专利名称：化学机械抛光二氧化硅和氮化硅的多步方法
技术领域：
本发明涉及半导体晶片材料的化学机械平化(CMP)，更具体地说，涉及对浅槽隔离(STI)方法中半导体晶片的氧化硅和氮化硅进行抛光的CMP方法。
背景技术：
微电子电路中器件尺寸的缩小和集成密度的增加要求相应地缩小隔离结构的尺寸。这种隔离结构的缩小促进了既提供有效隔离又占据最小基片表面的结构的可重复形成。
STI技术是广泛使用的半导体制造方法，用以形成隔离结构，对集成电路中形成的各种有源元件进行电隔离。相对于传统LOCOS(硅的局部氧化)技术，使用STI技术的一个主要优点是，对用于在亚微米集成水平上进行制造的CMOS(互补金属-氧化物半导体)IC器件的比例放大或缩小性。另一个优点是，STI技术有助于防止所谓鸟嘴式线脚侵蚀的发生，而这种侵蚀是用来形成隔离结构的LOCOS技术所常有的。
在STI技术中，第一步是通常采用各向异性蚀刻方法在基片的一些预定位置形成大量沟槽。其次，将氧化硅沉积在每个这些沟槽中。然后用CMP方法抛光氧化硅，加工至氮化硅(停止层)，形成STI结构。为了达到有效抛光，抛光浆料通常具有很高的选择性，选择性是指相对于氮化硅的氧化硅去除速率(“选择性”)。
不幸的是，高选择性浆料具有很大的密度依赖性，导致模区(die scale)测量厚度的差异。例如，如
图1A-1D中所示，所示硅基片包括氮化物层5和氧化物层3。图1A显示经预抛光的硅基片1的形貌，包括“高”密度区7和“低”密度区9。当低密度区9被平化时，高密度区7仍然具有明显的梯段高度，高达3000埃。然后，当低密度区9被清除时，高密度区7仍然具有明显的残留氧化物3，高达3000埃。结果是，当高密度区7被清除时，低密度区9表现出明显的凹陷，约为500埃或以上。
Hattori等人在EP 1479741A2中公开了一种在STI过程中进行抛光的已知方法。虽然Hattori等人的方法提供了足够的选择性，但是微电子电路集成密度的不断增加仍然需要改进的方法。
因此，需要为浅槽隔离方法提出对二氧化硅(“氧化硅”)和氮化硅能改善凹陷现象的化学机械抛光方法。
发明概述本发明第一方面提出了一种对半导体晶片上的氧化硅和氮化硅进行抛光的方法，包括以下步骤用第一含水组合物平化氧化硅，该含水组合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的阳离子性化合物，0-1重量％的邻苯二甲酸和盐，0-5重量％的两性离子化合物和余量的水，其中该聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为100-1000000克/摩尔；检测平化终点；用第二含水组合物清除氧化硅，该含水组合物包含0.001-1重量％的季铵化合物，0.001-1重量％的邻苯二甲酸及其盐，0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.01-5重量％的磨料和余量的水。
本发明第二方面提出了一种对半导体晶片上的氧化硅和氮化硅进行抛光的两步方法，包括以下步骤用抑制性浆料平化氧化硅；检测第一终点并停止平化；用选择性浆料清除氧化硅；检测第二终点并停止清除。
本发明第三方面提出了一种对半导体晶片上的氧化硅和氮化硅进行抛光的多步方法，包括以下步骤用第一含水组合物平化氧化硅，该含水组合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的阳离子性化合物，0-1重量％的邻苯二甲酸和盐，0-5重量％的两性离子化合物和余量的水，其中该聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为100-1000000克/摩尔；检测第一终点并停止平化；用第二含水组合物清除氧化硅，该含水组合物包含0.001-1重量％的季铵化合物，0.001-1重量％的邻苯二甲酸及其盐，0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.01-5重量％的磨料和余量的水；检测第二终点并停止清除。
