JP4938654B2 - 改善された酸化物除去速度のためのｃｍｐ組成物 - Google Patents

Description

本発明は研磨組成物及び誘電体層の化学−機械研磨でそれらを使用する方法に関係する。

半導体デバイスの要素を絶縁するための方法として、窒化珪素層が珪素基材に形成される浅溝絶縁（ＳＴＩ）プロセスに多くの注意が向けられており、浅い溝はエッチング又はフォトリソグラフィーを通じて形成され、そして溝を埋めるために誘電体層が付着される。このやり方で形成した溝の深さの多様性のせいで、全ての溝の完全な充填を確実なものにするために過剰な誘電体材料を基材の頂部(top)に付着することが概して必要である。

誘電体材料（例えば、酸化物）は基材の下に横たわる地形に適合する。それゆえ、基材の表面は溝の間の上にのった酸化物の隆起した範囲によって特徴づけられ、これはパターン酸化物と呼ばれる。溝の外側に横たわっている過剰な誘電体はその後に概して化学−機械研磨によって除去され、これはさらなるプロセスのための平面的な表面を付加的にもたらす。パターン酸化物は磨り減らされそして表面の平面性が達せられるにつれて、酸化物層はその後ブランケット酸化物と呼ばれる。

基材の表面を平坦化又は研磨するための組成物及び方法は技術的に周知である。研磨組成物（研磨スラリーとしても知られる）は概して液体キャリアー中に砥材材料を含み、そして研磨組成物で飽和した研磨パッドと表面とを接触させることによって表面に適用される。標準的な砥材材料は二酸化珪素、酸化セリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、及び酸化スズを含む。米国特許５，５２７，４２３号は、例えば、高純度で微細な金属酸化物粒子を水性媒体中に含む研磨スラリーと表面とを接触させることによって金属層を化学−機械研磨する方法を記載する。研磨組成物は概して研磨パッド（例えば、研磨布又はディスク）とともに使用される。好適な研磨パッドが米国特許６，０６２，９６８号、６，１１７，０００号及び６，１２６，５３２号に記載され、これらは開放セルの多孔性ネットワークを有する焼結ポリウレタン研磨パッドの使用を開示し、そして米国特許５，４８９，２３３号、これは表面テクスチャ又はパターンを有する固体研磨パッドの使用を開示する。研磨組成物中に懸濁されることに代えて又は加えて、砥材材料が研磨パッドに組み込まれてもよい。米国特許５，９５８，７９４号は固定した砥材の研磨パッドを開示する。

低誘電定数の材料を含む基材のためのいくつかの化学−機械研磨組成物が知られている。例えば、米国特許６，０４３，１５５号は無機及び有機絶縁膜のための酸化セリウム系スラリーを開示する。米国特許６，０４６，１１２号は、ジルコニア砥材とテトラメチルアンモニウム水酸化物又はテトラブチルアンモニウム水酸化物のいずれかとを含む、低誘電性材料を研磨するための研磨組成物を開示する。米国特許６，２７０，３９５号は砥材及び酸化剤を含む低誘電性材料のための研磨組成物を開示する。

しばしば珪素酸化物パターンの除去速度はＳＴＩプロセスにおける誘電体研磨ステップに関して律速となり得る、そしてそれゆえデバイスのスループットを上げるために高い除去速度が望まれる。パターン酸化物の研磨において、酸化物除去の速度が実用的になるまでの開始又は誘導期間が存在する。開始又は誘導期間の継続時間を削減した化学−機械研磨の方法が、それによって基材の平坦化のために必要な時間を削減する。しかしながら、ブランケット除去速度が急速すぎる場合、露出した溝の酸化物の過剰な研磨が結果として溝の浸食及びデバイスの欠陥性の増加をもたらす。

従って、改善された研磨組成物及び珪素酸化物基材の平坦化のための方法に対する要求が依然として残っている。本発明はこのような研磨組成物及び方法を提供する。本発明のこれらおよび他の長所は、付加的な発明の特徴と同様に、ここで提供される発明についての説明から明らかにされる。

