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CN111500197B - 具有可调节的氧化硅和氮化硅去除速率的浅沟槽隔离化学机械平面化抛光 - Google Patents

具有可调节的氧化硅和氮化硅去除速率的浅沟槽隔离化学机械平面化抛光 Download PDF

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Abstract

因此，提供了浅沟槽隔离(STI)化学机械平面化(CMP)抛光组合物、其使用方法和系统。所述CMP抛光组合物包含二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒的磨料，例如二氧化铈涂覆的二氧化硅；和用于提供可调节的氧化物膜去除速率和可调节的SiN膜去除速率的双重化学添加剂。化学添加剂包括至少一种含氮芳族杂环化合物和具有至少一种多于一个羟基官能团的非离子有机分子。

Description

具有可调节的氧化硅和氮化硅去除速率的浅沟槽隔离化学机 械平面化抛光
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2019年1月30日提交的美国申请号62/798,638的权益。申请号62/798,638的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及STI CMP化学抛光组合物和用于浅沟槽隔离(STI)工艺的化学机械平面化(CMP)。
背景技术
在微电子器件的制造中，涉及的重要步骤是抛光，特别是抛光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。
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。选择性典型地表示为氧化物抛光速率与氮化物抛光速率的比率。一个实例是二氧化硅(SiO2)与氮化硅(SiN)相比的可调节的抛光速率选择性。
在图案化STI结构的整体平面化中，调节SiN膜去除速率和调节氧化物沟槽凹陷是待考虑的两个关键因素。较低的沟槽氧化物损失将防止相邻晶体管之间的漏电。跨管芯(die)(管芯内)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，而导致器件故障。因此，在STICMP抛光组合物中还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。
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(normal stresseffect)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。
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。这样的列出聚电解质的分子量为300至20,000，但总体上＜100,000。
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。
美国专利6,984,588公开了化学机械抛光组合物，其包含pH高于3的可溶性铈化合物，以及在集成电路和半导体制造过程中的单一步骤中优先于氮化硅膜层选择性地抛光氧化硅过填充物的方法。
美国专利6,544,892公开了通过化学机械抛光优先于氮化硅从制品的表面去除二氧化硅的方法，所述方法包括使用抛光垫、水、磨料颗粒及具有羧酸官能团和选自胺和卤化物的第二官能团两者的有机化合物对所述表面进行抛光。
美国专利7,247,082公开了抛光组合物，其包含磨料、pH调节剂、选择性比率改进剂和水，其中所述磨料以0.5至30重量％的量包含，所述pH调节剂以0.01至3重量％的量包含，所述选择性比率改进剂以0.3至30重量％的量包含，和水以45至99.49重量％的量包含，其中重量％是基于所述抛光组合物的重量，并且其中所述改进剂是选自甲胺、乙胺、丙胺、异丙胺、二甲胺、二乙胺、二丙胺、二异丙胺、乙二胺、1,2-二氨基丙烷、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、六亚甲基二胺、N,N,N',N'-四甲基-1,6-二氨基己烷、6-(二甲基氨基)-1-己醇、双(3-氨基丙基)胺、三亚乙基四胺、二甘醇、双(3-氨基丙基)醚、哌嗪和哌啶的一种或多种化合物。
美国专利8,778,203公开了用于选择性去除衬底表面上的目标材料的方法，所述方法包括以下步骤：提供包含目标材料和非目标材料的衬底；将氧溶解在抛光溶液中以达到预定的溶解氧浓度，所述抛光溶液的pH为约5至约11，其中所述抛光溶液包含多个磨料二氧化硅颗粒，所述多个磨料二氧化硅颗粒中的至少一些用N-(三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化异硫脲官能化；通过向所述抛光溶液连续施加基本上纯的氧使所述抛光溶液的预定溶解氧浓度保持在大约8.6mg/L和大约16.6mg/L处或之间；将所述抛光溶液置于抛光垫和所述表面之间；将所述抛光垫施加于所述表面；和选择性地去除预定厚度的目标材料；其中改变所述抛光溶液的溶解氧含量改变去除步骤期间目标材料与非目标材料的去除比率。
美国专利6,914,001公开了化学机械抛光方法，其包括：使半导体晶片的表面与抛光垫的表面接触；将含有磨料颗粒、去除速率促进剂及不同的第一和第二钝化剂的水性溶液供应到所述抛光垫的表面与所述半导体晶片的表面之间的界面，其中所述第一钝化剂是阴离子、阳离子或非离子表面活性剂；和相对于所述抛光垫的表面旋转所述半导体晶片的表面以去除所述半导体晶片上的氧化物材料。