附图简要说明图1A-1D说明采用单步抛光方法的二氧化硅和氮化硅的抛光后形貌；和图2A-2C说明采用两步抛光方法的二氧化硅和氮化硅的抛光后形貌。
发明详述本发明提出了一种平化STI结构的多步抛光方法。在第一步中，使用了一种新颖的“平即停”或“抑制性”浆料。这种浆料表现出非Prestonian响应。该抑制性浆料在氧化物薄膜的“上方”区域表现出比“下方”区域明显更快的抛光。当氧化物梯段高度减小并达到平化时，该浆料的抛光速率优选随之降低。在本发明的一个优选实施方式中，使用终点信号来引发第一步的结束。可以采用各种方法，包括基于摩擦力或电机电流的终点信号。可以根据该终点信号的特征来确定达到平化的点。通过将该终点信号与第一步“抑制性”浆料联系起来，能保持增强的平化特征，同时获得相对于在真实平即停模式下工作而言更高的抛光速率和明显更短的抛光时间。
在第一步的终点，晶片的特征是，有基本平坦的氧化物过量覆盖着整个晶片。在第二步中，使用一种新颖的高“选择性”STI浆料清除过量氧化物。该浆料表现出Prestonian响应。也可以通过使用基于摩擦力或电机电流的终点信号确定第二步的终点。优选该晶片已经被平化(通过第一步)，该选择性浆料的较高图案密度依赖性并不会损害平化性能。另外，还可以采用表现出与平化相应的特征的其他终点体系(例如热学或光学体系)。
参见图2A-2C，这些图显示了使用第一步抛光含水组合物和第二步含水组合物，抛光二氧化硅和氮化硅的本发明方法。图1A显示硅基片1的预抛光形貌，包括氮化物层5和氧化物层3，包括“高”密度区7和“低”密度区9。在本发明的一个优选实施方式中，在使用第一步抛光组合物的第一步抛光结束时，高密度区7和低密度区9以近似速率被平化，如图2B所示。优选采用例如摩擦的或光学的终点信号确定第一步抛光的终点或平化。另外，也可以采用能表现出与平化相应的特征的其他终点体系(例如热学或光学体系)。然后，如图2C中所示，在使用本发明第二步抛光组合物的第二步抛光结束时，高密度区7和低密度区9以近似速率被清除。或可采用例如摩擦的或光学的终点信号确定第一步抛光的终点或平化。
该新颖的第一步抛光组合物优选含有约0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，以便在氧化物去除过程中提供压力阈值响应。该聚乙烯基吡咯烷酮的含量优选为0.015-5重量％，更优选为0.02-0.5重量％。另外，可以使用较高和较低数均分子量聚乙烯基吡咯烷酮的掺和物。
而且，该聚乙烯基吡咯烷酮的重均分子量是100-1000000克/摩尔，由凝胶渗透色谱(GPC)法测定。该聚乙烯基吡咯烷酮的重均分子量优选为500-500000克/摩尔，更优选约为1500-100000克/摩尔。
除了聚乙烯基吡咯烷酮以外，该第一步抛光组合物优选含有0.01-5重量％的羧酸聚合物，作为磨料颗粒(以下讨论)的分散剂。该组合物优选含有0.05-1.5重量％的羧酸聚合物。而且该聚合物的数均分子量优选为4000-1500000。另外，可以使用较高和较低数均分子量羧酸聚合物的掺和物。这些羧酸聚合物通常存在于溶液中，但是也可以存在于水分散液中。羧酸聚合物的优点是，作为磨料颗粒(以下讨论)的分散剂。所述聚合物的数均分子量用GPC测定。
该羧酸聚合物优选由不饱和单羧酸和不饱和二羧酸形成。典型的不饱和单羧酸单体含有3-6个碳原子，包括丙烯酸，低聚丙烯酸，甲基丙烯酸，巴豆酸和乙烯基乙酸。典型的不饱和二羧酸含有4-8个碳原子，包括其酸酐，例如是马来酸，马来酸酐，富马酸，戊二酸，衣康酸，衣康酸酐和环己二酸。另外，还可以使用上述酸的水溶性盐。