本発明は、（ａ）アルミナ、セリア、ジルコニア、及びそれらの組合せからなる群から選択した０．０１質量％〜１質量％の砥材、（ｂ）Ｃｌ⁻、Ｂｒ⁻、及びＩ⁻からなる群から選択したアニオンを含む０．０５ｍＭ〜３０ｍＭのハロゲン化物塩、及び（ｃ）水を含む、化学−機械研磨組成物を提供する。本発明はさらに、（ａ）基材を研磨パッド及び化学−機械研磨組成物と接触させること、（ｂ）研磨パッドを基材と関連して動かし、それらの間には化学−機械研磨組成物を伴うこと、そして（ｃ）基材を研磨するために少なくとも基材の一部を磨り減らす(abrading)ことを含む、基材を化学−機械研磨するための方法を提供する。

本発明は、（ａ）砥材、（ｂ）ハロゲン化物塩、及び（ｃ）水を含む、化学−機械研磨組成物を提供する。研磨組成物は望ましくは低誘電性層を含む基材の化学−機械平坦化におけるパターン酸化物の除去速度の向上及びブランケット酸化物の除去速度の低減を可能にする。

ここで使用される「成分」という用語は、個々の内容物（例えば酸、塩基、等）、同様に内容物の任意の組合せ（例えば、酸、塩基、界面活性剤、等）を含む。

砥材はアルミナ、セリア、及びジルコニアからなる群から選択される。砥材は好ましくはアルミナ又はセリアである。より好ましくは、砥材はセリアである。研磨組成物中に存在する砥材の量は望ましくは液体キャリアー及びそこに溶解または懸濁した任意の成分の質量を基準として、０．０１質量％以上（例えば、０．０２質量％以上、０．０５質量％以上、又は０．１質量％以上）である。研磨組成物中に存在する砥材の量は望ましくは液体キャリアー及びそこに溶解または懸濁した任意の成分の質量を基準として、１質量％以下（例えば、０．５質量％以下）である。

ハロゲン化物塩はＣｌ⁻、Ｂｒ⁻、及びＩ⁻からなる群から選択したアニオンを有する任意の塩であることが可能である。好ましくは、ハロゲン化物塩はアニオンＩ⁻を含む。ハロゲン化物塩のカチオンは任意の好適なカチオンであることが可能である。望ましくは、ハロゲン化物塩は金属カチオンを含む。好ましくは、金属カチオンは研磨条件下の基材又は研磨組成物の任意の成分と化学反応性を示さない。より好ましくは、カチオンは
Ｌｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋、Ｓｒ^２＋、Ｂａ^２＋、Ｆｅ^２＋からなる群から選択される。最も好ましくは、ハロゲン化物塩はヨウ化カリウム（”ＫＩ”）である。ハロゲン化物塩はまたアンモニアハロゲン化物及びピリジニウムハロゲン化物であることが可能である。アンモニアハロゲン化物塩は好ましくはＮＨ_４Ｃｌ、ＮＨ_４Ｂｒ、及びＮＨ_４Ｉ、及びピリジニウムハロゲン化物塩は好ましくは Ｃ_５Ｈ_５ＮＨＣｌ、Ｃ_５Ｈ_５ＮＨＢｒ、及びＣ_５Ｈ_５ＮＨＩからなる群から選択される。

研磨組成物中のハロゲン化物塩の濃度は望ましくは０．０５ｍＭ以上（例えば、０．１ｍＭ以上）である。研磨組成物中のハロゲン化物塩の濃度は好ましくは３０ｍＭ以下（例えば、１０ｍＭ以下、又は５ｍＭ以下）である。３０ｍＭより高い濃度でハロゲン化物塩が存在することは結果として受け入れ難いほど低い速度までブランケット酸化物除去を遅延することをもたらす。ハロゲン化物塩の望ましい濃度は任意の好適な手段、例えば研磨組成物の調合（preparation)において液体キャリアー及びそこに溶解または懸濁した任意の成分の質量を基準として、０．０１質量％〜０．５質量％のハロゲン化物塩を使用することによって、達成されることが可能である。

化学−機械研磨組成物は９未満（例えば８以下、又は７以下）であるｐＨを有する。好ましくは、研磨組成物は３以上（例えば４以上）のｐＨを有する。さらにより好ましくは、研磨組成物は４〜７のｐＨを有する。研磨組成物は随意的にｐＨ調整剤、例えば水酸化ナトリウム又は塩酸を含む。研磨組成物は随意的にｐＨ緩衝システム、例えば酢酸アンモニウム又はクエン酸二ナトリウムを含むことが可能である。このようなｐＨ緩衝システムは技術的に周知である。