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膜去除速率调节、SiN膜去除速率调节及在抛光的图案化晶片上氧化物沟槽凹陷减少和更均匀的氧化物沟槽凹陷以及可调节的氧化物vs氮化物选择性的重要性。
因此，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)过程中提供可调节的氧化物膜去除速率、可调节的SiN膜去除速率及在抛光的图案化晶片上减少的氧化物沟槽凹陷和各种尺寸的氧化物沟槽特征之间更均匀的氧化物沟槽凹陷的STI化学机械抛光的组合物、方法和系统。
发明内容
本发明提供了用于使用相对低浓度的二氧化铈涂覆的无机氧化物磨料的可调节的氧化物膜去除速率、可调节的SiN膜去除速率和可调节的TEOS:SiN选择性及抛光的图案化晶片上减少的氧化物沟槽凹陷的STI CMP抛光组合物。
本发明的STI CMP抛光组合物通过在用于宽pH范围(包括酸性、中性和碱性pH条件)下的浅沟槽隔离(STI)CMP应用的化学机械抛光(CMP)组合物中引入双重化学添加剂用于调节氧化物和SiN膜去除速率和减少氧化物沟槽凹陷来提供可调节的氧化物:氮化物选择性。
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及作为氧化物膜和氮化物膜去除速率调节剂和氧化物沟槽凹陷减少剂的合适的双重化学添加剂的独特组合。
在一个方面，提供了一种化学机械抛光组合物，其包含：至少一种二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒；至少一种含氮芳族杂环化合物；至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子；至少一种溶剂；和任选地，杀生物剂；和任选地，至少一种pH调节剂，其中所述组合物的pH为2至12。
在另一个方面，提供了一种用于对具有包含氧化硅膜的至少一个表面的半导体衬底进行化学机械抛光(CMP)的方法，所述方法包括以下步骤：提供所述半导体衬底；提供抛光垫；提供化学机械抛光(CMP)组合物；使所述半导体衬底的所述表面与所述抛光垫和所述化学机械抛光组合物接触；和抛光所述包含二氧化硅的至少一个表面；所述化学机械抛光组合物包含：至少一种二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒；至少一种含氮芳族杂环化合物；至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子；至少一种溶剂；和任选地，杀生物剂；和任选地，至少一种pH调节剂，其中所述组合物的pH为2至12。
在又一个方面，提供了一种用于对具有包含氧化硅的至少一个表面的半导体衬底进行化学机械抛光(CMP)的系统，所述系统包括：半导体衬底；化学机械抛光(CMP)组合物；抛光垫；所述化学机械抛光组合物包含：至少一种二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒；至少一种含氮芳族杂环化合物；至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子；至少一种溶剂；和任选地，杀生物剂；和任选地，至少一种pH调节剂，其中所述组合物的pH为2至12，其中所述包含氧化硅膜的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。
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。
上文公开的衬底可以进一步包含氮化硅表面。SiO2:SiN的去除选择性是可根据相关的STI CMP应用的要求调节的。
具体实施方式
在图案化STI结构的整体平面化中，调节SiN去除速率、减少各种尺寸的氧化物沟槽特征上的氧化物沟槽凹陷、调节氧化物膜去除速率和使用相对低浓度的二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒作为磨料是要考虑的关键因素。
较低的沟槽氧化物损失防止相邻晶体管之间的漏电。跨管芯(管芯内)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，而导致器件故障。因此，在STI CMP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。
本发明涉及用于浅沟槽隔离(STI)CMP应用的使用化学添加剂和二氧化铈涂覆的复合颗粒(作为磨料)化学机械抛光(CMP)组合物。
更具体地，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两种类型的化学添加剂(作为用于调节氧化物膜去除速率、减少氧化物沟槽凹陷和调节氮化物去除速率的双重化学添加剂)的独特组合。
在同一STI CMP抛光组合物中使用的双重化学添加剂具有获得期望的氧化物膜去除速率、可调节的SiN膜去除速率和可调节的氧化物:SiN选择性的益处，并且更重要的是，提供了显著减少的氧化物沟槽凹陷并改善了抛光图案化晶片上的过抛光窗口稳定性。
第一化学添加剂(在本文中也称为I型)包括至少一种含氮芳族杂环化合物，例如，苯并三唑及其衍生物、2-氨基苯并咪唑及其衍生物、氨基三唑(amitrole)及其衍生物和三唑及其衍生物。
第二化学添加剂(在本文中也称为II型)包括至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子。
