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低氧化物沟槽凹陷的浅沟槽隔离化学机械平面化抛光

更新时间:2024-07-01
低氧化物沟槽凹陷的浅沟槽隔离化学机械平面化抛光 专利申请类型:发明专利;
源自:美国高价值专利检索信息库;

专利名称:低氧化物沟槽凹陷的浅沟槽隔离化学机械平面化抛光

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202080086040.6

专利申请(专利权)人:弗萨姆材料美国有限责任公司
权利人地址:美国亚利桑那州

专利发明(设计)人:史晓波,J·D·罗斯,周鸿君,K·P·穆瑞拉,M·L·内尔

专利摘要:本发明公开了STI CMP抛光组合物、方法和系统,其通过使用作为磨料的二氧化铈无机氧化物颗粒(如二氧化铈涂覆的氧化硅颗粒)和聚(甲基丙烯酸)、其衍生物、其盐或其组合的氧化物沟槽凹陷减少添加剂的独特组合,在提供高且可调的氧化硅去除速率、低氮化硅去除速率和可调的高SiO2:SiN选择性之外,还显著降低氧化物沟槽凹陷和提高过抛光窗口稳定性。

主权利要求:
1.一种化学机械抛光组合物,其包含:二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒;
氧化物沟槽凹陷减少剂,其选自有机聚合物酸、其酯衍生物、其盐及其组合;
水基溶剂;
其中
所述组合物具有3至10的pH;以及所述氧化物沟槽凹陷减少剂具有如下所示的分子结构:其中R1和R2各自独立地选自由氢和烷基基团 且m为1至4组成的组;R3是烷基基团 且m为1至4;R4选自由氢、烷基基团 且m为1至4、金属离子和铵离子组成的组;且n选择为提供1,500至15,000的分子量。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光组合物,其中所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒选自由二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅、二氧化铈涂覆的氧化铝、二氧化铈涂覆的二氧化钛、二氧化铈涂覆的氧化锆颗粒及其组合组成的组;
所述氧化物沟槽凹陷减少剂具有选自以下组成的组的分子结构:(a)聚(甲基丙烯酸),此时R1、R2和R4为氢,且R3为甲基;
+
(b)聚(甲基丙烯酸)的盐,此时R1和R2为氢,R3为甲基,且R4为金属离子或铵M;
(c)聚(甲基丙烯酸甲酯),此时R1和R2为氢,R3和R4为甲基;
(d)聚(甲基丙烯酸乙酯),此时R1和R2为氢,R3为甲基,R4为乙基;
(e)2‑甲基‑聚(甲基丙烯酸),此时R1和R4为氢,R2和R3为甲基;
及其组合;以及
所述水基溶剂选自由去离子水、蒸馏水和醇类有机水基溶剂组成的组。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光组合物,其中所述化学机械抛光组合物还包括以下的至少一种:杀生物剂;和
pH调节剂。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光组合物,其中所述化学机械抛光组合物还包括以下的至少一种:所述杀生物剂,其具有选自由5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮、2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮及其组合组成的组的活性成分;和所述pH调节剂,其对于酸性pH条件选自由硝酸、盐酸、硫酸、磷酸及其组合组成的组;或对于碱性pH条件选自由氢化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、四烷基氢氧化铵、有机季铵氢氧化物、有机胺及其组合组成的组。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光组合物,其中所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒由二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅组成;
所述氧化物沟槽凹陷减少剂具有1,500至15,000的分子量,且选自由聚(甲基丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)的盐及其组合组成的组;
所述水基溶剂为去离子水;以及
所述化学机械抛光组合物具有3.5至9的pH。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光组合物,其中所述化学机械抛光组合物包含所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒,选自二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;
所述氧化物沟槽凹陷减少剂,具有1,500至15000的分子量,且选自由聚(甲基丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)的盐及其组合组成的组;
去离子水;
杀生物剂,具有选自由5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮、2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮及其组合组成的组的活性成分;
硝酸或氢氧化铵;以及
所述化学机械抛光组合物具有4至7的pH。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光组合物,其包含二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;具有1,500至15,000的分子量的聚(甲基丙烯酸);去离子水;且所述化学机械抛光组合物具有
