TW201525117A - 低缺陷化學機械硏磨組成物 - Google Patents
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Abstract
提供一種用於研磨含氧化矽之基板之低缺陷化學機械研磨組成物，其包含作為初始成分之水、膠體矽石研磨劑；以及式I之添加劑。
Description
本發明係有關於化學機械研磨領域，尤其本發明係針對一種低缺陷化學機械研磨組成物，包含作為初始成分之水、膠體矽石研磨劑；以及式I之添加劑。
於積體電路和其他電子裝置之製造中，數層導體、半導體和介電材料被沉積於半導體晶圓之表面上或自其表面上移除。導體、半導體和介電材料之薄層可藉由多種沉積技術沉積。於現代加工中常見之沉積技術包括物理氣相沉積(PVD)，亦稱為濺鍍；化學氣相沉積(CVD)、電漿增強化學氣相沉積(PECVD)和電化學電鍍(ECP)。
當材料層依序地被沉積和移除時，晶圓之最上層表面變得不平坦。因為隨後之半導體加工(如金屬化)需要該晶圓具有平坦表面，所以該晶圓需要被平坦化。平坦化有利於移除不欲之表面形貌(surface topography)和表面缺陷，如粗糙表面、聚集結塊的材料、晶格損壞、刮痕和受汙染之層或材料。
化學機械平坦化或化學機械研磨(CMP)，係
用於平坦化基板(如半導體晶圓)之常見技術。於傳統CMP中，晶圓係安裝於載體組合件(carrier assembly)上且定位成與CMP設備中之研磨墊接觸。該載體組合件提供可控制之壓力於該晶圓，使其壓抵該研磨墊。該研磨墊藉外加之驅動力相對於該晶圓移動(如旋轉)。同時，隨之提供研磨組成物(“研磨漿”)或其他研磨溶液於該晶圓和該研磨墊之間。該晶圓表面因此被研磨且藉由該研磨墊表面和該研磨漿之化學和機械作用而變得平坦。
於半導體裝置之製造中，化學機械平坦化常用於淺溝槽隔離(STI)層，和層間介電質(ILD)或金屬間介電質(IMD)層上。此些介電層作為介於相鄰半導體和導體間通道間之電絕緣層。被沉積之介電材料通常指的是該半導體裝置中之淺溝槽隔離結構或層間介電絕緣體。於形成此些結構時，存在著關於如何將該介電材料(如氧化矽)快速而不致造成缺陷(如刮痕)地研磨至適當之平坦表面之問題。由於半導體裝置上結構之尺寸持續縮小，那些針對平坦化和研磨介電材料之缺陷率曾經可被接受之效能標準變得越來越無法被接受。曾經是可以被接受的刮痕，現在則為產量限制。
美國專利第6,322,600號(Brewer等人)揭露了一種用於化學機械平坦化製程之研磨配方，其提供了據稱改善介電層研磨之缺陷率之平坦化組成物。Brewer等人揭露一種具有pH值為9至11.5之平坦化組成物，其包含醇溶膠(alkosol)，該醇溶膠包含球形之單分散(monodisperse)
烷基矽酸鹽粒子，其中至少90重量百分比(wt%)之該粒子具有與其重量平均直徑相差不超過20%的直徑；以及液體載體，該液體載體包含範圍為0至9wt%之醇類、鹼和餘量水。
儘管如此，為了支持用於半導體系統製造之裝置設計之動態領域(dynamic field)，存在持續需求經配製成提供所欲研磨特性平衡，以滿足不斷改變之設計需求之化學機械研磨組成物。例如，對於呈現低缺陷率介電質研磨效能和量身訂做之氧化矽去除率之化學機械研磨組成物仍有需求。
本發明提供一種化學機械研磨組成物，其包含作為初始成分之水、0.1至40wt%之膠體矽石研磨劑；0.001至5wt%之式I之添加劑，
其中，R1為C1-8烷基基團；其中R2、R3、R4、R5、R6係各自獨立選自氫、鹵素、羥基基團和C1-8烷基基團；其中該化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之包含物(inclusion compound)；以及，其中該化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之氧化劑。
本發明提供一種化學機械研磨組成物，其包含作為初始成分之水、0.1至40wt%之膠體矽石研磨劑；0.001至5wt%之式I之添加劑，
