JP2012531063A - ポリシリコン除去速度の抑制のためのｃｍｐ組成物および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、基材からのポリシリコン除去を抑制しながら、窒化ケイ素含有基材を研磨するのに好適な化学機械研磨（ＣＭＰ）組成物を提供する。この組成物は、アルキンジオール、アルキンジオールエトキシレート、またはそれらの組み合わせを含む界面活性剤を含む酸性の水性担体中に懸濁された研磨材粒子を含んでいる。また、この組成物で半導体基材を研磨する方法も開示されている。

Description

本発明は、化学機械研磨（ＣＭＰ）組成物および方法に関する。より具体的には、本発明は、基材からのポリシリコンの除去を抑制しながら、半導体基材を研磨する方法に関する。

基材の表面の化学機械研磨のための組成物および方法は、当技術分野においてよく知られている。半導体基材（例えば集積回路）の表面のＣＭＰ用の研磨組成物（研磨スラリー、ＣＭＰスラリー、およびＣＭＰ組成物としても知られている）は、典型的には研磨材、種々の添加剤化合物などを含んでいる。

一般には、ＣＭＰは、表面の同時発生の化学および機械研摩、例えば、非平面の第２層（その上に第１層が形成されている）の表面を露出させるための、上を覆う第１層の研摩を含んでいる。このようなプロセスの１つが、Beyerらへの米国特許第4,789,648号明細書中に記載されている。簡単には、Beyerらは、材料の上を覆う第１層が、被覆された第２層の上側の表面と同一平面になるまで、第１層を、第２層よりも速い速度で、取り除くための、研摩パッドとスラリーを用いたＣＭＰプロセスを開示している。化学機械研磨のより詳細な説明が、米国特許第4,671,851号明細書、第4,910,155号明細書、および第4,944,836号明細書中に見出される。

慣用のＣＭＰ技術では、基材支持体または研磨ヘッドが、支持体組立体上に取付けられ、そしてＣＭＰ装置中で研磨パッドと接触するように配置されている。支持体組立体は、基材に制御可能な圧力を与え、基材を研磨パッドに押し付ける。パッドおよび支持体は、それに取り付けられた基材とともに、互いに対して相対的に動かされる。パッドと基材のこの相対的な動きが、基材の表面を研摩するように作用して、基材表面から材料の一部を取り除き、それによって基材を研磨する。基材表面の研磨は、典型的には研磨組成物の化学的働き（例えば、ＣＭＰ組成物中の酸化剤、酸、塩基、または他の添加剤）および／または研磨組成物中に懸濁している研磨材の機械的働きによって更に促進される。典型的な研磨材料としては、二酸化ケイ素、酸化セリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化スズが挙げられる。

Nevilleらへの米国特許第5,527,423号明細書には、金属層の表面を、水性媒体中に懸濁した高純度の微細金属酸化物粒子を含む研磨スラリーと接触させることによる、金属層の化学機械研磨方法が記載されている。あるいは、研磨材料は、研磨パッド中に組み込まれていてもよい。Cookらへの米国特許第5,489,233号明細書には、表面に肌理またはパターンを有する研磨パッドの使用を開示しており、またBruxvoortらへの米国特許第5,958,794号明細書には研磨材が固定された研磨パッドが開示されている。

半導体ウエハとしては、典型的には基材、例えば、ケイ素またはガリウム砒化物が挙げられ、その上に複数のトランジスタが形成されている。トランジスタは、基材中の領域および基材上の層にパターン形成することによって、化学的および物理的に基材に接続される。トランジスタおよび層は、主として酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の幾つかの形態を含む、レベル間誘導体（ＩＬＤ）によって分離されている。トランジスタは周知の多層配線の使用によって相互に連結されている。典型的な多層配線は、１種または２種以上の以下の材料、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム−銅（Ａｌ−Ｃｕ）、アルミニウム−ケイ素（Ａｌ−Ｓｉ）、銅（Ｃｕ），タングステン（Ｗ）、ドープされたポリシリコン（ポリ−Ｓｉ）、およびそれらの種々の組み合わせからなる積層された薄膜を含んでいる。更に、トランジスタまたはトランジスタの群は、しばしば、絶縁材料、例えば二酸化ケイ素、窒化ケイ素および／またはポリシリコンで充填されたトレンチの使用によって、互いに分離されている。

相互連結を形成するための慣用の技術は、Chowらへの米国特許第4,789,648号明細書中に開示された方法によって改善されてきており、これは基材上の同一平面上の多層金属／絶縁体膜の生成方法に関する。幅広い興味を獲得し、そして多層配線を生成するこの技術は、装置製造の種々の段階の間に、金属層または薄膜の表面を平坦化するための化学機械研磨を用いている。