3.5至9的pH。
8.如权利要求1所述的化学机械抛光组合物,其中所述化学机械抛光组合物包含二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;
具有1,500至15,000的分子量的聚(甲基丙烯酸);
去离子水;
杀生物剂,具有选自由5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮、2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮及其组合组成的组的活性成分;
硝酸或氢氧化铵;
且所述化学机械抛光组合物具有4至7的pH。
9.一种化学机械抛光半导体衬底的方法,所述半导体衬底具有至少一个包含氧化硅膜的表面,所述方法包括:提供所述半导体衬底;
提供抛光垫;
提供化学机械抛光组合物,其包含
二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒;
氧化物沟槽凹陷减少剂,选自由有机聚合物酸、其酯衍生物、其盐及其组合组成的组;
水基溶剂;
其中
所述组合物具有3至9的pH;且
所述氧化物沟槽凹陷减少剂具有如下所示的分子结构:其中R1和R2各自独立地选自由氢和烷基基团 且m为1至4组成的组;R3是烷基基团 且m为1至4;R4选自由氢、烷基基团 且m为1至4、金属离子和铵离子组成的组;且n选择为提供1,500至15,000的分子量;
使所述半导体衬底的所述至少一个表面与所述抛光垫和所述化学机械抛光组合物接触;并且抛光包含所述氧化硅膜的所述至少一个表面;
其中所述氧化硅膜选自由化学气相沉积、等离子增强CVD、高密度沉积CVD或旋涂氧化硅膜组成的组。
10.如权利要求9所述的方法,其中:所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒选自由二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅、二氧化铈涂覆的氧化铝、二氧化铈涂覆的二氧化钛、二氧化铈涂覆的氧化锆颗粒及其组合组成的组;
所述氧化物沟槽凹陷减少剂具有选自由以下组成的组的分子结构:(a)聚(甲基丙烯酸),此时R1、R2和R4为氢,且R3为甲基;
+
(b)聚(甲基丙烯酸)的盐,此时R1和R2为氢,R3为甲基,且R4为金属离子或铵M;
(c)聚(甲基丙烯酸甲酯),此时R1和R2为氢,R3和R4为甲基;
(d)聚(甲基丙烯酸乙酯),此时R1和R2为氢,R3为甲基,R4为乙基;
(e)2‑甲基‑聚(甲基丙烯酸),此时R1和R4为氢,R2和R3为甲基;
及其组合;以及
所述水基溶剂选自由去离子水、蒸馏水和醇类有机水基溶剂组成的组。
11.如权利要求9所述的方法,其中所述化学机械抛光组合物还包含以下的至少一种:杀生物剂;和
pH调节剂。
12.如权利要求11所述的方法,其中所述化学机械抛光组合物还包含以下的至少一种:所述杀生物剂,具有选自由5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮、2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮及其组合组成的组的活性成分;和所述pH调节剂,其对于酸性pH条件选自由硝酸、盐酸、硫酸、磷酸及其组合组成的组;或对于碱性pH条件选自由氢化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、四烷基氢氧化铵、有机季铵氢氧化物、有机胺及其组合组成的组。
13.如权利要求9所述的方法,其中所述化学机械抛光组合物包含所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒,选自二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;
所述氧化物沟槽凹陷减少剂,具有1,500至15,000的分子量,且选自由聚(甲基丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)的盐及其组合组成的组;
去离子水。
14.如权利要求9所述的方法,其中所述化学机械抛光组合物包含所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒,选自二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;
所述氧化物沟槽凹陷减少剂,具有1,500至15000的分子量,且选自由聚(甲基丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)的盐及其组合组成的组;
去离子水;
杀生物剂,具有选自由5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮、2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮及其组合组成的组的活性成分;
硝酸或氢氧化铵;
且所述化学机械抛光组合物具有4‑7的pH。
15.如权利要求9所述的方法,其中所述化学机械抛光组合物包括二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;分子量为1,500至15,000的聚(甲基丙烯酸);和去离子水。
16.如权利要求9所述的方法,其中所述化学机械抛光组合物包含二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;
分子量为1,500至15000的聚(甲基丙烯酸);
去离子水;
