专利名称：Cmp浆料及使用该浆料进行抛光的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于化学机械抛光的浆料(CMP)(下文中的“CMP浆料”)和一种使用该浆料进行抛光的方法。本发明特别涉及一种在用于对例如氧化硅层进行抛光或使其 平坦化时能够减少凹陷的产生的CMP浆料，并涉及所述抛光的方法。
背景技术：
迄今已使用在半导体基板上选择性地生长氧化硅层并形成一个器件隔离层的 LOCOS(硅局部氧化(Local Oxidation of Silicon))法作为器件隔离技术。但是，当使半 导体器件高度集成化及微型化时，L0C0S法在减少器件隔离层宽度方面具有局限性，因此引 入了 STI (浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation))法，通过在半导体基板上形成沟槽并 在该沟槽内部填充绝缘层(例如氧化硅层)而界定一个分隔活动区域的场区域。图1展示了一般STI法的示意图。参见图1，(a)首先在半导体基板100上相继形成一个衬垫氧化物层101和一个氮 化硅层102。此时，氮化硅层102可在之后的抛光法中用作抛光停止层。随后，通过应用照 相平版印刷法，使用一种光致抗蚀剂使氮化硅层102和衬垫氧化物层101形成图案，从而界 定场区域，通过使用所述图案作为掩模对半导体基板100进行蚀刻而形成具有一定深度的 沟槽103。(b)沉积氧化硅层104，以填充沟槽103，和(c)对该氧化硅层104进行抛光和使其 平坦化，直至氮化硅层102显露出。随后，通过移除衬垫氧化物层101和氮化硅层102，可形 成一个器件隔离层，并界定出所述场区域，然后形成一个栅极绝缘层105。在STI法的抛光步骤(c)中，需要实施具有高抛光选择性的CMP法，该方法对氧化 硅层具有优良的抛光率，而对氮化硅层具有较低的抛光率，从而有效并选择性地对氧化硅 层104进行抛光和使其平坦化。但是，当CMP法中的抛光选择性过高时，会产生凹陷，并且由于填充于沟槽中的氧 化硅层被过度抛光，可能导致器件性质劣化。特别是，凹陷问题会造成沟槽行宽为50nm或 更小的超微型化器件中活动区域和场区域之间的阶梯缺陷(stepped defect)，并且对器件 的性能和可靠性具有不利影响。
发明内容
本发明的一个方面提供了 一种在用于对氧化硅层等进行抛光时能减少凹陷的CMP 浆料。本发明的另一方面提供了一种使用所述CMP浆料的抛光方法。本发明提供了一种包含一种抛光磨料、一种线型阴离子聚合物、一种含磷酸基的 化合物及水的CMP浆料，其中CMP对氧化硅层的抛光速度CMP对氮化硅层的抛光速度的 比率为30 1至50 1。本发明还提供了一种进行抛光的方法，该方法包括用所述CMP浆料对半导体基板上的靶层进行抛光的步骤。
图1为一般浅沟槽隔离(STI)法的示意图。在图1中，100代表一个半导体基板， 101代表一个衬垫氧化物层，102代表一个氮化硅层，103代表一个沟槽，104代表一个氧化 硅层，105代表一个栅极绝缘层。
具体实施方式
下文中，对本发明实施方案的CMP浆料和抛光方法进行更详细的说明。根据本发明的一个实施方案，提供了一种包含抛光磨料、线型阴离子聚合物、含磷 酸基的化合物及水的CMP浆料，其中CMP对氧化硅层的抛光速度CMP对氮化硅层的抛光 速度的比率为30 1至50 1。除浆料中常规含有的水和抛光磨料外，该CMP浆料还包含线型阴离子聚合物和含 磷酸基的化合物，并且CMP对氧化硅层的抛光速度CMP对氮化硅层的抛光速度的比率为 30 1 至 50 1。