TWI454560B - 非離子型聚合物在自停止多晶矽拋光液製備及使用中的應用 - Google Patents

Description

非離子型聚合物在自停止多晶矽拋光液製備及使用中的應用

本發明係關於一種多晶矽化學機械拋光液，且特別是有關於一種可實現自停止機制的多晶矽化學機械拋光液。

在多晶矽的拋光過程中，通常會存在如下兩個問題：1、因為多晶矽/二氧化矽的拋光速率選擇比過高，使得最後拋光過程停止在二氧化矽層上時，難免會有多晶矽的碟形凹損。如圖一所示，圖一中a、b分別為拋光前和拋光後的結構。且該問題會隨著二氧化矽之間的溝槽寬度的增加而加重。這會對器件的性能造成嚴重影響；2、淺溝道隔離(STI)化學機械研磨過程中，二氧化矽表面形成碟形凹損，造成後續步驟覆蓋多晶矽層後的拋光過程中，二氧化矽碟形凹損中殘留多晶矽。如圖二所示，圖二中a、b分別為拋光前和拋光後的結構。這同樣會對器件的性能造成嚴重影響。

因此，解決多晶矽拋光過程中表面碟形凹損缺陷、及去除殘留了多晶矽的二氧化矽碟形凹損的問題至關重要。美國專利文獻US2003153189公開了一種化學機械拋光的方法和拋光液的組成，可以減少氧化物溝槽內的多晶矽的碟形凹損，以及降低生產成本。美國專利文獻US6191039揭示了一種化學機械拋光方法，可以降低化學拋光的時間和成本，且有很好的平坦化效果。以上技術雖然在一定程度上達到了一定的平坦化效果，縮短了拋光時間和成本，但是或者是分兩步操作，或者只是抑制了多晶矽的拋光速率，且操作複雜，拋光效果有限。

美國專利文獻US2006014390揭示了一種拋光液，其中所包含的非離子型聚合物具有抑制多晶矽去除速率的作用。

本發明之一範疇在於提供一種多晶矽化學機械拋光液，包含-(RO)-或-(RCOO)-基團(其中R為碳原子數為1~10的烷基)的聚合物，該拋光液可實現自停止機制。

本發明中，聚合物較佳的為聚氧乙烯型非離子表面活性劑。聚氧乙烯型非離子表面活性劑較佳的為長鏈脂肪醇聚氧乙烯醚R₁O(C₂H₄O)_nH、脂肪酸聚氧乙烯酯(R₁COO(C₂H₄O)_nH、R₁COO(C₂H₄O)_nOCR₁或HO(C₂H₄O)_nH)、烷基酚聚氧乙烯醚R₁C₆H₄O(C₂H₄O)_nH、聚乙氧烯烷基醇醯胺R₁CONHCH₂(C₂H₄O)_n-₂OCH₂CH₂OH、聚氧乙烯烷基胺R₁-N(CH₂CH₂O(C₂H₄O)_n-₂CH₂CH₂OH)₂或吐溫(tween)R₁C₇H₁₁O₆(C₂H₄O)_x+y+z，其中R₁為烴基，n為10~1000的整數，x、y及z為10~1000的整數。

本發明中，聚合物的含量較佳的為品質百分比0.0001%~5%。

本發明中，拋光液包含至少一種研磨顆粒和水。

其中，研磨顆粒較佳的選自下列七種中的一個或多個：二氧化矽、三氧化二鋁、二氧化鈰、二氧化鋯、碳化矽、聚四氟乙烯(PTFE)以及聚苯乙烯。研磨顆粒的含量較佳的為小於或等於品質百分比30%。

本發明中，拋光液可進一步包含pH調節劑或絡合劑。

拋光液由上述成分簡單混合均勻即得。

本發明的應用中，拋光時，拋光頭的下壓力範圍較佳的為1psi~5psi；拋光頭的轉速範圍較佳的為10rpm~150rpm；拋光墊的轉速範圍較佳的為10rpm~150rpm。

本發明的應用中，拋光墊較佳的為聚氨酯材料的拋光墊，如羅門哈斯(ROHMHASS)公司的型號為IC1000，IC1010或politex的拋光墊，或PPG公司的PPG fast pad拋光墊。