杀生物剂,具有选自由5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮、2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮及其组合组成的组的活性成分;
硝酸或氢氧化铵;
且所述化学机械抛光组合物具有4‑7的pH。
17.如权利要求9所述的方法,其中所述氧化硅膜为SiO2膜;
所述半导体衬底还具有至少一个包含氮化硅膜的表面;且氧化硅:氮化硅的去除选择性大于10。
18.一种化学机械抛光半导体衬底的系统,所述半导体衬底具有至少一个包含氧化硅膜的表面,所述系统包括a.所述半导体衬底;
b.化学机械抛光组合物,所述组合物包含二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒;
氧化物沟槽凹陷减少剂,选自由有机聚合物酸、其酯衍生物、其盐及其组合组成的组;
水基溶剂;
其中
所述组合物具有3.5至9的pH;且所述氧化物沟槽凹陷减少剂具有如下所示的分子结构:其中R1和R2各自独立地选自由氢和烷基基团 且m为1至4组成的组;R3是烷基基团 且m为1至4;R4选自由氢、烷基基团 且m为1至4、金属离子和铵离子组成的组;且n选择为提供1,500至15,000的分子量;
c.抛光垫;
其中所述氧化硅膜选自由化学气相沉积、等离子增强CVD、高密度沉积CVD或旋涂氧化硅膜组成的组;并且所述至少一个包含氧化硅膜的表面与所述抛光垫和所述化学机械抛光组合物接触。
19.如权利要求18所述的系统,其中所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒选自由二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅、二氧化铈涂覆的氧化铝、二氧化铈涂覆的二氧化钛、二氧化铈涂覆的氧化锆颗粒及其组合组成的组;
所述氧化物沟槽凹陷减少剂具有选自由以下组成的组的分子结构:(a)聚(甲基丙烯酸),此时R1、R2和R4为氢,且R3为甲基;
+
(b)聚(甲基丙烯酸)的盐,此时R1和R2为氢,R3为甲基,且R4为金属离子或铵M;
(c)聚(甲基丙烯酸甲酯),此时R1和R2为氢,R3和R4为甲基;
(d)聚(甲基丙烯酸乙酯),此时R1和R2为氢,R3为甲基,且R4为乙基;
(e)2‑甲基‑聚(甲基丙烯酸),此时R1和R4为氢,R2和R3为甲基;
及其组合;以及
所述水基溶剂选自由去离子水、蒸馏水和醇类有机水基溶剂组成的组。
20.如权利要求18所述的系统,其中所述化学机械抛光组合物还包含以下的至少一种:杀生物剂;和
pH调节剂。
21.如权利要求20所述的系统,其中所述化学机械抛光组合物还包含以下的至少一种所述杀生物剂,具有选自由5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮、2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮及其组合组成的组的活性成分;和所述pH调节剂,对于酸性pH条件选自由硝酸、盐酸、硫酸、磷酸及其组合组成的组;或对于碱性pH条件选自由氢化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、四烷基氢氧化铵、有机季铵氢氧化物化合物、有机胺及其组合组成的组。
22.如权利要求18所述的系统,其中所述化学机械抛光组合物包含所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒,选自二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;
所述氧化物沟槽凹陷减少剂,具有1,500至15,000的分子量,且选自由聚(甲基丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)的盐及其组合组成的组;和去离子水。
23.如权利要求18所述的系统,其中所述化学机械抛光组合物包含所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒,选自二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;
所述氧化物沟槽凹陷减少剂,具有1,500至15000的分子量,且选自由聚(甲基丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)的盐及其组合组成的组;
去离子水;
杀生物剂,具有选自由5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮、2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮及其组合组成的组的活性成分;
硝酸或氢氧化铵;
且所述化学机械抛光组合物具有4‑7的pH。
24.如权利要求18所述的系统,其中所述化学机械抛光组合物包含二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅;分子量为1,500至15000的聚(甲基丙烯酸);具有选自由5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮、2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮及其组合组成的组的活性成分的杀生物剂;硝酸或氢氧化铵;去离子水;
且所述化学机械抛光组合物具有4‑7的pH。
25.如权利要求18所述的系统,其中所述氧化硅膜为SiO2膜;
所述半导体衬底还具有至少一个包含氮化硅膜的表面,其中所述至少一个包含氮化硅膜的表面与所述抛光垫和所述化学机械抛光组合物接触;