特别适用的是数均分子量约为1000-1500000，优选为3000-250000，更优选为20000-200000的“聚(甲基)丙烯酸”。这里使用的术语“聚(甲基)丙烯酸”被定义为丙烯酸的聚合物，甲基丙烯酸的聚合物或丙烯酸和甲基丙烯酸的共聚物。不同数均分子量聚(甲基)丙烯酸的掺和物是特别优选的。在这些聚(甲基)丙烯酸的掺和物或混合物中，将数均分子量为1000-100000，优选为4000-40000的较低数均分子量聚(甲基)丙烯酸与数均分子量为150000-1500000，优选为200000-300000的较高数均分子量聚(甲基)丙烯酸进行组合。通常，较低数均分子量聚(甲基)丙烯酸对较高数均分子量聚(甲基)丙烯酸的重量比约为10∶1到1∶10，优选为5∶1到1∶5，更优选为3∶1到2∶3。优选的掺和物中包含数均分子量约为20000的聚(甲基)丙烯酸和数均分子量约为200000的聚(甲基)丙烯酸，其重量比为2∶1。
另外，可以使用含有羧酸的共聚物和三元共聚物，其中羧酸组分占该聚合物的5-75重量％。典型的此类聚合物是(甲基)丙烯酸和丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺的聚合物；(甲基)丙烯酸和苯乙烯和其他乙烯基芳香族单体的聚合物；(甲基)丙烯酸烷基酯(丙烯酸或甲基丙烯酸的酯)和单羧酸或二羧酸的聚合物，单羧酸或二羧酸例如是丙烯酸或甲基丙烯酸或衣康酸等；具有取代基的取代乙烯基芳香族单体与不饱和单羧酸或二羧酸和(甲基)丙烯酸烷基酯的聚合物，这些取代基例如是卤素(即氯，氟，溴)，硝基，氰基，烷氧基，卤代烷基，羧基，氨基，氨基烷基；含有氮环的单烯键不饱和单体与不饱和单羧酸或二羧酸的聚合物，含有氮环的单烯键不饱和单体例如是乙烯基吡啶，烷基乙烯基吡啶，乙烯基丁内酰胺，乙烯基己内酰胺；烯烃和不饱和单羧酸或二羧酸的聚合物，烯烃例如是丙烯，异丁烯，或具有10-20个碳原子的长链烷基烯烃；乙烯基醇酯或卤乙烯或乙烯基氰与不饱和单羧酸或二羧酸的聚合物，乙烯基醇酯例如是乙酸乙烯酯和硬脂酸乙烯酯，卤乙烯例如是氟乙烯，氯乙烯，偏二氟乙烯，乙烯基氰例如是丙烯腈和甲基丙烯腈；烷基中具有1-24个碳原子的(甲基)丙烯酸烷基酯与不饱和单羧酸的聚合物，不饱和单羧酸例如是丙烯酸或甲基丙烯酸。这些只是可用于本发明新颖抛光组合物中的各种聚合物的少许实例。而且，可以使用可生物降解，可光降解或可采用其他方式降解的聚合物。这种组合物的一个实例是可生物降解的聚丙烯酸聚合物，其中含有聚(丙烯酸酯共聚2-氰基丙烯酸甲酯)的链段。
该第一步抛光组合物优选含有0.2-6重量％的磨料，用以促进氧化硅的去除。在该范围中，磨料含量大于或等于0.5重量％是理想的。而且，在该范围中理想的含量是小于或等于2.5重量％。
该磨料的平均粒径为50-200纳米(nm)。为了本说明书的目的，粒径是指该磨料的平均粒径。更优选的是，使用平均粒径为80-150纳米的磨料较好。减小磨料的尺寸至小于或等于80纳米，会促进抛光组合物的平化作用，但是也会降低去除速率。
磨料的例子包括无机氧化物，无机氢氧化物，金属硼化物，金属碳化物，金属氮化物和聚合物等的颗粒以及包括上述至少一种的混合物。适用的无机氧化物包括，例如氧化硅(SiO2)，氧化铝(Al2O3)，氧化锆(ZrO2)，氧化铈(CeO2)，氧化锰(MnO2)，或上述一些氧化物中至少一种组合。如果需要，还可以使用这些无机氧化物的改进形式，例如用聚合物涂布的无机氧化物颗粒和用无机物涂布的颗粒。适用的金属碳化物，硼化物和氮化物包括，例如碳化硅，氮化硅，碳氮化硅(SiCN)，碳化硼，碳化钨，碳化锆，硼化铝，碳化钽，碳化钛，或包括上述金属碳化物，硼化物和氮化物的至少一种组合。如果需要，也可以使用金刚石作为磨料。可用的磨料还包括聚合物颗粒和经过涂布的聚合物颗粒。磨料优选氧化铈。
