TWI767355B - 高氧化物移除速率的淺溝隔離化學機械平坦化組合物、系統及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供用於淺溝隔離(STI)應用的化學機械平坦化(CMP)組合物。該CMP組合物含有塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子作為研磨料，例如塗覆二氧化鈰的二氧化矽粒子；化學添加物，其係選自由分別在-2、-3或-4的位置處具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子所組成的群組；具有多羥基官能基的非離子有機分子；及其組合；水溶性溶劑；及視需要地殺生物劑及pH調節劑；其中該組合物具有2至12，較佳地3至10，而且更佳地4至9的pH。
Description
本案主張較早於2019年10月24日申請的美國專利申案案序號第62/925,378號在35 U.S.C.§ 119(e)保護之下的優先權，在此以引用之方式將其全文併入本文。
本發明關於用於淺溝隔離(STI)製程的淺溝隔離(STI)化學機械平坦化(CMP)組合物及化學機械平坦化(CMP)。
在微電子裝置的製造中，涉及的重要步驟是研磨，尤其是化學機械研磨的表面以便回收選定的材料及/或使結構平坦化。
舉例來說，將SiN層沉積在SiO2層下面以用作研磨停止層(polish stop)。此研磨停止層的作用在淺溝隔離(STI)結構中特別重要。將選擇性的特徵表示為該氧化物研磨速率與該氮化物研磨速率之比率。實例是與氮化矽(SiN)相比，二氧化矽(SiO2)的研磨選擇性提高。
在圖案化的STI結構的整體平坦化中，降低氧化物槽溝淺盤效應是要考慮的關鍵因素。較低的槽溝氧化物損失將防止相鄰電晶體之間的電流
洩漏。跨晶粒(晶粒內(within Die))的不均勻槽溝氧化物損失將影響電晶體性能及裝置製造良率。嚴重的槽溝氧化物損失(氧化物槽溝高淺盤效應)將導致電晶體隔離不良，從而導致裝置故障。因此，重要的是藉由降低STI CMP研磨組合物中的氧化物槽溝淺盤效應來降低槽溝氧化物損失。
美國專利第5,876,490號揭示含有研磨料粒子並顯現出法向應力作用的研磨組合物。該漿料另外含有會導致凹槽處的研磨速率降低的非研磨粒子，而該研磨料粒子則在高處保持高的研磨速率。這導致改善的平坦化作用。更明確地說，該漿料包含二氧化鈰粒子及聚合物電解質，並且可用於淺溝隔離(STI)研磨的應用。
美國專利第6,964,923號教導用於淺溝隔離(STI)研磨應用的含有二氧化鈰粒子及聚合物電解質的研磨組合物。所使用的聚合物電解質包括聚丙烯酸的鹽類，類似於美國專利第5,876,490號中者。二氧化鈰、氧化鋁、二氧化矽及氧化鋯用作磨料。此列出的聚電解質的分子量為300至20,000，但是總而言之<100,000。
美國專利第6,616,514號揭示一種化學機械研磨漿料，該化學機械研磨漿料優先用於藉由化學機械研磨從製品的表面移除第一物質而不是氮化矽。根據本發明的化學機械研磨漿料包括研磨料、水性介質及不離解質子的有機多元醇，前述有機多元醇包括具有至少三在水性介質中不離解的羥基的化合物或由至少一在水性介質中不可解離的具有至少三羥基的單體所形成之聚合物。
然而，那些先前揭示的淺槽隔離(STI)研磨組合物並未提出使氧化物槽槽淺盤效應降低及在該經研磨的圖案化晶圓上更均勻的氧化物槽溝淺盤效應以及高的氧化物對氮化物選擇性的重要性。
同樣地，那些先前揭示的淺槽隔離(STI)研磨組合物也未提出有效移除該圖案化晶圓上某些氧化物膜例如HDP上的步階高度的方法。
因此，從前述內容應當容易顯而易見的是，在本領域內仍需要STI化學機械研磨的組合物、方法及系統，該組合物、方法及系統，除了高二氧化矽移除速率及二氧化矽對氮化矽的高選擇性之外，能在STI化學和機械研磨(CMP)製程中提供降低的氧化物槽溝淺盤效應及在研磨的圖案化晶圓上各種尺寸的氧化物槽溝特徵更均勻的氧化物槽溝淺盤效應，並且有效移除在研磨的圖案化晶圓上某些類型氧化膜的步階高度。
除了高二氧化矽移除速率及二氧化矽對氮化矽的高選擇性之外，本發明提供降低的氧化物槽溝淺盤效應及在該經研磨的圖案化晶圓上各種尺寸的氧化物槽溝特徵更均勻的氧化物槽溝淺盤效應，並且有效移除在研磨的圖案化晶圓上某些類型氧化膜的步階高度。
本發明的STI CMP研磨組合物也藉由在包括酸性、中性及鹼性pH條件的寬pH範圍下用於淺溝隔離(STI)CMP應用的化學機械研磨(CMP)組合物中引入作為SiN膜移除速率抑製劑及氧化物槽溝淺盤效應降低劑的化學添加物來提供高的氧化物對氮化物選擇性。
