TW201016806A - Chemical-mechanical polishing compositions and methods of making and using the same - Google Patents

Chemical-mechanical polishing compositions and methods of making and using the same Download PDF

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Description

201016806 六、發明說明: * 【發明所屬之技術領域】 本發明關於化學機械硏模(“CMP”)組成物與其製法及 用途。 【先前技術】 CMP爲一種源自工業時代前之技術。近年來,CMP已 變成半導體晶片製造者在安裝電路圖案層時將半導體晶片 之表面平面化的首選技術。CMP技術爲已知的,而且一般 〇 使用硏磨墊及含化學試劑與磨粒之硏磨漿液組成物完成。 化學試劑之功能爲與欲硏磨層表面上之一或多種材料化學 地反應,磨粒則實行機械硏磨功能。 ' CMP技術之用途之一爲在半導體晶片或晶圓(如矽) 上形成之積體電路中製造淺溝槽隔離(STI)結構。STI結構 之目的爲在特定圖案層中隔離不連續裝置元件(例如電晶 體)以防止其間發生之漏電。利於積體電路上之非常小、 高密度電路圖案製造的近來技術昇級已對隔離結構有較高 ® 之要求。 STI結構通常藉由在矽基板上熱生長氧化物層,然後 在熱生長氧化物層上沉積氮化矽層而形成。在沉積氮化矽 層之後,其使用例如任何已知之微影術光罩及蝕刻法形成 通過氮化矽層、熱生長氧化物層、及部分通過矽基板之淺 溝槽。然後一般使用化學蒸氣沉積法沉積一層介電材料( 如二氧化矽)以完全地充塡溝槽及覆蓋氮化矽層。其次使 用CMP法去除二氧化矽層重叠或覆蓋氮化矽層之部分,及 201016806 _ 將作業片之全部表面平面化。氮化矽層意圖之功能爲在 CMP處理期間保護底下熱生長氧化物層與矽基板免於暴露 之硏磨終點。在某些應用中,氮化矽層在以後藉由將物品 浸泡於熱磷酸溶液中而去除,僅留下充塡二氧化矽之溝槽 作爲STI結構。然後通常實行額外之處理以形成多矽閘結 構》 其應顯而易知,在矽半導體基板上製造STI結構之 CMP步驟期間,使用可選擇性地去除二氧化矽勝於作爲終 ❹ 點層之氮化矽的硏磨劑極爲有利。理想地,CMP去除氮化 矽之速率爲零,而CMP去除重疊氮化矽終點層之二氧化矽 的速率則非常高。如此可得高製造輸出。其使用名詞「選 擇性」敘述在CMP法中去除二氧化矽之速率對相同硏磨劑 去除氮化矽之速率的比例。選擇性係將去除二氧化矽膜之 速率(通常換算成A/分鐘而表示)除以去除氮化矽膜之速 率而決定。 已知二氧化矽溝槽充塡材料之去除速率可因改變硏磨 ® 條件(如增加墊壓及在漿液中使用較大磨粒)而相當高。 然而這些硏磨條件亦趨於增加氮化矽去除速率,其影響最 終氮化矽層厚度之均勻性,而且可在最終產品中造成其他 缺陷,如刮痕。因此CMP漿液組成物促進合理之二氧化矽 去除速率,同時妨礙或抑制氮化矽去除速率爲重要的。然 而對某些應用亦必須適度地完成。在CMP漿液之選擇性太 高而連結非常低之氮化矽去除速率時,可發生其他問題’ 如溝槽二氧化矽之「凹陷」,一旦去除氮化矽終點層則其 201016806 可造成嚴重之地形變動。因此爲了可用於STI處理,CMP 漿液組成物需要可均衡這些因素。 過去已將聚丙烯酸酯與特定胺基酸加入CMP漿液組 成物而得到二氧化矽勝於化矽之高選擇性硏磨。在大部分 先行技藝中,使用這些添加劑之CMP漿液組成物隨加入較 多添加劑而使二氧化矽與氮化矽去除速率均降低》其在某 些情況二氧化矽去除速率太低而成問題,因而降低淺溝槽 隔離(STI)結構之製造輸出。 • 【發明內容】 . 本發明提供一種水性CMP漿液組成物,其包含磨粒及 依照式I之化合物: 0^°
