專利名稱：化學(xué)機(jī)械拋光二氧化硅和氮化硅的多步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片材料的化學(xué)機(jī)械平化(CMP)，更具體地說，涉及對(duì)淺槽隔離(STI)方法中半導(dǎo)體晶片的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光的CMP方法。
背景技術(shù)：
微電子電路中器件尺寸的縮小和集成密度的增加要求相應(yīng)地縮小隔離結(jié)構(gòu)的尺寸。這種隔離結(jié)構(gòu)的縮小促進(jìn)了既提供有效隔離又占據(jù)最小基片表面的結(jié)構(gòu)的可重復(fù)形成。
STI技術(shù)是廣泛使用的半導(dǎo)體制造方法，用以形成隔離結(jié)構(gòu)，對(duì)集成電路中形成的各種有源元件進(jìn)行電隔離。相對(duì)于傳統(tǒng)LOCOS(硅的局部氧化)技術(shù)，使用STI技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)用于在亞微米集成水平上進(jìn)行制造的CMOS(互補(bǔ)金屬-氧化物半導(dǎo)體)IC器件的比例放大或縮小性。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，STI技術(shù)有助于防止所謂鳥嘴式線腳侵蝕的發(fā)生，而這種侵蝕是用來形成隔離結(jié)構(gòu)的LOCOS技術(shù)所常有的。
在STI技術(shù)中，第一步是通常采用各向異性蝕刻方法在基片的一些預(yù)定位置形成大量溝槽。其次，將氧化硅沉積在每個(gè)這些溝槽中。然后用CMP方法拋光氧化硅，加工至氮化硅(停止層)，形成STI結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到有效拋光，拋光漿料通常具有很高的選擇性，選擇性是指相對(duì)于氮化硅的氧化硅去除速率(“選擇性”)。
不幸的是，高選擇性漿料具有很大的密度依賴性，導(dǎo)致模區(qū)(die scale)測(cè)量厚度的差異。例如，如

圖1A-1D中所示，所示硅基片包括氮化物層5和氧化物層3。圖1A顯示經(jīng)預(yù)拋光的硅基片1的形貌，包括“高”密度區(qū)7和“低”密度區(qū)9。當(dāng)?shù)兔芏葏^(qū)9被平化時(shí)，高密度區(qū)7仍然具有明顯的梯段高度，高達(dá)3000埃。然后，當(dāng)?shù)兔芏葏^(qū)9被清除時(shí)，高密度區(qū)7仍然具有明顯的殘留氧化物3，高達(dá)3000埃。結(jié)果是，當(dāng)高密度區(qū)7被清除時(shí)，低密度區(qū)9表現(xiàn)出明顯的凹陷，約為500?；蛞陨?。
Hattori等人在EP 1479741A2中公開了一種在STI過程中進(jìn)行拋光的已知方法。雖然Hattori等人的方法提供了足夠的選擇性，但是微電子電路集成密度的不斷增加仍然需要改進(jìn)的方法。
因此，需要為淺槽隔離方法提出對(duì)二氧化硅(“氧化硅”)和氮化硅能改善凹陷現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)械拋光方法。
發(fā)明概述本發(fā)明第一方面提出了一種對(duì)半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光的方法，包括以下步驟用第一含水組合物平化氧化硅，該含水組合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的陽(yáng)離子性化合物，0-1重量％的鄰苯二甲酸和鹽，0-5重量％的兩性離子化合物和余量的水，其中該聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量為100-1000000克/摩爾；檢測(cè)平化終點(diǎn)；用第二含水組合物清除氧化硅，該含水組合物包含0.001-1重量％的季銨化合物，0.001-1重量％的鄰苯二甲酸及其鹽，0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.01-5重量％的磨料和余量的水。
本發(fā)明第二方面提出了一種對(duì)半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光的兩步方法，包括以下步驟用抑制性漿料平化氧化硅；檢測(cè)第一終點(diǎn)并停止平化；用選擇性漿料清除氧化硅；檢測(cè)第二終點(diǎn)并停止清除。