所揭示的用於淺溝隔離(STI)CMP應用的化學機械研磨(CMP)組合物具有使用塗覆二氧化鈰的無機氧化物研磨料粒子及合適的化學添加物作為氧化物槽溝淺盤效應降低劑和氮化物抑製劑的獨特組合。
在一態樣中，提供一種STI CMP研磨組合物，其包含：
塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子；化學添加物，其係選自由具有一羧酸基、一羧酸鹽基或羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子；具有多羥基官能基的有機分子；及其組合所組成的群組；水溶性溶劑；及視需要地殺生物劑；及pH調節劑；其中該組合物具有2至12，較佳地3至10，更佳地4至9，且最佳地4.5至7.5的pH。
在另一態樣中，提供一種STI CMP研磨組合物，其包含：塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子；具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子；具有多羥基官能基的非離子有機分子；水溶性溶劑；及視需要地殺生物劑；及pH調節劑；其中具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子具有以下一般分子結構：
其中R可為氫原子、正金屬離子或烷基CnH2n+1，n為1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3；而且該組合物具有2至12，較佳地3至10，更佳地4至9，且最佳地4.5至7.5的pH。
該塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子包括，但不限於，塗覆二氧化鈰的膠態二氧化矽、塗覆二氧化鈰的高純度膠態二氧化矽、塗覆二氧化鈰的氧化鋁、塗覆二氧化鈰的二氧化鈦、塗覆二氧化鈰的氧化鋯或任何其他塗覆二氧化鈰的無機金屬氧化物粒子。
該水溶性溶劑包括，但不限於，去離子(DI)水、蒸餾水及含醇有機溶劑。
該化學添加物能起SiN膜移除速率抑制劑及氧化物槽溝淺盤效應降低劑的作用。
該化學添加物的一般分子結構為如下所示的具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子：
在該一般分子結構中，-COOR基團可被連接到位於該環中-2、-3或-4處的碳原子，如下所示：
其中，R可為氫原子、正金屬離子及烷基CnH2n+1，n係1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3。
當R為氫原子時，以下3化學添加物為具有一羧酸基的含氮有機芳族或吡啶環分子：
當R為正金屬離子時，顯示出以下一般分子結構：
其中，該正離子可為鈉、鉀或銨離子。
當R基團為烷基CnH2n+1時，n係1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3；該化學添加物為吡啶羧酸酯。
該化學添加物具有多羥基官能基的有機分子的一般分子結構之一如下所示：
在一般分子結構中，n係選自1至5,000，較佳地2至12，且更佳地3至6。
在這些一般分子結構中；R1、R2、R3及R4基團可為相同或不同的原子或官能基。
R1、R2、R3及R4可獨立地選自由氫、烷基CnH2n+1(n係1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3)、烷氧基、具有一或更多羥基的有機基團、經取代的有機磺酸、經取代的有機磺酸鹽、經取代的有機羧酸、經取代的有機羧酸鹽、有機羧酸酯、有機胺基及其組合所組成的群組；其中，其至少二或更多個，較佳地四或更多個是氫原子。
當R1、R2、R3及R4皆為氫原子時，該化學添加物帶有多羥基官能基。此化學添加物的一些實例的分子結構如下：
該化學添加物具有多羥基官能基的有機分子的另一一般結構如下：
在這些一般分子結構中；R基團中R1、R2、R3、R4、R5、R6及R7的可為相同或不同的原子或官能基。
在該一般分子結構中，n係選自1至5,000，較佳地2至100，更佳地1至12，且最佳地2至6。
各R基團皆可獨立地選自由氫、烷基CnH2n+1(n係1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3)、烷氧基、具有一或更多羥基的有機基團、經取代的有機磺酸、經取代的有機磺酸鹽、經取代的有機羧酸、經取代的有機羧酸鹽、有機
羧酸酯、有機胺基及其組合所組成的群組；其中，其至少二或更多個，較佳地四或更多個，更佳地六或更多個是氫原子。
當R1、R2、R3、R4、R5、R6及R7皆為氫原子時將提供帶有多羥基官能基的化學添加物。