多くの既知のＣＭＰスラリー組成物は限定された目的には好適であるが、慣用のものは、ウエハ製造において用いられる絶縁体材料に対して、容認出来ない研磨速度、および対応する選択性の水準を示す傾向がある。更に、既知の研磨スラリーは、下にある膜の不十分な除去特性を示す、または有害な膜浸食を示す傾向にあり、それが不十分な製造収率をもたらす。

本願出願人によるChenらの米国特許出願第11/374,238号には、窒化ケイ素基材を研磨するための、特定の酸性成分（例えば、マロン酸とアミノカルボン酸の混合物；スズ酸塩；尿酸；フェニル酢酸；またはマロン酸、アミノカルボン酸、および硫酸塩の混合物）と組合わせて研磨材を含んだ、１〜６のｐＨを有する新規な研磨組成物が記載されている。

本願出願人によるDysardらの米国特許出願第11/448,205号には、窒化ケイ素基材を研磨するための、酸性のｐＨを有し、そして１〜４．５の範囲のｐＫaを有する少なくとも１種の添加剤を含む新規な研磨組成物が記載されている。

集積回路装置に関する技術は進歩しているので、慣用の材料は、進歩した集積回路に必要とされる性能の水準を達成するための新規で異なる方法で用いられている。特に、窒化ケイ素、酸化ケイ素、およびポリシリコンは、新規で、そしてますます複雑な装置構成を得るために、種々の組み合わせで用いられている。一般には、構成の複雑さと性能特性は、異なる用途にわたって変化する。場合によっては、基材の１つの成分、例えば窒化ケイ素の効果的な除去に好適な条件は、他の成分、例えばポリシリコンの望ましくない過剰な除去をもたらす可能性がある。

従って、多くのＩＣ装置用途のための、ポリシリコン除去を抑制しながら、窒化ケイ素、酸化ケイ素またはタングステンの許容し得る除去速度を達成するＣＭＰ組成物および方法に対する継続した要求が存在している。本発明は、そのような改善した研磨方法および組成物を提供する。本発明のこれらのおよび他の利点、ならびに更なる本発明の特徴は、本明細書において提供される本発明の説明から明らかとなる。

本発明は、ポリシリコン除去を抑制しながら、窒化ケイ素、酸化ケイ素またはタングステンなどの成分を基材の表面から除去するための、半導体基材の選択的な研磨に有用な、ＣＭＰ組成物を提供する。本発明のＣＭＰ組成物は、アルキンジオールおよび／またはアルキンジオールエトキシレート（好ましくはアルキンジオール）を含む界面活性剤を含む酸性の水性担体中に懸濁された研磨材粒子を含んでいる。好ましい態様では、本発明のＣＭＰ組成物は、１０〜１００００ｐｐｍの界面活性剤を含む酸性の水性担体中に懸濁された０．０１〜１５質量％の研磨材粒子を含んでいる。好ましい態様によっては、研磨材粒子は、コロイド状シリカを含んでいる。好ましくは、酸性の水性担体は、６以下（例えば、１〜４、または２〜３）のｐＨ値を有している。界面活性剤は、好ましくは２０〜１０００ｐｐｍの範囲の量で存在している。所望であれば、本発明の組成物は、他の添加剤材料、例えばカルボン酸材料（例えば、マロン酸および／またはグリシン）および／または有機もしくは無機塩（例えば硫酸カリウム）を含むことができる。例えば、本組成物は、１０〜１０００００ｐｐｍ（０．００１〜１０質量％）の少なくとも１種のカルボン酸材料を含むことができる。また、本ＣＭＰ組成物は、ＣＭＰ組成物中に用いられる他の慣用の添加剤材料、例えば殺生物剤、粘度調節剤、腐食防止剤、キレート化剤、有機ポリマー、他の界面活性剤、酸化剤、電子移動剤などを含むことができ、それらの多くの例はＣＭＰ分野においてよく知られている。

他の態様では、本発明は、ポリシリコンに優先して、窒化ケイ素、酸化ケイ素またはタングステンなどの成分を除去するための、基材の研磨方法を提供する。この方法は、本発明のＣＭＰ組成物で、好ましくは過酸化水素の存在の下で、基材の表面を研摩することを含んでいる。この研摩は、例えば、基材の表面を、研磨パッドと本ＣＭＰ組成物に接触させ、そしてパッドと基材の間で、ＣＭＰ組成物の一部の表面との接触を維持しながら、窒化ケイ素を表面から研摩するのに十分な時間、研磨パッドと基材の間で相対的な動きを生じさせることによって、成し遂げることができる。

本発明のＣＭＰ組成物は、実質的に同じ配合ではあるが、アルキンジオールまたはアルキンジオールエトキシレート界面活性剤なしで得られる結果に比べて、ポリシリコン除去を予想外に抑制しながら、窒化ケイ素、酸化ケイ素またはタングステンの効果的な除去速度を与える。

