專利名稱：用來化學(xué)機械拋光薄膜和介電材料的組合物和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對半導(dǎo)體晶片材料的化學(xué)機械平面化(CMP)，更具體來說，本發(fā)明涉及以對層間介電材料高選擇性用于對例如氮化硅和各種互連層、以及半導(dǎo)體集成電路制造中所用的薄膜進行拋光的CMP組合物和方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體晶片通常包括在其上形成了大量電子器件的基片，例如硅晶片或砷化鎵晶片。晶體管和電容器之類的電子器件通過基片中形成圖案的區(qū)域和基片上各層而與基片化學(xué)連接以及物理連接。這些器件和層被層間電介質(zhì)(interleveldielectrics)(ILD)分隔，所述層間介質(zhì)主要由一些形式的氧化硅(SiO2)材料形成。這些器件通過使用眾所周知的多層(multilevel)間互連而互相連接形成功能電路。通常的層間互連由堆疊的導(dǎo)電薄膜和半導(dǎo)體薄膜形成，這些薄膜由一種或多種以下材料組成硅、多晶硅、摻雜的多晶硅(Poly-Si)、非晶硅、氮化硅或其各種組合。另外，經(jīng)常通過填有絕緣材料的溝槽將器件互相隔離，所述絕緣材料是例如硼和磷摻雜的硅玻璃(BPSG)或原硅酸四乙酯(TEOS)。
如上討論，通過在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面上交替沉積和圖案化導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和絕緣材料的層，形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。通常在沉積連續(xù)的層的時候，要求使半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面光滑而平整。因此，為了制備用來進行材料沉積操作的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面，需要在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面進行平面化處理。平面化處理通常是在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上生長或沉積如氧化物或氮化物的絕緣材料的層間介電層，從而填充粗糙或不連續(xù)的區(qū)域(例如槽縫)。層間介電層沉積成共形膜(conformal film)的形式，使其具有非平面的表面，該表面的特征是在陣列上方具有向上延伸的高度較高、垂直抬高的凸起結(jié)構(gòu)，在其它區(qū)域具有較低高度的開放槽。采用平面化法將垂直凸起結(jié)構(gòu)的高度降至目標(biāo)高度，該目標(biāo)高度通常是預(yù)先設(shè)定的在陣列頂部水平面以上的距離，在此距離下能夠理想地形成平面化的表面。
目前，CMP是最主要的達到所需平整度或進行平面化的技術(shù)。CMP促進了表面材料的去除，在化學(xué)組合物(“漿液”)選擇性地進攻表面的同時對表面進行機械研磨。目前這一代的器件需要將表面平面化至精確的厚度，或者需要通過在整個表面進行平面化和拋光，從而露出異種材料?；瘜W(xué)組合物必須能夠以預(yù)定的速率或以極低的拋光速率對裸露的異種材料進行拋光。在低速率情況下，需要裸露的膜作為“停止”層，用于提高平整度和改進CMP法的利潤。Steckenrider等在美國專利第6533832號中揭示了一種可用來拋光半導(dǎo)體晶片多晶硅層的水性化學(xué)機械拋光漿液，該漿液包含至少一種磨料的水溶液和至少一種醇胺。該漿液的pH為9.0-10.5，包含任選的緩沖劑。
盡管目前的漿液組合物適用于有限的目的，但是它們對晶片制造中所用半導(dǎo)體材料和絕緣材料的拋光速率以及對這些材料相應(yīng)的選擇性都令人無法接受。另外，已知的拋光漿液對下層膜的膜去除性很差，或者對膜產(chǎn)生有害的腐蝕，導(dǎo)致低的生產(chǎn)率。