在一个方面，提供了一种STI CMP组合物，其包含：至少一种二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒；至少一种含氮芳族杂环化合物；至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子；至少一种溶剂；和任选地，杀生物剂；和任选地，至少一种pH调节剂，其中所述组合物的pH为2至12。
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。
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度范围为10nm至1,000nm，优选的平均粒度范围为20nm至500nm，更优选的平均粒度范围为50nm至250nm。
在一些实施方式中，这些二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒的浓度范围为0.01重量％至20重量％，优选的浓度范围为0.05重量％至10重量％，更优选的浓度范围为0.1重量％至5重量％。
在一些其他实施方式中，这些二氧化铈涂覆的无机氧化物颗粒的浓度范围为0.01重量％至2重量％，优选的浓度范围为0.025重量％至1.0重量％，更优选的浓度范围为0.05重量％至0.5重量％。
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。
溶剂包括但不限于去离子(DI)水、蒸馏水和醇类有机溶剂。
优选的溶剂是DI水。
STI CMP组合物可以含有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。
杀生物剂包括但不限于来自Dupont/Dow Chemical Co.的KathonTM、KathonTM CG/ICPII，以及来自Dupont/Dow Chemical Co.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。
STI CMP组合物可以含有pH调节剂。
可以使用酸性或碱性pH调节剂来将STI抛光组合物调节至优化的pH值。
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。
pH调节剂还包括碱性pH调节剂，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、四烷基氢氧化铵、有机季铵氢氧化物、有机胺及其他可用于将pH向更碱性方向调节的化学试剂。
本文公开的组合物的pH范围可以为2至12，优选3至10，更优选4至9。
STI CMP组合物包含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。
STI CMP组合物含有0.0001重量％至2.0％重量％，优选0.001重量％至1.0重量％，优选0.0025重量％至0.25重量％的至少一种含氮芳族杂环化合物作为化学添加剂，其功能主要是调节氧化物膜去除速率和SiN膜去除速率并减少氧化物沟槽凹陷。
STI CMP组合物还含有0.001重量％至2.0重量％，优选0.0025重量％至1.0重量％，优选0.05重量％至0.5重量％的至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子，其主要用作SiN膜去除速率和氧化物膜去除速率调节剂及氧化物沟槽凹陷减少剂。
I型化学添加剂具有至少一种含氮芳族杂环化合物。
本文公开的含氮芳族杂环化合物通常具有选自以下的一般分子结构：
(a)
Figure GDA0002553626710000081
其中
R1选自氢、具有直链或支链的烷基、具有直链或支链的烷氧基、具有单个或多个碳碳双键的烯基、具有单个或多个碳碳三键的炔基、伯胺基、仲氨基、叔氨基、阳离子有机季铵基、-COOH、-SO3H、-H2PO4、-COOR'、-COOM(M＝Na+、K+或NH4 +)、-SO3M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-HPO4M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-PO4M2(M＝Na+、K+或NH4 +)及其组合；
和
R2可以存在或不存在；R2选自具有直链或支链的烷基、具有直链或支链的烷氧基、具有单个或多个碳碳双键的烯基、具有单个或多个碳碳三键的炔基、伯胺基、仲氨基、叔氨基、阳离子有机季铵基、-COOH、-SO3H、-H2PO4、-COOR'、-COOM(M＝Na+、K+或NH4 +)、-SO3M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-HPO4M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-PO4M2(M＝Na+、K+或NH4 +)及其组合；
(b)
Figure GDA0002553626710000082
其中
R3选自氢、具有直链或支链的烷基、具有直链或支链的烷氧基、具有单个或多个碳碳双键的烯基、具有单个或多个碳碳三键的炔基、伯胺基、仲氨基、叔氨基、阳离子有机季铵基、-COOH、-SO3H、-H2PO4、-COOR'、-COOM(M＝Na+、K+或NH4 +)、-SO3M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-HPO4M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-PO4M2(M＝Na+、K+或NH4 +)及其组合；