此化學添加物的一些實例的分子結構如下：
在另一態樣中，提供一種使用以上在淺溝隔離(STI)製程中所述的化學機械研磨(CMP)組合物對具有至少一包含二氧化矽的表面的基材進行化學機械研磨(CMP)之方法。
在另一態樣中，提供一種使用以上在淺溝隔離(STI)製程中所述的化學機械研磨(CMP)組合物對具有至少一包含二氧化矽的表面的基材進行化學機械研磨(CMP)之系統。
該研磨的矽氧化物膜可為化學氣相沉積(CVD)、電漿強化CVD(PECVD)、高密度沉積CVD(HDP)或旋塗氧化物膜(spin on oxide film)。
以上揭示的基材可另外包含氮化矽表面。該SiO2：SiN的移除選擇性大於10，較佳地大於30，更佳地大於50。
圖1. 吡啶羧酸對空白膜及P50μm移除速率(Å/min.)的影響
圖2. 吡啶羧酸對膜移除速率(A/min.)及TEOS：SiN選擇性的影響
圖3. 吡啶羧酸對氧化物槽溝淺盤化速率等等的影響
圖4. 吡啶羧酸對膜移除速率(A/min.)的影響
圖5. 於不同pH下的吡啶羧酸對膜移除速率(A/min.)及TEOS：SiN選擇性的影響
圖6. 於不同pH下的吡啶羧酸對氧化物槽溝損失(A/sec.)的影響
圖7. 於不同pH下的吡啶羧酸對氧化物槽溝淺盤化速率(A/sec.)的影響
在圖案化STI結構的整體平坦化中，抑制SiN移除速率及降低氧化物槽溝淺盤效應及在各種尺寸的氧化物槽溝特徵上提供更均勻的氧化物槽溝
淺盤效應是要考慮的關鍵因素。較低的槽溝氧化物損失將防止相鄰電晶體之間的電流洩漏。跨晶粒(晶粒內)的不均勻槽溝氧化物損失將影響電晶體性能及裝置製造良率。嚴重的槽溝氧化物損失(氧化物槽溝高淺盤效應)將導致電晶體隔離不良，從而導致裝置故障。因此，重要的是藉由降低STI CMP研磨組合物的氧化物槽溝淺盤效應來降低槽溝氧化物損失。
本發明關於用於淺溝隔離(STI)CMP應用的化學機械研磨(CMP)組合物。
更明確地說，所揭示的用於淺溝隔離(STI)CMP應用的化學機械研磨(CMP)組合物具有使用塗覆二氧化鈰的無機氧化物研磨料粒子及合適的化學添加物作為氧化物槽溝淺盤效應降低劑和氮化物抑製劑的獨特組合。
該適合的化學添加物包括，但不限於，以下兩類型的化學添加物及其組合：第一類型的化學添加物為具有一羧酸基、羧酸鹽基或羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子；而且第二類型的化學添加物為具有多羥基官能基的有機分子。
該第一類型的化學添加物是具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子。這些羧酸基、羧酸鹽基或羧酸酯基可被連接到分別位於該環中-2、-3或-4處的碳原子。
該第二類型的化學添加物是帶有二或更多，即多羥基能基的非離子且非芳族有機分子。
該化學添加物提供可達成高氧化膜移除速率、低SiN膜移除速率、高且可調節的氧化物：SiN選擇性的優點，更重要的是，在研磨圖案化晶
圓時提供理想的步階高度移除速率並且顯著降低氧化物槽溝淺盤效應並且改善研磨的圖案化晶圓的過度研磨窗口穩定性(overpolishing window stability)。
在一態樣中，提供一種STI CMP組合物，其包含：塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子；化學添加物，其係選自由具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子；具有多羥基官能基的有機分子；及其組合所組成的群組；水溶性溶劑；及視需要地殺生物劑；及pH調節劑；其中該組合物具有2至12，較佳地3至10，更佳地4至9，且最佳地4.5至7.5的pH。
在另一態樣中，提供一種STI CMP研磨組合物，其包含：塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子；具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子；具有多羥基官能基的非離子有機分子；水溶性溶劑；及視需要地殺生物劑；及pH調節劑；其中具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子具有以下一般分子結構：
其中R可為氫原子、正金屬離子或烷基CnH2n+1，n為1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3；而且該組合物具有2至12，較佳地3至10，更佳地4至9，且最佳地4.5至7.5的pH。
該塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子包括，但不限於，塗覆二氧化鈰的膠態二氧化矽、塗覆二氧化鈰的高純度膠態二氧化矽、塗覆二氧化鈰的氧化鋁、塗覆二氧化鈰的二氧化鈦、塗覆二氧化鈰的氧化鋯或任何其他塗覆二氧化鈰的無機金屬氧化物粒子。
本文揭示的發明中這些塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子的粒徑介於10nm至1,000nm，較佳的平均粒徑介於20nm至500nm，更佳的平均粒徑介於50nm至250nm。
這些塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子的濃度介於0.01重量%至20重量%，較佳的濃度介於0.05重量%至10重量%，更佳的濃度介於0.1重量%至5重量%。
較佳的塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子係塗覆二氧化鈰的膠態二氧化矽粒子。
該水溶性溶劑包括，但不限於，去離子(DI)水、蒸餾水及含醇有機水性溶劑。
較佳的水溶性溶劑是去離子水。
該STI CMP組合物可含有介於0.0001重量%至0.05重量%的殺生物劑；較佳地0.0005重量%至0.025重量%，更佳地0.001重量%至0.01重量%。
該殺生物劑包括，但不限於，來自Dupont/Dow Chemical公司的KathonTM、KathonTM CG/ICP II及來自Dupont/Dow Chemical公司的Bioban。其具有5-氯-2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮及2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮的活性成分。
該STI CMP組合物可含有pH調節劑。
酸性或鹼性的pH調節劑可用以將該STI研磨組合物調節至最適化pH值。
該pH調節劑包括，但不限於，硝酸、鹽酸、硫酸、磷酸、其他無機或有機酸及其混合物。
pH調節劑也包括該鹼性pH調節劑，例如氫化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨、氫氧化四烷基銨、有機季銨氫氧化物化合物、有機胺及其他可用以將pH往鹼性更高的方向調節的化學試劑。
該STI CMP組合物含有0重量%至1重量%；較佳地0.01重量%至0.5重量%；更佳地pH調節劑的0.1重量%至0.25重量%的pH調節劑。
該STI CMP組合物含有0.0001重量%至2.0%重量%、0.0002重量%至1.0重量%或0.0005重量%至0.5重量%的化學添加物，該化學添加物係具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子。
該STI CMP組合物含有0.0001重量%至2.0%重量%、0.001重量%至1.0重量%或0.005重量%至0.75重量%化學添加物，該化學添加物係具有一羧酸基多羥基官能基的有機分子。
身為具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的含氮有機芳族或吡啶環分子的化學添加物的一般分子結構：
在該一般分子結構中，-COOR基團可被連接到位於如下所示的環中-2、-3或-4處的碳原子：
其中，R可為氫原子、正金屬離子及烷基CnH2n+1，n係1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3。
當R為氫原子時，該化學添加物為如下所示的具有一羧酸基的含氮有機芳族或吡啶環分子：
當R為正金屬離子時，該一般分子結構如下：
其中，該正離子可為鈉、鉀或銨離子。
當R基團為烷基CnH2n+1時，n係1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3；而且該化學添加物為吡啶羧酸酯。
身為具有多羥基官能基的有機分子的第二型化學添加物的一般分子結構之一如下：
在該一般分子結構中，n係選自1至5,000，較佳地2至12，而且更佳地3至6。
在這些一般分子結構中；R1、R2、R3及R4基團可為相同或不同原子或官能基。
R1、R2、R3及R4可獨立地選自由氫、烷基CnH2n+1(n係1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3)、烷氧基、具有一或更多羥基的有機基團、經取代的有機磺酸、經取代的有機磺酸鹽、經取代的有機羧酸、經取代的有機羧酸鹽、有機羧酸酯、有機胺基及其組合所組成的群組；其中，至少二或更多個，較佳地四或更多個為氫原子。
