TW201446902A - 安定可濃縮之矽晶圓研磨組成物及相關方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供用於研磨矽晶圓之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，係含有：水；研磨劑；根據式(I)之陽離子；根據式(II)之哌□或哌□衍生物；以及，視需要，pH調節劑；其中，該研磨組成物係顯現至少300 nm/分鐘之矽移除速率。本發明亦提供製作及使用該安定可濃縮之化學機械研磨組成物的方法。
Description
本發明通常係關於化學機械研磨領域。特別地，本發明係針對安定可濃縮之化學機械研磨組成物及用於矽晶圓之化學機械研磨的方法。
用於半導體工業中之矽晶圓於其可用於裝置製造之前，他們典型係需要非常高程度的表面完美性。該等矽晶圓表面係藉由以研磨漿料化學機械研磨該等晶圓表面而製造。研磨漿料傳統上係由包括某濃度之次微米研磨劑粒子的組成物所組成。該矽晶圓係於研磨漿料中浸泡或沖洗，組合上研磨墊於負載下被壓抵該矽晶圓之表面並旋轉，以使該研磨漿料中之研磨劑粒子壓抵該矽晶圓之表面。該研磨墊之側向移動造成該研磨漿料中之研磨劑粒子橫跨該矽晶圓表面移動，導致材質自該矽晶圓之表面磨損或大量移除。理想上，這一製程造成凸出之表面特徵之選擇性移除，故當該製程完成時，完美的平整表面能細到最細緻之水準製造。
傳統上於工業中實行之矽研磨製程係由兩
個或更多個步驟組成。於第一研磨步驟(亦即，粗研磨步驟)中，自晶圓切割及成形操作中殘留之嚴重缺陷得以移除。於第一研磨步驟之後，該晶圓表面看起來平滑且呈鏡面，但仍含有大量微小缺陷。此等微小缺陷係於後續最終研磨步驟中被移除，該步驟係自該表面移除小量材質，但能研磨去除該等表面缺陷。本發明係關於特別有用於第一研磨步驟至最終研磨步驟的解決方法。
於研磨後，仍留在該矽晶圓表面上之任何表面瑕疵之數目及允許尺寸係持續減少。某些用於矽晶圓之最關鍵材質規格係：表面金屬含量、前表面微粗糙度、及每單位面積之總粒子。
一種用於最終研磨矽晶圓之研磨組成物係揭示於Loncki等人之第5,860,848號美國專利中。Loncki等人揭露一種研磨組成物，係包含：水；次微米氧化矽粒子，於該組成物中，其量為0.02重量(wt)%至0.5wt%；濃度為100至1,000ppm之鹽；胺化合物，其濃度係足以令該組成物之pH為8至11；以及聚電解質分散劑，其濃度為20至500ppm；其中，該組成物之鈉及鉀的總含量係低於約1ppm，且鐵、鎳及銅的含量係各自低於約0.1ppm，全部ppm係以該組成物之重量為基準計的每百萬之份數(ppm)。
儘管如此，仍需要新的用於最終研磨矽晶圓之安定可濃縮之化學機械研磨組成物。特別地，需要新的用於原料矽晶圓研磨(亦即，第一步)至矽晶圓之最終研
磨的安定可濃縮之化學機械研磨組成物，其係顯現300nm/分鐘之矽移除速率。
本發明係提供用於研磨矽晶圓之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，係包含：水；研磨劑；根據式(I)之陽離子：
其中，R1、R2、R3、R4係獨立選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基及C1-10烷基芳基；以及，根據式(II)之哌或哌衍生物：
其中，R5係選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基、及C1-10烷基芳基；以及，視需要之pH調節劑；其中，該研磨組成物係顯現至少300nm/分鐘之矽移除速率。
本發明係提供用於研磨矽晶圓之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，係包含：水；研磨劑；根據式(I)之陽離子：
其中，R1、R2、R3、R4係獨立選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基及C1-10烷基芳基；以及，根據式(II)之哌或哌衍生物：
其中，R5係選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基、及C1-10烷基芳基；以及，視需要之pH調節劑；其中，該研磨組成物係顯現至少300nm/分鐘之矽移除速率；以及，其中，該研磨組成物係含有<1ppm之聚合物。
本發明係提供用於研磨矽晶圓之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，係包含：水；膠體氧化矽研磨劑；根據式(I)之陽離子：
其中，R1、R2、R3、R4係各自為氫；以及，根據式(II)之哌或哌衍生物：
其中，R5係氫；以及，視需要之pH調節劑；其中，該研磨組成物係顯現至少300nm/分鐘之矽移除速率。