図１は、本発明の組成物および方法に有用な２種のアルキンジオール界面活性剤の構造を、比較のアルキンモノアルコール界面活性剤の構造とともに示している。 図２は、本発明の組成物でのポリシリコンブランケットウエハの研磨によって得られる、界面活性剤濃度に対するポリシリコン除去のプロットを示している。 図３は、界面活性剤濃度に対するＴＥＯＳ−ＳｉＯ_２(ＴＳ)、窒化ケイ素（ＳＮ）、タングステン（Ｗ）、およびポリシリコン（ＰＳ）の除去速度の棒グラフであって、本発明の組成物（Ｅｘ．Ｄ）および３つの比較の組成物（Ｅｘ．Ａ、Ｅｘ．ＢおよびＥｘ．Ｃ）で、前記の材料のブランケットウエハを研磨することによって得られるグラフを示している。 図４は、異なる界面活性剤材料を含むＣＭＰ組成物で、ポリシリコンブランケットウエハを研磨することによって得られるポリシリコン除去速度抑制のパーセンテージを、アルキンジオール型界面活性剤を含まないＣＭＰ組成物で得られる結果と比較した、棒グラフを示している。

本発明のＣＭＰ組成物は、アルキンジオールおよび／またはアルキンジオールエトキシレートを含む界面活性剤を含む酸性の水性担体中に懸濁された研磨材粒子を含んでいる。

好ましいアルキンジオール界面活性剤は、アルキンジオール化合物のモル当たりに、１〜４０モル（好ましくは４〜３０モル）のエチレンオキシ単位を含む、式（Ｉ）のアルキンジオール化合物またはそのエトキシレートを含んでいる。

式中、それぞれのＲ^１およびＲ^２は、独立してＨまたはメチルであり；そしてそれぞれのＲ^３およびＲ^４は、独立してＣ_１〜Ｃ_２２のアルキル基（例えば、直鎖もしくは分岐のアルキル基）である。好ましい態様によっては、Ｒ^１およびＲ^２は、共にメチルである。好ましくは、Ｒ^３およびＲ^４の少なくとも一方は、分岐脂肪族炭化水素部分（例えば、２−メチプロピル）である。ここで用いる用語「エトキシレート」は、式（Ｉ）のＯＨ基の一方または両方が、(ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ)_ｎ−ＣＨ_２Ｈ_２ＯＨ基で置換されており、ここでｎは０以上、そしてジオール化合物のモル当たりのＥＯの総モル数は、分子中のそれぞれのエトキシレート鎖についての（ｎ＋１）の合計である、式（Ｉ）の化合物を表している。好ましい態様によっては、界面活性剤は、アルキンジオールエトキシレートよりもむしろ、アルキンジオール化合物を含んでいる。

図１は、本発明の組成物および方法において有用な、Air Products and Chemicals, Inc.から入手可能な、市販のSURFYNOL（登録商標）銘柄の式（Ｉ）のアルキンジオール界面活性剤の２つの例、すなわち、２，４，７，９−テトラメチルデカ−５−イン−４，７−ジオール（SURFYNOL（登録商標）104）および２，４，７−トリメチルオクタデカ−５−イン−４，７−ジオール（SURFYNOL（登録商標）DFl10D）、ならびに、比較のアルキンモノアルコール界面活性剤、すなわち、３，５−ジメチルヘキサ−１−イン−３−オール（SURFYNOL（登録商標）61）を示している。他の好適なアルキンジオール含有界面活性剤としては、２，５，８，１１−テトラメチルドデカ−６−イン−５，８−ジオール（SURFYNOL（登録商標）124）がある。限定するものではないエトキシ化アルキンジオール化合物の好適な界面活性剤の例としては、SURFYNOL（登録商標）440（ジオールのモル当たりに３．５モルのＥＯでエトキシ化された２，４，７，９−テトラメチルデカ−５−イン−４，７−ジオール)、SURFYNOL（登録商標）465（ジオールのモル当たりに１０モルのＥＯでエトキシ化された２，４，７，９−テトラメチルデカ−５−イン−４,７−ジオール）、SURFYNOL（登録商標）485（ジオールのモル当たりに３０モルのＥＯでエトキシ化された２，４，７，９−テトラメチルデカ−５−イン−４，７−ジオール)；およびDYNOL（登録商標）604（ジオールのモル当たりに４モルのＥＯでエトキシ化された２，５，８，１１−テトラメチルドデカ−６−イン−５，８−ジオール）が挙げられる。