和
R4可以存在或不存在；当存在时，R4选自具有直链或支链的烷基、具有直链或支链的烷氧基、具有单个或多个碳碳双键的烯基、具有单个或多个碳碳三键的炔基、伯胺基、仲氨基、叔氨基、阳离子有机季铵基、-COOH、-SO3H、-H2PO4、-COOR'、-COOM(M＝Na+、K+或NH4 +)、-SO3M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-HPO4M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-PO4M2(M＝Na+、K+或NH4 +)及其组合；
(c)
Figure GDA0002553626710000091
其中
R5可以存在或不存在；R5选自具有直链或支链的烷基、具有直链或支链的烷氧基、具有单个或多个碳碳双键的烯基、具有单个或多个碳碳三键的炔基、伯胺基、仲氨基、叔氨基、阳离子有机季铵基、-COOH、-SO3H、-H2PO4、-COOR'、-COOM(M＝Na+、K+或NH4 +)、-SO3M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-HPO4M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-PO4M2(M＝Na+、K+或NH4 +)及其组合；
(d)
Figure GDA0002553626710000092
其中
R6可以存在或不存在；R6选自具有直链或支链的烷基、具有直链或支链的烷氧基、具有单个或多个碳碳双键的烯基、具有单个或多个碳碳三键的炔基、伯胺基、仲氨基、叔氨基、阳离子有机季铵基、-COOH、-SO3H、-H2PO4、-COOR'、-COOM(M＝Na+、K+或NH4 +)、-SO3M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-HPO4M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-PO4M2(M＝Na+、K+或NH4 +)及其组合；
(e)
Figure GDA0002553626710000101
其中
R7可以存在或不存在；R7选自具有直链或支链的烷基、具有直链或支链的烷氧基、具有单个或多个碳碳双键的烯基、具有单个或多个碳碳三键的炔基、伯胺基、仲氨基、叔氨基、阳离子有机季铵基、-COOH、-SO3H、-H2PO4、-COOR'、-COOM(M＝Na+、K+或NH4 +)、-SO3M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-HPO4M(M＝Na+、K+或NH4 +)、-PO4M2(M＝Na+、K+或NH4 +)及其组合；和
其组合。
当结构(a)中R1为氢原子且R2不存在时，有机芳族杂环化合物为苯并三唑。
当在结构(a)中R1为氢原子以外的有机官能团，且R2为连接在苯环上的-4、-5、-6或-7位的任一位置处的另一有机官能团时，有机芳族杂环化合物为苯并三唑的衍生物分子。
当结构(b)中R3为氢原子且R4不存在时，有机芳族杂环化合物为2-氨基苯并咪唑。
当结构(b)中R3为氢原子以外的有机官能团且R4为连接在苯环上的-4、-5、-6或-7位的任一位置处的另一有机官能团时，有机芳族杂环化合物为2-氨基苯并咪唑的衍生物分子。
当结构(c)中R5不存在时，有机芳族杂环化合物为1,2,3-三唑。
当结构(c)中R5为连接在1,2,3-三唑环的-4或-5位的任一位置处的有机官能团时，有机芳族杂环化合物为1,2,3-三唑的衍生物分子。
当结构(d)中R6不存在时，有机芳族杂环化合物为1,2,4-三唑。
当结构(d)中R6是连接在1,2,4-三唑环的-3或-5位的任一位置处的有机官能团时，有机芳族杂环化合物为1,2,4-三唑的衍生物分子。
当结构(e)中R7不存在时，有机芳族杂环化合物为3-氨基-1,2,4-三唑或氨基三唑。
当结构(e)中R7是连接在3-氨基-1,2,4-三唑环的-5位置处的有机官能团时，有机芳族杂环化合物为3-氨基-1,2,4-三唑的衍生物分子。
具有氮原子作为分子中的杂原子的有机芳族杂环化合物包括但不限于苯并三唑及其衍生物、2-氨基苯并咪唑及其衍生物、氨基三唑及其衍生物、三唑及其衍生物，及其组合。
优选的I型化学添加剂包括但不限于具有氮原子作为这些分子中的杂原子的有机芳族杂环化合物，例如，苯并三唑及其衍生物、2-氨基苯并咪唑及其衍生物、氨基三唑及其衍生物、三唑及其衍生物。
II型化学添加剂是至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子，其具有选自以下的一般分子结构：
Figure GDA0002553626710000111
在一般分子结构(a)中，n选自2至5,000，优选3至12，并且更优选4至6。
在这些一般分子结构中，R1、R2和R3基团可以是相同或不同的原子或官能团。
R1、R2和R3可以独立地选自氢；烷基CnH2n+1，n为1至12，优选为1至6，更优选为1至3；烷氧基；具有一个或多个羟基的有机基团；取代的有机磺酸；取代的有机磺酸盐；取代的有机羧酸；取代的有机羧酸盐；有机羧酸酯；有机胺基；及其组合；其中至少两个是氢原子。
在另一个实施方式中，II型化学添加剂具有以下所示的一般结构：
Figure GDA0002553626710000121
在这种结构中，一个-CHO官能团位于分子的一端作为末端官能团；n选自2至5,000，3至12，优选4至7。