化学−機械研磨組成物は随意的に有機カルボン酸を含む。本発明の化学−機械研磨組成物において実用的なカルボン酸はモノカルボン酸及びジカルボン酸及びそれらの塩を含む。好ましくは、カルボン酸は酢酸、プロピオン酸、酪酸、安息香酸、ギ酸、マロン酸、コハク酸、酒石酸、乳酸、フタル酸、サリチル酸、アントラニル酸、クエン酸、グリコール酸、フマル酸、ラウリン酸、ピルビン酸、ステアリン酸、クロロ酢酸、ジクロロ酢酸、２−ピリジンカルボン酸、グリシン、アラニン、３−アミノプロピオン酸、４−アミノ酪酸、それらの誘導体、それらの塩、及びそれらの組合せからなる群から選択される。より好ましくは、カルボン酸はアミノカルボン酸である。

化学−機械研磨組成物は任意の好適な量のカルボン酸を含むことが可能でありそして概してこのような酸を０．０００１質量％以上含む。好ましくは、研磨組成物は０．００１質量％〜０．５質量％のカルボン酸を含む。より好ましくは、研磨組成物は０．００１質量％〜０．２５質量％のカルボン酸を含む。

前述のカルボン酸は塩（例えば、金属塩、アンモニウム塩、またはそれに類するもの）、酸の形態で、又はそれらの部分的な塩として存在することが可能であることが理解される。例えば、酒石酸塩は酒石酸のほかにそれらのモノ−およびジ−塩を含む。さらに、塩基性官能基を含むカルボン酸は塩基性官能基の酸性塩の形態で存在することが可能である。例えば、グリシンはグリシンのほかにそれらのモノ酸性塩を含む。さらに、いくつかの化合物は酸として及びキレート剤として両方の機能をすることが可能である（例えば、特定のアミノ酸及びそれに類するもの）。

カルボン酸は研磨組成物においていくつかの機能を提供する。カルボン酸は系のｐＨを緩衝することを提供し、そして下に横たわる窒化珪素を覆う酸化物誘電体材料についてある程度の選択性を与える。この酸は付加的に酸化物除去速度を増大させ、そして研磨組成物のコロイド安定性を与える。

化学−機械研磨組成物は随意的にさらに一以上の他の添加剤を含む。このような添加剤は任意の好適な界面活性剤及び／又はレオロジー制御剤を含み、これは粘性増強剤及び凝固剤（例を挙げると、例えば、ウレタンポリマーのような、高分子レオロジー制御剤）、一以上のアクリルサブユニットを含むアクリレート（例えば、ビニルアクリレート及びスチレンアクリレート）、及びポリマー、コポリマー、及びそれらのオリゴマー、及びそれらの塩を含む。好適な界面活性剤は、例えば、陽イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤、陰イオン性高分子電解質、非イオン性界面活性剤、両性界面活性剤、フッ素化界面活性剤、それらの混合物、及びこれらに類するものを含む。

化学−機械研磨組成物は任意の基材を研磨するために使用されることが可能であり、そして低誘電性材料からなる少なくとも一の層（概して表面層）を含む基材を研磨することに関して特に有用である。ウェハーは概して、例えば、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属複合材、金属合金、低誘電性材料、又はそれらの組合せからなる。本発明の方法は特に二酸化珪素を含む基材の研磨に関して有用である。

化学−機械研磨組成物は特に浅溝絶縁（ＳＴＩ）プロセスを受けた基材の平坦化又は研磨に大変都合よくできている。ＳＴＩプロセスは概して窒化珪素の層を付着された珪素基材を提供することを含む。フォトリソグラフィーの後に溝が窒化珪素の層からなる基材にエッチ（食刻）され、そして過剰な二酸化珪素がそこに付着される。基材はそれから窒化珪素が十分に露出されるまで平坦化され、溝に残存する酸化珪素がおおよそ窒化珪素と同じ高さになるようにされる。望ましくは、平坦化又は研磨はこのような標準的なＳＴＩプロセスで本発明の化学−機械研磨組成物を伴って実施され、好ましくは二酸化珪素が除去されそして平坦化が窒化珪素層で止まるようにされる。

化学−機械研磨組成物は特に化学−機械研磨に関して有用である。この点において、本発明は（ａ）基材を研磨パッド及び化学−機械研磨組成物と接触させること、（ｂ）研磨パッドを基材と関連して動かし、それらの間には化学−機械研磨組成物を伴うこと、そして（ｃ）基材を研磨するために少なくとも基材の一部を磨り減らす(abrading)ことを含む、化学−機械研磨するための方法を提供する。化学−機械研磨の標準的なプロセスにおいて、基材（半導体ウェハーのような）は制御された化学的、圧力、速度、及び温度条件下で研磨組成物の存在するところで研磨パッドに対して押しつけられる。基材とパッドの相対的な動きは円形、楕円形、又は線形であることが可能である。概して、基材とパッドの相対的な動きは円形である。