いずれかの好適な研磨材粒子を、本発明のＣＭＰ組成物および方法において用いることができる。ここで用いる用語「研磨材」および「研磨材粒子」は、ＩＣ装置の製造において用いられるような、半導体材料を含む基材ウエハおよび１種もしくは２種以上の他の材料、例えば金属、誘電体材料などの表面を研摩することができる粒子状材料を表すように、同じ意味で用いられる。このような研磨材の限定するものではない例としては、二酸化ケイ素（シリカ）、酸化アルミニウム（アルミナ）、二酸化チタン（チタニア）、酸化セリウム（セリア）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）などが挙げられる。コロイド状シリカは、好ましい研磨材である。研磨材は、好ましくは研磨組成物中に、０．０１〜１５質量％（ｗｔ％）、例えば０．０５〜８質量％、または０．１〜５質量％の範囲の濃度で存在している。好ましい態様によっては、研磨材は、当技術分野でよく知られているレーザー光散乱法で測定して、１ｎｍ〜５００ｎｍ、より好ましくは１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲の平均粒子径を有するコロイド状シリカを含んでいる。

研磨材は、望ましくは研磨組成物中に、より好ましくは研磨組成物の水性担体成分中に、懸濁されている。研磨材が、研磨組成物中に懸濁されている場合には、それはコロイド安定性である。用語「コロイド」は、液体担体中の研磨材粒子の懸濁液を表している。「コロイド安定性」は、この懸濁液が長時間に亘って維持されていることを表している。本発明の関連では、シリカを１００ｍＬの目盛付きシリンダ中に容れ、そして撹拌なしで２時間静置した場合に、研磨材組成物中の粒子の総濃度（ｇ／ｍＬで[Ｃ］)で割った、目盛付きシリンダの底部５０ｍＬ中の粒子の濃度（ｇ／ｍＬで[Ｂ］)と、目盛付きシリンダの上部５０ｍＬ中の粒子の濃度（ｇ／ｍＬで[Ｔ］)との差が、０．５以下である場合（(［Ｂ］−［Ｔ］)／［Ｃ］≦０．５）には、研磨材懸濁液は、コロイド安定性であると考えられる。(［Ｂ］−［Ｔ］)／［Ｃ］の値は、望ましくは、０．３以下であり、そして好ましくは０．１以下である。

本明細書および添付の特許請求の範囲で用いられる用語「コロイド状シリカ」は、Ｓｉ(ＯＨ)_４の縮合重合によって調製された二酸化ケイ素を表している。前駆体Ｓｉ(ＯＨ)_４は、例えば、高純度アルコキシシランの加水分解によって、または水性ケイ酸塩溶液の酸性化によって得ることができる。このようなコロイド状シリカは、米国特許第5,230,833号明細書に従って調製することができ、またはいずれかの種々の商業的に入手可能な製品、例えば、DuPont、Bayer、Applied Research、Nissan Chemical、およびClariantから入手可能な、Fuso PL-1、PL-2、およびPL-3製品、およびNalco 1050、2327、および2329製品、ならびに他の同様な製品として得ることができる。

水性担体は、好ましくは、酸性のｐＨ、好ましくはｐＨ６以下（例えば１〜４の範囲のｐＨ）を与えるのに十分な濃度で、酸性物質をその中に溶解して含んでいる水（例えば脱イオン水）を含んでいる、から本質的になる、またはからなっている。酸性物質は、酸または緩衝剤（例えば、酸、酸性塩、または酸と塩の混合物）であることができる。ＣＭＰ組成物中に用いるために好適な酸および緩衝剤は、当技術分野においてよく知られている。所望により、水性担体としては、水溶性または水混和性の有機材料、例えばアルコール、グリコールなどを挙げることができる。

更に、水性担体は、通常ＣＭＰ組成物中に含まれる他の機能性材料、例えばカルボン酸材料、カルボン酸塩、無機塩、腐食防止剤、殺生物剤、粘度調節剤、キレート化剤などを含むことができ、それらの多くの例が、ＣＭＰ分野において良く知られている。

好ましい態様によっては、ＣＭＰ組成物は、カルボン酸材料を水性担体中に、組成物の総質量を基準として、０．００１〜１０質量％（１０ｐｐｍ〜１０００００ｐｐｍ；例えば１００〜５０００ｐｐｍ、または５００〜２０００ｐｐｍ）の範囲の濃度で含んでいる。

好適なカルボン酸材料の限定するものではない例としては、モノカルボン酸（例えば、安息香酸、フェニル酢酸、１−ナフトエ酸、２−ナフトエ酸、グリコール酸、ギ酸、乳酸、マンデル酸など）、ポリカルボン酸（例えばシュウ酸、マロン酸、コハク酸、アジピン酸、酒石酸、クエン酸、マレイン酸、フマル酸、アスパラギン酸、グルタミン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、１，２，３，４−ブタンテトラカルボン酸、イタコン酸など）、およびアミノ酸、例えばグリシンが挙げられる。