本發(fā)明第三方面提出了一種對(duì)半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光的多步方法，包括以下步驟用第一含水組合物平化氧化硅，該含水組合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的陽(yáng)離子性化合物，0-1重量％的鄰苯二甲酸和鹽，0-5重量％的兩性離子化合物和余量的水，其中該聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量為100-1000000克/摩爾；檢測(cè)第一終點(diǎn)并停止平化；用第二含水組合物清除氧化硅，該含水組合物包含0.001-1重量％的季銨化合物，0.001-1重量％的鄰苯二甲酸及其鹽，0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.01-5重量％的磨料和余量的水；檢測(cè)第二終點(diǎn)并停止清除。
附圖簡(jiǎn)要說明圖1A-1D說明采用單步拋光方法的二氧化硅和氮化硅的拋光后形貌；和圖2A-2C說明采用兩步拋光方法的二氧化硅和氮化硅的拋光后形貌。
發(fā)明詳述本發(fā)明提出了一種平化STI結(jié)構(gòu)的多步拋光方法。在第一步中，使用了一種新穎的“平即?！被颉耙种菩浴睗{料。這種漿料表現(xiàn)出非Prestonian響應(yīng)。該抑制性漿料在氧化物薄膜的“上方”區(qū)域表現(xiàn)出比“下方”區(qū)域明顯更快的拋光。當(dāng)氧化物梯段高度減小并達(dá)到平化時(shí)，該漿料的拋光速率優(yōu)選隨之降低。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，使用終點(diǎn)信號(hào)來引發(fā)第一步的結(jié)束?？梢圆捎酶鞣N方法，包括基于摩擦力或電機(jī)電流的終點(diǎn)信號(hào)?？梢愿鶕?jù)該終點(diǎn)信號(hào)的特征來確定達(dá)到平化的點(diǎn)。通過將該終點(diǎn)信號(hào)與第一步“抑制性”漿料聯(lián)系起來，能保持增強(qiáng)的平化特征，同時(shí)獲得相對(duì)于在真實(shí)平即停模式下工作而言更高的拋光速率和明顯更短的拋光時(shí)間。
在第一步的終點(diǎn)，晶片的特征是，有基本平坦的氧化物過量覆蓋著整個(gè)晶片。在第二步中，使用一種新穎的高“選擇性”STI漿料清除過量氧化物。該漿料表現(xiàn)出Prestonian響應(yīng)。也可以通過使用基于摩擦力或電機(jī)電流的終點(diǎn)信號(hào)確定第二步的終點(diǎn)。優(yōu)選該晶片已經(jīng)被平化(通過第一步)，該選擇性漿料的較高圖案密度依賴性并不會(huì)損害平化性能。另外，還可以采用表現(xiàn)出與平化相應(yīng)的特征的其他終點(diǎn)體系(例如熱學(xué)或光學(xué)體系)。
參見圖2A-2C，這些圖顯示了使用第一步拋光含水組合物和第二步含水組合物，拋光二氧化硅和氮化硅的本發(fā)明方法。圖1A顯示硅基片1的預(yù)拋光形貌，包括氮化物層5和氧化物層3，包括“高”密度區(qū)7和“低”密度區(qū)9。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在使用第一步拋光組合物的第一步拋光結(jié)束時(shí)，高密度區(qū)7和低密度區(qū)9以近似速率被平化，如圖2B所示。優(yōu)選采用例如摩擦的或光學(xué)的終點(diǎn)信號(hào)確定第一步拋光的終點(diǎn)或平化。另外，也可以采用能表現(xiàn)出與平化相應(yīng)的特征的其他終點(diǎn)體系(例如熱學(xué)或光學(xué)體系)。然后，如圖2C中所示，在使用本發(fā)明第二步拋光組合物的第二步拋光結(jié)束時(shí)，高密度區(qū)7和低密度區(qū)9以近似速率被清除?；蚩刹捎美缒Σ恋幕蚬鈱W(xué)的終點(diǎn)信號(hào)確定第一步拋光的終點(diǎn)或平化。
該新穎的第一步拋光組合物優(yōu)選含有約0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，以便在氧化物去除過程中提供壓力閾值響應(yīng)。該聚乙烯基吡咯烷酮的含量?jī)?yōu)選為0.015-5重量％，更優(yōu)選為0.02-0.5重量％。另外，可以使用較高和較低數(shù)均分子量聚乙烯基吡咯烷酮的摻和物。
而且，該聚乙烯基吡咯烷酮的重均分子量是100-1000000克/摩爾，由凝膠滲透色譜(GPC)法測(cè)定。該聚乙烯基吡咯烷酮的重均分子量?jī)?yōu)選為500-500000克/摩爾，更優(yōu)選約為1500-100000克/摩爾。