R1和R2各自可以独立地选自氢、烷基、烷氧基、具有一个或多个羟基的有机基团、取代的有机磺酸、取代的有机磺酸盐、取代的有机羧酸、取代的有机羧酸盐、有机羧酸酯、有机胺基及其组合。
在又一个实施方式中，II型化学添加剂具有选自包含至少一个(c)、至少一个(d)、至少一个(e)及其组合的组的分子结构；
Figure GDA0002553626710000122
在这些一般分子结构中，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13和R14可以是相同或不同的原子或官能团。
它们可以独立地选自氢、烷基、烷氧基、具有一个或多个羟基的有机基团、取代的有机磺酸、取代的有机磺酸盐、取代的有机羧酸、取代的有机羧酸盐、有机羧酸酯、有机胺基及其组合；其中至少两个或更多个，优选四个或更多个是氢原子。
而在另一个实施方式中，II型化学添加剂含有至少一个六元环结构基型(motif)醚，其与至少一个在分子单元结构中含有多个羟基官能团的多元醇分子单元或者至少一个在分子单元结构中含有多个羟基官能团的多元醇分子单元和至少一个六元环多元醇键合。多元醇是含有羟基的有机化合物。
该化学添加剂的一般分子结构在(f)中显示：
Figure GDA0002553626710000131
在结构(f)中，一般分子结构(f)中的R1至R5基团中的至少一个R是具有(i)所示结构的多元醇分子单元：
Figure GDA0002553626710000132
其中n和m可以相同或不同。m或n独立地选自1至5，优选地1至4，更优选地1至3，并且最优选地1至2；R6至R9可以是相同或不同的原子或官能团；R6、R7、R8和R9各自独立地选自氢、烷基、烷氧基、具有一个或多个羟基的有机基团、取代的有机磺酸、取代的有机磺酸盐、取代的有机羧酸、取代的有机羧酸盐、有机羧酸酯、有机胺及其组合；并且它们中的至少两个是氢原子；和
R1至R5的组中的其余R各自可以独立地选自氢、烷基、烷氧基、具有一个或多个羟基的有机基团、取代的有机磺酸或盐、取代的有机羧酸或盐、有机羧酸酯、有机胺、具有(ii)所示结构的六元环多元醇：
Figure GDA0002553626710000141
其中通过从(ii)中的R11至R14除去一个R，结构(ii)通过氧碳键连接至结构(f)，其余R10至R14各自独立地选自氢、烷基、烷氧基、具有一个或多个羟基的有机基团、取代的有机磺酸或盐、取代的有机羧酸或盐、有机羧酸酯、有机胺及其组合；和其组合。
在一些实施方式中，一般分子结构(f)在R1至R9的组中至少两个、至少四个或至少六个R为氢原子。因此，该化学添加剂在其分子结构中含有至少两个、至少四个或至少六个羟基官能团。
II型化学添加剂的实例包括麦芽糖醇、乳糖醇、麦芽三糖醇、核糖醇、D-山梨糖醇、甘露糖醇、卫矛醇、艾杜糖醇、D-(-)-果糖、脱水山梨糖醇、蔗糖、核糖、肌醇、葡萄糖、D-阿拉伯糖、L-阿拉伯糖、D-甘露糖、L-甘露糖、内-赤藓糖醇、β-乳糖、阿拉伯糖及其组合。优选的化学添加剂是麦芽糖醇、乳糖醇、麦芽三糖醇、D-山梨糖醇、甘露糖醇、卫矛醇、艾杜糖醇、D-(-)-果糖、蔗糖、核糖、肌醇、葡萄糖、D-(+)-甘露糖、β-乳糖及其组合。更优选的化学添加剂是麦芽糖醇、乳糖醇、麦芽三糖醇、D-山梨糖醇、甘露糖醇、卫矛醇、D-(-)-果糖、β-乳糖及其组合。
在一些实施方式中，CMP抛光组合物可以制成两种或更多种组分并在使用时混合。
II型化学添加剂的一些实例列出如下：
Figure GDA0002553626710000151
D-山梨糖醇；和
Figure GDA0002553626710000152
卫矛醇。
Figure GDA0002553626710000153
麦芽糖醇，和
Figure GDA0002553626710000154
乳糖醇。
优选的I型化学添加剂是苯并三唑及其衍生物、2-氨基苯并咪唑及其衍生物、氨基三唑及其衍生物、三唑及其衍生物。
优选的II型化学添加剂是D-山梨糖醇、卫矛醇、麦芽糖醇和乳糖醇。
在另一个方面，提供了一种在浅沟槽隔离(STI)工艺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。
在又一个方面，提供了一种在浅沟槽隔离(STI)工艺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)的系统。
抛光的氧化物膜可以是化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、高密度沉积CVD(HDP)或旋涂氧化物膜。
上文公开的衬底可以进一步包含氮化硅表面。可以根据STI CMP应用的要求调节SiO2:SiN的去除选择性。
提出以下非限制性实施例以进一步说明本发明。
实施例
CMP方法
在下文给出的实施例中，CMP实验使用以下给出的程序和实验条件运行。
词汇表/组分
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)；
二氧化铈涂覆的二氧化硅颗粒(具有不同的尺寸)由日本JGCC Inc.提供。
化学添加剂，例如，含氮芳族杂环化合物，如，苯并三唑及其衍生物、2-氨基苯并咪唑及其衍生物、氨基三唑及其衍生物、三唑及其衍生物等，麦芽糖醇、D-果糖、卫矛醇、D-山梨糖醇及其他化学原料由Sigma-Aldrich，St.Louis，MO或由Evonik Industries，Allentown，PA提供。
TEOS：原硅酸四乙酯
抛光垫：CMP过程中使用抛光垫IC1010及其他垫，由DOW,Inc.提供。
参数
一般
Figure GDA0002553626710000171
或A：埃—长度单位
BP：背压，单位psi
CMP：化学机械平面化＝化学机械抛光