本発明の組成物および方法は、ポリシリコン除去を予想外に抑制しながら、広範囲のｐＨ、研磨材濃度、および界面活性剤濃度に亘って、有用な窒化ケイ素除去速度を与える。具体的な好ましい態様によっては、窒化ケイ素除去速度は、窒化ケイ素ブランケットウエハを、Epic（登録商標）DlOO研磨パッド（Cabot Microelectronics Corporation、アウロラ、イリノイ州）で、卓上型のＣＭＰ研磨機上で、２ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の下向きの圧力で、１１５回転／分（ｒｐｍ）のプラテン速度、６０ｒｐｍの支持体速度、および１２５ミリリットル／分（ｍＬ／分）の研磨スラリー流量で、過酸化水素（１質量％）の存在下で研磨する場合に、２５０オングストローム／分（Ａ／分）以上である。驚くべきことに、同じ条件下で、ポリシリコンウエハを研磨することによって得られるポリシリコンの除去速度は、通常は窒化ケイ素除去速度の８０％以下、しばしば７０％以下、または窒化ケイ素除去速度の６０％以下である。典型的には、本発明のＣＭＰ組成物で得られるポリシリコン除去速度は、本発明の組成物と実質的には同じであるが、しかしながらアルキンジオールもしくはアルキンジオールエトキシレート界面活性剤を含まないＣＭＰ組成物で得られるポリシリコンの速度よりも、少なくとも１０％小さい（好ましくは、少なくとも２０％、３０％、４０％、もしくは５０％小さい）。

本発明の研磨組成物は、所望により１種もしくは２種以上の酸化剤（例えば、半導体表面の成分、例えば金属成分を酸化する）を含むことができる。本発明の研磨組成物および方法に用いるのに好適な酸化剤としては、限定するものではないが、過酸化水素、過硫酸塩（例えばモノ過硫酸アンモニウム、ジ過硫酸アンモニウム、モノ過硫酸カリウム、およびジ過硫酸カリウム）、過ヨウ素酸塩（例えば、過ヨウ素酸カリウム）、それらの塩、ならびに前記の２種もしくは３種以上の組み合わせが挙げられる。好ましくは、酸化剤は、半導体ＣＭＰ分野でよく知られているように、半導体ウエハ中に存在する１種もしくは２種以上の選択された金属または半導体材料を酸化するのに十分な量で、本組成物中に存在する。

本発明の研磨組成物は、いずれかの好適な技術によって調製することができ、それらの多くは当業者に知られている。本研磨組成物は、バッチまたは連続プロセスで調製することができる。一般には、本研磨組成物は、これらの成分を、いずれかの順序で混合することによって調製することができる。ここで用いられる「成分」としては、個々の原料（例えば、研磨材、界面活性剤、酸、塩基、緩衝剤、酸化剤など）ならびに原料のいずれかの組み合わせが挙げられる。例えば、研磨材は水の中に分散させることができ、そして界面活性剤およびいずれかの他の添加剤材料を加えて、そしてこれらの成分を本研磨組成物中に混合することができるいずれかの方法によって混合することができる。典型的には、酸化剤を用いる場合には、酸化剤は、本組成物をＣＭＰプロセスで使用できる状態になるまで、本研磨組成物に加えられず、例えば、酸化剤は、研磨の開始の直前に加えることができる。ｐＨは、必要に応じて、酸または塩基の添加によって、いずれかの好適な時間に更に調節することができる。

また、本発明の研磨組成物は、濃縮物として提供することができ、これは使用の前に、適切な量の水性溶媒（例えば、水）で希釈することが意図されている。このような態様では、研磨組成物濃縮物は、水性溶媒中に分散または溶解した種々の成分を、濃縮物の適切な量の水性媒体での希釈によって、本研磨組成物のそれぞれの成分が、本研磨組成物中に、使用に適切な範囲内の量で存在するように、含むことができる。

また、本発明は、窒化ケイ素基材を化学機械研磨する方法を提供する。本方法は、窒化ケイ素含有およびポリシリコン含有基材の表面を、本明細書に記載した本発明の研磨組成物で研摩することを含んでいる。

本発明の研磨組成物は、いずれかの好適な基材を研磨するために用いることができ、そして窒化ケイ素、酸化ケイ素、タングステンおよびポリシリコンを含む基材を研磨するために特に有用である。

本発明の研磨組成物は、化学機械研磨装置と共に用いるために、特に好適である。典型的には、ＣＭＰ装置は、プラテン（使用中には、プラテンは動いており、そして軌道の、直線状の、および／または円形の動きからもたらされる速度を有している）、研磨パッド（プラテンに接触して付着しており、そして動作中には支持体に対して動いている）、および研磨パッドの表面に対して接触させ、そして動かすことによって研磨される基材を保持する支持体を含んでいる。基材の研磨は、基材を、研磨パッドおよび本発明の研磨組成物に接触させて配置し、そして次いで研磨パッドを、基材に対して、基材の少なくとも一部を研摩して、基材を研磨するように動かすことによって発生する。