本發明係提供用於研磨矽晶圓之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，係包含：水；膠體氧化矽研磨劑；根據式(I)之陽離子：
其中，R1、R2、R3、R4係各自為氫；以及，根據式(II)之哌或哌衍生物：
其中，R5係氫；以及，視需要之pH調節劑；其中，該研磨組成物係顯現至少300nm/分鐘之矽移除速率；以及，其中，該研磨組成物係含有<1ppm之聚合物。
本發明係提供製作本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物的方法，係包含：提供水；提供研磨劑；提供根據式(I)之陽離子的源：
其中，R1、R2、R3、R4係獨立選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基及C1-10烷基芳基；以及，提供根據式(II)之哌或哌衍生物：
其中，R5係選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基、及C1-10烷基芳基；視需要地，提供pH調節劑；以及，組合該水、根據式(I)之陽離子的源、根據式(II)之哌或哌衍生物的源及該視需要之pH調節劑；其中，該安定可濃縮之研磨組成物係顯現8至12之pH。
本發明係提供研磨矽晶圓之方法，係包含：提供矽晶圓；提供根據本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物；提供化學機械研磨墊；提供研磨機；將該矽晶圓及該化學機械研磨墊安裝於該研磨機中；以下壓力0.5kPa於介於該化學機械研磨墊與該矽晶圓之間的界面處創製動態接觸；以及，將該安定可濃縮之化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊上之界於該化學機械研磨墊與該矽晶圓間之界面處或臨近該界面處；其中，該化學
機械研磨組成物係具有8至11之pH。
本發明係提供研磨矽晶圓之方法，係包含：提供矽晶圓；提供根據本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物；提供化學機械研磨墊；提供研磨機；將該矽晶圓及該化學機械研磨墊安裝於該研磨機中；以下壓力於介於該化學機械研磨墊與該矽晶圓之間的界面處創製動態接觸；以及，將該安定可濃縮之化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊上之界於該化學機械研磨墊與該矽晶圓間之界面處或臨近該界面處；其中，該化學機械研磨組成物係具有8至11之pH；其中，該安定可濃縮之化學機械研磨組成物於200mm研磨機上，平台速度為63rpm、載體速度為57rpm、安定可濃縮化學機械研磨組成物流速為200ml/分鐘及下壓力為27.58kPa(4psi)，係顯現至少300nm/分鐘之矽移除速率，其中，該化學機械研磨墊係包含浸漬聚氨酯之非織聚酯氈墊。
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物係有用於研磨矽晶圓，特別是其表面上具有原生氧化物之矽晶圓。本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物較佳係含有研磨劑，以及(i)根據式(I)之陽離子以及(ii)根據式(II)之哌或哌衍生物的矽研磨速率增強之協同組合。
較佳地，將本發明之安定可濃縮之化學機
械研磨組成物濃縮至高達其設計使用濃度點(亦即，該化學機械研磨組成物用於實際矽晶圓研磨時的濃度)之八倍濃度時，其係安定(如藉由下文實施例S2中使用之方法確定者)。
較佳地，本發明之安定可濃縮之化學機械
研磨組成物中使用之研磨劑係選自下列所組成之群組：無機氧化物、無機氫氧化物、無機氫氧化物氧化物、金屬硼化物、金屬碳化物、金屬氮化物、聚合物粒子、以及包含前述之至少一者的混合物。適宜之無機氧化物係包括，舉例而言，氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鈰(CeO2)、氧化錳(MnO2)、氧化鈦(TiO2)、或包含前述氧化物之至少一者的組合。若需要，亦可使用此等無機氧化物之改質形式如，經有機聚合物塗覆之無機氧化物粒子及經無機物塗覆之粒子。適宜之金屬碳化物、硼化物及氮化物係包括，舉例而言，碳化矽、氮化矽、碳氮化矽(SiCN)、碳化硼、碳化鎢、碳化鋯、硼化鋁、碳化鉭、碳化鈦、或包含前述金屬碳化物、硼化物及氮化物之至少一者的組合。該研磨劑較佳係膠體氧化矽研磨劑。該膠體氧化矽研磨劑較佳係含有鍛製氧化矽(fumed silica)、沉澱氧化矽及聚結氧化矽之至少一者。
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成