这些化合物在宽pH范围的余量为水的溶液中提供效用。该溶液的适用pH范围从至少4到9。另外，该溶液中所含余量的水优选为去离子水，以限制偶然带入的杂质。本发明抛光液的pH优选是4.5-8，更优选是5.5-7.5。用来调节本发明组合物pH的酸，例如是硝酸，硫酸，盐酸，磷酸和类似物。用来调节本发明组合物pH的示例性碱，例如是氢氧化铵和氢氧化钾。
该第一步抛光组合物也可以优选含有0-5重量％的两性离子化合物，用以促进平化，并且作为氮化物去除的抑制剂。该组合物优选含有0.01-1.5重量％的两性离子化合物。本发明两性离子化合物的优点是，能促进平化并且能抑制氮化物的去除。
术语“两性离子化合物”是指含有大致相同比例阳离子性和阴离子性部分的化合物，这两部分通过例如CH2基团物理桥相连，因此该化合物在总体上是净中性的。本发明的两性离子化合物包括以下结构 其中n是整数，Y包括氢或烷基，Z包括羧基，硫酸根或氧，M包括氮，磷或硫原子，X1，X2和X3独立地包括选自氢，烷基和芳基的取代基。
如本文所定义，术语“烷基”是指优选含有1-20个碳原子的，取代或未取代的，直链，支链或环状烃链。烷基包括，例如甲基，乙基，丙基，异丙基，环丙基，丁基，异丁基，叔丁基，仲丁基，环丁基，戊基，环戊基，己基和环己基。
术语“芳基”是指优选含有6-20个碳原子的，取代或未取代的芳香族碳环基团。芳基可以是单环或多环的。芳基包括例如苯基，萘基，联苯基，苄基，甲苯基，二甲苯基，苯乙基，苯甲酸酯基，苯甲酸烷基酯基，苯胺基，和N-烷基苯胺基。
优选的两性离子化合物包括例如甜菜碱。本发明的优选甜菜碱是N，N，N-三甲基胺基乙酸酯，由以下结构表示 本发明的第一步抛光组合物也可以包含0-5重量％，优选0.01-1.5重量％的阳离子性化合物。本发明阳离子性化合物的优点是，促进平化，调节晶片清除时间并起到抑制氧化物去除的作用。优选的阳离子性化合物包括烷基胺，芳基胺，季铵化合物和醇胺。示例性阳离子性化合物包括甲基胺，乙基胺，二甲基胺，二乙基胺，三甲基胺，三乙基胺，苯胺，氢氧化四甲铵，氢氧化四乙铵，乙醇胺和丙醇胺。
该第一步抛光组合物也可以优选含有0-1重量％，优选0.01-0.5重量％的络合剂。络合剂例子包括羰基化合物(例如乙酰丙酮化物和类似物)，简单羧酸酯(例如乙酸酯，羧酸芳基酯和类似物)，含有一个或多个羟基的羧酸酯(例如甘醇酸酯，乳酸酯，葡糖酸酯，五桔子酸及其盐和类似物)，二、三和多羧酸酯(例如草酸酯，邻苯二甲酸酯，柠檬酸酯，琥珀酸酯，酒石酸酯，苹果酸酯，乙二胺四乙酸酯(例如EDTA二钠)，其混合物和类似物)，含有一个或多个磺酸基和/或膦酸基的羧酸酯。而且，其他适用的络合剂包括，例如，二、三或多元醇(例如乙二醇，焦儿茶酚，焦桔酚，单宁酸，和类似物)和含磷酸根的化合物(例如膦盐和膦酸)。优选该络合剂是邻苯二甲酸及其盐。优选的邻苯二甲酸盐包括，邻苯二甲酸氢铵和邻苯二甲酸氢钾，及其混合物。
因此，本发明提供了一种使用第一步抛光组合物进行抛光的方法，该抛光组合物适用于浅槽隔离方法对半导体晶片上的氧化硅和氮化硅进行抛光。该组合物优选包含聚乙烯基吡咯烷酮，以改善凹陷现象。具体地说，本发明提供了一种含水组合物，该含水组合物适用于抛光半导体晶片上的氧化硅和氮化硅，该含水组合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的阳离子性化合物，0-1重量％的邻苯二甲酸和盐，0-5重量％的两性离子化合物和余量的水，其中该聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为100-1000000克/摩尔。该组合物在4-9的pH范围中表现出特别增强的阈值压力响应。
如以上部分所讨论的，优选使用终点信号确定第一步的终点。可以采用各种方法，包括基于摩擦力或电机电流的终点信号。可以根据该终点信号的特征决定达到平化的点。将终点信号和第一步“抑制性”浆料联系起来，能保持提高的平化特征，同时获得比在真实平即停模式下工作更高的抛光速率和明显更短的抛光时间。有各种终点检测体系(例如热学和光学体系)可以与目前的多步STI抛光方法。利用第一步结束时的抛光减少和达到平化，确定第一步的终点信号。与使用传统STI浆料的单步抛光方法的终点信号相比，第二步的终点信号有很大增强。可以调节该终点信号(即在第一步结束时)优化STI CMP性能(即平化和产量)。