基材は、本発明の研磨組成物で、いずれかの好適な研磨パッド（例えば研磨表面）を用いて平坦化または研磨することができる。好適な研磨パッドとしては、例えば、織られたおよび不織の研磨パッド、溝付きのまたは溝のないパッド、多孔質または非多孔質パッドなどが挙げられる。更に、好適な研磨パッドは、種々の密度、硬度、厚さ、圧縮性、圧力に対して回復する能力、および圧縮弾性率の、いずれかの好適なポリマーを含むことができる。好適なポリマーとしては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、ナイロン、フルオロカーボン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリエーテル、ポリエチレン、ポリアミド、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリプロピレン、それらの共形成された製品、ならびにそれらの混合物が挙げられる。

望ましくは、ＣＭＰ装置は、現場での研磨終点検出システムを更に含んでおり、その多くが当技術分野において知られている。加工品の表面から反射される光または他の輻射線を分析することによって研磨プロセスを検査および監視するための技術が、当技術分野において知れられている。そのような方法が、例えば、Sandhuらへの米国特許第5,196,353号明細書、Lustigらへの米国特許第5,433,651号明細書、Tangへの米国特許第5,949,927号明細書、およびBirangらへの米国特許第5,964,643号明細書中に記載されている。望ましくは、研磨されている加工品についての研磨プロセスの進行の検査および監視は、研磨の終点の決定、すなわち、特定の加工品に対する研磨プロセスを何時停止するかの決定、を可能とさせる。

以下の例は、本発明を更に説明しているが、しかしながら、勿論のこと、本発明の範囲を限定するようには解釈してはならない。本明細書において、そして以下の例および特許請求の範囲において用いられるように、百万分の一（ｐｐｍ）として報告されている濃度は、本組成物の質量で割り算した、対象の活性成分の質量を基準としている（例えば、組成物のキログラム当たりの成分のミリグラム）。

例１
この例は、ポリシリコン除去速度への、アルキンジオール界面活性剤濃度の効果を示している。

０〜５００ｐｐｍのSURFYNOL（登録商標）104アルキンジオール界面活性剤を含む多くの研磨組成物を、同種のポリシリコンブランケットウエハ（１．６インチ角）を別々に化学機械研磨するために用いた。また、これらの研磨組成物のそれぞれは、ｐＨ２．３を有し、そして１６００ｐｐｍのグリシン、２７０ｐｐｍのマロン酸、および５６０ｐｐｍの硫酸カリウムを含んでいる水性担体中に、４．８質量％のコロイド状シリカ（４０ｎｍの平均粒子径を有している）も含んでいる。研摩は、（１質量％の過酸化水素をそれぞれのＣＭＰ組成物に加えて）卓上型の研磨機上で、Epic（登録商標）D1OO研磨パッドで、以下の研磨条件下で行なった：２ｐｓｉの下向きの力、１１５ｒｐｍのプラテン速度、６０ｒｐｍの支持体速度、および１２５ｍＬ／分のスラリー供給速度。界面活性剤濃度に対するポリシリコン除去速度を、図２中にプロットした。図２から分かるように、ポリシリコン除去速度は、界面活性剤なしでは、２５００〜３０００オングストローム／分であり、そして１００ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲の界面活性剤濃度では、１５００オングストローム／分の安定な速度に低下した。

例２
この例は、窒化ケイ素（ＳＮ）、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ_２（ＴＳ）、タングステン（Ｗ），およびポリシリコン（ＰＳ）の除去に関して、本発明の研磨組成物の効率を、アルキンジオール界面活性剤を含まない組成物と比較して示している。

２．３のｐＨを有し、そして１６００ｐｐｍのグリシン、２７０ｐｐｍのマロン酸、および５６０ｐｐｍの硫酸カリウムを含む水性担体中に、１０００ｐｐｍのSURFYNOL（登録商標）104アルキンジオール界面活性剤、４．８質量％のコロイド状シリカ（４０ｎｍの平均粒子径を有している）を含む本発明の組成物を、ＴＥＯＳ、窒化ケイ素、タングステン、およびポリシリコンのブランケットウエハを別々に化学機械研磨するために用いた。研摩は、（２質量％の過酸化水素をＣＭＰ組成物に加えて）卓上型の研磨機上で、Epic（登録商標）DlOO研磨パッドで、以下の研磨条件下で行なった：３．５ｐｓｉの下向きの力、６０ｒｐｍのプラテン速度、６５ｒｐｍの支持体速度、および１５０ｍＬ／分のスラリー供給速度。比較の目的のために、同じ種類のウエハを、同じ配合であるが、しかしながらアルキンジオールを含まない、３種類の比較組成物で研磨した。Ｅｘ．Ａは、界面活性剤を含んでいなかった。Ｅｘ．Ｂは、Ｅｘ．Ａと同じＣＭＰ組成物を用いたが、しかしながら０．５質量％だけの過酸化水素を含んでいた。Ｅｘ．Ｃは、アルキンジオールの代わりに、１０００ｐｐｍのSILWET（登録商標）L7280非イオン性界面活性剤（アルコキシル化ヘプたメチルトリシロキサン界面活性剤）を含んでいた。