且当所述至少一个包含氧化硅膜的表面和所述至少一个包含氮化硅膜的表面使用所述抛光垫和所述化学机械抛光组合物抛光时,氧化硅:氮化硅的去除选择性大于10。 说明书 : 低氧化物沟槽凹陷的浅沟槽隔离化学机械平面化抛光[0001] 相关专利申请的交叉引用[0002] 本申请要求2019年12月12日提交的美国专利申请序列号16/711,818的优先权,该申请通过引用的方式全部并入本文。背景技术[0003] 本发明涉及浅沟槽隔离(STI)化学机械平面化(CMP)抛光组合物。[0004] 更具体地,STI化学机械平面化(CMP)抛光组合物使用作为磨料的二氧化铈涂覆的复合颗粒如二氧化铈涂覆的二氧化硅颗粒和作为化学添加剂的分子量范围在1,000至1,000,000的聚(甲基丙烯酸)(PMAA)、其衍生物、或其盐或其组合,用于实现浅沟槽隔离(STI)方法的低氧化物沟槽凹陷。[0005] 在微电子器件的制造中,涉及的重要步骤是抛光,特别是用于回收选择的材料和/或使结构平面化的化学机械抛光的表面。[0006] 例如,在SiO2层之下沉积SiN层以用作抛光停止层。这样的抛光停止层的作用在浅沟槽隔离(STI)结构中特别重要。选择性特征性地表示为氧化物抛光速率与氮化物抛光速率的比率。一个实例是与氮化硅(SiN)相比增加的二氧化硅(SiO2)抛光选择性速率。[0007] 在图案化STI结构的整体平面化中,减少氧化物沟槽凹陷是待考虑的关键因素。较低的沟槽氧化物损失将防止相邻晶体管之间的漏电。跨芯片(die)(芯片内)的不均匀沟槽氧化物损失将影响晶体管性能和器件制造产率。严重的沟槽氧化物损失(高氧化物沟槽凹陷)将导致晶体管的不良隔离,从而导致器件故障。因此,在STICMP抛光组合物中重要的是通过减少氧化物沟槽凹陷来减少沟槽氧化物损失。[0008] 美国专利5,876,490公开了含有磨料颗粒并表现出法向应力效应(normalstresseffect)的抛光组合物。浆料还含有非抛光颗粒,其在凹进处导致抛光速率降低,而磨料颗粒在升高处保持高抛光速率。这导致改善的平面化。更具体地,该浆料包含氧化铈颗粒和聚合物电解质,并且可以用于浅沟槽隔离(STI)抛光应用。[0009] 美国专利6,964,923教导了用于浅沟槽隔离(STI)抛光应用的含有氧化铈颗粒和聚合物电解质的抛光组合物。所使用的聚合物电解质包括聚丙烯酸的盐,类似于美国专利5,876,490中的那些。二氧化铈、氧化铝、二氧化硅和氧化锆用作磨料。这类列出的聚电解质的分子量为300至20,000,但总体上<100,000。[0010] 美国专利6,616,514公开了化学机械抛光浆料,其用于通过化学机械抛光相对于氮化硅从制品的表面优先去除第一物质。根据该发明的化学机械抛光浆料包含磨料、水性介质和不解离质子的有机多元醇,所述有机多元醇包括具有至少三个在该水性介质中不解离的羟基的化合物,或由至少一种具有至少三个在该水性介质中不解离的羟基的单体形成的聚合物。[0011] 然而,那些现有技术公开的浅沟槽隔离(STI)抛光组合物并未提出氧化物沟槽凹陷减少的重要性。[0012] 从前述内容应该容易理解,在本领域内仍然需要可以在STI化学和机械抛光(CMP)过程中,在高二氧化硅去除速率以及高二氧化硅:氮化硅选择性之外还提供减少的氧化物沟槽凹陷和改进的过抛光窗口稳定性的化学机械抛光的组合物、方法和系统。发明内容[0013] 本发明公开了化学机械抛光(CMP)组合物,所述组合物在包括酸性、中性和碱性pH条件的宽pH范围内为浅沟槽隔离(STI)CMP应用提供减少的氧化物沟槽凹陷,并因此改善过抛光窗口稳定性。[0014] 所述CMP组合物还提供良好的氧化物膜去除速率、抑制的SiN膜去除速率和可调的更高SiO2:SiN选择性。[0015] 所公开的用于浅沟槽隔离(STI)CMP应用的化学机械抛光(CMP)组合物具有使用二氧化铈涂覆的无机氧化物磨料颗粒和氧化物沟槽凹陷减少添加剂的独特组合,所述添加剂包括分子量范围为1000至1,000,000的聚(甲基丙烯酸)(PMAA)、其衍生物、其盐,或其组合。[0016] 在一个方面,提供了一种STICMP抛光组合物,包含:[0017] 二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒;[0018] 氧化物沟槽凹陷减少剂,所述氧化物沟槽凹陷减少剂选自有机聚合物酸、其酯衍生物、其盐及其组合;[0019] 水基溶剂;和[0020] 任选地[0021] 杀生物剂;和[0022] pH调节剂;[0023] 其中[0024] 所述组合物具有2至12、3至10、3.5至9或4至7的pH;[0025] 并且[0026] 氧化物沟槽凹陷减少剂的分子量为1,000至1,000,000,优选1,200至100,000,更优选1,500至15,000。[0027] 所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒包括但不限于二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅、二氧化铈涂覆的高纯度胶体二氧化硅、二氧化铈涂覆的氧化铝、二氧化铈涂覆的二氧化钛、二氧化铈涂覆的氧化锆或任何其他二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒。优选的二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒是二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅。[0028] 所述基于水溶性的溶剂包括但不限于去离子(DI)水、蒸馏水和醇类有机水基溶剂。[0029] 作为氧化物沟槽凹陷减少剂使用的所述有机聚合物酸、其酯衍生物或其盐具有如下所示的一般分子结构:[0030][0031] 其中R1、R2和R4可各自独立地选自由氢和烷基;R4也可为金属离子或铵离子,例如+ + 4+Na 、K 或NH ;且R3选自烷基。其中所述烷基基团为CmH2m+1,m为1至10、1至6、1至4或1至2;例如甲基、乙基。