当CMP浆料被用于例如氧化硅层时，其可减少氧化硅层等的凹陷的产生，同时能 根据以下机制选择性地并有效地对氧化硅层进行抛光。构成氮化硅层的氮化硅的表面上主要具有正电荷，构成氧化硅层的氧化硅的表面 上具有负电荷。因此，当CMP浆料中包括线型阴离子聚合物时，在使用CMP浆料进行抛光 过程中，所述线型阴离子聚合物通过静电力而粘附于氮化硅层，并相对抑制了对氮化硅层 的抛光。因此，包含线型阴离子聚合物的CMP浆料可展现出优良的抛光选择性，使CMP对 氧化硅层的抛光速度CMP对氮化硅层的抛光速度的比率可为例如30 1或更大。因 此，CMP浆料可优选用于使用氮化硅层作为抛光停止层的对氧化硅层进行抛光或使其平坦 化的方法、例如STI (浅沟槽隔离)法或形成半导体器件的ILD (内层电介质(Inter Layer Dielectric))的方法，并且其能选择性地并有效地对氧化硅层进行抛光。但是，本发明人的实验结果显示，当CMP浆料具有大于50 1的过高抛光选择性 时，在使用氮化硅作为抛光停止层对氧化硅层进行抛光的方法中，氧化硅层被过度抛光，并 且产生的凹陷增加。这是由于从氮化硅层显露的时间点起，氮化硅层几乎未被CMP浆料抛 光，而只有氧化硅层被CMP浆料抛光。因此，本发明一个实施方案的CMP浆料包括含磷酸基的化合物，并且CMP对氧化硅 层的抛光速度CMP对氮化硅层的抛光速度的比率为50 1或更小。所述含磷酸基的化合物对氧化硅层和氮化硅层均显示出一定程度的蚀刻率(抛 光率)。因此，如果CMP浆料包括所述含磷酸基的化合物，则不仅氧化硅层，而且作为抛光停 止层的氮化硅层均可被一定程度地抛光或除去。因此，可防止对氧化硅层的抛光速度过度 高于对氮化硅层的抛光速度，并可防止氧化硅层被过度抛光。因此，通过使用包括含磷酸基 的化合物的CMP浆料，可大幅减少氧化硅层上凹陷的产生。特别地，由下述实施例证实了，通过使用一个实施方案的CMP浆料(该浆料包括含 磷酸基的化合物，并且CMP对氧化硅层的抛光速度CMP对氮化硅层的抛光速度为50 1 或更小)，在可进行有效抛光或平坦化的同时，可大大减少氧化硅层上凹陷的产生。这是因为CMP浆料能保持对氧化硅层的优良抛光选择性，并且防止了对氧化硅层的过度抛光。此外，由于所述包括含磷酸基的化合物的CMP浆料对氧化硅层和氮化硅层可具有 增加的抛光速度，因此还可减少操作时间。因此，当将本发明一个实施方案的CMP浆料用于氧化硅层的抛光法，例如用于使 用氮化硅层作为抛光停止层的对氧化硅层进行抛光的STI法或ILD法时，可大幅减少氧化 硅层上凹陷的产生，同时能够选择性地并有效地对氧化硅层进行抛光或使其平坦化。此外，对本发明一个实施方案的CMP浆料的每一种组分解释如下。首先，CMP浆料包含一种作为基本组分的抛光磨料。可非限制性地使用已包含在 CMP浆料中的那些常规抛光磨料，例如可使用二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛或氧化铈等 中的至少一种抛光磨料。所述抛光磨料可具有纳米级直径，并优选可为具有纳米级直径的 氧化铈磨料。每100重量份CMP浆料中可包含0. 1至10重量份抛光磨料。当抛光磨料的含量 过低时，其对例如氧化硅层的抛光速度可能不足，反之，当含量过高时，可能会降低浆料的 稳定性。