除了聚乙烯基吡咯烷酮以外，該第一步拋光組合物優(yōu)選含有0.01-5重量％的羧酸聚合物，作為磨料顆粒(以下討論)的分散劑。該組合物優(yōu)選含有0.05-1.5重量％的羧酸聚合物。而且該聚合物的數(shù)均分子量?jī)?yōu)選為4000-1500000。另外，可以使用較高和較低數(shù)均分子量羧酸聚合物的摻和物。這些羧酸聚合物通常存在于溶液中，但是也可以存在于水分散液中。羧酸聚合物的優(yōu)點(diǎn)是，作為磨料顆粒(以下討論)的分散劑。所述聚合物的數(shù)均分子量用GPC測(cè)定。
該羧酸聚合物優(yōu)選由不飽和單羧酸和不飽和二羧酸形成。典型的不飽和單羧酸單體含有3-6個(gè)碳原子，包括丙烯酸，低聚丙烯酸，甲基丙烯酸，巴豆酸和乙烯基乙酸。典型的不飽和二羧酸含有4-8個(gè)碳原子，包括其酸酐，例如是馬來酸，馬來酸酐，富馬酸，戊二酸，衣康酸，衣康酸酐和環(huán)己二酸。另外，還可以使用上述酸的水溶性鹽。
特別適用的是數(shù)均分子量約為1000-1500000，優(yōu)選為3000-250000，更優(yōu)選為20000-200000的“聚(甲基)丙烯酸”。這里使用的術(shù)語(yǔ)“聚(甲基)丙烯酸”被定義為丙烯酸的聚合物，甲基丙烯酸的聚合物或丙烯酸和甲基丙烯酸的共聚物。不同數(shù)均分子量聚(甲基)丙烯酸的摻和物是特別優(yōu)選的。在這些聚(甲基)丙烯酸的摻和物或混合物中，將數(shù)均分子量為1000-100000，優(yōu)選為4000-40000的較低數(shù)均分子量聚(甲基)丙烯酸與數(shù)均分子量為150000-1500000，優(yōu)選為200000-300000的較高數(shù)均分子量聚(甲基)丙烯酸進(jìn)行組合。通常，較低數(shù)均分子量聚(甲基)丙烯酸對(duì)較高數(shù)均分子量聚(甲基)丙烯酸的重量比約為10∶1到1∶10，優(yōu)選為5∶1到1∶5，更優(yōu)選為3∶1到2∶3。優(yōu)選的摻和物中包含數(shù)均分子量約為20000的聚(甲基)丙烯酸和數(shù)均分子量約為200000的聚(甲基)丙烯酸，其重量比為2∶1。
另外，可以使用含有羧酸的共聚物和三元共聚物，其中羧酸組分占該聚合物的5-75重量％。典型的此類聚合物是(甲基)丙烯酸和丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺的聚合物；(甲基)丙烯酸和苯乙烯和其他乙烯基芳香族單體的聚合物；(甲基)丙烯酸烷基酯(丙烯酸或甲基丙烯酸的酯)和單羧酸或二羧酸的聚合物，單羧酸或二羧酸例如是丙烯酸或甲基丙烯酸或衣康酸等；具有取代基的取代乙烯基芳香族單體與不飽和單羧酸或二羧酸和(甲基)丙烯酸烷基酯的聚合物，這些取代基例如是鹵素(即氯，氟，溴)，硝基，氰基，烷氧基，鹵代烷基，羧基，氨基，氨基烷基；含有氮環(huán)的單烯鍵不飽和單體與不飽和單羧酸或二羧酸的聚合物，含有氮環(huán)的單烯鍵不飽和單體例如是乙烯基吡啶，烷基乙烯基吡啶，乙烯基丁內(nèi)酰胺，乙烯基己內(nèi)酰胺；烯烴和不飽和單羧酸或二羧酸的聚合物，烯烴例如是丙烯，異丁烯，或具有10-20個(gè)碳原子的長(zhǎng)鏈烷基烯烴；乙烯基醇酯或鹵乙烯或乙烯基氰與不飽和單羧酸或二羧酸的聚合物，乙烯基醇酯例如是乙酸乙烯酯和硬脂酸乙烯酯，鹵乙烯例如是氟乙烯，氯乙烯，偏二氟乙烯，乙烯基氰例如是丙烯腈和甲基丙烯腈；烷基中具有1-24個(gè)碳原子的(甲基)丙烯酸烷基酯與不飽和單羧酸的聚合物，不飽和單羧酸例如是丙烯酸或甲基丙烯酸。這些只是可用于本發(fā)明新穎拋光組合物中的各種聚合物的少許實(shí)例。而且，可以使用可生物降解，可光降解或可采用其他方式降解的聚合物。這種組合物的一個(gè)實(shí)例是可生物降解的聚丙烯酸聚合物，其中含有聚(丙烯酸酯共聚2-氰基丙烯酸甲酯)的鏈段。
該第一步拋光組合物優(yōu)選含有0.2-6重量％的磨料，用以促進(jìn)氧化硅的去除。在該范圍中，磨料含量大于或等于0.5重量％是理想的。而且，在該范圍中理想的含量是小于或等于2.5重量％。
該磨料的平均粒徑為50-200納米(nm)。為了本說明書的目的，粒徑是指該磨料的平均粒徑。更優(yōu)選的是，使用平均粒徑為80-150納米的磨料較好。減小磨料的尺寸至小于或等于80納米，會(huì)促進(jìn)拋光組合物的平化作用，但是也會(huì)降低去除速率。
磨料的例子包括無(wú)機(jī)氧化物，無(wú)機(jī)氫氧化物，金屬硼化物，金屬碳化物，金屬氮化物和聚合物等的顆粒以及包括上述至少一種的混合物。適用的無(wú)機(jī)氧化物包括，例如氧化硅(SiO2)，氧化鋁(Al2O3)，氧化鋯(ZrO2)，氧化鈰(CeO2)，氧化錳(MnO2)，或上述一些氧化物中至少一種組合。如果需要，還可以使用這些無(wú)機(jī)氧化物的改進(jìn)形式，例如用聚合物涂布的無(wú)機(jī)氧化物顆粒和用無(wú)機(jī)物涂布的顆粒。適用的金屬碳化物，硼化物和氮化物包括，例如碳化硅，氮化硅，碳氮化硅(SiCN)，碳化硼，碳化鎢，碳化鋯，硼化鋁，碳化鉭，碳化鈦，或包括上述金屬碳化物，硼化物和氮化物的至少一種組合。如果需要，也可以使用金剛石作為磨料?？捎玫哪チ线€包括聚合物顆粒和經(jīng)過涂布的聚合物顆粒。磨料優(yōu)選氧化鈰。
