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TW202124615A - 化學機械拋光液 - Google Patents

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TW202124615A TW109143514A TW109143514A TW202124615A TW 202124615 A TW202124615 A TW 202124615A TW 109143514 A TW109143514 A TW 109143514A TW 109143514 A TW109143514 A TW 109143514A TW 202124615 A TW202124615 A TW 202124615A
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任曉明
賈長征
李守田
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大陸商安集微電子科技(上海)股份有限公司
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    • C09G1/00—Polishing compositions
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  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
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Abstract

本發明提供一種化學機械拋光液，包含氧化鈰、聚丙烯酸、聚乙烯胺、以及水。本發明通過聚乙烯胺作為添加劑能夠降低帶負電荷的氧化鈰對圖案晶圓的蝶形量，提高平坦化效率。

Description

化學機械拋光液
本發明涉及化學機械拋光液領域，尤其涉及一種化學機械拋光液。
目前，化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）在微奈米器件製造過程中已經成為最有效，最成熟的平坦化技術。在微奈米器件製造過程中，淺槽隔離(Shallow Trench Isolation, STI)工藝以突出的隔離性能，平坦的表面形貌以及良好的鎖定性能，成為近年來主流隔離技術。
在淺槽隔離拋光工藝中，拋光液對氧化矽和氮化矽的拋光速度一般具有較高的選擇比， 當氮化矽層暴露時，氮化矽作為阻擋層在理想的情況下可以讓拋光停止。如果氧化矽層過度拋光，氧化矽層會凹進去，形成所謂的「蝶形化（Dishing）」，導致平坦化效率降低。因此，需要尋找一種提高平坦化效率的化學機械拋光液。
為解決現有技術中經丙烯酸處理的帶負電荷的氧化鈰容易因為過度拋光而存在的蝶形化問題，本發明提供一種化學機械拋光液，包含氧化鈰、聚丙烯酸、聚乙烯胺、以及水。本申請提供的化學機械拋光液不僅能夠保持高的二氧化矽拋光速率，同時能夠降低帶負電荷的氧化鈰對圖案晶圓的蝶形量。
在一些實施例中，所述聚乙烯胺的含量為1-80 ppm。
在一些實施例中，所述聚乙烯胺的分子量為1300-750000。
在一些實施例中，所述氧化鈰的含量為0.1wt%-1.5wt%，優選為0.4wt%。
在一些實施例中，聚丙烯酸的含量為500-1500ppm。優選為900ppm。
在一些實施例中，所述化學機械拋光液還包含pH調節劑。
在一些實施例中，所述pH調節劑為氨水、氫氧化鉀或硝酸、醋酸、鹽酸、硫酸。
在一些實施例中，所述化學機械拋光液的pH為4-8。小於4，則顆粒尺寸變大；大於8，則淺槽隔離工藝的化學機械拋光效果不好。
本發明中所述ppm是指用溶質質量占全部溶液質量的百萬分比來表示的質量濃度，稱百萬分比濃度；所述wt%、以及各成分百分比均為質量百分比濃度。
本發明的所用試劑及原料均市售可得。
與現有技術相比較，本發明的優勢在於：本發明公開了一種聚乙烯胺作為添加劑的化學機械拋光液，不僅能夠保持高的二氧化矽拋光速率，同時能夠降低待負電荷的氧化鈰對圖案晶圓的蝶形量，從而提高平坦化效率。優選地，當所述聚乙烯胺的分子量從1300至750000，含量在65ppm或65ppm以下時的降低蝶形量的效果更好。
下面結合附圖及具體實施例，詳細闡述本發明的優勢。
本發明中利用聚乙烯胺與丙烯酸處理的氧化鈰進行混合製備而成的化學機械拋光液，對介電層基片進行拋光後，可以有效地控制蝶形化，同時該方法操作簡便，成本較低。
實施例
製備方法：本實施例中，基準例是含有0.4wt%的氧化鈰，丙烯酸含量為900ppm，其他實施例及對比例則在基準例的基礎上添加不同分子量和含量的聚乙烯胺，並以氨水（NH4 OH）或硝酸（HNO3 ）調節pH至4.5，用水補足質量百分比至100%。詳細組份請見表1。