CS：载体速度
DF：下向力：在CMP过程中施加的压力，单位psi
min：分钟
ml：毫升
mV：毫伏
psi：磅每平方英寸
PS：抛光设备的台板旋转速度，单位为rpm(每分钟转数)
SF：组合物流量，ml/分钟
重量％：(所列组分的)重量百分比
TEOS:SiN选择性：(TEOS的去除速率)/(SiN的去除速率)
HDP：高密度等离子体沉积的TEOS
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3.1psi。
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3.1psi。
计量
膜使用由Creative Design Engineering,Inc,20565 Alves Dr.,Cupertino,CA,95014制造的168型ResMap CDE测量。该Res Map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)。
CMP设备
所使用的CMP设备是Applied Materials,3050 Boweres Avenue,Santa Clara,California,95054制造的200mm Mirra或300mm Reflexion。在台板1上使用DOW,Inc,451Bellevue Rd.,Neward,DE 19713提供的IC1000垫用于毯覆式(blanket)和图案化晶片研究。
在修整机(conditioner)上在7lbs的下向力下，通过使垫修整18分钟来磨合(break in)IC1010垫。为了使设备设置和垫磨合适格，在基线条件下使用VersumMaterials Inc.提供的
Figure GDA0002553626710000181
STI2305组合物对两个钨监测物和两个TEOS监测物进行抛光。
晶片
使用PECVD或LECVD或HD TEOS晶片进行抛光实验。这些毯覆式晶片购自SiliconValley Microelectronics，2985 Kifer Rd.，Santa Clara，CA 95051。
抛光实验
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；膜压力：3.1psi DF；浆料流速：200ml/分钟。
组合物用于在由SWK Associates，Inc.2920 Scott Blvd.Santa Clara,CA 95054供应的图案化晶片(MIT860)上进行的抛光实验。这些晶片在Veeco VX300分析仪/AFM仪器上测量。3种不同尺寸的间距(pitch)结构用于氧化物凹陷测量。晶片在中心、中间和边模(edge die)位置处测量。
TEOS:SiN选择性：从STI CMP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。
在以下工作实施例中，在pH 5.35下制备包含0.2重量％的二氧化铈涂覆的二氧化硅、0.0001重量％至0.05重量％的杀生物剂、0.188重量％的D-山梨糖醇和去离子水的STI抛光组合物作为参比。
使用各种重量％的二氧化铈涂覆的二氧化硅、各种重量％的D-山梨糖醇、0.0001重量％至0.05重量％的杀生物剂、各种重量％的有机芳族杂环化合物和去离子水在相同或在不同pH条件下制备工作抛光组合物。
实施例1
在实施例1中，用于氧化物抛光的抛光组合物如表1所示。
使用0.2重量％的二氧化铈涂覆的二氧化硅、0.0001重量％至0.05重量％的杀生物剂、0.188重量％的D-山梨糖醇、分别各种重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑和去离子水以pH 5.35制备工作样品。
测试了对不同膜的去除速率(埃/分钟表示的RR)。观察了双重化学添加剂D-山梨糖醇和2-氨基苯并咪唑或D-山梨糖醇和氨基三唑对膜去除速率的影响，并在表1中列出。
表1.双重化学添加剂对膜RR(埃/分钟)的影响
Figure GDA0002553626710000191
如表1所示结果，添加不同浓度的2-氨基苯并咪唑或者添加氨基三唑到抛光组合物中以获得双重化学添加剂抛光组合物，有效地促进了PECVD和LPCVD SiN膜去除速率两者。
在抛光组合物中的双重化学添加剂下，获得了高且期望的TEOS和HDP膜去除速率。
表2.双重化学添加剂对SiN RR(埃/分钟)的促进效果
Figure GDA0002553626710000201
使用2-氨基苯并咪唑或氨基三唑以形成基于双重化学添加剂的抛光组合物对于增加PECVD SiN和LPCVD SiN膜去除速率的促进效果在表2中列出。
如表2所示结果，添加不同浓度的2-氨基苯并咪唑或者添加氨基三唑到抛光组合物中以形成基于双重化学添加剂的抛光组合物，有效地促进了PECVD和LPCVD SiN膜去除速率两者达到使SiN膜去除速率可调节的显著百分比。
实施例2
在实施例2中，用于氧化物抛光的抛光组合物如表3所示。
表3.双重添加剂抛光组合物对氧化物沟槽凹陷(埃)vs.OP时间(秒)的影响
Figure GDA0002553626710000211
使用0.2重量％的二氧化铈涂覆的二氧化硅、0.0001重量％至0.05重量％范围的杀生物剂、0.188重量％的D-山梨糖醇、分别各种重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑和去离子水以pH 5.35制备工作样品。
测试了使用不同重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑以形成基于双重添加剂的抛光组合物对氧化物沟槽凹陷vs.不同过抛光时间的影响，结果在表3中列出。