其中 R!、R2、R3、R4、與 R5 僅一爲羥基(-OH),R,、R2、 R3、R4、與 R5 僅一爲甲氧基(-〇CH3),及 Ri、R2、R3、R4 、與R5中不爲羥基(_0H)或甲氧基(_〇(;:113)之三爲氫原子(-H) 。用於本發明之目前最佳磨粒爲氧化姉(在此有時稱爲「 鈽氧」)’及用於本發明之目前最佳依照式I之化合物爲 香草酸。香草酸顯著地增加二氧化矽去除速率。 本發明亦提供一種藉CMP自作業片表面去除二氧化 砂之方法’其包含(1)在硏磨墊與作業片之間提供一種水性 201016806 . CMP漿液組成物,其中水性CMP漿液組成物包含磨粒與依 照式I之化合物;及(2)在使硏磨墊與作業片彼此相對移動 以自作業片表面去除二氧化矽時,將硏磨墊及作業片與配 置於其間之CMP漿液組成物壓迫在一起。在本發明之一個 較佳具體實施例中,CMP漿液組成物進一步包含一種氮化 矽去除速率抑制添加劑,例如脯胺酸。 本發明之以上及其他特點在此更詳細地說明,而且在 申請專利範圍中特別地指出,以下說明詳述本發明之特定 ® 描述性具體實施例,然而其僅爲指示數種可使用本發明原 . 理之方式。 【實施方式】 在一個較佳具體實施例中,本發明提供在半導體裝置 製造期間經化學機械硏磨利於去除二氧化矽勝於氮化矽之 CMP漿液組成物及方法。名詞「二氧化矽」指任何具有主 要爲Si 02結構之沉積物,其可已藉任何方式沉積或形成, 包括但不限於熱生長二氧化矽與正矽酸四乙酯(“TEOS”)。 ® 依照本發明之CMP漿液組成物可用於各種需要將二 氧化矽去除或平面化之應用。實例包括STI結構之製造、 層間介電體(ILD)硏磨、及微電機械系統(MEMS)裝置之製 造。 依照本發明之CMP漿液組成物包含磨粒及依照式 化合物的水性分散液: 201016806
其中 Ri、R2、R3、R4、與 R5 僅一爲羥基(-OH),R,、R2、 R3、R4、與 R5 僅一爲甲氧基(-〇CH3),及 R,、R2、R3、R4 、與R5中不爲羥基(-OH)或甲氧基(-OCH3)之三爲氫原子(-H) 。依照式I之化合物存在於組成物中之量較佳爲約0.01重 量%至其水中溶解度極限,而且最佳爲漿液組成物之約〇.〇5 重量%。依照式I之化合物實行在硏磨期間增加二氧化矽去 除速率之功能。 目前最佳依照式I之化合物爲香草酸,其具有下示結 構: 參
°W〇H Η Η
香草酸之水中溶解度極限一般爲漿液之約0.12重量% 。申請人相信其他依照式I之化合物同樣地亦在硏磨期間 增加二氧化矽去除速率。此化合物包括但不限於異香草酸 與2-羥基-X-甲氧基苯甲酸(其中X爲3、4、5、或6)。 201016806 香草酸因其性能、可得性及無毒性而爲目前最佳。 爲固體,其必須溶於水中。申請人已發現,藉由在 草酸之前將溶解促進劑(如異丙醇)加入水中可增 酸溶於水中之速率。異丙醇之量較佳爲全部漿液組 約0.15重量%。 用於依照本發明之CMP漿料組成物的磨粒實 硏磨之功能。用於本發明之目前最佳磨粒爲鈽氧。 可另外或替代地使用其他磨料。其他磨料包括例如 ® 矽石、氧化銅、氧化鐵、氧化鎳、氧化錳、碳化矽 _ 矽、氧化錫、鈦氧、碳化鈦、氧化鎢、釔氧、锆氧 組合。 較佳之铈氧磨粒較佳爲具有範圍爲約 20奈 1 0 00奈米之平均直徑(二級粒度),最大直徑小於約 奈米。