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用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物

文献发布时间：2023-06-19 09:32:16

技术领域

本发明涉及一种用于抛光多层膜的化学机械抛光(CMP)浆料组合物及使用其的抛光方法。

背景技术

在半导体工艺中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization，CMP)被用于表面抛光工艺，以形成具有高集成密度的多层器件，并且，随着半导体的图案尺寸的逐渐减小，用于制造图案的抛光工艺的重要性也逐渐显著。

在制造半导体器件的过程中，使用单晶硅晶片为主要材料，其能够以低成本制备出初始材料，并制备出具有优异电绝缘性能的氧化膜。由于在半导体工艺中硅晶片的表面粗糙度对后续工艺起到很大的影响，因此采用化学机械抛光工艺进行平面化工艺必不可少。

目前，多晶硅膜被用于集成电路(IC)、凹槽阵列晶体管(Recess Channel ArrayTransistor，RCAT)及三维鳍式场效晶体管(FinFET)的制备过程，并且，有必要研究如何使用化学机械抛光工艺来将表面粗糙度最小化。

具体地，多晶硅通过使非晶硅结晶而获得，然而，被广泛应用的激光晶化方法具有使多晶硅膜的表面粗糙度变差的缺点，因此有必要改善其表面粗糙度。

此外，化学机械抛光浆料组合物用于抛光硅材料，即单晶硅、非晶硅、多晶硅等单质硅，以及氮化硅、氧化硅等硅化合物。其被用于抛光单晶硅基板等硅基板，或抛光形成在硅基板上的非晶硅膜或多晶硅膜等单质硅膜，或抛光氮化硅膜、氧化硅膜等硅化合物的膜。

一般来说，根据抛光对象的类型和特性，化学机械抛光浆料组合物可以分为多种，但最近需要开发能够同时抛光硅膜、氮化硅膜及氧化硅膜等的化学机械抛光浆料组合物。

为此，如今正在积极开展能够提高抛光选择比及抛光速度的化学机械抛光浆料组合物的研究与开发。然而，如今对于当将其应用于不同类型的膜质时，可以同时改善表面粗糙度、缺陷或划痕的多功能浆料组合物的研究还很少。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明的目的在于解决上述问题，即提供一种用于抛光多层膜的化学机械抛光(CMP)组合物及使用其的抛光方法，其可以在改善多晶硅膜的表面粗糙度的同时，也可以改善多晶硅膜和氮化硅膜的缺陷(Defect)。

然而，本发明要解决的问题并非受限于上述言及的问题，未言及的其他问题能够通过以下记载由本领域普通技术人员所明确理解。

解决问题的技术方法：

根据本发明的一方面，提供一种用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物，其包括：抛光粒子；表面粗糙度(roughness)改进剂，包括水溶性聚合物；抛光调节剂，包括有机酸；以及抛光轮廓改进剂，包括非离子表面活性剂。

根据一实施例，所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物还包括缺陷(defect)改进剂，所述缺陷改进剂包含阴离子表面活性剂。

根据一实施例，所述阴离子表面活性剂可以包括选自于由聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯-丙烯酸共聚物、丙烯酸-马来酸共聚物、丙烯酸-乙烯共聚物、丙烯酸-丙烯酰胺共聚物及丙烯酸-聚丙烯酰胺共聚物组成的群组中选择的至少任一个。

根据一实施例，所述缺陷(defect)改进剂在所述用于抛光化学机械抛光浆料组合物中可以占0.005重量百分比至0.1重量百分比。

根据一实施例，所述抛光粒子可以包括选自于由金属氧化物、经有机物或无机物涂覆的金属氧化物及处于胶体状态的所述金属氧化物所组成的群组中的至少任一个，所述金属氧化物可以包括选自于由二氧化硅、二氧化铈、氧化锆、氧化铝、二氧化钛、钡二氧化钛、氧化锗、氧化锰及氧化镁所组成的群组中的至少任一个。

根据一实施例，所述抛光粒子可以通过液相法来制备，并进行分散使得所述抛光粒子的表面具有负电荷。

根据一实施例，所述抛光粒子的粒径可以是10纳米至200纳米。

根据一实施例，所述抛光粒子在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中可以占0.1重量百分比至10重量百分比。