當R1、R2、R3及R4皆為氫原子時，該化學添加物帶有多羥基官能基。此化學添加物的一些實例的分子結構如下：
具有多羥基官能基的第二型化學添加物的另一一般分子結構如下：
在這些一般分子結構中；R基團中的R1、R2、R3、R4、R5、R6及R7可為相同或不同原子或官能基。
在該一般分子結構中，n係選自1至5,000，較佳地1至100，更佳地1至12，而且最佳地2至6。
各R基團可獨立地選自由氫、烷基(CnH2n+1，n係1至12，較佳地1至6，且更佳地1至3)、烷氧基、具有一或更多羥基的有機基團、經取代的有機磺酸、經取代的有機磺酸鹽、經取代的有機羧酸、經取代的有機羧酸鹽、有機羧酸酯、有機胺基及其組合所組成的群組；其中，其至少二或更多個，較佳地四或更多個，更佳地六或更多個為氫原子。
當R1、R2、R3、R4、R5、R6及R7皆為氫原子時，將提供帶有多羥基官能基的化學添加物。
此化學添加物的一些實例的分子結構如下：
乳糖醇。
在另一態樣中，提供一種以淺溝隔離(STI)製程使用上述化學機械研磨(CMP)組合物對具有至少一包含二氧化矽的表面的基材進行化學機械研磨(CMP)之方法。
在另一態樣中，提供一種以淺溝隔離(STI)製程使用上述化學機械研磨(CMP)組合物對具有至少一包含二氧化矽的表面的基材進行化學機械研磨(CMP)之系統。
該經研磨的氧化物膜可為化學氣相沉積(CVD)、電漿強化CVD(PECVD)、高密度沉積CVD(HDP)或旋塗氧化物膜。
以上揭示的基材可另外包含氮化矽表面。該SiO2：SiN的移除選擇性大於10，較佳地大於20，更佳地大於30。
在另一態樣中，提供一種使用上述淺溝隔離(STI)製程中的化學機械研磨(CMP)組合物對具有至少一包含二氧化矽的表面的基材進行化學機械研磨(CMP)之方法。該經研磨的氧化物膜可為CVD氧化物、PECVD氧化物、高密度氧化物或旋塗氧化物膜。
提出以下非限制性實施例以進一步說明本發明。
在下文提出的實施例中，使用下文提供的程序及實驗條件進行CMP實驗。
塗覆二氧化鈰的二氧化矽：用作具有約100奈米(nm)的粒徑的研磨料；此塗覆二氧化鈰的二氧化矽粒子可具有約20奈米(nm)至500奈米(nm)的粒徑。
塗覆二氧化鈰的二氧化矽粒子(具有不同的尺寸)係由日本的JGCC股份有限公司提供。
化學添加物，例如吡啶羧酸、麥芽糖醇、D-果糖、半乳糖醇、D-山梨糖醇及其他化學原料係由密蘇里州聖路易斯的Sigma-Aldrich提供。
TEOS：原矽酸四乙酯
研磨墊：研磨墊，IC1010及其他墊，係用在CMP期間，由DOW股份有限公司提供。
Å或A：埃-長度單位
BP：背壓，以psi為單位
CMP：化學機械平坦化=化學機械研磨
CS：載具速度
DF：下壓力：CMP期間施加的壓力，單位psi
min：分鐘
ml：毫升
mV：毫伏
psi：每平方吋磅數
PS：研磨設備的壓板旋轉速度，以rpm(每分鐘轉數)為單位
SF：組合物流量，ml/min
重量%：(所列組分的重量百分比)
TEOS：SiN選擇性：(TEOS的移除速率)/(SiN的移除速率)
HDP：高密度電漿體沉積的TEOS
TEOS或HDP移除速率：在指定的向下壓力下測得的TEOS或HDP移除速率。在上文列出的實施例中，該CMP設備的向下壓力為2.0、3.0或4.0psi。
SiN移除速率：在指定的向下壓力下測得的SiN移除速率。在列出的實施例中，該CMP設備的向下壓力為3.0psi。
膜用加州，庫帕提諾，95014，Alves Dr.20565號的Creative Design Engineering公司所製造的168型ResMap CDE來測量。該ResMap設備係四點探針薄層電阻設備。在5mm邊緣排除處對膜進行四十九點直徑掃描。
所使用的CMP設備係200mm Mirra或300mm Reflexion，由加州，聖塔克拉拉，95054，Bowers大道3050號的Applied Materials公司製造。在進行空白及圖案化晶圓研究用的壓盤1上使用由德拉瓦州，紐瓦克市，451 Bellevue路，DOW公司供應的IC 1000研磨墊。
該IC1010墊或其他墊藉由於7磅下壓力下在調節器上調節該墊18分鐘而磨合(broken in)。為了驗證該設備設定及該墊磨合，使用由Versum Materials股份有限公司供應的Versum® STI2305組合物於基準條件下研磨二鎢監視器及二TEOS監視器。
使用PECVD或LECVD或HD TEOS晶圓進行研磨實驗。這些空白晶圓係由加州，聖塔克拉拉，95054，Kifer路2985號的Silicon Valley Microelectronics公司購得。