如果磨粒之平均直徑非常小,則CMP漿料組 硏磨速率可低至無法接受。如果磨粒之平均直徑大 欲硏磨物品表面上可發生無法接受之刮痕。目前據 ® 均直徑在約100奈米至小於5 00奈米之範圍內的铈 之磨粒最適合。 磨粒在硏磨前可如不連續顆粒分散於水中形成 然後將其配置於硏磨墊與作業片表面之間。或者可 起初黏結硏磨墊,及可藉由在硏磨作業片表面期間 自硏磨墊分離而原處形成CMP漿料組成物。在硏磨 形成水性CMP漿料組成物時,磨粒較佳爲以CMP 成物之約1.0%至約8.0%’更佳爲約2.0%至約4.0% 香草酸 加入香 加香草 成物之 行機械 然而其 銘氧、 、氮化 、及其 米至約 10,000 成物之 ,則在 信由平 氧組成 漿液, 將磨粒 使磨粒 前分散 漿料組 ,或 3.0 201016806 重量%之量存在於CMP漿料組成物。 依照本發明之CMP漿料組成物在約2.8至約6之pH 範圍呈現高二氧化砂去除速率。較佳爲使用pH調整化合物 (如硝酸)將CMP漿料組成物之pH調整至約3.0至約4.5 之範圍內。應了解,CMP漿料組成物之PH係藉由加入酸 及/或鹼而調整。硝酸爲降低CMP漿料組成物之pH的目前 較佳酸,及氫氧化銨與氫氧化四甲銨爲增加CMP漿料組成 物之pH的目前較佳鹼。應了解,PH調整劑之選擇並不重 β 要,而且其他酸與鹼可用於本發明之實務。CMP漿料組成 物亦可含選用界面活性劑、pH緩衝劑、防沫劑、分散劑、 與殺生物劑,其爲已知的。 如所示,依照本發明之CMP漿料組成物可在各種應用 中用於去除及/或將二氧化矽平面化。在用於ILD及MEM S 應用時,依照本發明之CMP漿料組成物較佳爲實際上由铈 氧磨粒之水性分散液(較佳爲約3.0重量%)、依照式〗之 化合物(較佳爲約0.05重量%之量的香草酸)、異丙醇(較 佳爲約0.15重量%)、硝酸(將CMP漿料組成物之pH降至 約3.0至4_5之量)' 及殺生物劑組成。在用於STI應用時 (即亦存在氮化矽之處),依照本發明之CMP漿料組成物 較佳爲實際上由铈氧磨粒之水性分散液(較佳爲約3.〇重 量%)、依照式I之化合物(較佳爲約0· 05重量%之量的香 草酸)、脯胺酸(較佳爲約2重量%)、異丙醇(較佳爲約 0.15重量%)、硝酸(將CMP漿料組成物之pH降至約3〇 至4.5之量)、及殺生物劑組成。應了解,包括脯胺酸之 -10- 201016806
CMP漿料組成物亦可用於ILD與MEMS應用。如Srinivasan 等人之U.S. RE. 6,491,843 Cl號專利所教示,在特定CMP 漿料組成物中相對於去除二氧化矽之速率,脯胺酸抑制去 除氮化矽之速率。在以在此所述濃度使用時,香草酸不負 面地影響脯胺酸提供之氮化矽抑制,而亦增加二氧化矽去 除速率。存在於此CMP漿料組成物中之脯胺酸量較佳爲約 〇. 1 %至約1 〇重量%,而且更佳爲約〇 . 6 %至約4.0重量%。 因此本發明亦提供一種去除二氧化矽(例如在ILD與 Φ MEMS處理中)之方法、及一種去除二氧化矽勝於氮化矽 (例如在STI處理中)之方法。兩種方法均包含在硏磨墊 與作業片表面之間提供上述CMP漿料組成物,及在使硏磨 墊與作業片彼此相對移動以自作業片表面去除二氧化矽時 ,將硏磨墊及作業片與配置於其間之CMP漿液組成物壓迫 在一起。在作業片表面上存在氮化矽時,二氧化矽較佳爲 以大於1〇〇〇 A/分鐘且爲自作業片表面去除氮化矽之速率的 至少25倍之速率去除。 ® 因此本發明之CMP漿液組成物及方法可用於在製造 半導體晶片期間將圖案化晶圓平面化》在此應用中,CMP 漿液組成物及方法提供關於去除速率、選擇性、場氧化物 凹陷、及符合最小缺陷要求優於先行技藝CMP漿液組成物 及方法之益處。