本發明一較佳具體實施例中，拋光頭的下壓力為1psi；拋光頭的轉速為150rpm；拋光墊的轉速為147rpm；拋光墊為PPG fast pad；拋光時間為3分鐘。

本發明另一較佳具體實施例中，拋光頭的下壓力為3psi；拋光頭的轉速為150rpm；拋光墊的轉速為147rpm；拋光墊為IC1010；拋光時間為2分鐘。

本發明另一較佳具體實施例中，拋光頭的下壓力為5psi；拋光頭的轉速為10rpm；拋光墊的轉速為11rpm；拋光墊為politex；拋光時間為1.5分鐘。

本發明可使拋光液在固定的工藝參數下實現自停止拋光機制，機制過程由圖三所示。該機制包括主體去除階段S1與終點去除階段S2。整個拋光過程中二氧化矽的去除速率保持不變。多晶矽的去除速率及多晶矽/二氧化矽的選擇比在主體去除階段S1由高到低下降，工藝參數值低時去除速率趨於0，在終點去除階段恒定。圖三中RR₀、RR₁、RR₂分別為拋光開始時多晶矽去除速率，主體去除階段S1多晶矽的平均去除速率以及終點去除階段多晶矽去除速率，T₁為主體去除階段S1的時間。RR₀、RR₁、RR₂以及T₁之值根據拋光液成份以及拋光時的工藝參數來改變。虛線L表示工藝參數值高時，去除速率趨高且恆定。

本發明的應用實例中，RR₀可能為100~6000(A/min)，RR₁可能為100~6000(A/min)，RR₂可能為0~5000(A/min)。二氧化矽的去除速率可能為0~1000(A/min)。RR₁與二氧化矽的去除速率比可能為100：1~1：1，RR₂與二氧化矽的去除速率比可能為10：1~1：10。

藉此，本發明提供多晶矽化學機械拋光液，包含-(RO)-或-(RCOO)-基團的聚合物，其中R為碳原子數為1~10的烷基，該拋光液可實現自停止拋光機制。本發明之多晶矽化學機械拋光液與先前技術之拋光液相比，能更佳地解決了現有多晶矽拋光過程中二氧化矽溝道中多晶矽碟形凹損缺陷的發生，二氧化矽碟形凹損中的多晶矽殘留的問題。本發明可通過一步拋光實現高平坦化度，無多晶矽殘留，拋光後可獲得如圖四所示的晶片結構。本發明還具有工藝窗口寬的特點，可使生產率大大提高，生產成本大大降低。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

下面通過實施例的方式進一步說明本發明，並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。

請參閱圖一至圖四。圖一係繪示一般多晶矽拋光過程中，拋光前(a)和拋光後(b)的晶片結構圖。圖二係繪示淺溝道隔離(STI)化學機械研磨過程中造成的二氧化矽表面碟形凹損，在多晶矽拋光前(a)以及拋光後(b)的示意圖。圖三係繪示本發明中可實現的自停止機制示意圖。如圖三所示，RR₀、RR₁、RR₂分別為拋光開始時多晶矽去除速率，主體去除階段S1多晶矽的平均去除速率和終點去除階段S2多晶矽去除速率，T₁為主體去除階段S1的時間。圖四係繪示使用本發明之化學機械拋光液，於拋光後可獲得的晶片結構圖。

需注意的是，下述wt%代表重量百分比。

實施例1~16：用於可實現自停止機制的多晶矽化學機械拋光液的製備。

多晶矽化學機械拋光液包含一含有-(RO)-或-(RCOO)-基團的聚合物，其中R為碳原子數為1~10的烷基，該拋光液可實現自停止拋光機制。表1列出了實施例1~16中所製備的拋光液的成分配方，其中水為餘量。

實施例17：用於可實現自停止機制的多晶矽化學機械拋光液的使用。

將按照實施例1的配方所製得的拋光液滴到PPG fast pad拋光墊上，晶片正面向下，接觸拋光墊表面，以147rpm和150rpm的轉速分別旋轉拋光墊和拋光頭，同時在被拋光的晶片背面施加1psi的下壓力，進行拋光。拋光液流速為100ml/min，時間3分鐘。