因此，需要有用來對半導(dǎo)體層、導(dǎo)電層和介電層進行化學(xué)機械拋光的組合物和方法，這些組合物和方法對溝槽或互連件的周圍的絕緣介質(zhì)應(yīng)具有提高的選擇性。還需要對半導(dǎo)體膜和導(dǎo)電膜具有高而均一的去除速率、對暴露的絕緣膜具有高選擇性的單一漿液。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供一種可用來拋光半導(dǎo)體晶片上的導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料的水性組合物，該組合物包含0.01-5重量％的兩性離子化合物、0.01-5重量％陽離子化合物、0.5-10重量％磨料、0-5重量％無機酸及其鹽、和余量水，所述磨料為只處于酸性pH下的熱解法二氧化硅。
在另一方面，本發(fā)明提供一種可用來拋光半導(dǎo)體晶片上的氮化硅和介電材料的水性組合物，該組合物包含0.01-5重量％的N，N，N-三甲基氨基乙酸鹽(N，N，N-trimethylammonioacetate)、0.01-5重量％陽離子化合物、0.5-10重量％磨料、0-5重量％無機酸及其鹽、和余量水，所述水性組合物的pH值為2-9，所述磨料為僅處于酸性pH下的表面積大于90平方米/克的熱解法二氧化硅。
在另一方面，本發(fā)明提供一種對半導(dǎo)體晶片上的導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料進行拋光的方法，該方法包括使所述晶片上的導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料與拋光組合物接觸，該拋光組合物包含0.01-5重量％的兩性離子化合物、0.01-5重量％陽離子化合物、0.5-10重量％磨料、0-5重量％無機酸及其鹽、和余量水，所述磨料為僅處于酸性pH下的熱解法二氧化硅。
具體實施例方式
所述組合物和方法能以對ILD材料的高選擇性，提供對除去導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層的出乎意料的選擇性。該組合物有益地依賴于酸性磨料以對ILD材料高選擇性來對導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層進行選擇性拋光。具體來說，該組合物包含只在酸性pH條件下處理過的熱解法二氧化硅，從而在應(yīng)用的pH值條件下，選擇性拋光導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層以及介電材料。
在本文中，術(shù)語“烷基”表示取代或未取代的，直鏈、支鏈或環(huán)狀的優(yōu)選包含1-20個碳原子的烴鏈。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“芳基”表示任何取代或未取代的芳香族碳環(huán)基團，該基團優(yōu)選包含6-20個碳原子。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、烷基苯甲酸酯、苯胺和N-烷基苯胺基。
術(shù)語“兩性離子化合物”表示包含在一化合物中通過物理橋連(例如CH2基團)連接著等比例的陽離子取代基和陰離子取代基，從而該化合物總體凈電荷呈中性。本發(fā)明的兩性離子化合物包括以下結(jié)構(gòu) 式中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獨立包括選自氫、烷基和芳基的取代基。
優(yōu)選的兩性離子化合物包括例如甜菜堿。本發(fā)明優(yōu)選的甜菜堿是N，N，N-三甲基氨基乙酸鹽，具有以下結(jié)構(gòu) 該組合物優(yōu)選包含0.01-5重量％的兩性離子化合物，從而相對于氮化硅選擇性地除去氧化硅。該組合物優(yōu)選包含0.05-1.5重量％的兩性離子化合物。本發(fā)明的兩性離子化合物能夠有益地促進平面化，同時可以抑制氮化物的去除。
除兩性離子化合物以外，本發(fā)明的組合物優(yōu)選包含0.01-5重量％的陽離子化合物。較佳的是，該組合物任選包含0.05-1.5重量％的陽離子化合物。本發(fā)明的陽離子化合物能夠有益地促進平面化，調(diào)節(jié)晶片清潔時間，抑制氧化物的去除。優(yōu)選的陽離子化合物包括烷基胺、芳基胺、季銨化合物和醇胺。示例性的陽離子化合物包括甲胺、乙胺、二甲胺、二乙胺、三甲胺、三乙胺、苯胺、氫氧化四甲銨、氫氧化四乙銨、乙醇胺和丙醇胺。優(yōu)選的陽離子化合物是醇胺。