该新颖的第二步抛光组合物优选含有0.001-1重量％的季铵化合物，用以相对于氮化硅选择性去除氧化硅。该组合物更优选含有0.01-0.5重量％的季铵化合物。
本发明的季铵化合物包括以下结构 其中R1，R2，R3和R4是具有1-15个碳原子，更优选1-10个碳原子，最优选1-5个碳原子的碳链长度的有机化合物。R1，R2，R3和R4的有机化合物可以是取代或未取代的芳基，烷基，芳烷基，或烷芳基。阴离子例子包括硝酸根，硫酸根，卤根(例如溴根，氯根，氟根和碘根)，柠檬酸根，磷酸根，草酸根，苹果酸根，葡糖酸根，氢氧根，乙酸根，硼酸根，乳酸根，硫氰酸根，氰酸根，磺酸根，硅酸根，全卤根(例如过溴酸根，过氯酸根和过碘酸根)，铬酸根，和包括以上阴离子的至少一种混合物。
优选的季铵化合物包括，氢氧化四甲铵，氢氧化四乙铵，氢氧化四丙铵，氢氧化四异丙铵，氢氧化四环丙铵，氢氧化四丁铵，氢氧化四异丁铵，氢氧化四叔丁铵，氢氧化四仲丁铵，氢氧化四环丁铵，氢氧化四戊铵，氢氧化四环戊铵，氢氧化四己铵，氢氧化四环己铵，及其混合物。最优选的季铵化合物是氢氧化四甲铵。
除了季铵化合物之外，该第二步抛光组合物优选含有0.001-1重量％的络合剂。更优选该组合物含有0.01-0.5重量％的络合剂。络合剂的实例包括羰基化合物(例如乙酰丙酮化物和类似物)，简单羧酸酯(例如乙酸酯，羧酸芳基酯和类似物)，含有一个或多个羟基的羧酸酯(例如甘醇酸酯，乳酸酯，葡糖酸酯，五倍子酸及其盐和类似物)，二、三和多羧酸酯(例如，草酸酯，邻苯二甲酸酯，柠檬酸酯，琥珀酸酯，酒石酸酯，苹果酸酯，乙二胺四乙酸酯(例如，EDTA二钠)，及其混合物和类似物)，含有一个或多个磺酸基和/或膦酸基的羧酸酯。而且，其他适用的络合剂包括，例如二、三或多元醇(例如，乙二醇，焦儿茶酚，焦桔酸，单宁酸和类似物)和含磷酸根的化合物(例如膦盐和膦酸)。该络合剂优选是邻苯二甲酸及其盐。优选的邻苯二甲酸盐包括邻苯二甲酸氢铵和邻苯二甲酸氢钾及其混合物。
该新颖的第二步抛光组合物优选含有约0.01-5重量％的羧酸聚合物。该组合物优选含有约0.05-3重量％的羧酸聚合物。而且，该聚合物的数均分子量优选约为20000-1500000。另外，可以使用较高和较低数均分子量羧酸聚合物的掺和物。这些羧酸聚合物通常存在于溶液中，但是也可以存在于水分散液中。上述聚合物的数均分子量用GPC(凝胶渗透色谱)法测定。
该羧酸聚合物是由不饱和单羧酸和不饱和二羧酸形成的。典型的不饱和单羧酸单体含有3-6个碳原子，包括丙烯酸，低聚丙烯酸，甲基丙烯酸，巴豆酸和乙烯基乙酸。典型的不饱和二羧酸含有4-8个碳原子，包括其酸酐，例如是马来酸，马来酸酐，富马酸，戊二酸，衣康酸，衣康酸酐，和环己二酸。另外，也可以使用上述酸的水溶性盐。
另外，可以使用含羧酸的共聚物和三元共聚物，其中羧酸组分占该聚合物的5-75重量％。典型的此类聚合物是(甲基)丙烯酸和丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺的聚合物；(甲基)丙烯酸和苯乙烯和其他乙烯基芳香族单体的聚合物；(甲基)丙烯酸烷基酯(丙烯酸或甲基丙烯酸的酯)和单羧酸或二羧酸的聚合物，该单羧酸或二羧酸例如是丙烯酸或甲基丙烯酸或衣康酸；具有取代基的取代乙烯基芳香族单体和不饱和单羧酸或二羧酸和(甲基)丙烯酸烷基酯的聚合物，取代基例如是卤素，即氯，氟，溴，硝基，氰基，烷氧基，卤代烷基，羧基，氨基，氨基烷基；含有氮环的单烯键不饱和单体和不饱和单羧酸或二羧酸的聚合物，含有氮环的单烯键不饱和单体例如是乙烯基吡啶，烷基乙烯基吡啶，乙烯基丁内酰胺，乙烯基己内酰胺；烯烃和不饱和单羧酸或二羧酸的聚合物，烯烃例如是丙烯，异丁烯或具有10-20个碳原子的长链烷基烯烃；乙烯基醇酯或卤乙烯或乙烯基腈和不饱和单羧酸或二羧酸的聚合物，乙烯基醇酯例如是乙酸乙烯酯和硬脂酸乙烯酯，卤乙烯例如是氟乙烯，氯乙烯，偏二氟乙烯，乙烯基腈例如是丙烯腈和甲基丙烯腈；烷基中具有1-24个碳原子的(甲基)丙烯酸烷基酯和不饱和单羧酸的聚合物，不饱和单羧酸例如是丙烯酸或甲基丙烯酸。