其中R1係C1-8烷基基團；其中R2、R3、R4、R5、R6係各自獨立選自氫、鹵素、羥基基團和C1-8烷基基團；其中該化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之包含物；以及其中該化學研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之氧化劑；以及，其中該化學機械研磨組成物呈現大於或等於10之pH值。
本發明提供一種化學機械研磨組成物，包含作為初始成分之水、0.1至40wt%之膠體矽石研磨劑；0.001至5wt%之式I之添加劑，其中式I之添加劑係具式Ia：
其中R7為C1-8烷基基團；其中該化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之包含物；以及其中該化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之氧化劑。
本發明提供一種化學機械研磨組成物，包含作為初始成分之水、0.1至40wt%之膠體矽石研磨劑；0.001至5wt%之式I之添加劑，其中式I之添加劑係具式Ib：
其中R7為C1-8烷基基團；其中該化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之包含物；以及，其中該化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之氧化劑。
本發明提供一種化學機械研磨組成物，包含作為初始成分之水、0.1至40wt%之膠體矽石研磨劑；0.001至5wt%之式I之添加劑，其中式I之添加劑係具式Ic：
其中該化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之包含物；以及其中該化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之氧化劑。
本發明提供一種化學機械研磨基板之方法，包含：提供基板，其中該基板包含氧化矽；提供如本發明之化學機械研磨組成物；提供具有研磨表面之化學機械研磨墊；將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研
磨墊之該研磨表面上之該化學機械研磨墊和該基板間介面處或接近該介面處；以及，以0.69至34.5千帕(kPa)之下壓力，於該化學機械研磨墊和該基板間之該介面處創造動態接觸；其中該基板被研磨；其中部分之該氧化矽自該基板上移除。
本發明提供一種化學機械研磨基板之方法，包含：提供基板，其中該基板包含氧化矽；提供如本發明之化學機械研磨組成物；提供具有研磨表面之化學機械研磨墊；將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該研磨表面上之該化學機械研磨墊和該基板間之介面處或接近該介面處；以及以0.69至34.5kPa之下壓力，於該化學機械研磨墊和該基板間之該介面處創造動態接觸；其中該基板被研磨；其中部分之該氧化矽自該基板上移除；其中該化學機械研磨組成物呈現大於或等於1,000埃/分鐘(Å/分鐘)之氧化矽去除率，且其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於0.16微米(μm)之研磨後SP1缺陷數目小於或等於70。
本發明提供一種化學機械研磨基板之方法，包含：提供基板，其中該基板包含氧化矽；提供如本發明之化學機械研磨組成物；提供具有研磨表面之化學機械研磨墊；將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該研磨表面上之該化學機械研磨墊和該基板間之介面處或接近該介面處；以及以0.69至34.5kPa之下壓力，於該化學機械研磨墊和該基板間之該介面處創造動態接
觸；其中該基板被研磨；其中部分之該氧化矽自該基板上移除；其中該化學機械研磨組成物呈現大於或等於1,000埃/分鐘之氧化矽去除率，且其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於0.16微米之研磨後SP1刮痕數目小於或等於25。