除抛光磨料外，所述CMP浆料还包括含磷酸基的化合物和线型阴离子聚合物。其中，所述含磷酸基的化合物能整体增加对目标层(例如对氧化硅层和氮化硅 层)的抛光速度，并且由于其可防止对氧化硅层的抛光速度与对氮化硅层的抛光速度的比 率变得过大，或防止氧化硅层被过度抛光，因此可减少氧化硅层等上产生凹陷。所述含磷酸基的化合物可为任何含磷酸基(-PO4)的化合物，例如磷酸、有机磷酸 酯或无机磷酸盐，并且可为含有磷酸基的任何单体或聚合物。例如，考虑到对氧化硅层和氮 化硅层的蚀刻速率(抛光速率)，含磷酸基的化合物可为磷酸铵((NH4)2HPO4)。每100重量份抛光磨料中可包含0. 1至20重量份、优选1至10重量份的含磷酸 基的化合物。当含磷酸基的化合物的含量过低时，难以充分地减少凹陷的产生，反之，当含 量过高时，对凹陷的产生不具有额外的降低作用，并且还降低了浆料的分散稳定性，以及可 能产生凝结现象。此外，在使用CMP浆料进行抛光的方法中，由于线型阴离子聚合物可通过静电力 粘附于氮化硅层并作为保护层，因此该线型阴离子聚合物可起到相对地保护氮化硅层避免 被抛光的作用。通过线型阴离子聚合物的该作用，与氮化硅层相比，所述CMP浆料可展示出 对氧化硅层的优良的抛光选择性。特别地，由于含磷酸基化合物和线型阴离子聚合物的相 互作用，可大幅减少由对氧化硅层的过度抛光而造成的的凹陷的产生，同时能够有效地并 选择性地对氧化硅层进行抛光或使其平坦化。可使用例如包含羧酸的聚合物作为线型阴离子聚合物。更具体而言，可使用通过 聚合选自丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸和马来酸中的至少一单体而得到的聚合物。对于线 型聚合物，可使用相关工业领域已知的聚合物或市售聚合物作为线型聚合物，可使用San Nopco Korea LTD. Co.的Cerasperse 5468，及Aldrich Co.的线型聚合物等作为所述市售 聚合物。优选线型阴离子聚合物的重均分子量为2，000-50，000。当其重均分子量过低时， 由于对氮化硅层的抛光速度(抛光率)变得较高，因此抛光选择性可能变低，反之，当其重 均分子量变得过高时，可能会引起抛光磨料的凝结。
每100重量份抛光磨料中可包含0. 1至40重量份、优选0. 1至20重量份的线型阴 离子聚合物。当线型阴离子聚合物的含量过低时，由于浆料对氮化硅层的抛光速度(抛光 率)变得较高，因此抛光选择性可能变得较低，反之，当线型阴离子聚合物的含量过高时， 由于对氧化硅层的抛光速度降低，可能使处理时间增加或可能使抛光选择性降低，并且由 于抛光磨料的凝结，可能使浆料的分散稳定性变差。此外，除上述组分外，本发明一个实施方案的CMP浆料还可包含一种含有羟基 (-0H)或羧基(-C00H)中的任一种或含有这两者的化合物，并且优选包含一种既含羟基 (-0H)又含羧基( -C00H)的化合物。当CMP浆料中包含该化合物时，由于浆料的粘度变低，根据牛顿行为，该浆料 可更均勻地与CMP抛光器件或半导体基板(其上形成有目标层)上的抛光垫接触。结 果，可更均勻地抛光目标层，并降低目标层的WIWNU (晶片内不均勻性(Within-Wafer Non-Uniformity))。优选所述含有羟基(-0H)和/或羧基(-C00H)的化合物的重均分子量为30至500。 当重均分子量过高时，可能会降低对氧化硅层的抛光速度，或者由于浆料的分散稳定性变 差而难以提供该浆料。作为所述含有羟基(-0H)和/或羧基(-C00H)的化合物，可使用选自以下的一种 化合物或者两种或更多种化合物含柠檬酸基的化合物、含葡萄糖酸基的化合物、含苹果酸 基的化合物、含酒石酸基的化合物、含2-羟基异丁酸基的化合物、含己二酸基的化合物、含 辛酸基的化合物、含琥珀酸基的化合物、含乙二胺四乙酸(EDTA)基的化合物、含戊二酸基 的化合物、及含亚甲基琥珀酸基的化合物。