拋光方法：採用Mirra拋光機台對TEOS空白和圖案晶圓進行拋光測試，本申請拋光液對二氧化矽的拋光速率是在TEOS空白片上測試的，本申請拋光液抑制蝶形量的增加是在圖案晶圓上測試的。對應拋光條件包括：IC1010拋光墊，拋光盤（Platten）和拋光頭（Carrier）轉速分別為93rpm和87rpm，壓力4psi，拋光液流速為150mL/min。TEOS膜厚是用NanoSpec非金屬膜厚測量儀(NanoSpec6100-300)測出的。空白片膜厚，從晶圓邊緣3mm開始，在直徑線上以同等間距測49個點。拋光速率是49點的平均值。圖案晶圓（patterned wafer）的臺階高度是用探針式輪廓儀（Bruker Nano’s DETKAK XTL）測量的。圖1為現有技術中的圖案晶圓1的結構示意圖，圖案晶圓具有凸點1和凹點2，凸點線寬為H1、凹點寬度為H2，測量是在凸點線寬H1/溝槽寬度H2為500um/500um，100um/100um，50um/50um。
表1. 分子量為1300的聚乙烯胺（PEI-1.3k）含量與二氧化矽（TEOS）空白片拋光速率（RR）的關係
拋光液 PEI-1.3k (ppm) TEOS RR(Å /min)
1.5 psi 2 psi 3 psi 4 psi
1A (對比例) 0 611 1047 1770 2168
1B (實施例) 2 605 1007 1718 2308
1C (實施例) 10 639 1046 1809 2376
1D (實施例) 50 624 985 1687 2241
1E (實施例) 65 548 844 1533 2217
1F (實施例) 80 493 784 1167 1552
1G(實施例) 100 314 425 623 814
表1中顯示，PEI-1.3k的含量在65ppm或65ppm以下時，隨著PEI-1.3k的含量的增加，二氧化矽的拋光速率幾乎不會受到影響，例如，在拋光壓力1.5psi下，隨著PEI-1.3k的含量分別為0、2、10、50、65時，二氧化矽的拋光速率分別為611、605、639、624、548；在拋光壓力2psi下，隨著PEI-1.3k的含量分別為0、2、10、50、65時，二氧化矽的拋光速率分別為1047、1007、1046、985、844；在拋光壓力3psi下，隨著PEI-1.3k的含量分別為0、2、10、50、65時，二氧化矽的拋光速率分別為1770、1718、1809、1687、1533；在拋光壓力4psi下，隨著PEI-1.3k的含量分別為0、2、10、50、65時，二氧化矽的拋光速率分別為2168、2308、2376、2241、2217。而當所述PEI-1.3k的含量為80 ppm和100ppm時，在不同拋光壓力對應的二氧化矽的拋光速率與前述的拋光速率的差距較大，更具體地說，二氧化矽的拋光速率顯著降低。將表1中的4psi拋光壓力下的實驗資料轉換為圖2，由圖2可以直觀地看出，隨著PEI-1.3k的含量從0增加至65ppm，二氧化矽的拋光速率穩定在2168-2376A，但是當PEI-1.3k的含量達到80ppm及其以上，二氧化矽的拋光速率已經下降。也就是說，對於二氧化矽的拋光速度的影響，PEI-1.3k含量的臨界點在65-80ppm之間。
表2. 二氧化矽的拋光速率與聚乙烯胺分子量、濃度的關係
拋光液 聚乙烯胺分子量 PEI 濃度(ppm) TEOS RR Å/min @ TEOS RR Å/min @ TEOS RR Å/min @ TEOS RR Å/min @
1.5 psi 2psi 3psi 4psi
2A (對比例) n/a 0 701 1109 1829 2395
2B (實施例) 1300 50 624 985 1687 2241
2C (實施例) 1300 65 548 844 1533 2217
2D (實施例) 2500 45 765 1037 1778 2233
2E (實施例) 2500 65 550 669 868 1096
2F (實施例) 70000 45 726 1106 1696 2163
2G(實施例) 750000 40 791 1192 1822 2299
2H(實施例) 750000 65 667 785 1014 1273
表2顯示，隨著聚乙烯胺分子量增加，對於二氧化矽的拋光速率影響，聚乙烯胺含量的臨界點有所降低，例如，相對於對比例2A，在達到相同程度的拋光速率時，隨著聚乙烯胺的分子量的增加，所需聚乙烯胺的濃度降低， 具體地，比如，在表2中，在分子量等於1300時，65ppm時，拋光速率和對比例2A比，速率下降不超過300Å/min。在分子量2500，65ppm時，拋光速率減低超過1000Å/min；但是，在分子量2500，45ppm，速率和對比例2A比沒有減低。
表3. 聚乙烯胺(分子量1300)作為添加劑對蝶形化的影響
  