實施例18：用於可實現自停止機制的多晶矽化學機械拋光液的使用。

將按照實施例2的配方所制得的拋光液滴到IC1010拋光墊上，晶片正面向下，接觸拋光墊表面，以147rpm和150rpm的轉速分別旋轉拋光墊和拋光頭，同時在被拋光的晶片背面施加3psi的下壓力，進行拋光。拋光液流速為100ml/min，時間2分鐘。

實施例19：用於可實現自停止機制的多晶矽化學機械拋光液的使用。

將按照實施例3的配方所制得的拋光液滴到politex拋光墊上，晶片正面向下，接觸拋光墊表面，以11rpm和10rpm的轉速 分別旋轉拋光墊和拋光頭，同時在被拋光的晶片背面施加5psi的下壓力，進行拋光。拋光液流速為100ml/min，時間1.5分鐘。

實施例20：用於可實現自停止機制的多晶矽化學機械拋光液的使用。

將按照實施例4的配方所制得的拋光液滴到IC1000拋光墊上，晶片正面向下，接觸拋光墊表面，以10rpm和11rpm的轉速分別旋轉拋光墊和拋光頭，同時在被拋光的晶片背面施加4psi的下壓力，進行拋光。拋光液流速為100ml/min。

實施例21：用於可實現自停止機制的多晶矽化學機械拋光液的使用。

將按照實施例5的配方所制得的拋光液滴到IC1000拋光墊上，晶片正面向下，接觸拋光墊表面，以150rpm和145rpm的轉速分別旋轉拋光墊和拋光頭，同時在被拋光的晶片背面施加1psi的下壓力，進行拋光。拋光液流速為100ml/min。

效果實施例1：

拋光液：10wt% SiO₂，0.2wt% C₁₁H₂₃C₇H₁₁O₆(C₂H₄O)₂₀(吐溫(tween)20)，水為餘量，pH調節劑為KOH，pH=11.3。

將此拋光液滴到PPG CS7 MXP-710拋光墊上，晶片正面向下，接觸拋光墊表面，以70rpm和80rpm的轉速分別旋轉拋光墊和拋光頭，同時在被拋光的晶片背面施加3psi的下壓力，進行拋光。每次拋光後對拋光墊進行清洗刮整，同時也對晶片表面進行去離子水沖洗清潔、乾燥及測量。拋光液流速為100ml/min。拋光結果如表2所示：表2列出多晶矽去除量隨拋光時間的變化。

由表2可知，多晶矽去除量隨時間延長而降低，說明拋光過程呈現了自停止機制中的主體去除階段。

效果實施例2：

拋光液：10wt.% SiO₂，0.01wt.% C₁₁H₂₃C₇H₁₁O₆(C₂H₄O)₂₀(吐溫20)，水為餘量，pH調節劑為KOH，pH=11.3。

將此拋光液滴到PPG CS7 MXP-710拋光墊上，晶片正面向下，接觸拋光墊表面，以70rpm和80rpm的轉速分別旋轉拋光墊和拋光頭，同時在被拋光的晶片背面施加3psi的下壓力，進行拋光。拋光液流速為100ml/min。每次拋光後對拋光墊進行清洗刮整，同時也對晶片表面進行去離子水沖洗清潔，乾燥，測量。拋光結果如表3所示：表3列出多晶矽及二氧化矽的去除速率以及選擇比隨拋光時間的變化。

由表3可知，多晶矽去除量隨時間延長而降低，說明拋光過程呈現了自停止機制，且多晶矽的去除速率最終恒定在一個低值，而二氧化矽的去除速率始終不變。在主體去除階段多晶矽/二氧化矽去除選擇比為4.29：1，而在終點去除階段多晶矽/二氧化矽去除選擇比為1：1。