如表3所示结果，在与仅使用二氧化铈涂覆的二氧化硅磨料和0.188重量％的D-山梨糖醇的参比样品相比时，添加各种重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑以形成基于双重添加剂的抛光组合物保持了相似的氧化物沟槽凹陷vs.不同过抛光时间。
测试了添加不同重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑以形成基于双重添加剂的抛光组合物对氧化物沟槽凹陷速率的影响，结果在表4中列出。
表4.在pH 5.35下双重添加剂对氧化物凹陷速率的影响
Figure GDA0002553626710000221
如表4所示结果，在与仅使用二氧化铈涂覆的二氧化硅磨料和0.188重量％的D-山梨糖醇的参比样品相比时，添加各种重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑以形成基于双重添加剂的抛光组合物保持了相似的氧化物凹陷速率。
测试了添加各种重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑以形成基于双重添加剂的抛光组合物对氧化物沟槽凹陷vs.过抛光量的斜率(slope)的影响，结果在表5中列出。
表5.双重添加剂对沟槽凹陷vs.过抛光量的斜率的影响
Figure GDA0002553626710000222
Figure GDA0002553626710000231
如表5所示结果，在与仅使用一种添加剂0.188重量％的D-山梨糖醇的参比样品相比时，添加各种重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑以形成基于双重添加剂的抛光组合物保持了非常低且相似的氧化物凹陷vs.过抛光量的斜率。
实施例3
在实施例3中，用于氧化物抛光的抛光组合物如表6所示。
使用0.2重量％的二氧化铈涂覆的二氧化硅、0.0001重量％至0.05重量％范围的杀生物剂、0.15重量％的D-山梨糖醇、分别0.025重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑和去离子水以不同pH条件制备工作样品。
测试了在不同pH条件下添加2-氨基苯并咪唑以形成基于双重添加剂的抛光组合物对各种膜去除速率的影响，结果在表6中列出。
如表6所示结果，在不同pH下添加2-氨基苯并咪唑以形成基于双重添加剂的抛光组合物影响所有膜去除速率。
表6.双重添加剂在不同pH下对膜RR的影响
Figure GDA0002553626710000232
在与不使用双重添加剂的参比样品获得的TEOS和HDP膜去除速率相比时，使用基于双重添加剂的抛光组合物降低了TEOS和HDP膜去除速率两者。
PECVD和LPCVD SiN膜去除速率两者在5.35和6.5之间的pH下被显著增强，但在pH7.5下没有或几乎没有观察到对SiN去除速率的促进效果。
实施例4
在实施例4中，用于氧化物抛光的抛光组合物如表7所示。
使用0.2重量％的二氧化铈涂覆的二氧化硅、0.0001重量％至0.05重量％范围的杀生物剂、0.15重量％的D-山梨糖醇以pH 5.35制备参比样品。使用0.2重量％的二氧化铈涂覆的二氧化硅、0.0001重量％至0.05重量％范围的杀生物剂、0.15重量％的D-山梨糖醇，分别0.025重量％的2-氨基苯并咪唑或0.05重量％的氨基三唑和去离子水以不同pH条件制备工作样品。
所用抛光步骤条件为：Dow的IC1010垫，3.1psi DF，台板/头速度为87/93rpm，异位修整。
测试了添加0.025重量％的2-氨基苯并咪唑以形成双重添加剂抛光组合物在不同pH条件下对氧化物沟槽凹陷vs.不同过抛光时间的影响，结果列于表7中。
表7.双重添加剂在不同pH下对氧化物沟槽凹陷(埃)vs.OP时间(秒)的影响
Figure GDA0002553626710000241
Figure GDA0002553626710000251
如表7所示结果，与在pH 5.35下仅使用二氧化铈涂覆的二氧化硅磨料和一种添加剂0.15重量％的D-山梨糖醇的参比样品相比，添加0.025重量％的2-氨基苯并咪唑以形成双重添加剂抛光组合物保持了低且相似的氧化物沟槽凹陷vs.不同过抛光时间。
表8.在不同pH下双重添加剂对氧化物凹陷速率的影响
Figure GDA0002553626710000252
测试了添加0.025重量％的2-氨基苯并咪唑以形成双重添加剂抛光组合物在不同pH条件下对氧化物沟槽凹陷速率的影响，结果列于表8中。
如表8结果所示，与仅使用二氧化铈涂覆的二氧化硅磨料和一种添加剂0.15重量％的D-山梨糖醇的参比样品相比，添加0.025重量％的2-氨基苯并咪唑以形成双重添加剂抛光组合物在pH 5.35和6.5下具有略微更高的氧化物凹陷速率，和在pH 7.5下具有略微更低的氧化物沟槽凹陷速率。
测试了添加0.025重量％的2-氨基苯并咪唑以形成双重添加剂抛光组合物对氧化物沟槽凹陷vs.过抛光量的斜率的影响，结果列于表9中。
表9.在不同pH下双重添加剂对沟槽凹陷vs.过抛光量的斜率的影响
Figure GDA0002553626710000261
如表9所示结果，与仅使用二氧化铈涂覆的二氧化硅磨料和0.15重量％的D-山梨糖醇的参比样品相比，添加0.025重量％的2-氨基苯并咪唑以形成双重添加剂抛光组合物在pH 5.35和6.5条件下具有更高的氧化物沟槽凹陷斜率，但在pH 7.5下保持相似的斜率值。
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。