在空白晶圓研究中，在基準條件下研磨氧化物空白晶圓及SiN空白晶圓。該設備基準條件為：工作台速度；87rpm，壓頭速度：93rpm，膜壓力：2.0psi，管間壓力(inter-tube pressure)：2.0psi，維持環壓力(retaining ring pressure)：2.9psi，組合物流量；200ml/min。
該組合物係用於由加州，聖塔克拉拉，95054，Scott大道2920號SWK Associates股份有限公司供應的圖案化晶圓(MIT860)的研磨實驗。這些晶圓係於Veeco VX300剖面測勘儀(profiler)/AFM儀器上測量。2或3種不同尺寸的間距結構係用於氧化物淺盤效應測量。該晶圓係於中心、中間及邊緣晶粒位置測量。
TEOS：SiN選擇性：從該STI CMP研磨組合物獲得的(TEOS移除速率)/(SiN移除速率)係可調的。
在以下的工作實施例中，STI P1(STI P1步驟係為了以相對高的移除速率移除覆蓋的氧化物膜)的研磨組合物，其包含1.0重量%的塗覆二氧化鈰的二氧化矽粒子、0.1重量%的D-山梨糖醇、介於0.0001重量%至0.05重量%的殺生物劑及去離子水，係製備成參考物。
該研磨組合物係用該參考物(1.0重量%的塗覆二氧化鈰的二氧化矽、介於0.0001重量%至0.05重量%的殺生物劑及去離子水)及於0.0025重量%至0.28重量%範圍中的已揭示的化學添加物來製備。
該實施例的表中的%為重量%，而且ppm為以重量計的ppm。
在實施例1中，將用於氧化物P1步階研磨的研磨組合物顯示於表1。該參考樣品使用1.0重量%的塗覆二氧化鈰的二氧化矽加上0.1重量%的D-山梨糖醇來製造。在該測試樣品中，該第二化學添加物吡啶羧酸的用量分別為0.002重量%及0.02重量%。
所有參考樣品及測試樣品的pH值皆同樣為約5.35。
測試不同膜的移除速率(移除速率以Å/min為單位)。觀察化學添加物吡啶羧酸對該膜移除速率及間距50μm槽溝氧化物移除速率及活性氧化物移除速率的影響並且列於表1並描繪於圖1。
P1氧化物研磨步驟的條件是：Dow的IC1010墊子在3.7psf DF的條件下，工作台/頭部的速度在87/93下，並且進行了異位調節(ex-situ conditioning)。
如表1及圖1所示的結果，吡啶羧酸加於該研磨組合物有效地推昇間距50μm的特徵槽溝氧化物移除速率，同時仍舊提供高的HDP膜移除速率，從而提高的圖案化晶圓氧化物槽溝移除速率。
在實施例2中，將用於氧化物P2步驟(STI P2 CMP步驟使用相對低的氧化物膜移除速率，那也是STI CMP製程中用以研磨氧化物圖案化晶圓的步驟。)研磨的研磨組合物顯示於表2。該參考樣品使用0.2重量%的塗覆二氧化鈰的二氧化矽加上非常低濃度的殺生物劑及0.15重量%的D-山梨糖醇來製造。在該測試樣品中，該第二化學添加物吡啶羧酸的用量為0.002重量%。
所有參考樣品及測試樣品的pH值皆同樣為約5.35。
測試不同膜的移除速率(移除速率以Å/min為單位)。觀察化學添加物吡啶羧酸對該膜移除速率及TEOS：SiN選擇性的影響並且列於表2並描繪於圖2。
如表2及圖2所示的結果，吡啶羧酸加於該研磨組合物有效地推昇TEOS和HDP膜移除速率並且也提高TEOS：SiN的選擇性。
因此，該研磨組合物提供推昇的TEOS和HDP膜移除速率及高的氧化物：SiN選擇性。
P2氧化物研磨的研磨條件是：Dow的IC1010墊子，2.7psi下壓力，工作台/頭部的速度在86/85下，並且進行了100%原位調節(insitu conditioning)。
測試P2步階研磨組合物中的化學添加物(吡啶羧酸)對氧化物槽溝淺盤化速率、SiN膜損失速率及氧化物槽溝損失相對於空白膜移除速率的影響。將結果列於表3並且描繪於圖3。
如表3及圖3所示的結果，吡啶羧酸加於該研磨組合物顯示對P200 SiN損失移除速率沒有影響，並且仍舊保持相對低槽溝氧化物損失速率及氧化物槽溝淺盤化速率。
在實施例3中，將用於氧化物P2步階研磨的研磨組合物顯示於表4。該參考樣品使用0.2重量%的塗覆二氧化鈰的二氧化矽加上非常低濃度的殺生物劑及0.28重量%的麥芽糖醇來製造。在該測試樣品中，該第二化學添加物(吡啶羧酸)的用量為0.0075重量%。所有參考樣品及測試樣品的pH值皆同樣為約5.35。
測試不同膜的移除速率(移除速率以Å/min為單位)。觀察化學添加物吡啶羧酸對該膜移除速率及TEOS：SiN選擇性的影響並且列於表4並描繪於圖4。
研磨零件及條件是：Dow的研磨墊、3M的調節盤(conditioning disk)、2.0psi DF、異位調節及50/48rpm的工作台/頭部的速度。
如表4及圖4所示的結果，該化學添加物(吡啶羧酸)加於該研磨組合物降低TEOS及HDP膜移除速率，因此，降低TEOS：SiN選擇性。