それぞれの種類のウエハおよび評価したそれぞれの組成物について、界面活性剤濃度に対する観察された除去速度を、図３中に図示した。図３から分かるように、Ｅｘ．Ｄ（本発明の組成物）は、Ｅｘ．ＡおよびＥｘ．Ｂに匹敵する、良好な窒化ケイ素、Ｗ、およびＴＥＯＳ除去速度を与えたが、しかしながら、Ｅｘ．ＡおよびＥｘ．Ｂに比べて、有意に低下したポリシリコン除去速度を与えた。対照的に、Ｅｘ．Ｃ（SILWET（登録商標）L7280を含む）は、ポリシリコン除去を抑制したが、しかしながら、窒化ケイ素、タングステン、およびＴＥＯＳの除去をも、有意に、そして不必要に抑制した。

例３
この例は、ポリシリコン除去の抑制への、異なる界面活性剤の効果を示している。

１０００ｐｐｍの種々の界面活性剤を含む多くの研磨組成物を、同種のポリシリコンブランケットウエハ（１．６インチ角）を別々に化学機械研磨するために用いた。また、これらの研磨組成物のそれぞれは、２．３のｐＨを有し、そして１６００ｐｐｍのグリシン、２７０ｐｐｍのマロン酸、および５６０ｐｐｍの硫酸カリウムを含む水性担体中に、４．８質量％のコロイド状シリカ（２０ｎｍの平均粒子径を有している）も含んでいた。研摩は、（１質量％の過酸化水素をそれぞれのＣＭＰ組成物に加えて）卓上型の研磨機上で、Epic（登録商標）D1OO研磨パッドで、以下の研磨条件下で行なった：２ｐｓｉの下向きの力、１１５ｒｐｍのプラテン速度、６０ｒｐｍの支持体速度、および１２５ｍＬ／分のスラリー供給速度。評価した界面活性剤は、SURFYNOL（登録商標）104、SURFYNOL（登録商標）440、SURFYNOL（登録商標）485、SURFYNOL（登録商標）61（比較のアルキンモノアルコール）、SURFYNOL（登録商標）DFl10D、DYNOL（登録商標）604、およびIGEPAL（登録商標）CO890（アルキルフェノールエトキシレート、比較の界面活性剤）であった。それぞれの界面活性剤濃度で得られたポリシリコン除去速度抑制のパーセンテージを、図４に図示した。抑制の大きさは、界面活性剤ありで得られた速度を、界面活性剤なしで得られた速度と比較することによって定めた。図４から分かるように、１０％〜５０％以上の範囲のポリシリコン除去速度抑制が、本発明の組成物で得られたが、一方で、IGEPAL（登録商標）CO890は抑制を与えず、そしてSURFYNOL（登録商標）61は、１０％未満の抑制を与えた。

好ましいアルキンジオール界面活性剤は、式（Ｉ）のアルキンジオール化合物またはアルキンジオール化合物のモル当たりに、１〜４０モル（好ましくは４〜３０モル）のエチレンオキシ単位を含む、そのエトキシレートを含んでいる。

式中、それぞれのＲ^１およびＲ^２は、独立してＨまたはメチルであり；そしてそれぞれのＲ^３およびＲ^４は、独立してＣ_１〜Ｃ_２２のアルキル基（例えば、直鎖もしくは分岐のアルキル基）である。好ましい態様によっては、Ｒ^１およびＲ^２は、共にメチルである。好ましくは、Ｒ^３およびＲ^４の少なくとも一方は、分岐脂肪族炭化水素部分（例えば、２−メチルプロピル）である。ここで用いる用語「エトキシレート」は、式（Ｉ）のＯＨ基の一方または両方が、(ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ)_ｎ−ＣＨ_２Ｈ_２ＯＨ基で置換されており、ここでｎは０以上、そしてジオール化合物のモル当たりのＥＯの総モル数は、分子中のそれぞれのエトキシレート鎖についての（ｎ＋１）の合計である、式（Ｉ）の化合物を表している。好ましい態様によっては、界面活性剤は、アルキンジオールエトキシレートよりもむしろ、アルキンジオール化合物を含んでいる。