這些化合物在寬pH范圍的余量為水的溶液中提供效用。該溶液的適用pH范圍從至少4到9。另外，該溶液中所含余量的水優(yōu)選為去離子水，以限制偶然帶入的雜質(zhì)。本發(fā)明拋光液的pH優(yōu)選是4.5-8，更優(yōu)選是5.5-7.5。用來調(diào)節(jié)本發(fā)明組合物pH的酸，例如是硝酸，硫酸，鹽酸，磷酸和類似物。用來調(diào)節(jié)本發(fā)明組合物pH的示例性堿，例如是氫氧化銨和氫氧化鉀。
該第一步拋光組合物也可以優(yōu)選含有0-5重量％的兩性離子化合物，用以促進(jìn)平化，并且作為氮化物去除的抑制劑。該組合物優(yōu)選含有0.01-1.5重量％的兩性離子化合物。本發(fā)明兩性離子化合物的優(yōu)點(diǎn)是，能促進(jìn)平化并且能抑制氮化物的去除。
術(shù)語(yǔ)“兩性離子化合物”是指含有大致相同比例陽(yáng)離子性和陰離子性部分的化合物，這兩部分通過例如CH2基團(tuán)物理橋相連，因此該化合物在總體上是凈中性的。本發(fā)明的兩性離子化合物包括以下結(jié)構(gòu) 其中n是整數(shù)，Y包括氫或烷基，Z包括羧基，硫酸根或氧，M包括氮，磷或硫原子，X1，X2和X3獨(dú)立地包括選自氫，烷基和芳基的取代基。
如本文所定義，術(shù)語(yǔ)“烷基”是指優(yōu)選含有1-20個(gè)碳原子的，取代或未取代的，直鏈，支鏈或環(huán)狀烴鏈。烷基包括，例如甲基，乙基，丙基，異丙基，環(huán)丙基，丁基，異丁基，叔丁基，仲丁基，環(huán)丁基，戊基，環(huán)戊基，己基和環(huán)己基。
術(shù)語(yǔ)“芳基”是指優(yōu)選含有6-20個(gè)碳原子的，取代或未取代的芳香族碳環(huán)基團(tuán)。芳基可以是單環(huán)或多環(huán)的。芳基包括例如苯基，萘基，聯(lián)苯基，芐基，甲苯基，二甲苯基，苯乙基，苯甲酸酯基，苯甲酸烷基酯基，苯胺基，和N-烷基苯胺基。
優(yōu)選的兩性離子化合物包括例如甜菜堿。本發(fā)明的優(yōu)選甜菜堿是N，N，N-三甲基胺基乙酸酯，由以下結(jié)構(gòu)表示 本發(fā)明的第一步拋光組合物也可以包含0-5重量％，優(yōu)選0.01-1.5重量％的陽(yáng)離子性化合物。本發(fā)明陽(yáng)離子性化合物的優(yōu)點(diǎn)是，促進(jìn)平化，調(diào)節(jié)晶片清除時(shí)間并起到抑制氧化物去除的作用。優(yōu)選的陽(yáng)離子性化合物包括烷基胺，芳基胺，季銨化合物和醇胺。示例性陽(yáng)離子性化合物包括甲基胺，乙基胺，二甲基胺，二乙基胺，三甲基胺，三乙基胺，苯胺，氫氧化四甲銨，氫氧化四乙銨，乙醇胺和丙醇胺。
該第一步拋光組合物也可以優(yōu)選含有0-1重量％，優(yōu)選0.01-0.5重量％的絡(luò)合劑。絡(luò)合劑例子包括羰基化合物(例如乙酰丙酮化物和類似物)，簡(jiǎn)單羧酸酯(例如乙酸酯，羧酸芳基酯和類似物)，含有一個(gè)或多個(gè)羥基的羧酸酯(例如甘醇酸酯，乳酸酯，葡糖酸酯，五桔子酸及其鹽和類似物)，二、三和多羧酸酯(例如草酸酯，鄰苯二甲酸酯，檸檬酸酯，琥珀酸酯，酒石酸酯，蘋果酸酯，乙二胺四乙酸酯(例如EDTA二鈉)，其混合物和類似物)，含有一個(gè)或多個(gè)磺酸基和/或膦酸基的羧酸酯。而且，其他適用的絡(luò)合劑包括，例如，二、三或多元醇(例如乙二醇，焦兒茶酚，焦桔酚，單寧酸，和類似物)和含磷酸根的化合物(例如膦鹽和膦酸)。優(yōu)選該絡(luò)合劑是鄰苯二甲酸及其鹽。優(yōu)選的鄰苯二甲酸鹽包括，鄰苯二甲酸氫銨和鄰苯二甲酸氫鉀，及其混合物。
因此，本發(fā)明提供了一種使用第一步拋光組合物進(jìn)行拋光的方法，該拋光組合物適用于淺槽隔離方法對(duì)半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光。該組合物優(yōu)選包含聚乙烯基吡咯烷酮，以改善凹陷現(xiàn)象。具體地說，本發(fā)明提供了一種含水組合物，該含水組合物適用于拋光半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅，該含水組合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的陽(yáng)離子性化合物，0-1重量％的鄰苯二甲酸和鹽，0-5重量％的兩性離子化合物和余量的水，其中該聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量為100-1000000克/摩爾。該組合物在4-9的pH范圍中表現(xiàn)出特別增強(qiáng)的閾值壓力響應(yīng)。