这些只是可用于本发明新颖抛光组合物中的各种聚合物的少许实例。而且，可以使用可生物降解，可光降解或可被其他方式降解的聚合物。这种组合物的一个实例是可生物降解的聚丙烯酸聚合物，其中含有聚(丙烯酸酯共聚2-氰基丙烯酸甲酯)的链段。
该第二步抛光组合物优选含有0.01-5重量％的磨料，用以促进氧化硅的去除。在该范围内，磨料含量大于或等于0.1重量％是理想的。在该范围内，含量小于或等于3重量％也是理想的。
该磨料的平均粒径为50-200纳米(nm)。为了本说明书的目的，粒径是指该磨料的平均粒径。更优选的是，使用平均粒径为80-150纳米的磨料是较好的。磨料粒径减小到小于或等于80纳米，会提高该抛光组合物的平化作用，但是也会降低去除速率。
磨料的例子包括无机氧化物，无机氢氧化物，金属硼化物，金属碳化物，金属氮化物，聚合物等颗粒以及包括上述至少一种的混合物。适用的无机氧化物包括，例如氧化硅(SiO2)，氧化铝(Al2O3)，氧化锆(ZrO2)，氧化铈(CeO2)，氧化锰(MnO2)，或上述一些氧化物的至少一种组合。如果需要，还可以使用这些无机氧化物的改进形式，例如用聚合物涂布的无机氧化物颗粒和用无机物涂布的颗粒。适用的金属碳化物，硼化物和氮化物包括，例如碳化硅，氮化硅，碳氮化硅(SiCN)，碳化硼，碳化钨，碳化锆，硼化铝，碳化钽，碳化钛，或包括以上金属碳化物，硼化物和氮化物的至少一种组合。如果需要，还可以使用金刚石。可用的磨料还包括聚合物颗粒和经过涂布的聚合物颗粒。磨料优选是氧化铈。
该第二步抛光组合物在宽pH范围的余量为水的溶液中提供效用。该溶液的适用pH范围从至少4到7。另外，该溶液中所有含余量的水优选为去离子水，用来限制偶然带入的杂质。本发明抛光液的pH优选是4.5-6.8，更优选为5-6.5。用来调节本发明组合物pH的酸例如是硝酸，硫酸，盐酸，磷酸和类似物。用来调节本发明组合物pH的示例性碱例如是氢氧化铵和氢氧化钾。
因此，本发明提供了一种使用第二步抛光组合物进行抛光的方法，该抛光组合物适用于为浅槽隔离方法抛光半导体晶片上的氧化硅和氮化硅。该组合物优选包含季铵化合物，用来提高选择性。具体地说，本发明提供了一种适合用来抛光半导体晶片上氧化硅和氮化硅的含水组合物，该组合物包含季铵化合物，邻苯二甲酸及其盐，羧酸聚合物，磨料和余量的水。该组合物在4-7的pH范围内表现出特别高的选择性。
实施例在实施例中，数字表示本发明实施例的序号，字母表示对比例的序号。所有第一步水溶液都含有1.8重量％的氧化铈，0.27重量％的聚丙烯酸，0.5重量％的甜菜碱和0.15重量％的乙醇胺。另外，该第一步抛光组合物含有0.1重量％的聚乙烯基吡咯烷酮。所有第二步水溶液都含有1.8重量％的氧化铈，0.18重量％的聚丙烯酸，0.21重量％的邻苯二甲酸氢铵和0.12重量％的氢氧化四甲铵。浆料是通过磨料包和化学试剂包的混合而制备的。该磨料包的制备方法是，用桨式搅拌机将聚丙烯酸浓缩物溶解在去离子水中，并向该聚丙烯酸溶液中添加氧化铈浓缩物。然后，用硝酸或氢氧化铵滴定该氧化铈-聚丙烯酸-水混合物。然后将该混合物输送至高剪切卡迪磨中。化学试剂包的制备方法是，将所有剩余的化学试剂以适当量溶解在去离子水中，在桨式搅拌机中混合，并使用硝酸或氢氧化铵滴定至要求的最终pH。通过将该磨料包与该化学试剂包混合并滴定至要求的pH，制成最终浆料。