物中使用之研磨劑較佳係具有100奈米(nm)(更佳1至100nm)的平均粒徑。本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物中使用之研磨劑更佳係具有平均粒徑100nm(較
佳1至100nm；更佳10至40nm；再更佳10至30nm；最佳20至30nm)的膠體氧化矽研磨劑。
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物較佳係含有0.001至0.5wt%(更佳0.075至0.1wt%；再更佳0.01至0.075wt%；最佳0.04至0.06wt%)之研磨劑。更佳地，本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物較佳係含有0.001至0.5wt%(更佳0.075至0.1wt%；再更佳0.01至0.075wt%；最佳0.04至0.06wt%)之膠體氧化矽研磨劑。最佳地，本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物較佳係含有0.001至0.5wt%(更佳0.075至0.1wt%；再更佳0.01至0.075wt%；最佳0.04至0.06wt%)之膠體氧化矽研磨劑，其中，該膠體氧化矽研磨劑係顯現1至50nm(更佳20至30nm)的平均粒徑。
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物中所含的水，較佳係去離子水與蒸餾水之至少一者以限制偶發雜質。
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物較佳係含有0.0005至10莫耳/公升(mol/L)(更佳0.005至1mol/L；再更佳0.01至0.5mol/L；最佳0.04至0.06mol/L)之根據式(I)之陽離子，
其中，R1、R2、R3、R4係獨立選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基及C1-10烷基芳基(較佳係氫、C1-10烷基、C6芳基及C7烷基芳基；更佳係氫、甲基及苯基)。本發明之安定可濃縮化學機械研磨組成物最佳係含有0.0005至10wt%(更佳0.005至1wt%；再更佳0.01至0.5wt%；最佳0.04至0.06wt%)之根據式(I)之陽離子，其中，該根據式(I)之陽離子係根據式(Ia)者：
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物較佳係含有0.0005至10mol/L(更佳0.005至1mol/L；再佳係0.01至0.5mol/L；最佳係0.04至0.06mol/L)之根據式(II)之哌或哌衍生物：
其中，R5係選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基、及C1-10烷基芳基(較佳係氫、C1-10烷基、C6芳基、及C7烷基芳基；更佳係氫、甲基及苯基)。本發明之安定可濃縮化學機械研磨組成物最佳係含有0.0005至10mol/L(更佳0.005至1mol/L；再更佳0.01至0.5mol/L；最佳0.04至0.06mol/L)之哌。
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成
物係於8至12之pH內提供效能。本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物較佳係顯現8至12(更佳9至11；再更佳9.5至11.5；最佳10)之pH。本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物可視需要含有pH調節劑以達成所欲之pH。該pH調節劑較佳係無機pH調節劑。較佳之無機pH調節劑係包括無機酸及無機鹼。較佳之無機酸pH調節劑係選自磷酸、硝酸、硫酸及鹽酸(最佳係硝酸)。較佳之無機鹼pH調節劑係選自氫氧化銨及氫氧化鉀(最佳係氫氧化鉀)。
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成
物較佳係復包含選自碳酸根離子及磷酸根離子所組成群組之離子。本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物更佳係含有0.00025至5mol/L(更佳0.0025至0.5mol/L；再更佳0.005至0.25mol/L；最佳0.02至0.03mol/L)的磷酸根離子。本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物再更佳係含有0.00025至5mol/L(更佳0.0025至0.5mol/L；再更佳0.005至0.25mol/L；最佳0.02至0.03mol/L)的磷酸根離子。本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物最佳係含有0.00025至5mol/L(更佳0.0025至0.5mol/L；再更佳0.005至0.25mol/L；最佳0.02至0.03mol/L)的碳酸根離子。