根据一实施例，所述水溶性聚合物的重量平均分子量可以是10000至1000000。

根据一实施例，所述水溶性聚合物可以包括选自于由羟乙基纤维素(HEC)、羟甲基纤维素(HMC)、羟丙基纤维素(HPC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羧甲基纤维素(CMC)、甲基纤维素(MC)、甲基羟乙基纤维素(MHEC)、壳聚糖、明胶、黄原胶、胶原蛋白、卡拉胶、氟烷、果胶、硫酸软骨素、海藻酸、右旋糖酐、β-葡聚糖及透明质酸所组成的群组中的至少任一个。

根据一实施例，所述表面粗糙度改进剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中可以占0.0005重量百分比至0.5重量百分比。

根据一实施例，所述有机酸可以包括选自于由琥珀酸(succinic acid)、苹果酸(malic acid)、丙二酸(malonic acid)、己二酸(adipic acid)、酒石酸(tartaric acid)、戊二酸(glutaric acid)、羟基乙酸(glycollic acid)、天冬氨酸(aspartic acid)、衣康酸(Itaconic Acid)、丙三羧酸(tricarballylic acid)、庚二酸(pimelic acid)、辛二酸(suberic acid)、癸二酸(sebacic acid)、硬脂酸(stearic acid)、丙酮酸(pyruvicacid)、乙酰乙酸(acetoacetic acid)、乙醛酸(glyoxylic acid)、壬二酸(azelaic acid)、延胡索酸(fumaric acid)、戊烯二酸(glutaconic acid)、创伤酸(traumatic acid)、粘康酸(muconic acid)、乌头酸(aconic acid)、丙三酸(carballylic acid)、三元酸(tribasicacid)、苯六甲酸(mellitic acid)、异柠檬酸(isocitric acid)、柠檬酸(citric acid)、乳酸(lactic acid)、葡萄糖酸(gluconic acid)、马来酸(maleic acid)、抗坏血酸(ascorbicacid)、亚氨乙酸(iminoacetic acid)、草酸(oxalic acid)、焦性没食子酸(pyrogallicacid)、甲酸(formic acid)、乙酸(acetic acid)、丙酸(propionic acid)、丁酸(butyricacid)、戊酸(valeric acid)、己酸(hexanoic acid)、庚酸(heptanoic acid)、辛酸(caprylic acid)、壬酸(nonanoic acid)、癸酸(decanoic acid)、十一酸(undecylicacid)、月桂酸(lauric acid)、十三酸(tridecylic acid)、肉豆蔻酸(myristic acid)、十五酸(pentadecanoic acid)及棕榈酸(palmitic acid)所组成的群组中的至少任一个。

根据一实施例，所述抛光调节剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中可以占0.01重量百分比至1重量百分比。

根据一实施例，所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物，还包括pH调节剂，所述pH调节剂可以包括选自于由三乙醇胺、三甲醇胺、单乙醇胺、二乙醇胺、二甲基苄胺、乙氧基苄胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、2-氨基-2-乙基-1,3-丙二醇、三(羟甲基)氨基甲烷、2-氨基-1-丁醇、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇、二甲胺基甲基丙醇、二乙氨基乙醇、单异丙醇胺、氨乙基乙醇胺、3-氨基-1-丙醇、2-氨基-1-丙醇、1-氨基-2-丙醇、1-氨基-戊醇、2-(2-氨乙基氨基)乙醇、2-二甲胺基-2-甲基-1-丙醇及N,N-二乙基乙醇胺所组成的群组中的至少任一个。

根据一实施例，所述非离子表面活性剂可以包括选自于由聚乙二醇(PEG)、聚丙烯二醇(PPG)、聚乙烯-丙烯共聚物(polyethylene-propylene copolymer)、聚烷基氧化物(polyalkyl oxide)、聚氧乙烯(POE)、聚氧化乙烯(polyethylene oxide)及聚环氧丙烷(polypropylene oxide)所组成的群组中的至少任一个。

根据一实施例，所述抛光轮廓改进剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中可以占0.01重量百分比至1重量百分比。

根据一实施例，所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物的pH范围可以是3至7。

根据一实施例，所述多层膜可以包括多晶硅膜、氮化硅膜，或两者的组合。

发明的效果：

根据本发明的用于抛光多层膜的化学机械抛光(CMP)组合物通过包括包含水溶性聚合物的表面粗糙度改进剂，从而可以改善对包括多晶硅膜、氮化硅膜或两者的组合的多层膜进行抛光之后的表面粗糙度。