如以上部分所討論的，優(yōu)選使用終點(diǎn)信號(hào)確定第一步的終點(diǎn)?？梢圆捎酶鞣N方法，包括基于摩擦力或電機(jī)電流的終點(diǎn)信號(hào)。可以根據(jù)該終點(diǎn)信號(hào)的特征決定達(dá)到平化的點(diǎn)。將終點(diǎn)信號(hào)和第一步“抑制性”漿料聯(lián)系起來，能保持提高的平化特征，同時(shí)獲得比在真實(shí)平即停模式下工作更高的拋光速率和明顯更短的拋光時(shí)間。有各種終點(diǎn)檢測(cè)體系(例如熱學(xué)和光學(xué)體系)可以與目前的多步STI拋光方法。利用第一步結(jié)束時(shí)的拋光減少和達(dá)到平化，確定第一步的終點(diǎn)信號(hào)。與使用傳統(tǒng)STI漿料的單步拋光方法的終點(diǎn)信號(hào)相比，第二步的終點(diǎn)信號(hào)有很大增強(qiáng)?？梢哉{(diào)節(jié)該終點(diǎn)信號(hào)(即在第一步結(jié)束時(shí))優(yōu)化STI CMP性能(即平化和產(chǎn)量)。
該新穎的第二步拋光組合物優(yōu)選含有0.001-1重量％的季銨化合物，用以相對(duì)于氮化硅選擇性去除氧化硅。該組合物更優(yōu)選含有0.01-0.5重量％的季銨化合物。
本發(fā)明的季銨化合物包括以下結(jié)構(gòu) 其中R1，R2，R3和R4是具有1-15個(gè)碳原子，更優(yōu)選1-10個(gè)碳原子，最優(yōu)選1-5個(gè)碳原子的碳鏈長(zhǎng)度的有機(jī)化合物。R1，R2，R3和R4的有機(jī)化合物可以是取代或未取代的芳基，烷基，芳烷基，或烷芳基。陰離子例子包括硝酸根，硫酸根，鹵根(例如溴根，氯根，氟根和碘根)，檸檬酸根，磷酸根，草酸根，蘋果酸根，葡糖酸根，氫氧根，乙酸根，硼酸根，乳酸根，硫氰酸根，氰酸根，磺酸根，硅酸根，全鹵根(例如過溴酸根，過氯酸根和過碘酸根)，鉻酸根，和包括以上陰離子的至少一種混合物。
優(yōu)選的季銨化合物包括，氫氧化四甲銨，氫氧化四乙銨，氫氧化四丙銨，氫氧化四異丙銨，氫氧化四環(huán)丙銨，氫氧化四丁銨，氫氧化四異丁銨，氫氧化四叔丁銨，氫氧化四仲丁銨，氫氧化四環(huán)丁銨，氫氧化四戊銨，氫氧化四環(huán)戊銨，氫氧化四己銨，氫氧化四環(huán)己銨，及其混合物。最優(yōu)選的季銨化合物是氫氧化四甲銨。
除了季銨化合物之外，該第二步拋光組合物優(yōu)選含有0.001-1重量％的絡(luò)合劑。更優(yōu)選該組合物含有0.01-0.5重量％的絡(luò)合劑。絡(luò)合劑的實(shí)例包括羰基化合物(例如乙酰丙酮化物和類似物)，簡(jiǎn)單羧酸酯(例如乙酸酯，羧酸芳基酯和類似物)，含有一個(gè)或多個(gè)羥基的羧酸酯(例如甘醇酸酯，乳酸酯，葡糖酸酯，五倍子酸及其鹽和類似物)，二、三和多羧酸酯(例如，草酸酯，鄰苯二甲酸酯，檸檬酸酯，琥珀酸酯，酒石酸酯，蘋果酸酯，乙二胺四乙酸酯(例如，EDTA二鈉)，及其混合物和類似物)，含有一個(gè)或多個(gè)磺酸基和/或膦酸基的羧酸酯。而且，其他適用的絡(luò)合劑包括，例如二、三或多元醇(例如，乙二醇，焦兒茶酚，焦桔酸，單寧酸和類似物)和含磷酸根的化合物(例如膦鹽和膦酸)。該絡(luò)合劑優(yōu)選是鄰苯二甲酸及其鹽。優(yōu)選的鄰苯二甲酸鹽包括鄰苯二甲酸氫銨和鄰苯二甲酸氫鉀及其混合物。
該新穎的第二步拋光組合物優(yōu)選含有約0.01-5重量％的羧酸聚合物。該組合物優(yōu)選含有約0.05-3重量％的羧酸聚合物。而且，該聚合物的數(shù)均分子量?jī)?yōu)選約為20000-1500000。另外，可以使用較高和較低數(shù)均分子量羧酸聚合物的摻和物。這些羧酸聚合物通常存在于溶液中，但是也可以存在于水分散液中。上述聚合物的數(shù)均分子量用GPC(凝膠滲透色譜)法測(cè)定。
該羧酸聚合物是由不飽和單羧酸和不飽和二羧酸形成的。典型的不飽和單羧酸單體含有3-6個(gè)碳原子，包括丙烯酸，低聚丙烯酸，甲基丙烯酸，巴豆酸和乙烯基乙酸。典型的不飽和二羧酸含有4-8個(gè)碳原子，包括其酸酐，例如是馬來酸，馬來酸酐，富馬酸，戊二酸，衣康酸，衣康酸酐，和環(huán)己二酸。另外，也可以使用上述酸的水溶性鹽。