拋光液 添加劑 蝶形化增加 @（Å）500/500um 蝶形化增加@（Å）100/100um 蝶形化增加@（Å）50/50um   
3A (對比例) 無 243 165 145   
3B (實施例) 65ppm PEI (Mw=1300) 108 46 59   
表3顯示，與不含聚乙烯胺的拋光液相比，分子量為1300的聚乙烯胺（含量為65ppm）在不同的測量點（500/500um、100/100um、50/50um）均可以有效的降低蝶形化。
表4. 不同分子量聚乙烯胺作為添加劑對蝶形化的影響
拋光液 添加劑 蝶形化增加（Å） @ 500/500um 蝶形化增加（Å）@ 100/100um 蝶形化增加（Å）@ 50/50um
4A (對比例) 無 209 166 162
4B (實施例) 50ppm PEI (Mw=1300) 152 125 112
4C (實施例) 65ppm PEI (Mw=1300) 61 57 61
4D (實施例) 40ppm PEI (Mw=2500) 113 79 54
4E (實施例) 45ppm PEI (Mw=70000) 209 149 136
4F (實施例) 40ppm PEI (Mw=750000) 157 107 99
表4顯示，對於分子量為1300的聚乙烯胺，隨著濃度從50ppm增加至65ppm，實施例4C比實施例4B蝶形化降低更有效。而當PEI濃度保持一定時，隨著聚乙烯胺的分子量越小，蝶形化降低越有效。例如，當PEI的濃度都是40ppm時，實施例4D中PEI的分子量為2500，實施例4F中PEI的分子量為750000，實施例4D比4F蝶形化降低更有效。
綜上所述，含有聚乙烯胺和經丙烯酸處理的氧化鈰的化學機械拋光液能有效地降低淺槽隔離拋光工藝中的蝶形化。當所述聚乙烯胺的分子量從1300至750000，含量在65ppm或65ppm以下時的降低蝶形量的效果更好。同時，本申請的化學機械拋光液的各個組分只需簡單混合即可，操作簡單，成本較低。
以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為範例，本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。
1:凸點 2:凹點 H1:凸點線寬 H2:凹點寬度
圖1為圖案晶圓的縱剖面的結構示意圖。
圖2為壓力4psi下二氧化矽的拋光速率和聚乙烯胺（分子量1300）濃度的關係。
1:凸點
2:凹點
H1:凸點線寬
H2:凹點寬度

Claims (10)

  1. 一種化學機械拋光液，包含氧化鈰、聚丙烯酸、聚乙烯胺、以及水。
  2. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述聚乙烯胺的含量為1-80 ppm。
  3. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，所述聚乙烯胺的分子量為1300-750000。
  4. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其特徵在於，所述氧化鈰的含量為0.1wt%-1.5wt%。
  5. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，聚丙烯酸的含量為500-1500ppm。
  6. 如請求項1所述的化學機械拋光液，進一步包含pH調節劑。
  7. 如請求項6所述的化學機械拋光液，其中，所述pH調節劑為氨水、氫氧化鉀或硝酸、醋酸、鹽酸、硫酸。
  8. 如請求項1所述的化學機械拋光液，其中，pH為4-8。
  9. 如請求項5所述的化學機械拋光液，其中，聚丙烯酸的含量為900ppm。
  10. 如請求項4所述的化學機械拋光液，其中，所述氧化鈰的含量為0.4wt%。
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