較佳的是，該溶液包含0.5-10重量％的熱解法二氧化硅磨料。在本說明書中，除非另外說明，所有的組成均以重量百分?jǐn)?shù)表示。較佳的是，該溶液包含1-6重量％的熱解法二氧化硅磨料。最佳的是，該溶液包含2-4重量％的熱解法二氧化硅。
在本文中，“只在酸性pH下加工過的磨料”、“只在酸性pH下加工過的熱解法二氧化硅”、“酸性磨料”和“酸性熱解法二氧化硅”表示只在酸性pH下加工成的磨料。換而言之，在任何情況下，該磨料都不會分散或溶解在堿性溶液中。
在優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明的酸性熱解法二氧化硅是通過以下步驟制備的首先在混合器內(nèi)加入預(yù)定體積的去離子水。較佳的是，所用的混合器是高剪切混合器，例如美國加利福尼亞州，Bell，Meyers Engineering有限公司生產(chǎn)的Myers混合器。熱解法二氧化硅，例如Aerosil 130購自美國新澤西州，Parsippany的Degussa。然后根據(jù)所需的pH值向水中加入預(yù)定量的酸。向水中加入酸之后，開動混合器混合酸和水，形成酸性水溶液。所述酸可以是無機酸或有機酸，例如鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸或馬來酸。較佳的是，該酸為鹽酸。
較佳的是，加入水中的酸的量是要在水中加入的熱解法二氧化硅的0.0010-0.50重量％。較佳的是，加入水中的酸的量是要在水中加入的熱解法二氧化硅的0.0015-0.15重量％。
根據(jù)要加入的熱解法二氧化硅的量、以及該水性分散體中所需的熱解法二氧化硅最終濃度來選擇水的初始量。例如，如果在熱解法二氧化硅的水性分散體中，熱解法二氧化硅所需的最終濃度為35重量％，則初始的水量或濃度需要能夠在混合器中制得的熱解法二氧化硅含量大于35重量％。在本發(fā)明中，分散體中熱解法二氧化硅的濃度比熱解法二氧化硅水性分散體中所需的最終熱解法二氧化硅的濃度高大約5重量％。然后，加入另外的水對混合器中的水性分散體進行稀釋，使熱解法二氧化硅達到所需的最終濃度。
接下來，將熱解法二氧化硅分散在混合器中的水-酸溶液中，制成預(yù)定的濃度。宜將溶液的溫度保持在低于60℃，優(yōu)選低于35℃?？梢栽陂_動混合器的同時將熱解法二氧化硅混入水-酸混合物中，或者將熱解法二氧化硅加入水-酸混合物中，然后開動混合器，從而加入熱解法二氧化硅。也可通過一系列的步驟逐次加入熱解法二氧化硅，在各步驟之間開動混合器。當(dāng)水性分散體中熱解法二氧化硅的濃度增加到高于熱解法二氧化硅所需最終濃度時，操作混合器直至混合器中的分散體達到所需粘度。高剪切混合破壞了干燥的熱解法二氧化硅的聚集結(jié)構(gòu)，造成粘度下降。因此，在整個過程中都保持高剪切混合，造成解聚集。如果混合器停止，該分散體會形成凝膠，固著在混合器，在分散體中形成不希望有的較大的顆粒。如上討論，在稀釋之前，混合器中分散體的熱解法二氧化硅的濃度約比熱解法二氧化硅所需的最終濃度高約5％。
所述水性分散體宜包含至少35重量％的熱解法二氧化硅。較佳的是，該水性分散體包含40-65重量％的熱解法二氧化硅。另外，所述熱解法二氧化硅的表面積大于90平方米/克。較佳的是，所述熱解法二氧化硅的表面積大于130平方米/克。
接下來，加入去離子水快速稀釋分散體。然后將另外的水加入混合器中的水性分散體內(nèi)。所加入水的量足以將水性分散體中熱解法二氧化硅的濃度降至所需的最終濃度。注意在整個過程中，保持稀釋期間溶液的pH值在1-7。較佳的是，溶液的pH值為1.5-5.5。
然后，可根據(jù)需要對熱解法二氧化硅的水性分散體進行離心和潷析。另外，可使熱解法二氧化硅的水性分散體通過過濾器，除去粗砂和任何聚集的熱解法二氧化硅顆粒。具體來說，過濾除去所有粒徑大于1微米的不希望有的顆粒。然后，可根據(jù)需要對過濾之后的熱解法二氧化硅進行封裝，以供后面的使用。
因此，在所有情況下，本發(fā)明的熱解法二氧化硅在1-7的pH條件下進行分散和稀釋。較佳的是，pH值為1.5-5.5。另外，所述熱解法二氧化硅的表面積宜大于90平方米/克。較佳的是，所述熱解法二氧化硅的表面積宜大于130平方米/克。