此处，所述“含特定官能团(柠檬酸基、葡萄糖酸基等)的化合物”不仅包括含有 各特定官能团的酸本身(例如柠檬酸、葡萄糖酸、苹果酸、酒石酸、2-羟基异丁酸、己二酸、 辛酸、琥珀酸、乙二胺四乙酸(EDTA)、戊二酸或亚甲基琥珀酸)，而且包括其中无机(例如金 属)官能团或有机官能团与所述特定官能团相结合的化合物。除所述化合物外，也可使用甘露糖、甘油基半乳庚糖 (glycero-galacto-heptose)、赤型甘露辛糖(erythro-manno-octose)、阿拉伯半乳壬糖 (arabino-galacto-nonose)、谷氨酰胺等，或其衍生物作为含有羟基(-0H)和/或羧基 (-C00H)的化合物，且可使用许多其他有机或无机化合物。优选每100重量份抛光磨料中包含0. 1至30重量份含有羟基(-0H)和/或羧基 (-C00H)的化合物。当该化合物的含量过低时，浆料的抛光选择性可能降低，并且WIWNU(晶 片内不均勻性)可能增加，反之，当含量过高时，浆料对氧化硅层的抛光速度可能降低。此外，CMP浆料组合物包括水作为上述各组分的介质。水含量可为除上述各组分 总含量以外的余量，例如，每100重量份浆料中包含94至99. 8重量份的水。当水含量过低 时，浆料的稳定性降低，当水含量过高时，浆料的总抛光率可能会降低。除上述各组分外，CMP浆料还可包含多种添加剂，以改善浆料的抛光性能或分散稳 定性。在此之前已用于CMP浆料的任何添加剂均可用作所述添加剂，并且对所述添加剂的 种类无特别限制。CMP浆料可通过混合抛光磨料、线型阴离子聚合物、含磷酸基的化合物与水、并选 择性地混合含羟基(-0H)或羧基(-C00H)的化合物而制得。考虑到对氧化硅层的优良抛光率和抛光选择性的，优选在混合之后将浆料滴定至PH为6至8。在滴定过程中，可使用IN 的 NH4OHUN 的 HNO3 等此外，CMP浆料可为单组分浆料或双组分浆料中的任一类。此处，单组分浆料为抛 光需要的所有组分，例如抛光磨料、水、线型阴离子聚合物等及任选的添加剂均包含在一种 组合物中的一类浆料；而双组分浆料为被分成两种不同溶液，例如抛光磨料的分散溶液及 添加剂的分散溶液，从而分别形成各组分，并且这些分散溶液仅在抛光前才进行混合的一 类浆料。当抛光磨料的分散性会因添加剂而降低时，可使用双组分浆料。上文公开的CMP浆料可展示出对氧化硅层的高抛光速度，例如，2000A/min,或更 大，优选2500A/miii,或更大的抛光速度，并且由于该浆料对氮化硅层具有较低的抛光速 度，因此其还可展示出优良的抛光选择性，使CMP对氧化硅层的抛光速度CMP对氮化硅层 的抛光速度为30 ι或更大。因此，在使用氮化硅层作为抛光停止层对氧化硅层进行抛光或使其平坦化的方法 中，CMP浆料能够选择性地并有效地对氧化硅层进行抛光。此外，由于CMP对氧化硅层的抛光速度CMP对氮化硅层的抛光速度的比率为 50 1或更小，因此CMP浆料可减少由过度抛光氧化硅层而导致的凹陷的产生。因此，该CMP浆料可极优选应用于使用氮化硅层作为抛光停止层对氧化硅层进行 抛光或使其平坦化的方法中，例如应用于半导体器件的STI法中对填充在沟槽中的氧化硅 层进行平坦化的方法中，或应用于ILD形成法中，并且可减少凹陷的产生和防止器件由于 所述凹陷而性能劣化。本发明的另一个实施方案提供了一种抛光方法，该方法包括用上文公开的CMP浆 料对半导体基质上的目标层进行抛光的步骤。在该抛光方法中，所述目标层可以为氧化硅层。更具体地，所述抛光方法可为一种在使用氮化硅层作为抛光停止层的情况下对氧 化硅层进行抛光或使其平坦化的方法，并且该方法可包括例如以下步骤在半导体基板上 形成某种氮化硅层图案；在形成氮化硅层图案的半导体基板上形成氧化硅层；和对氧化硅 层进行抛光直至氮化硅层图案显露出。