另外，可以使用含羧酸的共聚物和三元共聚物，其中羧酸組分占該聚合物的5-75重量％。典型的此類聚合物是(甲基)丙烯酸和丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺的聚合物；(甲基)丙烯酸和苯乙烯和其他乙烯基芳香族單體的聚合物；(甲基)丙烯酸烷基酯(丙烯酸或甲基丙烯酸的酯)和單羧酸或二羧酸的聚合物，該單羧酸或二羧酸例如是丙烯酸或甲基丙烯酸或衣康酸；具有取代基的取代乙烯基芳香族單體和不飽和單羧酸或二羧酸和(甲基)丙烯酸烷基酯的聚合物，取代基例如是鹵素，即氯，氟，溴，硝基，氰基，烷氧基，鹵代烷基，羧基，氨基，氨基烷基；含有氮環(huán)的單烯鍵不飽和單體和不飽和單羧酸或二羧酸的聚合物，含有氮環(huán)的單烯鍵不飽和單體例如是乙烯基吡啶，烷基乙烯基吡啶，乙烯基丁內(nèi)酰胺，乙烯基己內(nèi)酰胺；烯烴和不飽和單羧酸或二羧酸的聚合物，烯烴例如是丙烯，異丁烯或具有10-20個(gè)碳原子的長(zhǎng)鏈烷基烯烴；乙烯基醇酯或鹵乙烯或乙烯基腈和不飽和單羧酸或二羧酸的聚合物，乙烯基醇酯例如是乙酸乙烯酯和硬脂酸乙烯酯，鹵乙烯例如是氟乙烯，氯乙烯，偏二氟乙烯，乙烯基腈例如是丙烯腈和甲基丙烯腈；烷基中具有1-24個(gè)碳原子的(甲基)丙烯酸烷基酯和不飽和單羧酸的聚合物，不飽和單羧酸例如是丙烯酸或甲基丙烯酸。這些只是可用于本發(fā)明新穎拋光組合物中的各種聚合物的少許實(shí)例。而且，可以使用可生物降解，可光降解或可被其他方式降解的聚合物。這種組合物的一個(gè)實(shí)例是可生物降解的聚丙烯酸聚合物，其中含有聚(丙烯酸酯共聚2-氰基丙烯酸甲酯)的鏈段。
該第二步拋光組合物優(yōu)選含有0.01-5重量％的磨料，用以促進(jìn)氧化硅的去除。在該范圍內(nèi)，磨料含量大于或等于0.1重量％是理想的。在該范圍內(nèi)，含量小于或等于3重量％也是理想的。
該磨料的平均粒徑為50-200納米(nm)。為了本說明書的目的，粒徑是指該磨料的平均粒徑。更優(yōu)選的是，使用平均粒徑為80-150納米的磨料是較好的。磨料粒徑減小到小于或等于80納米，會(huì)提高該拋光組合物的平化作用，但是也會(huì)降低去除速率。
磨料的例子包括無(wú)機(jī)氧化物，無(wú)機(jī)氫氧化物，金屬硼化物，金屬碳化物，金屬氮化物，聚合物等顆粒以及包括上述至少一種的混合物。適用的無(wú)機(jī)氧化物包括，例如氧化硅(SiO2)，氧化鋁(Al2O3)，氧化鋯(ZrO2)，氧化鈰(CeO2)，氧化錳(MnO2)，或上述一些氧化物的至少一種組合。如果需要，還可以使用這些無(wú)機(jī)氧化物的改進(jìn)形式，例如用聚合物涂布的無(wú)機(jī)氧化物顆粒和用無(wú)機(jī)物涂布的顆粒。適用的金屬碳化物，硼化物和氮化物包括，例如碳化硅，氮化硅，碳氮化硅(SiCN)，碳化硼，碳化鎢，碳化鋯，硼化鋁，碳化鉭，碳化鈦，或包括以上金屬碳化物，硼化物和氮化物的至少一種組合。如果需要，還可以使用金剛石。可用的磨料還包括聚合物顆粒和經(jīng)過涂布的聚合物顆粒。磨料優(yōu)選是氧化鈰。
該第二步拋光組合物在寬pH范圍的余量為水的溶液中提供效用。該溶液的適用pH范圍從至少4到7。另外，該溶液中所有含余量的水優(yōu)選為去離子水，用來限制偶然帶入的雜質(zhì)。本發(fā)明拋光液的pH優(yōu)選是4.5-6.8，更優(yōu)選為5-6.5。用來調(diào)節(jié)本發(fā)明組合物pH的酸例如是硝酸，硫酸，鹽酸，磷酸和類似物。用來調(diào)節(jié)本發(fā)明組合物pH的示例性堿例如是氫氧化銨和氫氧化鉀。
因此，本發(fā)明提供了一種使用第二步拋光組合物進(jìn)行拋光的方法，該拋光組合物適用于為淺槽隔離方法拋光半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅。該組合物優(yōu)選包含季銨化合物，用來提高選擇性。具體地說，本發(fā)明提供了一種適合用來拋光半導(dǎo)體晶片上氧化硅和氮化硅的含水組合物，該組合物包含季銨化合物，鄰苯二甲酸及其鹽，羧酸聚合物，磨料和余量的水。該組合物在4-7的pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出特別高的選擇性。
實(shí)施例在實(shí)施例中，數(shù)字表示本發(fā)明實(shí)施例的序號(hào)，字母表示對(duì)比例的序號(hào)。所有第一步水溶液都含有1.8重量％的氧化鈰，0.27重量％的聚丙烯酸，0.5重量％的甜菜堿和0.15重量％的乙醇胺。另外，該第一步拋光組合物含有0.1重量％的聚乙烯基吡咯烷酮。所有第二步水溶液都含有1.8重量％的氧化鈰，0.18重量％的聚丙烯酸，0.21重量％的鄰苯二甲酸氫銨和0.12重量％的氫氧化四甲銨。漿料是通過磨料包和化學(xué)試劑包的混合而制備的。該磨料包的制備方法是，用槳式攪拌機(jī)將聚丙烯酸濃縮物溶解在去離子水中，并向該聚丙烯酸溶液中添加氧化鈰濃縮物。然后，用硝酸或氫氧化銨滴定該氧化鈰-聚丙烯酸-水混合物。然后將該混合物輸送至高剪切卡迪磨中。化學(xué)試劑包的制備方法是，將所有剩余的化學(xué)試劑以適當(dāng)量溶解在去離子水中，在槳式攪拌機(jī)中混合，并使用硝酸或氫氧化銨滴定至要求的最終pH。通過將該磨料包與該化學(xué)試劑包混合并滴定至要求的pH，制成最終漿料。