該化合物在包含平衡水的溶液中，在很寬的pH范圍內(nèi)具有效果。該溶液至少可在2-9的pH范圍內(nèi)使用。另外，該溶液有益地依靠去離子水的平衡來限制夾帶的雜質(zhì)。本發(fā)明拋光液的pH值優(yōu)選為3-8，更優(yōu)選為5.5-8.0。用來調(diào)節(jié)本發(fā)明組合物pH值的酸是例如硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸等。用來調(diào)節(jié)本發(fā)明組合物pH值的示例性的堿是，例如氫氧化銨和氫氧化鉀。
所述組合物任選有益地包含0-5重量％的無機酸及其鹽，以提高膠體穩(wěn)定性。較佳的是，該組合物任選包含0.01-1重量％無機酸及其鹽。示例性的無機添加劑包括硫酸，磷酸，硝酸，氫氟酸，氟化銨，硫酸、磷酸和氫氟酸的銨鹽、鉀鹽、鈉鹽或其它陽離子鹽。
因此，該組合物和方法提供了相對于介電材料選擇性除去導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層的出乎意料的選擇性。該組合物有益地依賴于酸性磨料，相對拋光介電材料，選擇性拋光導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層。具體來說，該組合物包含只在酸性pH條件下處理過的熱解法二氧化硅，從而在應(yīng)用的pH值條件下，相對于拋光介電材料，對導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層進行選擇性的拋光。
實施例在這些實施例中，數(shù)字表示本發(fā)明的實施例，字母表示對比例。所有的實施例包含0.25重量％的氫氧化四甲銨(TMAN)。Klebosol的級別為1498-50。
實施例1該試驗測量了本發(fā)明組合物對某些導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料的選擇性。具體來說，測試了只在酸性pH值條件下加工過的熱解法二氧化硅相對于PTEOS和BPSG，對硅和氮化硅的選擇性。使用Strasbaugh 6EC拋光機，采用IC1010TM聚氨酯拋光墊(Rohm and Haas Electronic Materials CMP有限公司)在以下條件下對樣品進行平面化向下作用力為4psi(27.58千帕)，拋光溶液流量為150立方厘米/分鐘，臺板轉(zhuǎn)速為93RPM，支架轉(zhuǎn)速為87RPM。使用硝酸或氫氧化銨將拋光溶液的pH值調(diào)節(jié)到8。所有的溶液均包含余量去離子水。
表1 如上表1所示，加入熱解法二氧化硅提高了該組合物的選擇性。具體來說，在測試1的組合物中加入低pH處理的熱解法二氧化硅，使得該組合物相對于PTEOS對氮化硅的選擇性由0.64(測試A)增加到5.25。同樣的，在測試1的組合物中加入低pH處理的熱解法二氧化硅，使得該組合物相對于BPSG對氮化硅的選擇性由0.36(測試A)增加到1.55。
實施例2該試驗測量了本發(fā)明組合物中組分的不同濃度對某些導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料選擇性的影響。具體來說，測試了只在酸性pH下處理過的熱解法二氧化硅、以及醇胺和兩性離子化合物的各種濃度，對相對于BPSG對氮化硅的選擇性的影響。使用Applied Materials Mirra拋光機，采用WP300TM聚氨酯拋光墊(Rohm and Haas Electronic Materials CMP有限公司)在以下條件下對樣品進行平面化向下作用力為4psi(27.58千帕)，拋光溶液流量為1502方厘米/分鐘，臺板轉(zhuǎn)速為93RPM，支架轉(zhuǎn)速為87RPM。使用硝酸或氫氧化銨將拋光溶液的pH值調(diào)節(jié)到8。一些測試溶液中包含任選的無機添加劑。所有的溶液均包含余量去離子水。
如上表2所述，本發(fā)明組合物的選擇性至少為3.74(測試5)。減小熱解法二氧化硅的濃度似乎會提高選擇性(測試2，3)。加入甜菜堿似乎會提高選擇性。例如，加入0.10重量％甜菜堿之后，選擇性由測試2的4.69增加到測試4的5.75。