基材は化学−機械研磨組成物を用いて任意の好適な技術によって平坦化又は研磨されることが可能である。この点において、研磨組成物が研磨パッド又は基材の表面に届けられる前に形成されることが好適である。研磨組成物が、二以上の相異なる原料からなる研磨組成物の成分の送り出しを通じて（ここで研磨組成物の成分は研磨パッドの表面又は基材の表面で落ち合う）、研磨パッドの表面に又は基材の表面に形成される（例えば、混合される）こともまた好適である。この点において、研磨組成物の成分が研磨パッド又は基材の表面へ送り出される流速（すなわち、研磨組成物の特定の成分の送り出される量）は、研磨選択性及び／又は研磨組成物の粘度が変更されるように、研磨プロセスの前に及び／又は研磨プロセスの間に変更されることが可能である。さらに、研磨パッドの表面に又は基材の表面に送り出される前に、二以上の相異なる原料から送り出されている研磨組成物の特定の成分が異なるｐＨ値を有すること、又はそのかわりに実質的に類似の、あるいはさらには同等の、ｐＨ値を有することが好適である。研磨パッドの表面に又は基材の表面に送り出される前に、二以上の相異なる原料から送り出されている特定の成分が、どちらかが独立にろ過されること又は合同で（例えば、一緒に）ろ過されることもまた好適である。

基材は任意の好適な研磨パッド（例えば研磨表面）とともに化学−機械研磨組成物を用いて平坦化又は研磨されることが可能である。好適な研磨パッドは、例えば、織った又は不織の研磨パッドである。さらに、好適な研磨パッドは密度、硬度、厚さ、圧縮性、圧縮に対して跳ね返る能力、及び圧縮係数が変化する任意の好適なポリマーを含む。好適なポリマーは、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、それらが一緒に形成された製品（coformed product thereof）、及びそれらの混合物を含む。

以下の例はさらに本発明を明らかにするが、いうまでもなく、どのようなやり方でもその範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。

以下の例において、ブランケット除去速度は、本質的に連続する表面を有する二酸化珪素層のÅ／分での減少速度である。１００％活性な除去速度は、研磨パッドにほぼ１００％近づくこと（アクセス）ができる二酸化珪素層のÅ／分での減少速度であり、そしてブランケット除去速度と同義である。５０％活性除去速度はその表面の約５０％が研磨パッドに近づくこと（アクセス）ができるパターン二酸化珪素層のÅ／分での減少速度である。研磨の実験は概して研磨パッドに対して２７．６ｋＰａ（４ｐｓｉ）の基材のダウンフォース圧力、６０ｒｐｍの定盤速度、５６ｒｐｍのキャリアー速度、２００ｍＬ／分の研磨組成物流量、及び同心の溝付きＣＭＰパッドのその場での調整を伴った、５０．８ｃｍ（２０インチ）の研磨ツールの使用を含む。これらの例において、酸化物という用語は二酸化珪素と同義である。

例１
本例は様々の砥材について１００％活性除去速度及び５０％活性除去速度でＫＩを導入することの重大さを明らかにする。水と０．１５質量％のセリア、１質量％のジルコニア（ＺｒＯ_２）、３質量％の蒸気アルミナ、１０質量％の蒸気シリカ、又は水中の１０質量％のコロイドシリカのいずれかとを含む研磨組成物が正副二つ用意され、各正副の組成物の一つはＫＩも含んでいる。各研磨組成物は５のｐＨを有する。コロイドシリカは粒子サイズが１０〜１５０ｎｍの範囲で水中にあるシリカの安定な分散として供給されることに特徴づけられる。類似の二酸化珪素層が各々の異なる研磨組成物で別々に研磨された。研磨組成物の使用の後に、各研磨組成物による二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の１００％活性除去速度及び５０％活性除去速度が測定され、表１に結果のデータを示している。

