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schleifscheibe mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von wenigstens 10 U/min bewegt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schleifscheibe mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 40 U/min bis 60 U/min bewegt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das zu planarisierende Substrat mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von wenigstens 10 U/min bewegt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das zu planarisierende Substrat mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 40 U/min bis 60 U/min bewegt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schleifscheibe und das zu planarisierende Substrat mit einer Kraft gegeneinander gedrückt werden, wobei die Kraft einen Druck zwischen der Schleifscheibe und dem zu planarisierenden Material erzeugt .
18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Druck zwischen der Schleifscheibe und dem zu planarisierenden Material im Bereich von 7 x 102 kg/m2 bis 10,5 x 103 kg/m liegt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche S bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Druck zwischen der Schleifscheibe und dem zu planari- sierenden Material während des Verfahrens verändert wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Lösung eingefüllt wird, deren pH-Wert in Abhängigkeit von einer unterhalb des zu planarisierenden Substrats befindlichen Stoppschicht gewählt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der pH-Wert der Lösung mit sinkendem Gehalt von Stickstoff oder einer Stickstoffverbindung in der Stoppschicht gleichermaßen abgesenkt wird.
22. Verwendung eines Poliermittels nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Planarisieren eines Halbleitermaterials.
23. Verwendung nach Anspruch 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der pH-Wert der Lösung in Abhängigkeit von einer unterhalb des zu planarisierenden Substrats befindlichen Stoppschicht gewählt ist.
24. Verwendung nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der pH-Wert der Lösung mit sinkendem Gehalt von Stickstoff oder einer Stickstoffverbindung in der Stoppschicht gleichermaßen abgesenkt wird.
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