此外，通过包括包含非离子表面活性剂的缺陷改进剂，从而可以改善对包括多晶硅膜、氮化硅膜或两者的组合的多层膜进行抛光之后的缺陷发生。

具体实施方式

以下，对本发明的实施例进行详细说明。可以对以下实施例进行多种变更。本申请的权利范围并非受到以下实施例的限制或限定，对所有实施例的全部更改、其等同物乃至其替代物均包括在权利要求范围。

实施例中使用的术语仅用于说明特定实施例，并非用于限定实施例。在内容中没有特别说明的情况下，单数表达包括复数含义。在本说明书中，“包括”或者“具有”等术语用于表达存在说明书中所记载的特征、数字、步骤、操作、构成要素、配件或其组合，并不排除还具有一个或以上的其他特征、数字、步骤、操作、构成要素、配件或其组合，或者附加功能。

在没有其他定义的情况下，包括技术或者科学术语在内的在此使用的全部术语，都具有本领域普通技术人员所理解的通常的含义。常用的与词典定义相同的术语，应理解为与相关技术的通常的内容相一致的含义，在本申请中没有明确言及的情况下，不能过度理想化或解释为形式上的含义。

在说明本发明的过程中，当判断对于相关公知功能或者构成的具体说明不必要地混淆本发明的要旨时，省略对其进行详细说明。

以下，参照实施例对本发明的用于抛光多层膜的化学机械抛光(CMP)组合物及使用其的抛光方法进行具体说明。然而，本发明并非限定于上述实施例。

根据本发明的一方面，提供一种用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物，包括：抛光粒子；表面粗糙度(roughness)改进剂，包括水溶性聚合物；抛光调节剂，包括有机酸；以及抛光轮廓改进剂，包括非离子表面活性剂。

本发明的用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物通过包括包含水溶性聚合物的表面粗糙度改进剂，从而可以提高生长多晶硅时生成的表面的小丘的去除率，并可以改善被抛光膜的抛光后的表面粗糙度。

根据一实施例，所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物，还包括缺陷(defect)改进剂，所述缺陷改进剂包含阴离子表面活性剂的。

根据一实施例，所述阴离子表面活性剂可以包括选自于由聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯-丙烯酸共聚物、丙烯酸-马来酸共聚物、丙烯酸-乙烯共聚物、丙烯酸-丙烯酰胺共聚物及丙烯酸-聚丙烯酰胺共聚物所组成的群组中的至少任一个。

根据一实施例，所述阴离子表面活性剂的重量平均分子量可以是1000至30000。

优选地，所述阴离子表面活性剂的重量平均分子量可以是1000至25000，更优选地，可以是1500至25000，还更优选地，可以是1500至20000。

当所述阴离子表面活性剂的重量平均分子量小于1000时，可能会降低缺陷改善率；当超过30000时，可能会降低其抛光速度。

根据一实施例，所述缺陷(defect)改进剂在所述用于抛光化学机械抛光浆料组合物中可以占0.005重量百分比至0.1重量百分比。

当所述缺陷改进剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光组合物中占小于0.01重量百分比时，可能会降低缺陷改善率；当超过0.1重量百分比时，可能会发生絮凝聚集现象或降低分散稳定性，从而降低缺陷改善率。

根据一实施例，所述抛光粒子的表面可以由OH改性为COO-。通过上述表面改性，抛光粒子在所有pH范围内都可以具有很强的负电荷。由于经表面改性的抛光粒子与多晶硅膜之间有着较强的斥力，可以将对抛光后的多晶硅膜质的抛光粒子的吸附最小化。

根据一实施例，所述抛光粒子可以通过液相法来制备，并进行分散使得抛光粒子的表面具有负电荷。

所述抛光粒子可以包括通过液相法来制备的抛光粒子，但并不限于此。液相法可以通过适用溶胶凝胶(sol-gel)法(使抛光粒子前体在水溶液中发生化学反应并使晶体生长从而获得微粒子)或共沉淀法(使抛光粒子离子在水溶液中沉淀)及水热合成法(在高温高压下形成抛光粒子)等来制备。通过液相法来制备的抛光粒子被进行分散使得抛光粒子的表面具有负电荷。