[0032] n选择为使氧化物沟槽凹陷减少剂的分子量在1,000至1,000,000的范围内;优选1,200至100,000;更优选1,500至15,000。[0033] 当R1、R2和R4为氢原子且R3为甲基时,聚(甲基丙烯酸)的分子结构如下所示:[0034][0035] 当R1和R2为氢原子,R3为甲基,且R4为铵离子或如钠离子、钾离子的金属离子时,则聚(甲基丙烯酸)盐的分子结构如下所示:[0036][0037] 所述聚(甲基丙烯酸)盐包括但不限于聚(甲基丙烯酸)铵盐、聚(甲基丙烯酸)钠盐、聚(甲基丙烯酸)钾盐或它们的组合。优选的聚丙烯酸盐是聚(甲基丙烯酸)铵盐。[0038] 当R1和R2为氢原子,R3和R4为甲基基团时,聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)的分子结构如下所示:[0039][0040] 当R1和R2为氢原子,R3为甲基基团,且R4为乙基基团时,聚(甲基丙烯酸乙酯)(PEMA)的分子结构如下所示:[0041][0042] 当R1和R4为氢原子,R2和R3为甲基基团时,2‑甲基‑聚(甲基丙烯酸)的分子结构如下所示:[0043][0044] 在另一个方面,提供了一种在浅沟槽隔离(STI)过程中使用上述化学机械抛光(CMP)组合物对具有至少一个包含氧化硅的表面的衬底进行化学机械抛光(CMP)的方法。[0045] 在另一个方面,提供了一种在浅沟槽隔离(STI)过程中使用上述化学机械抛光(CMP)组合物化学机械抛光(CMP)具有至少一个包含二氧化硅的表面的衬底的系统。[0046] 所述抛光的氧化硅膜可以是化学气相沉积(CVD)、等离子增强CVD(PECVD)、高密度沉积CVD(HDP)或旋涂氧化物膜。[0047] 以上公开的衬底还可包括氮化硅表面。SiO2:SiN的去除选择性大于10,优选大于15。[0048] 发明详述[0049] 本发明一般地涉及用于浅沟槽隔离(STI)CMP应用的化学机械抛光(CMP)组合物,所述组合物使用二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒作为磨料,和使用聚(甲基丙烯酸)(PMAA)、其衍生物、其盐及其组合作为合适的化学添加剂,其提供实现高氧化物膜去除速率、低SiN膜去除速率、高且可调的氧化物:SiN选择性,以及更重要地,显著减少氧化物沟槽凹陷和提高过抛光窗口稳定性的益处。[0050] 在图案化STI结构的整体平面化中,减少氧化物沟槽凹陷是待考虑的关键因素。较低的沟槽氧化物损失将防止相邻晶体管之间的漏电。跨芯片(die)(芯片内)的不均匀沟槽氧化物损失将影响晶体管性能和器件制造产率。严重的沟槽氧化物损失(高氧化物沟槽凹陷)将导致晶体管的不良隔离,从而导致器件故障。因此,在STICMP抛光组合物中重要的是通过减少氧化物沟槽凹陷来减少沟槽氧化物损失。[0051] 在一个方面,提供了一种STICMP抛光组合物,包含:[0052] 二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒;[0053] 氧化物沟槽凹陷减少剂,所述氧化物沟槽凹陷减少剂选自有机聚合物酸、其酯衍生物、其盐及其组合;[0054] 水基溶剂;和[0055] 任选地[0056] 杀生物剂;和[0057] pH调节剂;[0058] 其中[0059] 所述组合物具有2至12、3至10、3.5至9或4至8的pH;[0060] 氧化物沟槽凹陷减少剂的分子量范围为1,000至1,000,000,优选1,200至100,000,更优选1,500至15,000。[0061] 所述氧化物沟槽凹陷减少剂还包括有机聚合物酸的2‑烷基取代的衍生物,其中2‑烷基包括甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或己基。[0062] 所述二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒包括但不限于二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅、二氧化铈涂覆的高纯度胶体二氧化硅、二氧化铈涂覆的氧化铝、二氧化铈涂覆的二氧化钛、二氧化铈涂覆的氧化锆或任何其他二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒。[0063] 优选的二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒是二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅颗粒。[0064] 通过已知方法如动态光散射法测量得到的本文公开的发明中这些二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒的粒径范围为10nm至1,000nm,优选平均粒径范围为20nm至500nm,更优选平均粒径范围为50nm至250nm。[0065] 这些二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒浓度范围为0.01重量%至20重量%,优选浓度范围为0.05重量%至10重量%,更优选浓度范围为0.1重量%至5重量%。[0066] 水基溶剂包括但不限于去离子(DI)水、蒸馏水和醇类有机水基溶剂。[0067] 优选的水基溶剂是去离子水。[0068] 所述STICMP浆料可包含范围为0.0001重量%至0.05重量%、优选0.0005重量%至0.025重量%、更优选0.001重量%至0.01重量%的杀生物剂。[0069] 所述杀生物剂包括但不限于来自Dupont/DowChemicalCo.的KathonTM、KathonTMCG/ICPII,来自Dupont/DowChemicalCo.的Bioban。