本發明提供一種化學機械研磨基板之方法，包含：提供基板，其中該基板包含氧化矽；提供如本發明之化學機械研磨組成物；提供具有研磨表面之化學機械研磨墊；將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨墊之該研磨表面上之該化學機械研磨墊和該基板間之介面處或接近該介面處；以及以0.69至34.5kPa之下壓力，於該化學機械研磨墊和該基板間之該介面處創造動態接觸；其中該基板被研磨；其中部分之該氧化矽自該基板上移除；其中該化學機械研磨組成物呈現大於或等於1,000埃/分鐘之氧化矽去除率，其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於0.16微米之研磨後SP1缺陷數目小於或等於70，且其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於0.16微米之研磨後SP1刮痕數目小於或等於25。
本發明之化學機械研磨組成物係被設計用於研磨包含氧化矽之基板。本發明之化學機械研磨組成物包含作為初始成分之式I之添加劑，
其中R1為C1-8烷基基團；其中R2、R3、R4、R5、R6係各自獨立選自氫、鹵素、羥基基團和C1-8烷基基團。該式I之添加劑使該化學機械研磨組成物中之該膠體矽石研磨劑安定，使其免於隨時間而聚集結塊，同時對該膠體矽石研磨劑之電荷傳導率和界達電位(zeta potential)具有最小影響。
於文中及於後附之申請專利範圍中，關於在化學機械研磨組成物中包含式I之添加劑所得之氧化矽去除率(以Å/分鐘為測量單位)之改變所使用之術語「實質上不變」，意指氧化矽去除率之改變小於或等於10%。換言之，當氧化矽去除率實質上不變時，將滿足以下算式：(((B0-B)之絕對值)/B0)*10010
其中B為包括作為初始成分之式I之添加劑之本發明化學機械研磨組成物的氧化矽去除率，以Å/分鐘為單位；B0為除了化學機械研磨組成物中不存在式I之添加劑外，於相同條件下所獲得之氧化矽去除率。
於文中及於後附之申請專利範圍中，使用術語「改善之研磨缺陷率效能」來描述藉由於本發明之化學機械研磨組成物中包括式I之添加劑所獲得之缺陷率效
能時，意指滿足以下算式：X<X0
其中X為於實施例中所闡述之研磨條件，包含作為初始成分之式I之添加劑之本發明化學機械研磨組成物所測得之缺陷率(即化學機械研磨後/氫氟酸刮痕)；以及X0為除了化學機械研磨組成物中不存在該式I之添加劑外，於相同條件下所獲得之缺陷率(即化學機械研磨後/氫氟酸刮痕)。
包含於本發明之化學機械研磨組成物中之水，較佳為經去離子者及經蒸餾者中至少一者，以限制隨機不純物。
本發明之化學機械研磨組成物包含，作為初始成分之0.1至40wt%(較佳為5至25wt%；更佳為10至20wt%；最佳為14至17wt%)之膠體矽石研磨劑。較佳地，該膠體矽石研磨劑呈現小於或等於200奈米(nm)之平均粒子尺寸(更佳為10至200nm；再更佳為70至170nm；最佳為100至150nm)。較佳地，該膠體矽石研磨劑呈現非球形之細長形態。更佳地，該膠體矽石研磨劑呈現赤鐵礦花生狀形態。
本發明之化學機械研磨組成物較佳包含作為初始成分之0.001至5wt%(較佳為0.1至1wt%；更佳為0.25至0.75wt%；最佳為0.5至0.7wt%)之式I之添加劑：
其中R1為C1-8烷基基團(較佳為C1-5烷基基團；更佳為C2-4烷基基團；最佳為C3烷基基團)；其中R2、R3、R4、R5、R6係各自獨立選自氫、鹵素、羥基基團和C1-8烷基基團(較佳，氫、羥基基團和C1-5烷基基團；更佳，氫和C1-5烷基基團；最佳，氫)。較佳地，本發明之該化學機械研磨組成物包含作為初始成分之式I之添加劑，其中該式I之添加劑係具式Ia：
其中R7為C1-8烷基基團(較佳為C1-5烷基基團；更佳為C2-4烷基基團；最佳為C3烷基基團)；其中R7係選自氫、鹵素、羥基基團和C1-8烷基基團(較佳，氫、羥基基團和C1-5烷基基團；更佳，氫和C1-5烷基基團；最佳，氫)。更佳地，本發明之該化學機械研磨組成物包含作為初始成分之式I之添加劑，其中該如式I之添加劑係具式Ib：