通过以所述CMP浆料实施所述抛光法，可大幅度地减少对氧化硅层抛光后凹陷的 产生，并且特别是通过将凹陷产生量降至.500人,或更小从而有助于改善半导体器件的性 能或可靠性。此处，所述凹陷产生量可定义为实施抛光法后，经抛光的氧化硅层和氮化硅层的 阶梯缺陷，并且所述凹陷产生量可通过对监控箱进行AFM分析来测量氧化硅层和氮化硅层 的外形(profile)而计算出。上述抛光方法可应用于半导体器件的浅沟槽隔离(STI)法(此处，作为待抛光的 目标层的氧化硅层可通过形成填充于沟槽中的器件隔离层来界定半导体器件的场区域)， 并且还可应用于许多其他方法，例如形成半导体器件的中间层电介质(ILD)的方法。STI法 或ILD形成法的具体方法可按照一般方法进行，例如图1中所示。实施例下文中，通过本发明的优选实施例更详细地叙述了本发明的构成和功能。但是，下 述实施例仅是为了说明本发明，本发明的范围不限于此。
实施例1通过将作为抛光磨料的氧化铈、作为线型阴离子聚合物的聚丙烯酸(Mw. 7, 000)、作为含羟基和/或羧基的化合物的葡萄糖酸和作为含磷酸基的化合物的磷酸铵 ((NH4) 2ΗΡ04)添加到纯水中并将其混合，而制得CMP浆料。此处，每100重量份CMP浆料中添加5重量份抛光磨料，相对于每100重量份氧化 铈抛光磨料添加10重量份线型阴离子聚合物，相对于每100重量份氧化铈抛光磨料添加25 重量份含羟基和/或羧基的化合物，并且相对于每100重量份氧化铈抛光磨料添加1. 5重 量份含磷酸基的化合物。实施例2-4 按与实施例1基本相同的方法制备CMP浆料，不同之处为含羟基和/或羧基的化 合物的含量及含磷酸基的化合物的含量如下表1所示进行改变。比较例1按与实施例1基本相同的方法制备CMP浆料，不同之处为不使用含磷酸基的化合 物。<试验实施例1 对抛光件能讲行评估>通过使用实施例1-4及比较例1中制备的CMP浆料在以下条件下对一种基板进行 抛光并洗净该基板之后，测量由抛光产生的厚度的改变，并评估抛光性能。结果列于下表1 中。[抛光条件]抛光装置UNIPLA210(Doosan Mecatec Co.)垫IC1000(Rodel Co.)轴转速90rpm载盘转速(Platenspeed) :90rpm晶片压力4psi固定环(retainer ring)压力:3· 5psi浆料流速200ml/min[抛光对象]其上通过HDPCVD (高密度等离子体化学气相沉积(High Density Plasma chemical vapor deposition) 沉积有ιο,οοοΑ氧化硅层的晶片。其上通过LPCVD (低压化学气相沉积(Low pressure chemical vapor deposit!on)沉积有2,000ΛΑΙ化硅层的晶片。[评估]首先，在每一个待抛光的晶片上设定59个点，并测量每一点在抛光之前和之后的 厚度。此处，抛光之前和之后的厚度使用Nanospec 6100 (Nanometrics Co.)进行测量， Nanospec 6100为一种测量厚度的光学装置。由抛光之前和之后的厚度，测量每一个目标 层(氧化硅层或氮化硅层)的抛光量，并基于在各点测得的值计算出平均值。由抛光量的 平均值和抛光时间，推算出对每一个目标层的抛光速度。此外，基于对氧化硅层的抛光速度/对氮化硅层的抛光速度的比率，推算出抛光 选择性。
基于晶片(其上形成有氧化硅层)上测得的每一点的厚度，计算出各点的厚度差 的平均值。计算出抛光之前和之后的该平均值，并由它们的差值推算出AWIWNU。此外，当计算其上形成有氧化硅层的晶片上59个点处的抛光量(抛光之前的厚 度_抛光之后的厚度)时，推算出GAP数值，该值为在各点测得的59个数值中的最大抛光 量值-最小抛光量值。[表 1]