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成
物較佳係復包含鹵離子(較佳係氯離子)。該化學機械研磨組成物更佳係包含0.0001至4wt%(更佳0.001至0.5wt%；再更佳0.003至0.2wt%；最佳0.01至0.03wt%)的鹵離子(較
佳係氯離子)。
本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成
物較佳係含有<1ppm(更佳<0.1ppm；再更佳<0.01ppm)之聚合物。本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物最佳係不含聚合物(例如，水溶性聚合物，如纖維素系聚合物；以及聚電解質，如羥乙基纖維素、聚乙烯醇、聚丙烯醯胺、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚丙二醇、聚環氧乙烷、聚丙烯酸)。
製作本發明之安定可濃縮之化學機械研磨
組成物之方法較佳係包含：提供水(較佳係經去離子或經蒸餾之至少一者的水；更佳係經去離子化及蒸餾兩者之水)；提供研磨劑(較佳係膠體氧化矽研磨劑；更佳係具有平均粒徑為10至50nm之膠體氧化矽研磨劑；最佳係具有平均粒徑為20至30nm之膠體氧化矽研磨劑)；提供根據式(I)之陽離子的源
其中，R1、R2、R3、R4係獨立選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基及C1-10烷基芳基(較佳係氫、C1-10烷基、C6芳基及C7烷基芳基；更佳係氫、甲基
及苯基；最佳係氫(亦即，該陰離子為))；及提
供根據式(II)之哌或哌衍生物的源，
其中，R5係選自下列所組成之群組：氫、C1-10烷基、C1-10芳基、C1-10芳基烷基、及C1-10烷基芳基(較佳係氫、C1-10烷基、C6芳基、及C7烷基芳基；更佳係氫、甲基及苯基；最佳係氫)；視需要，提供pH調節劑；以及，組合該水、根據式(I)之陽離子的源、根據式(II)之哌或哌衍生物的源及該視需要之pH調節劑；其中，該安定可濃縮之化學機械研磨組成物係顯現8至12(較佳9至11；更佳9.5至10.5；最佳10)之pH。較佳地，於製作本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物的方法中，該根據式(I)之陽離子的源係選自下列所組成之群組：胍碳酸鹽(亦即，(H2NC(=NH)NH2)2‧H2CO3)；以及胍磷酸鹽(亦即，(H2NC(=NH)NH2)2‧H3PO4)。較佳地，於製作本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物的方法中，該根據式(II)之哌或哌衍生物的源係哌二鹽酸鹽水合物。
本發明之研磨矽晶圓的方法較佳係包含：提供矽晶圓；提供根據本發明之安定可濃縮之化學機械研磨組成物；提供化學機械研磨墊；提供研磨機；將該矽晶
圓及該化學機械研磨墊安裝於該研磨機中；以下壓力0.5kPa(較佳0.5至100kPa；更佳0.7至50kPa；再更佳6至35kPa；最佳20至30kPa)於介於該化學機械研磨墊與該矽晶圓之間的界面處創製動態接觸；以及，將該安定可濃縮之化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊上之界於該化學機械研磨墊與該矽晶圓間之界面處或臨近該界面處；其中，該安定可濃縮之化學機械研磨組成物係具有8至12(較佳9至11；更佳9.5至10.5；最佳10)之pH。於本發明之方法中使用的安定可濃縮之化學機械研磨組成物較佳於200mm研磨機上，平台速度為63rpm、載體速度為57rpm、安定可濃縮化學機械研磨組成物流速為200ml/分鐘、下壓力為27.58kPa(4psi)，係顯現至少300nm/分鐘(更佳至少400nm/分鐘；最佳至少500nm/分鐘)的矽移除速率，其中，該化學機械研磨墊係包含浸漬聚氨酯之非織聚酯氈墊。
現在，本發明之某些態樣將於下述實施例中詳細揭示之。
將表1中列述之量的成份組合，以及，若需要使用如表1中標註者HNO3或KOH，將該等組成物之pH調節至表1中列述之最終pH，藉此製備化學機械研磨組成物。