实施例1本试验测量与沟槽氧化物平化的单步方法相比，两步抛光方法的平化性能。具体地说，测试该两步抛光方法对10％到90％沟槽氧化物发生凹陷的影响。这里把10％沟槽氧化物定义为重复结构阵列中，有源宽度/(沟槽宽度+有源宽度)×100％＝10％的沟槽。例如，如果沟槽宽度+有源宽度＝100微米，则有10％的沟槽的宽度为90微米。同样，有90％的沟槽的宽度为10微米。用单步方法时，使用Applied Materials Mirra 200毫米抛光机对样品进行平化，此时使用IC1000TM聚氨酯抛光垫(Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc.)，向下压力为2.7磅/平方英寸，抛光溶液的流速为85立方厘米/分。台板转速为123RPM，托架转速为44RPM。两步方法的第一步，使用Applied Materials Mirra200毫米抛光机对样品进行平化，此时使用IC 1000TM聚氨酯抛光垫(Rohm andHaas Electronic Materials CMP Inc.)，向下压力为3.7磅/平方英寸，抛光溶液的流速为125立方厘米/分，台板转速为51RPM，托架转速为68RPM。用Luxtron Optima 9300CMP终点控制器确定终点。两步方法的第二步，其加工条件与单步方法相同。抛光溶液具有用硝酸或氢氧化铵调节的pH值6.5。所有溶液中余量为去离子水。
表1
如上表1中所示，与单步方法(测试A)相比，两步方法(测试1)在低密度区出现了明显更小的凹陷。单步方法中，每个中央，中间和边缘模区的沟槽氧化物厚度范围比两步方法的大得多。也就是说，单步方法的中央，中间和边缘模区的沟槽氧化物厚度范围分别是328埃，257埃和286埃，而对两步方法进行同样的厚度范围测量，结果分别是46埃，71埃和153埃。换言之，两步抛光方法的平均模区内沟槽厚度范围约为90埃，与之相比，单步方法约为290埃。而且，两步抛光方法的整体晶片内沟槽厚度范围约为166埃，与之相比，单步方法约为461埃。
实施例2本试验测量与单步氮化物平化方法相比，两步抛光方法的平化性能。具体地说，测试该两步抛光方法对10％到100％位置特征内氮化物去除的影响。过程条件与实施例1的相同。
表2
如上表2中所示，与单步方法(测试B)相比，两步方法(测试2)在低密度区提供了明显更小的氮化物去除。对于单步方法，每个中央，中间和边缘模区的氮化物厚度范围比两步方法大得多。也就是说，对于单步方法，中央，中间和边缘模区的氮化物厚度范围分别是210埃，162埃和172埃，而对于两步方法，进行同样的厚度范围测量，结果分别是41埃，25埃和41埃。换言之，两步抛光方法的平均模区内沟槽厚度范围约为36埃，与之相比，单步方法约为181埃。而且，对于两步抛光方法，整体晶片内沟槽厚度范围约为58埃，与之相比，单步方法约为210埃。
因此，本发明提供了一种对半导体晶片上的氧化硅和氮化硅进行抛光的两步方法，包括以下步骤，用抑制性浆料平化氧化硅，并检测第一终点来停止平化。该方法进一步提供用选择性浆料清除氧化硅，并检测第二终点来停止去除。
权利要求
1.一种对半导体晶片上的氧化硅和氮化硅进行抛光的方法，包括以下步骤用第一含水组合物对氧化硅平化，该含水组合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的阳离子性化合物，0-1重量％的邻苯二甲酸和盐，0-5重量％的两性离子化合物和余量的水，其中该聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为100-1000000克/摩尔；检测平化的终点；用第二含水组合物清除氧化硅，该含水组合物包含0.001-1重量％的季铵化合物，0.001-1重量％的邻苯二甲酸及其盐，0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.01-5重量％的磨料和余量的水。