组分
权利要求
一种化学机械抛光(CMP)浆料，其包含一种抛光磨料、一种线型阴离子聚合物、一种含磷酸基的化合物及水，其中CMP对氧化硅层的抛光速度∶CMP对氮化硅层的抛光速度的比率为30∶1至50∶1。
2.权利要求1的CMP浆料，其中所述线型阴离子聚合物的重均分子量为2，000至 50，000。
3.权利要求1的CMP浆料，其中所述线型阴离子聚合物包括由至少一种选自丙烯酸、甲 基丙烯酸、衣康酸和马来酸的单体得到的聚合物。
4.权利要求1的CMP浆料，其中所述含磷酸基的化合物包括磷酸、有机磷酸酯或无机磷酸盐。
5.权利要求1的CMP浆料，其还包含一种含羟基(-0H)或羧基(-C00H)的化合物。
6.权利要求5的CMP浆料，其中所述含羟基或羧基的化合物为一种重均分子量为 30-500并且含有羟基和羧基的化合物。
7.权利要求5的CMP浆料，其中所述含羟基或羧基的化合物包括选自以下的至少一种 化合物含柠檬酸基的化合物、含葡萄糖酸基的化合物、含苹果酸基的化合物、含酒石酸基 的化合物、含2-羟基异丁酸基的化合物、含己二酸基的化合物、含辛酸基的化合物、含琥珀 酸基的化合物、含乙二胺四乙酸(EDTA)基的化合物、含戊二酸基的化合物、含亚甲基琥珀 酸基的化合物、甘露糖、甘油基半乳庚糖、赤型甘露辛糖、阿拉伯半乳壬糖和谷氨酰胺。
8.权利要求5的CMP浆料，其中所述抛光磨料包括选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化 钛和氧化铈中的至少一种。
9.权利要求1的CMP浆料，其中每100重量份该浆料中包含0.1至10重量份所述抛光 磨料。
10.权利要求9的CMP浆料，其中相对于每100重量份所述抛光磨料包含0.1至40重 量份所述线型阴离子聚合物，并且相对于每100重量份所述抛光磨料包含0. 1至20重量份 所述含磷酸基的化合物。
11.权利要求9的CMP浆料，其相对于每100重量份所述抛光磨料还包含0.1至30重 量份的一种含羟基(-0H)或羧基(-C00H)的化合物。
12.权利要求1的CMP浆料，其pH为6-8。
13.权利要求1的CMP浆料，其被用于在半导体器件的浅沟槽隔离(STI)法中对在沟槽 中填充的氧化硅层进行抛光或使其平坦化。
14.一种抛光方法，该方法包括用权利要求1-12中任一项的CMP浆料对半导体基板上 的目标层进行抛光的步骤。
15.权利要求14的抛光方法，其中所述目标层包括一个氧化硅层。
16.权利要求15的抛光方法，其包括以下步骤在半导体基板上形成氮化硅层的某种图案；在形成了氮化硅层图案的半导体基板上形成氧化硅层；和对氧化硅层进行抛光直至氮化硅层图案显露出。
17.权利要求16的抛光方法，其中所述方法应用于半导体器件的浅沟槽隔离(STI)法， 并且待抛光的氧化硅层界定半导体器件的一个场区域。
18.权利要求16的抛光方法，其中在对氧化硅层抛光之后，凹陷产生量为500Λ或更小
全文摘要
本发明涉及一种当用于例如对氧化硅层进行抛光或使其平坦化时能够减少凹陷的产生的CMP浆料，并涉及一种抛光方法，所述CMP浆料包含一种抛光磨料、一种线型阴离子聚合物、一种包含磷酸基的化合物和水，且CMP对氧化硅层的抛光速度∶CMP对氮化硅层的抛光速度的比率为30∶1至50∶1。
文档编号C09G1/02GK101959983SQ200980107520
公开日2011年1月26日 申请日期2009年3月3日 优先权日2008年3月6日
发明者曹昇范, 金钟珌, 金长烈, 鲁埈硕 申请人:株式会社Lg化学