表１で示されたデータから明らかであるように、セリアを含む研磨組成物にＫＩを添加すると結果として１００％活性除去速度の約５１％の減少、そして５０％活性除去速度の約８％の増加をもたらした。ジルコニアを含む研磨組成物に関して、ＫＩの添加は結果として１００％活性除去速度の約２％の増加、そして５０％活性除去速度の約９％の増加をもたらした。蒸気アルミナを含む研磨組成物に関して、ＫＩの添加は結果として１００％活性除去速度の約８７％の減少、そして５０％活性除去速度の約４０％の減少をもたらした。対照的に、蒸気シリカを含む研磨組成物に関して、ＫＩの添加は結果として１００％活性除去速度の約９４％の増加、そして５０％活性除去速度においては本質的に変化なしであった。同様に、コロイドシリカを含む研磨組成物はＫＩを添加した場合１００％活性除去速度の約１９％の増加、そして５０％活性除去速度の１３％の増加を示した。

この効果はセリアを含む組成物の場合に最大であり、そこでは５０％活性除去速度における望ましい増加及び１００％活性除去速度における望ましい減少の両方が観察された。ジルコニア含有組成物に関して、１００％活性除去速度は僅かに変化し、しかし５０％活性除去速度は増加された。蒸気アルミナ含有組成物において、両表面の除去速度は減少し、しかし５０％活性除去速度の１００％活性除去速度に対する比は２：１から９：１へ有利に変化した。シリカ含有組成物はＫＩを添加した場合１００％活性除去速度及び５０％活性除去速度の両方で望ましくない上昇を示した。このようにして、本例の結果は本発明の研磨組成物によって得られる二つの異なる表面タイプに関する除去速度への影響を実証する。

例２
本例は、ブランケット除去速度及び５０％活性除去速度に影響を与えることにおける、本発明の研磨組成物の中のハロゲン化物アニオンの重大さを示す。研磨組成物はセリア及び種々の塩（特に、０．５ｍＭのＫＮＯ_３、０．５ｍＭのＫＣｌ、０．５ｍＭのＫＩ、０．２５ｍＭのＫ_２Ｃ_２Ｏ_４、０．５ｍＭのＫ_２Ｃ_２Ｏ_４、２.０ｍＭのＫＣｌ、及び０．５ｍＭのＫ_２ＳＯ_４）を水中に含んで用意される。類似の二酸化珪素層が各々の異なる研磨組成物で別々に研磨された。研磨組成物の使用の後に、ブランケット除去速度及び５０％活性除去速度が測定され、表２に結果のデータを示している。

表２で示されたデータから明らかであるように、ＫＩまたはＫＣｌの存在が結果として、対照組成物と比較すると、ブランケット除去速度の減少及び５０％活性除去速度の増加をもたらした。ＫＮＯ_３又はＫ_２ＳＯ_４の存在は結果として両基材特徴部に関して除去速度の減少をもたらし、そしてＫ_２Ｃ_２Ｏ_４の存在は結果として両基材特徴部に関して速度の大幅な減少をもたらした。このようにして、本例の結果は研磨組成物中に存在するアニオンの重大さ及び本発明の研磨組成物中のハロゲン化物イオンの存在に起因する有利な効果を実証する。

Claims (7)

1. 化学−機械研磨の方法であって：
   （ａ）二酸化珪素を含む基材を研磨パッドおよび化学−機械研磨組成物と接触させ、
   化学−機械研磨組成物が：
   （ｉ）０．０１質量％〜１質量％のセリア、
   （ii）Ｉ⁻、およびＮａ⁺、Ｋ⁺、及びＮＨ₄ ⁺からなる群から選択したカチオンを含む０．０５ｍＭ〜５ｍＭのハロゲン化物塩、並びに
   （iii ）水、を含み、
   ここで研磨組成物は９未満のｐＨを有すること、
   （ｂ）研磨パッドを基材と関連して動かし、それらの間には化学−機械研磨組成物を伴うこと、そして
   （ｃ）基材を研磨するために少なくとも基材の一部を磨り減らす(abrading)こと、を含んでなる方法。
2. 化学−機械研磨組成物が３〜８のｐＨを有する、請求項１に記載された方法。
3. ハロゲン化物塩がＫＩである、請求項１に記載された方法。
4. さらに有機カルボン酸を含んでなる、請求項３に記載された方法。
5. さらに有機カルボン酸を含んでなる、請求項１に記載された方法。
6. 有機カルボン酸がモノカルボン酸及びジカルボン酸からなる群から選択される、請求項５に記載された方法。
7. 有機カルボン酸がアミノカルボン酸である、請求項６に記載された方法。