使用根據比較例C1至C9製備之化學機械研磨組成物施行矽移除速率研磨測試。詳而言，化學機械研磨組成物C1至C9之每一者的矽移除速率係計於表1中。此等矽移除速率實驗係使用八英吋Si(100)晶圓施行，該等晶圓係於0.5wt%氫氟酸溶液中預蝕刻90秒，使用Strasbaugh Model 6EC研磨機及Suba1200TM聚氨酯浸漬之非織聚酯氈墊(可自羅門哈斯電子材料有限公司(Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc.)商購)，且下壓力為27.58kPa(4psi)、化學機械研磨組成物流速為200ml/分鐘、操作臺旋轉速度為63rpm、載體旋轉速度為57rpm。該矽移除速率係藉由量測單個Si(100)晶圓自研磨損失之重量而測定。該等矽移除速率實驗之結果係提供於表2中。
使用根據比較例C10至C15及實施例1至3製備之化學機械研磨組成物施行矽移除速率研磨測試。詳而言，化學機械研磨組成物C10至C15及實施例1至3之每一者的矽移除速率係計於表1中。此等矽移除速率實驗係使用八英吋Si(100)晶圓施行，該等晶圓於其表面具原生氧化物，使用Strasbaugh Model 6EC研磨機及Suba1200TM聚氨酯浸漬之非織聚酯氈墊(可自羅門哈斯電子材料有限公司商購)，且下壓力為27.58kPa(4psi)、化學機械研磨組成物流速為200ml/分鐘、操作臺旋轉速度為63rpm、載劑旋轉速度為57rpm。該矽移除速率係藉由量測單個Si(100)晶圓自研磨損失之重量而測定。該等矽移除速率實驗之結果係提供於表3中。
製備相對於比較例C16及實施例2之基礎化學機械研磨組成物的濃縮因數為1X、2X、4X、8X、12X及20X的經濃縮之化學機械研磨組成物。此等經濃縮之化學機械研磨組成物隨後各自於獨立密封之玻璃容器內，於21℃空氣中於大氣壓力下儲存兩週時間。兩週後，觀察該等容器內之內容物。於該等安定的經濃縮之化學機械研磨組成物中，未觀察到沉澱於玻璃容器底部之研磨劑粒子。此等觀察之結果係記錄於表4中。
Claims (10)
- 一種用於研磨矽晶圓之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，係包含：水；研磨劑；根據式(I)之陽離子：
- 如申請專利範圍第1項所述之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，其中，該係晶圓係於其表面上具有原生 氧化物；其中，該安定可濃縮之化學機械研磨組成物係含有0.001至0.5wt%之研磨劑；以及，其中，該研磨劑為具有平均粒徑為20至30nm之膠體氧化矽研磨劑。
- 如申請專利範圍第2項所述之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，其中，該安定可濃縮之化學機械研磨組成物係含有<1ppm之聚合物。
- 如申請專利範圍第3項所述之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，復包含碳酸根離子及磷酸根離子。
- 如申請專利範圍第4項所述之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，復包含鹵離子。
- 如申請專利範圍第1項所述之安定可濃縮之化學機械研磨組成物，其中，將該安定可濃縮之化學機械研磨組成物於21℃及大氣壓力下儲存至少兩週之時間段之後，該研磨劑係維持分散且並不沉降。
- 一種製作成如申請專利範圍第1項所述之安定可濃縮之化學機械研磨組成物的方法：係包含：提供水；提供研磨劑；提供根據式(I)之陽離子的源
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該根據式(I)之陽離子的源係選自胍碳酸鹽及胍磷酸鹽所組成之群組；以及，其中，該根據式(II)之哌或哌衍生物的源係哌二鹽酸鹽水合物。
- 一種研磨矽晶圓之方法，係包含：提供矽晶圓；提供如申請專利範圍第1項所述之安定可濃縮之化學機械研磨組成物；提供化學機械研磨墊；提供研磨機； 將該矽晶圓及該化學機械研磨墊安裝於該研磨機中；以下壓力0.5kPa於介於該化學機械研磨墊與該矽晶圓之間的界面處創製動態接觸；以及將該安定可濃縮之化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊上之界於該化學機械研磨墊與該矽晶圓間之界面處或臨近該界面處；其中，該安定可濃縮之化學機械研磨組成物係具有8至11之pH。
- 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，該安定可濃縮之化學機械研磨組成物於200mm研磨機上，平台速度為63rpm、載體速度為57rpm、安定可濃縮化學機械研磨組成物流速為200ml/分鐘及下壓力為27.58kPa(4psi)，係顯現至少300nm/分鐘之矽移除速率，其中，該化學機械研磨墊係包含浸漬聚氨酯之非織聚酯氈墊。
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