CMP漿液組成物亦可用於其他硏磨應用, 例如玻璃硏磨、有機聚合物爲主眼科基板硏磨、及金屬硏 磨。 以下實例僅意圖描述本發明且不應視爲對申請專利範 -11- 201016806 圍施加限制。 實例1 藉由將以下表1中按重量百分比所示成分分散於去離 水中而製備水性CMP漿液組成物Α1至Α8 : 表1 漿液 C e 0 2 香草酸 pH TEOS RR A1 2% 0% 4.10 263 6 A2 2% 0.01% 3.72 523 3 A3 2% 0.05% 3.40 685 7 A4 2% 0.10% 3.15 6748 A5 4% 0% 4.13 27 5 3 A6 4% 0.01% 3.59 523 8 A7 4% 0.05% 3.10 7378 A8 4% 0.10% 2.98 7491 Ο
用於各CMP漿液組成物之”Ce02”爲D 二級粒度爲 130奈米之熘燒氧化鈽。CMP漿液組成物A1與A5因其不 含任何香草酸而爲對照。 各分別地使用CMP漿液組成物A1至A8硏磨氈式正 矽酸四乙酯(“TEOS”)膜經60秒之時間。用於各情形之硏磨 器爲Applied Materials Mirra系統。對於全部測試,硏磨 條件均爲膜壓3.0 psi、保留環壓3.5 psi、內管壓3.0 psi 、頭速93 rpm、及台速87 rpm。在各情形,CMP漿液組成 物之流速均爲150毫升/分鐘。用於各情形之硏磨墊均爲具 Suba IV 襯墊之 Rohm & Haas k-槽式 IC 1 000 墊。TEOS 去 除速率(“RR”)以A/分鐘敘述於表1。 -12- 201016806 表1顯示在硏磨60秒之時間後,氈式TEOS膜之硏磨 速率如氧化姉濃度及香草酸濃度之函數的效果。應了解, 無香草酸則含2%與4%氧化姉(D *均=0.13微米)之調配 物各以~2600A/分鐘與~275〇A/分鐘之速率去除TEOS。有香 草酸則使用4%氧铈之TEOS去除速率較已得去除速率大 2.5倍,高達7400 A/分鐘。因此香草酸以增加二氧化矽去 除速率之方式作用。 實例2 φ 藉由將以下表2中按重量百分比所示成分分散於去離 水中而製備水性CMP漿液組成物B1與B2 : 表2 漿液 C e 0 2 脯胺酸 香草酸 pH TEOS RR B 1 3% 2% 0% 4.72 3449 B2 3% 2% 0.05% 4.20 5470 用於各CMP漿液組成物之”Ce02”係與用於實例1相同 。CMP漿液組成物B1因其不含任何香草酸而爲對照。 使用實例1所述之設備及硏磨條件,分別地使用CMP 漿液組成物B1與B2硏磨氈式TEOS膜經60秒之時間。 TEOS去除速率以A/分鐘敘述於表2»可知脯胺酸之存在未 顯著地影響香草酸之存在所提供之TEOS去除速率增加。 熟悉此技藝者易於產生額外之優點及修改。因此本發 明廣義地不限於在此所示及所述之指定細節及描述性實例 。因而可進行各種修改而不背離一般發明槪念之精神或範 圍,如所附申請專利範圍及其等致物所界定。 -13-

Claims (1)

  1. 201016806 ' 七、申請專利範圍: ' 1.一種水性CMP漿液組成物,其實際上包括: 約1 ·〇%至約8.0重量%之鈽氧磨粒,其具有約20 奈米至約1000奈米之平均直徑;及 約0.0 1 %至依照式I之化合物之水中溶解度極限;