其中R7為C1-8烷基基團(較佳為C1-5烷基基團；更佳為C2-4烷基基團；最佳為C3烷基基團)。最佳地，本發明之該化學機械研磨組成物較佳包含作為初始成分之式I之添加劑，其中該式I之添加劑係具式Ic：
本發明之該化學機械研磨組成物，較佳被設計用於在pH值大於或等於10(較佳pH值10至12；最佳為pH10至11)研磨。本發明之該化學機械研磨組成物可視需要地包括無機和有機pH值調整試劑。較佳地，該視需要的pH值調整試劑係選自無機酸或無機鹼。最佳地，該視需要的pH值調整試劑係選自硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、硫酸鉀和氫氧化鉀。
本發明之該化學機械研磨方法中使用之該化學機械研磨組成物之濃縮物，可視需要地較佳為不含包含物。於文中及於後附申請專利範圍中使用之術語「包含物」，意指識別其他離子、原子或分子，且以各式交互作用將它們陷於由分子之間或分子聚集體之間所形成之孔腔中之化合物(如環糊精、環芳烴(cyclophanes)、中性之多配基(polyligands)、環狀多價陰離子(cyclic polyanions)、環狀多價陽離子，以及環狀胜肽)。於文中及於後附申請專利範圍中使用之術語「不含包含物」，意指化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%(更佳為小於其可偵測極限)之包
含物。
本發明之化學機械研磨組成物係較佳為不含氧化劑。於文中及於後附申請專利範圍中使用之術語「不含氧化劑」意指，化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%(更佳為小於其可偵測極限)之氧化劑，如過氧化氫、硝酸鹽類、碘酸鹽類、過碘酸鹽類、次氯酸鹽類、亞氯酸鹽類、氯酸鹽類、過氯酸鹽類、過硫酸鹽類、二鉻酸鹽類、過錳酸鹽類、臭氧化水、二價銀鹽類、三價鐵鹽類、過硫酸鹽類(如單過硫酸銨和二過硫酸鉀)和過碘酸鹽(如過碘酸鉀)。
本發明之化學機械研磨組成物係較佳不含過氧氧化劑。於文中及於後附申請專利範圍中使用之術語「過氧氧化劑(per-oxy oxidizer)」，意指過氧氧化劑，如過氧化氫、過氧化脲(urea hydrogen peroxide)、過碳酸鹽類、過氧化苯甲醯、過醋酸、過氧化鈉、過氧化二(第三丁基)、單過硫酸鹽類、二過硫酸鹽類以及三價鐵化合物。於文中及於後附申請專利範圍中使用之術語「不含過氧氧化劑」，意指化學機械研磨組成物包含小於0.00000000001wt%之過氧氧化劑(更佳為小於過氧氧化劑之偵測極限)。
本發明之該化學機械研磨方法較佳包含：提供基板，其中該基板包含氧化矽；提供具有pH值大於或等於10(更佳為pH值10至12；最佳為pH值10至11)之本發明之化學機械研磨組成物；提供具有研磨表面之化學機械研磨墊(較佳地，其中該化學機械研磨墊包含聚氨酯
研磨層，該研磨層包含聚合空心微粒和浸漬聚氨酯之非織造(non-woven)子墊)；將該化學機械研磨組成物分注至該研磨表面上；相對於該基板移動該研磨表面，其中至少部分之該氧化矽自該基板上移除以研磨該基板。
以本發明之化學機械研磨方法研磨之基板包含氧化矽。該基板中之氧化矽可為技術領域中已知之任何適合之氧化矽材料，例如硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)、電漿-蝕刻之正矽酸四乙酯(PETEOS)、熱氧化物、無摻雜之矽酸鹽玻璃、高密度電漿(HDP)氧化物。
本發明之化學機械研磨方法中使用之化學機械研磨墊可為技術領域中已知之任何適合之研磨墊。該化學機械研磨墊可較佳選自織造和非織造之研磨墊。該化學機械研磨墊可由各種密度、硬度、厚度、壓縮性和模數之任何適合之聚合物製成。該化學機械研磨墊可隨期望具有溝槽和穿孔。
較佳地，本發明之化學機械研磨方法中，該化學機械研磨組成物係被分注至化學機械研磨墊之研磨表面上之化學機械研磨墊和基板間之介面處或接近該介面處。
較佳地，本發明之化學機械研磨方法，包含以0.69至34.5kPa之下壓力於該化學機械研磨墊和該基板間之該介面處創造動態接觸；其中該化學機械研磨組成物呈現大於或等於1,000Å/分鐘之氧化矽去除率(較佳為大於或等於1,500Å/分鐘；更佳為大於或等於2,000Å/分