Claims (23)

1.一种化学机械抛光组合物，其由以下组成：
二氧化铈涂覆的胶体二氧化硅颗粒；
至少一种含氮芳族杂环化合物，选自苯并三唑及其衍生物、2-氨基苯并咪唑及其衍生物、氨基三唑及其衍生物、三唑及其衍生物，及其组合，其中所述至少一种含氮芳族杂环化合物在所述组合物中以0.0001重量％至2.0重量％的浓度存在；
至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子，选自卫矛醇、D-山梨糖醇、麦芽糖醇、乳糖醇及其组合，其中所述至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子在所述组合物中以0.001重量％至2.0％重量％范围的浓度存在；
至少一种溶剂；和
任选地，杀生物剂；和
任选地，至少一种pH调节剂，
其中所述组合物的pH为2至12。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光组合物，其中所述pH为3至10。
3.根据权利要求2所述的化学机械抛光组合物，其中所述pH为4至9。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的化学机械抛光组合物，其中所述颗粒在所述组合物中以0.01重量％至20重量％的浓度范围存在。
5.根据权利要求4所述的化学机械抛光组合物，其中所述颗粒在所述组合物中以0.05重量％至10重量％的浓度范围存在。
6.根据权利要求5所述的化学机械抛光组合物，其中所述颗粒在所述组合物中以0.1重量％至5重量％的浓度范围存在。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的化学机械抛光组合物，其中所述颗粒的浓度以0.01重量％至2.00重量％的浓度范围存在。
8.根据权利要求7所述的化学机械抛光组合物，其中所述颗粒的浓度以0.025重量％至1.0重量％的浓度范围存在。
9.根据权利要求8所述的化学机械抛光组合物，其中所述颗粒的浓度以0.05至0.5重量％的浓度范围存在。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的化学机械抛光组合物，其中所述至少一种溶剂选自去离子水、蒸馏水和含醇有机溶剂。
11.根据权利要求1所述的化学机械抛光组合物，其中所述至少一种含氮芳族杂环化合物在所述组合物中以0.001重量％至1.0重量％的浓度存在。
12.根据权利要求11所述的化学机械抛光组合物，其中所述至少一种含氮芳族杂环化合物在所述组合物中以0.0025重量％至0.25重量％的浓度存在。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的化学机械抛光组合物，其中所述至少一种含氮芳族杂环化合物选自2-氨基苯并咪唑和氨基三唑。
14.根据权利要求1所述的化学机械抛光组合物，其中所述至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子在所述组合物中以0.0025重量％至1.0重量％范围的浓度存在。
15.根据权利要求14所述的化学机械抛光组合物，其中所述至少一种具有多于一个羟基官能团的非离子有机分子在所述组合物中以0.05重量％至0.5重量％范围的浓度存在。
16.根据权利要求1-3中任一项所述的化学机械抛光组合物，其中所述组合物还包含0.0001重量％至0.05重量％的杀生物剂，和/或其中所述杀生物剂包括5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮和/或2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮。
17.根据权利要求1-3中任一项所述的化学机械抛光组合物，其中所述组合物还包含0重量％至1重量％的pH调节剂，和/或其中所述pH调节剂对于酸性pH条件选自硝酸、盐酸、硫酸、磷酸及其混合物；或者对于碱性pH条件选自氢氧化钠、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。
18.一种用于对具有包含氧化硅膜的至少一个表面的半导体衬底进行化学机械抛光(CMP)的方法，所述方法包括以下步骤：
提供所述半导体衬底；
提供抛光垫；
提供根据权利要求1-17中任一项所述的化学机械抛光(CMP)组合物；
使所述半导体衬底的所述表面与所述抛光垫和所述化学机械抛光组合物接触；和
抛光所述包含氧化硅的至少一个表面。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述氧化硅膜是SiO2。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述半导体衬底还包含氮化硅表面。
21.一种用于对具有包含氧化硅的至少一个表面的半导体衬底进行化学机械抛光(CMP)的系统，所述系统包括：
a.半导体衬底；
b.根据权利要求1-17中任一项所述的化学机械抛光(CMP)组合物；和
c.抛光垫，
其中所述包含氧化硅膜的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。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述氧化硅膜是SiO2。
23.根据权利要求21或22所述的系统，其中所述半导体衬底还包含氮化硅表面。
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