在實施例4中，將用於氧化物P2步階研磨的研磨組合物顯示於表5。該參考樣品使用0.2重量%的塗覆二氧化鈰的二氧化矽加上非常低濃度的殺生物劑及0.28重量%的麥芽糖醇在pH 5.35下製成。在該測試樣品中，該第二化學添加物(吡啶羧酸)的用量為0.0075重量%，而且pH條件不同。
測試不同膜的移除速率(移除速率以Å/min為單位)。觀察在不同pH條件下的化學添加物吡啶羧酸對該膜移除速率及TEOS：SiN選擇性的影響並且列於表5並描繪於圖5。
研磨零件及條件是：Dow的研磨墊、3M的調節盤、2.0psi DF、異位調節及50/48rpm的工作台/頭部的速度。
如表5及圖5所示的結果，在不同pH條件下用相同濃度的第二類型化學添加物吡啶羧酸，使HDP及TEOS膜移除速率隨著該研磨組合物的pH提高而逐漸提高。
隨著該研磨組合物pH提高，該SiN膜移除速率逐漸降低。隨著該研磨組合物的pH提高，TEOS：SiN選擇性逐漸升高。在pH 6.5下達成62：1的TEOS：SiN選擇性。
觀察該化學添加物吡啶羧酸在相同濃度及不同pH條件下對該氧化物槽溝損失速率的影響，並且列於表6並描繪於圖6。
研磨零件及條件是：Dow的研磨墊、3M的調節盤、2.0psi DF、異位調節及50/48rpm的工作台/頭部的速度。
如表6及圖6所示的結果，在不同pH條件下，使用相同濃度的第二類型化學添加物吡啶羧酸，隨著該研磨組合物的pH提高，使三不同尺寸間距的氧化物槽溝損失速率逐漸降低。
觀察該化學添加物吡啶羧酸在相同濃度及不同pH條件下對該氧化物槽溝損失速率的影響，並且列於表7並描繪於圖7。
研磨零件及條件是：Dow的研磨墊、3M的調節盤、2.0psi DF、異位調節及50/48rpm的工作台/頭部的速度。
如表7及圖7所示的結果，在不同pH條件下，使用相同濃度的第二類型化學添加物吡啶羧酸，隨著該研磨組合物的pH提高，使三不同尺寸間距的氧化物槽溝損失速率逐漸降低。
以上列出的本發明的具體實例，包括工作實施例，示範可由本發明完成的許多具體實施例。預期可使用許多其他製程配置，並且該製程中使用的材料可從已具體揭示的材料之外的多種材料中選出。
Claims (28)
- 一種化學機械研磨組合物，其包含：塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子；具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的吡啶環分子；具有多羥基官能基的非離子有機分子；水溶性溶劑；及視需要地殺生物劑；及pH調節劑；其中具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的吡啶環分子具有以下一般分子結構：
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該塗覆二氧化鈰的無機氧化物粒子係選自由塗覆二氧化鈰的膠態二氧化矽、塗覆二氧化鈰的氧化鋁、塗覆二氧化鈰的二氧化鈦、塗覆二氧化鈰的氧化鋯粒子或其組合所組成的群組；其中該粒子介於0.1重量%至5重量%。
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該水溶性溶劑係選自由去離子(DI)水、蒸餾水及含醇有機溶劑所組成的群組。
- 如請求項1之化學機械研磨，其中該具有一羧酸基、一羧酸鹽基或一羧酸酯基的吡啶環分子介於0.0005重量%至0.5重量%。
- 如請求項1之化學機械研磨，其中該具有多羥基官能基的有機分子介於0.005重量%至0.75重量%。
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該吡啶環分子中的-COOR基團可被連接到位於如下所示的環中-2、-3或-4處的碳原子：
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該吡啶環分子的-COOR基團中的R係氫原子，而且該-COOR基團可被連接到位於如下所示的環中-2、-3或-4處的碳原子：
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該吡啶環分子的-COOR基團中的R係選自由鈉、鉀及銨離子所組成的群組的正金屬離子M+：
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該吡啶環分子的-COOR基團中的R係烷基CnH2n+1，n係1至6；而且該吡啶環分子係吡啶羧酸酯。
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該具有多羥基官能基的非離子有機分子具有以下一般分子結構：