鐘；最佳為大於或等於2,500Å/分鐘)，且其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於0.16μm之研磨後SP1缺陷數目小於或等於70(較佳為小於或等於60；更佳為小於或等於50)(根據於本發明實施例中敘述之方法測定)。
較佳地，本發明之化學機械研磨方法，包含：以0.69至34.5kPa之下壓力於該化學機械研磨墊和該基板間之介面處創造動態接觸；其中該化學機械研磨組成物呈現大於或等於1,000Å/分鐘之氧化矽去除率(較佳為大於或等於1,500Å/分鐘；更佳為大於或等於2,000Å/分鐘；最佳為大於或等於2,500Å/分鐘)，且其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於0.16μm之研磨後SP1刮痕數目小於或等於25(較佳為小於或等於20；更佳為小於或等於15)(根據於本發明實施例中敘述之方法測定)。
本發明之化學機械研磨方法中使用之包含於該化學機械研磨組成物中之式I(更佳為式Ia；更佳為式Ib；最佳為式Ic)之添加劑，較佳具有實質上不影響該氧化矽去除率(以每分鐘埃(Å/分鐘)為測量單位)。換言之，藉由於本發明之化學機械研磨組成物中包括式I之添加劑，該氧化矽去除率係「實質上不變」。
本發明之化學機械研磨方法中使用之包括於該化學機械研磨組成物中之式I(更佳為式Ia；更佳為式Ib；最佳為式Ic)之添加劑，導致改善的研磨缺陷率效能。較佳地，於該化學機械研磨組成物中包含式I(更佳為式Ia；更佳為式Ib；最佳為式Ic)之添加劑作為初始成分，提
供大於或等於25%；較佳為大於或等於30%；最佳為大於或等於40%之研磨缺陷率(即化學機械研磨後/氫氟酸刮痕)之減少，以如本發明實施例中闡述之研磨條件測量。換言之，較佳地滿足下列方程式中之至少一者：(i)(X0-X)/X * 10025；(ii)(X0-X)/X * 10030；以及(iii)(X0-X)/X * 10040；其中X為於實施例中所闡述之研磨條件，包含式I之添加劑之本發明化學機械研磨組成物所測得之缺陷率(即化學機械研磨後/氫氟酸刮痕)；以及X0為除了化學機械研磨組成物中不存在該式I之添加劑外，於相同條件下所獲得之缺陷率(即化學機械研磨後/氫氟酸刮痕)。
現將詳細描述本發明之一些具體實施例於下列實施例中。
比較例C1至C2和實施例1之化學機械研磨組成物係藉由下述製備：組合表1中所列量之成分及餘量去離子水，並以氫氧化鉀調整該組成物之pH值至如表1中所列之最終pH值。
比較例PC1至PC2和實施例P1中之二氧化矽去除率研磨試驗，係分別使用根據比較例PC1至PC2和實施例1中製備之該化學機械研磨組成物。具體而言，該些化學機械研磨組成物各自之二氧化矽去除率係如表1所識別。該研磨去除率實驗係於來自SEMATECH SVTC之200毫米(mm)之覆氈1k TEOS薄片晶圓上操作。使用應用材料公司(Applied Materials)之200mm Mirra®研磨機。全部研磨實驗皆如下操作：使用IC1010TM聚氨酯研磨墊(可商業購
自羅門哈斯材料CMP股份有限公司(Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc.))，以20.7kPa(3psi)之下壓力，化學機械研磨漿組成物之流速為200毫升(ml)/分鐘，平台轉速為93轉/分鐘(rpm)且載具轉速為87rpm。使用Diagrid® AD3BG-150855鑽石墊調質器(conditioner)(可商業購自中國砂輪公司(Kinik Company))調質該研磨墊。該研磨墊在該調質器，使用下壓力14.0磅(lbs)(6.35公斤(kg))，20分鐘被破開。該研磨墊係進一步在研磨前，以下壓力9磅(4.1公斤)，10分鐘進行異位(ex situ)調質。該研磨墊係進一步在研磨期間，以10掃掠/分鐘，距研磨墊中心1.7至9.2英吋(in)處，以下壓力9磅(4.1公斤)進行原位(in situ)調質。使用49點螺旋掃描及排除3mm邊緣，以KLA-Tencor FX200度量工具測量該薄膜於研磨前後之厚度，以測定該去除率。該去除率之結果係提供於表2。