此外，本發明中所提及的化合物均市售可得。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

a‧‧‧拋光前

b‧‧‧拋光後

RR₀‧‧‧拋光開始時多晶矽去除速率

RR₁‧‧‧主體去除階段多晶矽的平均去除速率

RR₂‧‧‧終點去除階段多晶矽去除速率

T₁‧‧‧主體去除階段的時間

L‧‧‧虛線

S1‧‧‧主體去除階段

S2‧‧‧終點去除階段

圖一係繪示一般多晶矽拋光過程中，拋光前(a)和拋光後(b)的晶片結構圖。

圖二係繪示淺溝道隔離化學機械研磨過程中造成的二氧化矽表面碟形凹損，在多晶矽拋光前(a)以及拋光後(b)的示意圖。

圖三係繪示本發明中可實現的自停止機制示意圖。

圖四係繪示使用本發明之化學機械拋光液，於拋光後可獲得的晶片結構圖。

RR₀‧‧‧拋光開始時多晶矽去除速率

RR₁‧‧‧主體去除階段多晶矽的平均去除速率

RR₂‧‧‧終點去除階段多晶矽去除速率

T₁‧‧‧主體去除階段的時間

L‧‧‧虛線

S1‧‧‧主體去除階段

S2‧‧‧終點去除階段

Claims (13)

1. 一種重複單元中含有-(RO)-或-(RCOO)-基團的聚合物在抑制多晶矽拋光中速率的應用，其中R為碳原子數為1~10的烷基，其中該聚合物為一聚氧乙烯型非離子表面活性劑，其中該聚氧乙烯型非離子表面活性劑係選自下列群組其中之一：長鏈脂肪醇聚氧乙烯醚R₁O(C₂H₄O)_nH、脂肪酸聚氧乙烯酯(R₁COO(C₂H₄O)_nH、R₁COO(C₂H₄O)_nOCR₁或HO(C₂H₄O)_nH)、烷基酚聚氧乙烯醚R₁C₆H₄O(C₂H₄O)_nH、聚乙氧烯烷基醇醯胺R₁CONHCH₂(C₂H₄O)_n-2OCH₂CH₂OH、聚氧乙烯烷基胺R₁-N(CH₂CH₂O(C₂H₄O)_n-2CH₂CH₂OH)₂以及吐溫(tween)R₁C₇H₁₁O₆(C₂H₄O)_x+y+z，其中R₁為烴基，n為10~1000的整數，x、y、z分別為10~1000的整數，該聚合物的含量為該多晶矽化學機械拋光液的品質百分比0.0001%~5%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之應用，進一步包含一研磨顆粒及一水。
3. 如申請專利範圍第2項所述之應用，其中該研磨顆粒係選自下列群組其中之一個或多個：二氧化矽、三氧化二鋁、二氧化鈰、二氧化鋯、碳化矽、聚四氟乙烯以及聚苯乙烯。
4. 如申請專利範圍第2項所述之應用，其中該研磨顆粒的含量係小於或等於該多晶矽化學機械拋光液的品質百分比30%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之應用，進一步包含一pH調節劑或一絡合劑。
6. 如申請專利範圍第1項所述之應用，其中拋光時，拋光頭的下壓力為1psi~5psi。
7. 如申請專利範圍第1項所述之應用，其中拋光時，拋光頭的轉速 為10rpm~150rpm。
8. 如申請專利範圍第1項所述之應用，其中拋光時，拋光墊的轉速範圍為10rpm~150rpm。
9. 如申請專利範圍第1項所述之應用，其中拋光墊之材料為聚氨酯。
10. 如申請專利範圍第9項所述之應用，其中拋光墊為羅門哈斯ROHMHASS公司之型號為IC1000、IC1010或politex的拋光墊，或是PPG公司的PPG fast pad拋光墊。
11. 如申請專利範圍第1項所述之應用，其中拋光時，拋光頭的下壓力為1psi，拋光頭的轉速為150rpm，拋光墊的轉速為147rpm，拋光墊為PPG fast pad，拋光時間為3分鐘。
12. 如申請專利範圍第1項所述之應用，其中拋光時，拋光頭的下壓力為3psi，拋光頭的轉速為150rpm，拋光墊的轉速為147rpm，拋光墊為IC1010，拋光時間為2分鐘。
13. 如申請專利範圍第1項所述之應用，其中拋光時，拋光頭的下壓力為5psi，拋光頭的轉速為10rpm，拋光墊的轉速為11rpm，拋光墊為politex，拋光時間為1.5分鐘。