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該具有多羥基官能基的非離子有機分子係選自由以下所組成的群組：
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該具有多羥基官能基的非離子有機分子具有以下的一般分子結構：
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該具有多羥基官能基的非離子有機分子具有以下的一般分子結構：
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該具有多羥基官能基的非離子有機分子係選自由以下所組成的群組：
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該組合物包含塗覆二氧化鈰的膠態二氧化矽粒子；具有多羥基官能基的非離子有機分子；具有一被連接到位於該吡啶環中-2、-3或-4處的碳原子的羧酸、羧酸鹽或羧酸酯之吡啶環分子；及水。
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該組合物包含塗覆二氧化鈰的膠態二氧化矽粒子；選自由乳糖醇、麥芽糖醇、半乳糖醇及D-山梨糖醇所組成的群組中的至少其一；具有一被連接到位於該吡啶環中-2、-3或-4處的碳原子的羧酸、羧酸鹽或羧酸酯之吡啶環分子；及水。
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該組合物包含塗覆二氧化鈰的膠態二氧化矽粒子；選自由乳糖醇、麥芽糖醇、半乳糖醇及D-山梨糖 醇所組成的群組中的至少其一；及選自由2-吡啶羧酸、3-吡啶羧酸及4-吡啶羧酸所組成的群組中的至少其一。
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該組合物包含塗覆二氧化鈰的膠態二氧化矽粒子；選自由乳糖醇、麥芽糖醇、半乳糖醇及D-山梨糖醇所組成的群組中的至少其一；及2-吡啶羧酸。
- 如任一請求項1之化學機械研磨組合物，其中該組合物另外包含0.0005重量%至0.025重量%的殺生物劑，該殺生物劑具有5-氯-2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮及2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮的活性成分。
- 如請求項1之化學機械研磨組合物，其中該組合物另外包含0.01重量%至0.5重量%的pH調節劑，該pH調節劑係選自由用於酸性pH條件的硝酸、鹽酸、硫酸、磷酸、其他無機或有機酸及其混合物所組成的群組；或選自由用於鹼性pH條件的氫化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨、氫氧化四烷基銨、有機季銨氫氧化物化合物、有機胺及其組合所組成的群組。
- 一種對具有至少一包含矽氧化物膜的表面的半導體基材進行化學機械研磨(CMP)之方法，其包含提供該半導體基材；提供研磨墊；提供如請求項1至20中任一項之化學機械研磨組合物；使該半導體基材的至少一表面與該研磨墊及該化學機械研磨組合物接觸；以及研磨該至少一包含矽氧化物膜的表面。
- 如請求項21之方法，其中該矽氧化物膜係選自由化學氣相沉積(CVD)、電漿強化CVD(PECVD)、高密度沉積CVD(HDP)或旋塗矽氧化物膜所組成的群組。
- 如請求項21之方法，其中該矽氧化物膜係SiO2膜。
- 如請求項21之方法，其中該半導體基材另外具有至少一包含矽氮化物膜的表面；而且矽氧化物：矽氮化物的移除選擇性大於30。
- 一種對具有至少一包含矽氧化物膜的表面的半導體基材進行化學機械研磨(CMP)之系統，其包含：a.該半導體基材；b.如請求項1至20中任一項之化學機械研磨(CMP)組合物；c.研磨墊；其中使該至少一包含矽氧化物膜的表面與該研磨墊及該化學機械研磨組合物接觸。
- 如請求項25之系統，其中該矽氧化物膜係選自由化學氣相沉積(CVD)、電漿強化CVD(PECVD)、高密度沉積CVD(HDP)或旋塗矽氧化物膜所組成的群組。
- 如請求項25之系統，其中該矽氧化物膜係SiO2膜。
- 如請求項25之系統，其中該半導體基材另外具有至少一包含矽氮化物膜的表面，其中使該至少一包含矽氮化物膜的表面與該研磨墊及該化學機械研磨組合物接觸；而且當用該研磨墊及該化學機械研磨組合物研磨該至少包含矽氧化物膜的表面及該至少一包含矽氮化物膜的表面時，矽氧化物：矽氮化物的移除選擇性大於30。
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