實(shí)施例1本試驗(yàn)測(cè)量與溝槽氧化物平化的單步方法相比，兩步拋光方法的平化性能。具體地說，測(cè)試該兩步拋光方法對(duì)10％到90％溝槽氧化物發(fā)生凹陷的影響。這里把10％溝槽氧化物定義為重復(fù)結(jié)構(gòu)陣列中，有源寬度/(溝槽寬度+有源寬度)×100％＝10％的溝槽。例如，如果溝槽寬度+有源寬度＝100微米，則有10％的溝槽的寬度為90微米。同樣，有90％的溝槽的寬度為10微米。用單步方法時(shí)，使用Applied Materials Mirra 200毫米拋光機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行平化，此時(shí)使用IC1000TM聚氨酯拋光墊(Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc.)，向下壓力為2.7磅/平方英寸，拋光溶液的流速為85立方厘米/分。臺(tái)板轉(zhuǎn)速為123RPM，托架轉(zhuǎn)速為44RPM。兩步方法的第一步，使用Applied Materials Mirra200毫米拋光機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行平化，此時(shí)使用IC 1000TM聚氨酯拋光墊(Rohm andHaas Electronic Materials CMP Inc.)，向下壓力為3.7磅/平方英寸，拋光溶液的流速為125立方厘米/分，臺(tái)板轉(zhuǎn)速為51RPM，托架轉(zhuǎn)速為68RPM。用Luxtron Optima 9300CMP終點(diǎn)控制器確定終點(diǎn)。兩步方法的第二步，其加工條件與單步方法相同。拋光溶液具有用硝酸或氫氧化銨調(diào)節(jié)的pH值6.5。所有溶液中余量為去離子水。
表1
如上表1中所示，與單步方法(測(cè)試A)相比，兩步方法(測(cè)試1)在低密度區(qū)出現(xiàn)了明顯更小的凹陷。單步方法中，每個(gè)中央，中間和邊緣模區(qū)的溝槽氧化物厚度范圍比兩步方法的大得多。也就是說，單步方法的中央，中間和邊緣模區(qū)的溝槽氧化物厚度范圍分別是328埃，257埃和286埃，而對(duì)兩步方法進(jìn)行同樣的厚度范圍測(cè)量，結(jié)果分別是46埃，71埃和153埃。換言之，兩步拋光方法的平均模區(qū)內(nèi)溝槽厚度范圍約為90埃，與之相比，單步方法約為290埃。而且，兩步拋光方法的整體晶片內(nèi)溝槽厚度范圍約為166埃，與之相比，單步方法約為461埃。
實(shí)施例2本試驗(yàn)測(cè)量與單步氮化物平化方法相比，兩步拋光方法的平化性能。具體地說，測(cè)試該兩步拋光方法對(duì)10％到100％位置特征內(nèi)氮化物去除的影響。過程條件與實(shí)施例1的相同。
表2
如上表2中所示，與單步方法(測(cè)試B)相比，兩步方法(測(cè)試2)在低密度區(qū)提供了明顯更小的氮化物去除。對(duì)于單步方法，每個(gè)中央，中間和邊緣模區(qū)的氮化物厚度范圍比兩步方法大得多。也就是說，對(duì)于單步方法，中央，中間和邊緣模區(qū)的氮化物厚度范圍分別是210埃，162埃和172埃，而對(duì)于兩步方法，進(jìn)行同樣的厚度范圍測(cè)量，結(jié)果分別是41埃，25埃和41埃。換言之，兩步拋光方法的平均模區(qū)內(nèi)溝槽厚度范圍約為36埃，與之相比，單步方法約為181埃。而且，對(duì)于兩步拋光方法，整體晶片內(nèi)溝槽厚度范圍約為58埃，與之相比，單步方法約為210埃。
因此，本發(fā)明提供了一種對(duì)半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光的兩步方法，包括以下步驟，用抑制性漿料平化氧化硅，并檢測(cè)第一終點(diǎn)來停止平化。該方法進(jìn)一步提供用選擇性漿料清除氧化硅，并檢測(cè)第二終點(diǎn)來停止去除。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光的方法，包括以下步驟用第一含水組合物對(duì)氧化硅平化，該含水組合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的陽(yáng)離子性化合物，0-1重量％的鄰苯二甲酸和鹽，0-5重量％的兩性離子化合物和余量的水，其中該聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量為100-1000000克/摩爾；檢測(cè)平化的終點(diǎn)；用第二含水組合物清除氧化硅，該含水組合物包含0.001-1重量％的季銨化合物，0.001-1重量％的鄰苯二甲酸及其鹽，0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.01-5重量％的磨料和余量的水。