因此，本發(fā)明的組合物和方法提供了相對于介電材料選擇性去除導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層的出乎意料的選擇性。該組合物有益地依賴于酸性磨料，相對于拋光介電材料選擇性拋光導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層。具體來說，該組合物包含只在酸性pH條件下處理過的熱解法二氧化硅，從而在應(yīng)用的pH值條件下，相對于拋光介電材料，對導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層進行選擇性的拋光。
權(quán)利要求
1.一種可用來拋光半導(dǎo)體晶片上的導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料的水性組合物，該組合物包含0.01-5重量％的兩性離子化合物、0.01-5重量％陽離子化合物、0.5-10重量％磨料、0-5重量％無機酸及其鹽、和余量水，所述磨料為只處于酸性pH下的熱解法二氧化硅。
2.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述磨料的表面積大于90平方米/克。
3.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述兩性離子化合物具有以下結(jié)構(gòu) 式中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所述的組合物，其特征在于，所述兩性離子化合物具有以下結(jié)構(gòu)
5.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述陽離子化合物選自烷基胺、芳基胺、季銨化合物和醇胺。
6.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述水性組合物的pH值為2-9。
7.一種可用來拋光半導(dǎo)體晶片上的氮化硅和介電材料的水性組合物，該組合物包含0.01-5重量％的N，N，N-三甲基氨基乙酸鹽、0.01-5重量％陽離子化合物、0.5-10重量％磨料、0-5重量％無機酸及其鹽、和余量水，所述水性組合物的pH值為2-9，所述磨料為只處于酸性pH下的表面積大于90平方米/克的熱解法二氧化硅。
8.一種對半導(dǎo)體晶片上的導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料進行拋光的方法，該方法包括使所述晶片上的導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料與拋光組合物接觸，該拋光組合物包含0.01-5重量％的兩性離子化合物、0.01-5重量％陽離子化合物、0.5-10重量％磨料、0-5重量％無機酸及其鹽、和余量水，所述磨料為只處于酸性pH下的熱解法二氧化硅。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述磨料的表面積大于90平方米/克。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述兩性離子化合物具有以下結(jié)構(gòu) 式中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獨立地包括選自氫、烷基和芳基的取代基。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可用來拋光半導(dǎo)體晶片上的導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料和介電材料的水性組合物，該組合物包含0.01－5重量％的兩性離子化合物、0.01－5重量％陽離子化合物、0.5－10重量％磨料、0－5重量％無機酸及其鹽和余量水，所述磨料為只處于酸性pH下處理的熱解法二氧化硅。該組合物和方法提供了相對于介電材料選擇性去除導(dǎo)電層和半導(dǎo)體層的出乎意料的選擇性。
文檔編號B24B37/00GK1837322SQ20061005963
公開日2006年9月27日 申請日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月9日
發(fā)明者B·L·米勒 申請人:羅門哈斯電子材料Cmp控股股份有限公司