它们具有5‑氯‑2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮和2‑甲基‑4‑异噻唑啉‑3‑酮的活性成分。[0070] 所述STICMP浆料可以包含pH调节剂。[0071] 酸性或碱性pH调节剂可用于调节所述STI抛光组合物至优化的pH值。[0072] 所述酸性pH调节剂包括但不限于硝酸、盐酸、硫酸、磷酸、其他无机或有机酸及其混合物。[0073] pH调节剂还包括所述碱性pH调节剂,例如氢化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、四烷基氢氧化铵、有机季铵氢氧化物、有机胺和其他可用于向更碱性的方向调节pH的化学试剂。[0074] 所述STICMP浆料含有0重量%至1重量%、优选0.01重量%至0.5重量%、更优选0.1重量%至0.25重量%的pH调节剂。[0075] 作为氧化物沟槽凹陷减少剂的所述有机聚合物酸、其酯衍生物、其2‑烷基取代衍生物(2‑烷基选自甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或己基)、或其盐具有如下所示的一般分子结构:[0076][0077] 其中R1、R2和R4可各自独立地选自由氢和烷基;R4也可为金属离子或铵离子,例如+ + 4+Na 、K 或NH ;且R3选自烷基。其中所述烷基基团为CmH2m+1,m为1至10、1至6、1至4或1至2;例如甲基、乙基基团。[0078] n选择为给出在1,000至1,000,000;优选1,200至100,000;更优选1,500至15,000的范围内的分子量。[0079] 当R1、R2和R4为氢原子且R3为甲基时,聚(甲基丙烯酸)的分子结构(a)如下所示:[0080][0081] 当R1和R2为氢原子,R3为甲基,且R4为金属离子时,则聚(甲基丙烯酸)盐的分子结构(b)如下所示:[0082][0083] 所述聚(甲基丙烯酸)盐包括但不限于聚(甲基丙烯酸)铵盐、聚(甲基丙烯酸)钠盐、聚(甲基丙烯酸)钾盐或它们的组合。优选的聚丙烯酸盐是聚(甲基丙烯酸)铵盐。[0084] 当R1和R2为氢原子,R3和R4为甲基基团时,聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)的分子结构如下所示:[0085][0086] 当R1和R2为氢原子,R3为甲基基团,且R4为乙基基团时,聚(甲基丙烯酸乙酯)(PEMA)的分子结构如下所示:[0087][0088] 当R1和R4为氢原子,R2和R3为甲基基团时,2‑甲基‑聚(甲基丙烯酸)的分子结构如下所示:[0089][0090] 所述STICMP浆料含有0.001重量%至2.0重量%,优选0.005重量%至0.75重量%,优选0.01重量%至0.5重量%的氧化物沟槽凹陷减少剂。[0091] 在另一个方面,提供了一种在浅沟槽隔离(STI)过程中使用上述化学机械抛光(CMP)组合物对具有至少一个包含二氧化硅的表面的衬底进行化学机械抛光(CMP)的方法。[0092] 在另一个方面,提供了一种在浅沟槽隔离(STI)过程中使用上述化学机械抛光(CMP)组合物化学机械抛光(CMP)具有至少一个包含二氧化硅的表面的衬底的系统。[0093] 抛光的氧化物膜可以是化学气相沉积(CVD)、等离子增强CVD(PECVD)、高密度沉积CVD(HDP)或旋涂氧化物膜。[0094] 以上公开的衬底还可包含氮化硅表面。SiO2:SiN的去除选择性大于10,优选大于20,更优选大于30。[0095] 在另一个方面,提供了一种在浅沟槽隔离(STI)过程中使用上述化学机械抛光(CMP)组合物对具有至少一个包含二氧化硅的表面的衬底进行化学机械抛光(CMP)的方法。抛光的氧化物膜可以是CVD氧化物、PECVD氧化物、高密度氧化物或旋涂氧化物膜。[0096] 给出下列非限制性实施例以进一步说明本发明。[0097] CMP方法[0098] 在下文显示的实施例中,CMP实验使用以下给出的程序和实验条件运行。[0099] 词汇表[0100] 组分[0101] 二氧化铈涂覆的二氧化硅:用作磨料,粒度约为100纳米(nm);这样的二氧化铈涂覆的二氧化硅颗粒的粒度范围可以为约20纳米(nm)至500纳米(nm);[0102] 二氧化铈涂覆的二氧化硅颗粒(具有不同的尺寸)由日本JGCCInc.提供。[0103] 化学添加剂,聚(甲基丙烯酸)或其盐,由Sigma‑Aldrich,St.Louis,MO提供。[0104] 化学添加剂,聚丙烯酸铵盐(PAAAS),由日本KaoChemicalsInc.提供。[0105] TEOS:原硅酸四乙酯[0106] 抛光垫:CMP过程中使用抛光垫IC1010及其他垫,由DOW,Inc.提供。[0107] 参数[0108] 通用[0109] 或A:埃—长度单位[0110] BP:背压,单位psi[0111] CMP:化学机械平面化=化学机械抛光[0112] CS:载体速度[0113] DF:下压力:在CMP过程中施加的压力,单位psi[0114] min:分钟[0115] ml:毫升[0116] mV:毫伏[0117] psi:磅每平方英寸[0118] PS:抛光设备的台板旋转速度,单位rpm(每分钟转数)[0119] SF:浆料流量,ml/分钟[0120] wt%:(所列组分的)重量百分比[0121] TEOS:SiN选择性:(TEOS的去除速率)/(SiN的去除速率)[0122] HDP:高密度等离子体沉积的TEOS[0123] TEOS或HDP去除速率:在给定的下压力下测量的TEOS或HDP去除速率。在下文列出的实施例中,CMP设备的下压力为2.0、3.0或4.0psi。[0124] SiN去除速率:在给定的下压力下测量的SiN去除速率。在下文列出的实施例中,CMP设备的下压力为3.0psi。[0125] 计量[0126] 使用由CreativeDesignEngineering,Inc,20565AlvesDr.,Cupertino,CA,95014制造的168型ResMapCDE测量膜。