    ❹ R3 Ο) 其中 Ri、R2、R3、R4、與.R5 僅一爲羥基(-OH),Ri 、R2、R3、R4、與 R5 僅一爲甲氧基(-〇CH3),及 Ri、R2 、R3、R4、與R5中不爲羥基(-OH)或甲氧基(-OCH3)之三 爲氫原子(-H); 足以將CMP漿液組成物之PH調整至約2.8至約6 之酸量; ❹ 視情況地,一或多種選自脯胺酸、溶解促進劑、界 面活性劑、pH緩衝劑、防沬劑、分散劑、與殺生物劑 〇 2.如申請專利範圍第1項之水性CMP漿液組成物,其中 依照式I之化合物爲香草酸》 3 ·如申請專利範圍第1項之水性CMP漿液組成物,其中 脯胺酸係以約0.6 %至約4.0重量%之量存在。 4.如申請專利範圍第1項之水性CMP漿液組成物,其中 -14- 201016806 用以調整CMP漿液組成物之PH之酸爲硝酸。 5. 如申請專利範圍第1項之水性CMP駿液組成物’其中 溶解促進劑爲異丙醇。 6. 如申請專利範圍第1項之水性CMP漿液組成物,其中 水性CMP漿液組成物具有約3.0至4.5之pH。 7. 如申請專利範圍第1項之水性CMP漿液組成物,其中 姉氧磨粒具有小於約10,〇〇〇奈米之最大直徑。 8. 如申請專利範圍第7項之水性CMP漿液組成物,其中 姉氧磨粒具有約100奈米至約150奈米之平均直徑。 9. 一種藉化學機械硏磨自作業片表面去除二氧化矽之方 法,此方法包含: (i)在硏磨墊與作業片之間提供一種水性CMP漿液組成 物’此水性CMP漿液組成物包含 U)約ΐ·〇%至約8.0重量%之鈽氧磨粒,其具有約20 奈米至約1 000奈米之平均直徑;及 0>)約0.0 1 %至依照式I之化合物之水中溶解度極限;
    其中Ri、R2、r3、r4、與r5僅一爲羥基(·〇Η), Ri、R2、R3、r4、與 僅一爲甲氧基(-OCH3),及 R!、R2、R3、R4、與r5中不爲經基(_〇H)或甲氧基 201016806 (•OCH3)之三爲氫原子(-H),及 * (c)足以將CMP漿液組成物之pH調整至約2.8至約6 之酸量;及 (ii)在使硏磨墊與作業片彼此相對移動以自表面磨耗二 氧化矽時,將硏磨墊及作業片與配置於其間之CMP 漿液組成物壓迫在一起。 10. 如申請專利範圍第9項之方法,其中在化學機械硏磨之 前將铈氧磨粒分散於水中。 11. 如申請專利範圍第9項之方法,其中將鈽氧磨粒起初黏 結硏磨墊且在化學機械硏磨期間分散於水中。 12. 如申請專利範圍第9項之方法,其中依照式I之化合物 爲香草酸。 13. 如申請專利範圍第9項之方法,其中在ILD或MEMS處 理中將二氧化矽自作業片表面去除。 14. 如申請專利範圍第9項之方法,其中水性CMP漿液組 成物進一步包含約〇·6%至約4.0重量%之量的脯胺酸》 ® 15·如申請專利範圍第14項之方法,其中在STI處理中將 二氧化矽自作業片表面去除勝於氮化矽。 16. 如申請專利範圍第9項之方法,其中用以調整CMP漿 液組成物之pH之酸爲硝酸。 17. 如申請專利範圍第9項之方法,其中水性CMP漿液組 成物進一步包含溶解促進劑。 18. 如申請專利範圍第17項之方法,其中溶解促進劑爲異 丙醇。 -16- 201016806 、 19. 如申請專利範圍第9項之方法,其中铈氧磨粒具有小於 % 約1 0,0 0 0奈米之最大直徑。 20. 如申請專利範圍第9項之方法,其中姉氧磨粒具有約 100奈米至約150奈米之平均直徑。
    -17- 201016806 四、指定代表圖: ' (一)本案指定代表圖為:無。 (二)本代表圖之元件符號簡單說明: 並〇 五、本案若有化學式時,請揭示最能顯示發明特徵的化學式:
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