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为1500-10000克/摩尔。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该两性离子化合物具有以下结构 其中n是整数，Y包括氢或烷基，Z包括羧基，硫酸根或氧，M包括氮，磷或硫原子，X1，X2和X3独立地包括选自氢，烷基和芳基的取代基。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于该第一和第二含水组合物中的羧酸聚合物是聚丙烯酸。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于该阳离子性化合物选自烷基胺，芳基胺，季铵化合物和醇胺。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于该第一和第二含水组合物中的磨料是氧化铈。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于该季铵化合物选自氢氧化四甲铵，氢氧化四乙铵，氢氧化四丙铵，氢氧化四异丙铵，氢氧化四环丙铵，氢氧化四丁铵，氢氧化四异丁铵，氢氧化四叔丁铵，氢氧化四仲丁铵，氢氧化四环丁铵，氢氧化四戊铵，氢氧化四环戊铵，氢氧化四己铵，氢氧化四环己铵及它们的混合物。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于该邻苯二甲酸盐选自邻苯二甲酸氢铵和邻苯二甲酸氢钾。
9.一种对半导体晶片上的氧化硅和氮化硅进行抛光的两步方法，包括以下步骤用抑制性浆料平化氧化硅；检测第一终点并停止平化；用选择性浆料清除氧化硅；检测第二终点并停止清除。
10.一种对半导体晶片上的氧化硅和氮化硅进行抛光的多步方法，包括以下步骤用第一含水组合物平化氧化硅，该含水组合物包含0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.02-6重量％的磨料，0.01-10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0-5重量％的阳离子性化合物，0-1重量％的邻苯二甲酸和盐，0-5重量％的两性离子化合物和余量的水，其中该聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为100-1000000克/摩尔；检测第一终点并停止平化；用第二含水组合物清除氧化硅，该含水组合物包含0.001-1重量％的季铵化合物，0.001-1重量％的邻苯二甲酸及其盐，0.01-5重量％的羧酸聚合物，0.01-5重量％的磨料和余量的水；和检测第二终点并停止清除。
全文摘要
本发明提供了一种对半导体晶片上的氧化硅和氮化硅进行抛光的方法，包括以下步骤，用第一含水组合物对氧化硅平化，该含水组合物包含0.01－5重量％的羧酸聚合物，0.02－6重量％的磨料，0.01－10重量％的聚乙烯基吡咯烷酮，0－5重量％的阳离子性化合物，0－1重量％的邻苯二甲酸和盐，0－5重量％的两性离子化合物，余量为水，其中该聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为100－1000000克/摩尔。该方法进一步包括，检测平化终点，并用第二含水组合物清除氧化硅，该含水组合物包含0.001－1重量％的季铵化合物，0.001－1重量％的邻苯二甲酸及其盐，0.01－5重量％的羧酸聚合物，0.01－5重量％的磨料，余量为水。
文档编号C09K3/14GK1822325SQ200510138148
公开日2006年8月23日 申请日期2005年12月27日 优先权日2004年12月28日
发明者S·J·莱恩, A·S·拉文, B·L·米勒, C·于 申请人:罗门哈斯电子材料Cmp控股股份有限公司