ResMap设备是四点探针薄层电阻设备。对膜进行四十九点直径扫描(5mm边缘除外)。[0127] CMP设备[0128] 所使用的CMP设备是AppliedMaterials,3050BoweresAvenue,SantaClara,California,95054制造的200mmMirra或300mmReflexion。在台板1上使用DOW,Inc,451BellevueRd.,Newark,DE19713提供的IC1000垫用于毯覆式(blanket)和图案化晶片研究。[0129] 在修整机(conditioner)上在7lbs的下压力下,通过使垫修整18分钟来磨合(breakin)IC1010垫或其他垫。为了使设备设置和垫磨合适格,在基线条件下使用由VersumMaterialsInc.提供的 STI2305浆料对两个钨监测物和两个TEOS监测物进行抛光。[0130] 晶片[0131] 使用PECVD或LECVD或HDTEOS晶片进行抛光实验。这些毯覆式晶片购自SiliconValleyMicroelectronics,2985KiferRd.,SantaClara,CA95051。[0132] 抛光实验[0133] 在毯覆式晶片研究中,在基线条件下抛光氧化物毯覆式晶片和SiN毯覆式晶片。设备基线条件是:台板速度:87rpm;头速度:93rpm;膜压:3.0psi;浆料流速:200ml/分钟。[0134] 所述浆料用于在由SWKAssociates,Inc.2920ScottBlvd.SantaClara,CA95054供应的图案化晶片(MIT860)上进行的抛光实验。这些晶片在VeecoVX300分析仪/AFM仪器上测量。2或3种不同尺寸间距(pitch)结构用于氧化物凹陷测量。晶片在中心、中间和边缘芯片(edgedie)位置处测量。[0135] TEOS:SiN选择性:从STICMP抛光组合物获得的(TEOS的去除速率)/(SiN的去除速率)是可调节的。[0136] 工作实施例[0137] 在以下工作实施例中,制备包含0.2重量%铈涂覆的二氧化硅、0.0001重量%至0.05重量%的杀生物剂和去离子水的STI抛光组合物,作为基础或参考组合物。[0138] STICMP抛光组合物包含额外的化学添加剂,例如具有不同分子量的结构(a)的聚(甲基丙烯酸)(PMAA)和/或具有约3000分子量的聚丙烯酸铵盐(PAAAS)。[0139] 通过使用硝酸或氢氧化铵调节组合物的pH。[0140] 实施例1[0141] 在实施例1中,制备的抛光组合物如表1所示。所述化合物的pH为约5.35。[0142] MW约为5,000的化学添加剂聚(甲基丙烯酸)(PMAA)或其去离子形式(去离子PMAA)分别以0.10重量%使用,如表1所示。[0143] 测试了对不同膜的去除速率(埃/分钟表示的RR)。结果如表1所示。[0144] 观察到具有5,000分子量的PMAA或其去离子形式对薄膜去除速率和选择性的影响。[0145] 表1.添加剂对膜RR和选择性的影响[0146][0147] 如表1所示,聚(甲基丙烯酸)(PMAA)或其去离子形式的化学添加剂的加入降低了所有测试膜的去除速率。获得了相似的TEOS:SiN膜抛光选择性。[0148] 实施例2[0149] 在实施例2中,制备的抛光组合物如表2所示。所述CMP抛光组合物的pH值为5.35。[0150] 具有约5,000分子量的化学添加剂聚(甲基丙烯酸)以0.10重量%使用。[0151] 测试了氧化物沟槽100μm和200μm凹陷vs.过抛光量,结果如表2所示。[0152] 表2.PMAA对氧化物沟槽凹陷vs.OP量的影响[0153][0154] 如表2结果所示,将0.1重量%具有5,000MW的PMAA加入含有0.2重量%二氧化铈涂覆的二氧化硅磨料的参考STICMP抛光组合物中显著减少了氧化物沟槽凹陷,对于两种不同尺寸的氧化物沟槽特征,氧化物沟槽凹陷的减少均>100%。[0155] 使用MW5,000PMAA作为氧化物沟槽凹陷减少剂vs.不同的氧化物膜过抛光厚度,凹陷显著减少。[0156] 实施例3[0157] 在实施例3中,制备的抛光组合物如表3所示。在列出的抛光组合物中,0.2重量%的二氧化铈涂覆的二氧化硅用作参考样品和所有三个测试样品的磨料。这些组合物中的每一种的pH约为5.35。[0158] 分子量为5,000的去离子PMAA分别以0.05重量%、0.1重量%和0.15重量%使用。[0159] 测试了这些抛光组合物的去除速率且如表3所示。[0160] 表3.含有不同%的PMAA的抛光组合物的膜RR[0161][0162][0163] 如表3结果所示,当不同浓度的PMAA被用作抛光组合物中的化学添加剂时,所有三种类型的膜的去除速率均降低,但MW5,000的PMAA在测试范围内的浓度变化对TEOS、HOP和SiN膜去除速率没有显著影响,并且使用PMAA作为所述抛光组合物中的化学添加剂略微增加了TEOS:SiN选择性。[0164] 表4列出了PMAA浓度对各种不同大小氧化物沟槽损失速率的影响。[0165] 表4.PMAA%对氧化物沟槽损失速率的影响[0166][0167] 如表4所示,与仅使用0.2重量%二氧化铈涂覆二氧化硅参考样品的抛光组合物相比,当PMAA在100μm和200μm氧化物沟槽特征上以不同重量%浓度使用时,氧化物沟槽损失速率显著降低。[0168] 如表4所示结果也证明,相较于使用0.05重量%PMAA作为化学添加剂的抛光组合物,当PMAA以0.1重量%或0.15重量%的浓度使用时,获得了显著的氧化物沟槽损失速率。[0169] 表5列出了PMAA浓度对各种不同尺寸氧化物沟槽凹陷速率的影响。