本発明の組成物および方法は、ポリシリコン除去を予想外に抑制しながら、広範囲のｐＨ、研磨材濃度、および界面活性剤濃度に亘って、有用な窒化ケイ素除去速度を与える。具体的な好ましい態様によっては、窒化ケイ素除去速度は、窒化ケイ素ブランケットウエハを、Epic（登録商標）DlOO研磨パッド（Cabot Microelectronics Corporation、アウロラ、イリノイ州）で、卓上型のＣＭＰ研磨機上で、２ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の下向きの圧力で、１１５回転／分（ｒｐｍ）のプラテン速度、６０ｒｐｍの支持体速度、および１２５ミリリットル／分（ｍＬ／分）の研磨スラリー流量で、過酸化水素（１質量％）の存在下で研磨する場合に、２５０オングストローム／分（Ａ／分）以上である。驚くべきことに、同じ条件下で、ポリシリコンウエハを研磨することによって得られるポリシリコンの除去速度は、通常は窒化ケイ素除去速度の８０％以下、しばしば７０％以下、または窒化ケイ素除去速度の６０％以下である。典型的には、本発明のＣＭＰ組成物で得られるポリシリコン除去速度は、本発明の組成物と実質的には同じであるが、しかしながらアルキンジオールもしくはアルキンジオールエトキシレート界面活性剤を含まないＣＭＰ組成物で得られるポリシリコンの除去速度よりも、少なくとも１０％小さい（好ましくは、少なくとも２０％、３０％、４０％、もしくは５０％小さい）。

Claims (20)

1. 窒化ケイ素含有基材の研磨に好適であるが、該基材からのポリシリコン除去を抑制する化学機械研磨組成物であって、該組成物は、アルキンジオール、アルキンジオールエトキシレートもしくはそれらの組み合わせを含む、１０〜１００００ｐｐｍの界面活性剤を含む、水性担体中に懸濁された０．０１〜１５質量％の研磨材粒子を含んでいる、組成物。
2. 前記水性担体が、１０以下のｐＨを有している、請求項１記載の組成物。
3. 前記水性担体が、１〜４の範囲のｐＨを有している、請求項１記載の組成物。
4. 前記研磨材粒子が、コロイド状シリカを含む、請求項１記載の組成物。
5. １０〜１０００００ｐｐｍの少なくとも１種のカルボン酸含有添加剤を更に含む、請求項１記載の組成物。
6. 前記少なくとも１種のカルボン酸含有添加剤が、マロン酸、グリシン、またはそれらの組み合わせを含む、請求項５記載の組成物。
7. 前記界面活性剤が、２０〜１０００ｐｐｍの範囲の濃度で存在する、請求項１記載の組成物。
8. 前記界面活性剤が、アルキンジオール化合物のモル当たりに、１〜４０モルのエチレンオキシ単位を含む、式（Ｉ）
   

   

   式中、Ｒ^１およびＲ^２のそれぞれは、独立してＨまたはメチルであり、そして
   Ｒ^３およびＲ^４のそれぞれは、独立してＣ_１〜Ｃ_２２アルキル基である、
   のアルキンジオール化合物および／またはそのエトキシレートを含む、請求項１記載の組成物。
9. 有機または無機塩添加剤を更に含む、請求項１記載の組成物。
10. 前記塩添加物が、硫酸カリウムを含む、請求項９記載の組成物。
11. 半導体基材を研磨して、該基材の表面からポリシリコンに優先して窒化ケイ素を除去する方法であって、窒化ケイ素含有およびポリシリコン含有基材の表面を、アルキンジオール、アルキンジオールエトキシレート、またはそれらの組み合わせを含む、１０〜１００００ｐｐｍの界面活性剤を含む、水性担体中に懸濁した０．０１〜１５質量％の研磨材を含むＣＭＰ組成物で研摩すること含む、方法。
12. 前記研磨が、過酸化水素の存在下で行なわれる、請求項１１記載の方法。
13. 前記ＣＭＰ組成物中の前記界面活性剤が、アルキンジオール化合物のモル当たりに、１〜４０モルのエチレンオキシ単位を含む、式（Ｉ）
    

    

    式中、Ｒ^１およびＲ^２のそれぞれは、独立してＨまたはメチルであり、そして
    Ｒ^３およびＲ^４のそれぞれは、独立してＣ_１〜Ｃ_２２アルキル基である、
    のアルキンジオール化合物および／またはそのエトキシレートを含む、請求項１１記載の方法。
14. 前記研摩が、
    （ａ）前記基材の表面を研磨パッドおよび前記ＣＭＰ組成物と接触させること；ならびに
    （ｂ）前記パッドと前記基材との間で、前記ＣＭＰ組成物の一部と、前記表面との接触を維持しながら、前記表面から窒化ケイ素を研摩するのに十分な時間、前記研磨パッドと前記基材の間に相対的な動きを生じさせること、
    によって達成される、請求項１１記載の方法。
15. 前記組成物が、１０〜１０００００ｐｐｍの少なくとも１種のカルボン酸含有添加剤を更に含む、請求項１１記載の方法。
16. 前記少なくとも１種のカルボン酸含有添加剤が、マロン酸、グリシン、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記組成物が、有機または無機塩添加剤を更に含む、請求項１１記載の方法。
18. 前記塩添加物が、硫酸カリウムを含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記水性担体が、１０以下のｐＨを有する、請求項１１記載の方法。
20. 前記水性担体が、１〜４のｐＨを有する、請求項１９記載の方法。

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