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量為1500-10000克/摩爾。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該兩性離子化合物具有以下結(jié)構(gòu) 其中n是整數(shù)，Y包括氫或烷基，Z包括羧基，硫酸根或氧，M包括氮，磷或硫原子，X1，X2和X3獨(dú)立地包括選自氫，烷基和芳基的取代基。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該第一和第二含水組合物中的羧酸聚合物是聚丙烯酸。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該陽(yáng)離子性化合物選自烷基胺，芳基胺，季銨化合物和醇胺。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該第一和第二含水組合物中的磨料是氧化鈰。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該季銨化合物選自氫氧化四甲銨，氫氧化四乙銨，氫氧化四丙銨，氫氧化四異丙銨，氫氧化四環(huán)丙銨，氫氧化四丁銨，氫氧化四異丁銨，氫氧化四叔丁銨，氫氧化四仲丁銨，氫氧化四環(huán)丁銨，氫氧化四戊銨，氫氧化四環(huán)戊銨，氫氧化四己銨，氫氧化四環(huán)己銨及它們的混合物。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該鄰苯二甲酸鹽選自鄰苯二甲酸氫銨和鄰苯二甲酸氫鉀。
9.一種對(duì)半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光的兩步方法，包括以下步驟用抑制性漿料平化氧化硅；檢測(cè)第一終點(diǎn)并停止平化；用選擇性漿料清除氧化硅；檢測(cè)第二終點(diǎn)并停止清除。
10.一種對(duì)半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光的多步方法，包括以下步驟用第一含水組合物平化氧化硅，該含水組合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的陽(yáng)離子性化合物，0-1重量％的鄰苯二甲酸和鹽，0-5重量％的兩性離子化合物和余量的水，其中該聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量為100-1000000克/摩爾；檢測(cè)第一終點(diǎn)并停止平化；用第二含水組合物清除氧化硅，該含水組合物包含0.001-1重量％的季銨化合物，0.001-1重量％的鄰苯二甲酸及其鹽，0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.01-5重量％的磨料和余量的水；和檢測(cè)第二終點(diǎn)并停止清除。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種對(duì)半導(dǎo)體晶片上的氧化硅和氮化硅進(jìn)行拋光的方法，包括以下步驟，用第一含水組合物對(duì)氧化硅平化，該含水組合物包含0.01－5重量％的羧酸聚合物，0.02－6重量％的磨料，0.01－10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0－5重量％的陽(yáng)離子性化合物，0－1重量％的鄰苯二甲酸和鹽，0－5重量％的兩性離子化合物，余量為水，其中該聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量為100－1000000克/摩爾。該方法進(jìn)一步包括，檢測(cè)平化終點(diǎn)，并用第二含水組合物清除氧化硅，該含水組合物包含0.001－1重量％的季銨化合物，0.001－1重量％的鄰苯二甲酸及其鹽，0.01－5重量％的羧酸聚合物，0.01－5重量％的磨料，余量為水。
文檔編號(hào)C09K3/14GK1822325SQ200510138148
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者S·J·萊恩, A·S·拉文, B·L·米勒, C·于 申請(qǐng)人:羅門哈斯電子材料Cmp控股股份有限公司