[0170] 表5.PMAA%对氧化物沟槽凹陷速率的影响[0171][0172][0173] 如表5结果所示,相比于仅使用0.2重量%二氧化铈涂覆的二氧化硅磨料基抛光组合物的抛光组合物获得的这两种氧化物沟槽特征的凹速陷率,当PMAA以0.05重量%、0.1重量%或0.15重量%用于100μm和200μm氧化物沟槽特征时,氧化物沟槽凹陷速率显著降低[0174] 实施例4[0175] 在实施例4中,对于使用0.1重量%具有5,000MW的PMAA和0.2重量%二氧化铈涂覆的二氧化硅作为磨料的组合物,测试了pH条件对膜去除速率、氧化物沟槽损失速率和氧化物沟槽凹陷速率的影响。[0176] 表6列出了pH对膜的影响的结果。[0177] 表6.pH对膜RR的影响[0178][0179] 如表6结果所示,TEOS膜的去除速率随着pH从5.35增加到6或从5.35增加到8而增加。HDP膜去除速率随着pH从5.35增加到6而增加,然后随着pH从5.35增加到8略有降低。TEOS:SiN选择性随着pH从5.35分别增加到6和8而增加。[0180] 表7列出了抛光组合物的pH条件对各种不同尺寸氧化物沟槽损失速率的影响。[0181] 表7.pH条件对氧化物沟槽损失速率的影响[0182][0183] 表8列出了pH条件对各种尺寸的氧化物沟槽凹陷速率的影响。[0184] 表8.pH条件对氧化物沟槽凹陷速率的影响[0185][0186] 如表7所示,总体而言,pH5.35的组合物在所有测试氧化物沟槽特征中显示出最低的氧化物沟槽损失速率。[0187] 如表8所示,总体而言,pH5.35的组合物在所有测试氧化物沟槽特征中显示出最低的氧化物沟槽凹陷速率。[0188] 实施例5[0189] 在实施例5中,测试以具有5,000、15,000和100,000的不同MW的PMAA进行。组合物包含0.1重量%的PMAA和0.2重量%作为磨料的二氧化铈涂覆的二氧化硅。所述组合物的pH为5.35。[0190] 表9列出了PMAA或聚(甲基丙烯酸)铵盐(PMAAAM)的不同分子量对膜去除速率和TEOS:SiN选择性的结果。[0191] 表9.不同分子量的PMAA或其盐对膜RR和TEOS:SiN选择性的影响[0192][0193] 如表9结果所示,使用PMAA或其盐作为氧化物沟槽凹陷减少剂抑制了TEOS、HDP和SiN的去除速率。TEOS:SiN的选择性保持是高的,并且对于PMAAMW<100,000随着MW从5,000到15,000而升高。[0194] 对不同分子量的PMAA或聚(甲基丙烯酸)铵盐(PMAAAM)作为减少氧化物沟槽凹陷的化学添加剂进行了测试。结果列于表10。[0195] 表10.不同分子量的PMAA或其盐对氧化物沟槽凹陷速率的影响[0196][0197] 如表10结果所示,使用PMAA或其盐作为氧化物沟槽凹陷减少剂在100μm和200μm氧化物沟槽特征上提供减少的氧化物沟槽凹陷性能。[0198] 实施例6[0199] 在实施例6中,比较了两种化学添加剂,聚丙烯酸铵盐(PAAAS)vsPMAA,对氧化物抛光组合物性能的影响。[0200] 所述组合物包含0.2重量%的二氧化铈涂覆的二氧化硅作为磨料。pH为5.35的组合物用作参考样品。[0201] 研究了PAAAS或PMAA作为抛光组合物中的化学添加剂对HDP膜和SiN膜去除速率的影响,结果列于表11。[0202] 如表11结果所示,相比于使用0.1重量%PMAA作为抛光组合物中的化学添加剂所获得的HDP膜去除速率,在相同的pH值和相同的磨料浓度条件下,0.1重量%的PAAAS显著抑制了HDP氧化物膜的去除速率。组合物中使用二氧化铈涂覆的二氧化硅和0.1重量%PAAAS盐的组合物不提供可接受的HDP去除速率。[0203] 表11.PAA盐vs.PMAA对膜去除速率的影响[0204][0205] 研究了PAAAS或PMAA在使用二氧化铈涂覆的氧化硅颗粒作为磨料抛光组合物中作为化学添加剂对P200μm沟槽速率和P200μm沟槽RR/毯覆式HDP膜RR比率的影响,结果列于表12。[0206] 表12.PAA盐vs.PMAA对P200沟槽速率和P200沟槽RR/毯覆式RR比率的影响[0207][0208] 如表12结果所示,在相同的pH值和相同的磨料浓度条件下,相比于未使用化学添加剂的参考样品或使用0.01重量%或0.1重量%PAAAS作为化学添加剂的抛光组合物所获得的P200mm沟槽RR/毯覆式HDPRR比率,使用0.05重量%或0.1重量%PMAA作为化学添加剂盐的抛光组合物显著降低了此类比率。[0209] 不同尺寸的氧化物沟槽RR/毯覆式氧化物膜RR比率是判断氧化物抛光组合物在用于氧化物抛光CMP应用时是否能够提供较低氧化物凹陷的关键参数。一般而言,此类比率越小,氧化物沟槽凹陷越低。[0210] 研究了PAAAS或PMAA在使用二氧化铈涂覆的二氧化硅颗粒作为磨料的抛光组合物中作为化学添加剂对P200μm沟槽凹陷vs.过抛光去除量的影响,结果列于表13。[0211] 表13.PAA盐vs.PMAA对P200沟槽凹陷vs.OP量的影响[0212][0213] 如表13的结果所示,在相同的pH值和相同的磨料浓度条件下,HDP膜去除速率被调节为相似的去除速率,以便可以更相当地比较沟槽凹陷数据vs过度抛光去除量。[0214] P200μm凹陷vs.两种不同的过抛光去除量表明,与使用PAAAS作为抛光组合物中的化学添加剂时的氧化物沟槽凹陷vs.过抛光量相比,当使用PMAA作为化学添加剂时,氧化物沟槽凹陷vs.过抛光量显著降低。[0215] 实施例6表明,在相同pH和相同磨料浓度下,相比于使用PAAAS作为化学添加剂的抛光组合物,使用PMAA作为化学添加剂的抛光组合物提供显著的氧化物沟槽凹陷减少。[0216] 上文列出的本发明的实施方式,包括工作实施例,是可以从本发明得到的众多实施方式的示例。设想可以使用该方法的众多其他配置,并且该方法中使用的材料可以从不同于具体公开的那些的众多材料中选出。

专利地区:美国

专利申请日期:2020-10-21

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN114787304B

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