公布於表3之化學機械研磨組成物之缺陷率效能，係於研磨後以及氫氟酸研磨後(“Pst-HF”)清洗，使用掃描電子顯微鏡測定。於Pst-HF清洗之後，所有TEOS
晶圓皆使用可購自KLA-Tencor之Surfscan ® SP1缺陷檢測系統檢測。該缺陷資訊，包括它們在晶圓上之座標都由KLARF(KLA結果檔)記錄下來，其接著轉移至可購自KLA-Tencor之eDR-5200缺陷檢驗系統。由eDR-5200系統隨機選擇及檢驗100個缺陷影像。此100個影像被分類為各種缺陷類型，例如，震痕(刮痕)、粒子和墊之碎屑。根據來自此100個影像之分類結果，可決定該晶圓上之刮痕總數量。
Claims (10)
- 一種化學機械研磨組成物，包含作為初始成分之：水；0.1至40wt%之膠體矽石研磨劑；0.001至5wt%之式I之添加劑；
- 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨組成物，其中，該化學機械研磨組成物呈現大於或等於()10之pH值。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨組成物，其中，以20.68kPa之標稱下壓力，每分鐘93轉之平台轉速，每分鐘87轉之載具速度，每分鐘200毫升之化學機械研磨組成物流速，於300毫米研磨機器，該化學機械研磨組成物呈現大於或等於()1,000埃/分鐘之正矽酸四乙酯(TEOS)去除率；以及，其中該化學機械研磨墊 係浸漬聚氨酯之非織造墊。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨組成物，其中該式I之添加劑係具式Ia：
- 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨組成物，其中該式I之添加劑係具式Ib：
- 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨組成物，其中該式I之添加劑係具式Ic：
- 一種化學機械研磨基板之方法，包含：提供基板，其中該基板包含氧化矽；提供如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨組成物；提供具有研磨表面之化學機械研磨墊；將該化學機械研磨組成物分注至該化學機械研磨 墊之該研磨表面上之該化學機械研磨墊和該基板間之介面處或接近該介面處；以及以0.69至34.5千帕之下壓力，於該化學機械研磨墊和該基板間之該介面處創造動態接觸；其中該基板被研磨；其中部分之該氧化矽自該基板上移除。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該化學機械研磨組成物呈現大於或等於()1,000Å/分鐘之氧化矽去除率，且其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於(>)0.16微米之研磨後SP1缺陷數目小於或等於()70。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該化學機械研磨組成物呈現大於或等於()1,000Å/分鐘之氧化矽去除率，且其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於(>)0.16微米之研磨後SP1刮痕數目小於或等於()25。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該化學機械研磨組成物呈現大於或等於()1,000Å/分鐘之氧化矽去除率；其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於(>)0.16微米之研磨後SP1缺陷數目小於或等於()70；以及，其中該化學機械研磨組成物促進尺寸大於(>)0.16微米之研磨後SP1刮痕數目小於或等於()25。
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