根据一实施例，所述抛光粒子的粒径可以是10纳米(nm)至200纳米。

优选地，所述抛光粒子的粒径可以是10纳米至150纳米，更优选地，可以是30纳米至150纳米，还更优选地，可以是30纳米至100纳米。

所述抛光粒子的平均粒径的测量是在可通过扫描电子显微分析或动态光散射来测量的可视范围内的多个粒子粒径的平均值。当所述抛光粒子的大小小于10纳米时，由于会降低抛光粒子的粒径的抛光率，导致难以实现所需的选择比；当超过200纳米时，则会出现过度抛光，使得难以控制选择比，并有可能出现凹陷、腐蚀及表面缺陷。

根据一实施例，除了单粒径粒子以外，所述抛光粒子可以使用包含多分散(multidispersion)形式的粒子分布的混合粒子，例如，可以是通过两种不同平均粒径的抛光粒子混合来具有双峰(bimodal)形式的粒子分布；或可以是通过三种不同平均粒径的抛光粒子混合来具有三个峰值的粒子分布。或者，可以是通过四种以上不同平均粒径的抛光粒子混合来具有多分散形式的粒子分布。通过混合较大的抛光粒子和相对较小的抛光粒子，能够实现更好的分散性，并可以减少晶片表面上的划痕。

根据一实施例，所述抛光粒子的形状可以包括选自于由球形、矩形、针状及板状所组成的群组中的至少任一个，优选地，可以是球形。

根据一实施例，所述抛光粒子可以是单晶。使用单晶抛光粒子时，与多晶抛光粒子相比，可以达到减少划痕的效果，可以改善凹陷现象及抛光后的清洁度。

根据一实施例，所述抛光粒子在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中可以占0.1重量百分比至10重量百分比。

当所述抛光粒子在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中占小于1重量百分比时，可能会降低抛光速度；当超过10重量百分比时，由于过度提高抛光速度和抛光粒子的数量得到增加，因此残留在表面的抛光粒子的吸附性可能会导致表面缺陷。

根据一实施例，所述水溶性聚合物的重量平均分子量可以是10000至1000000。

当所述水溶性聚合物的重量平均分子量小于10000时，可能不易去除多晶硅膜上的小丘；当超过1000000时，不仅可能过度去除小丘，还可能丢失被抛光膜。

根据一实施例，为了去除多晶硅膜上的小丘，在抛光过程中通过浆料组合物在多晶硅晶片与垫子之间形成层流尤为重量。当浆料组合物无法在多晶硅晶片与垫子之间形成层流，从而处于湍流(turbulent flow)状态时，会导致机械抛光变得不规则，从而使表面变得粗糙。为了形成层流，最好添加具有较长分子链的水溶性聚合物。

根据一实施例，在所述水溶性聚合物中，所述水溶性聚合物纤维素可以是从植物的光合作用中获得的纤维素，并且不论木质素的存在与否，都可以通过水解木质纤维素来制备并使用，并可以使用工业上制备和销售的水溶性聚合物纤维素。

根据一实施例，所述表面粗糙度改进剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中可以占0.0005重量百分比至0.5重量百分比。

当所述表面粗糙度改进剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中占小于0.0005重量百分比时，可能不易去除多晶硅膜上的小丘；当超过0.5重量百分比时，不仅可能过度去除小丘，还可能丢失被抛光膜。

根据一实施例，所述抛光调节剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中可以占0.01重量百分比至1重量百分比。

当所述抛光调节剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中占小于0.01重量百分比时，可能会降低抛光速度；当超过1重量百分比时，可能会过度抛光被抛光膜。

根据一实施例，所述pH调节剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中可以占0.01重量百分比至1重量百分比。

当所述pH调节剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中占小于0.01重量百分比时，可能会降低抛光速度；当超过1重量百分比时，可能会过度抛光被抛光膜。

根据一实施例，所述非离子表面活性剂的重量平均分子量可以是100至1000。

根据一实施例，所述抛光轮廓改进剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物中可以占0.01重量百分比至1重量百分比。

当所述抛光轮廓改进剂在所述用于抛光多层膜的化学机械抛光组合物中占小于0.01重量百分比时，可能会发生过度抛光；当超过0.1重量百分比时，由于会降低组合物的分散稳定性，因此可能会发生微划痕。

根据一实施例，所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物的pH范围可以是3至7。

当所述pH范围小于3或超过7时，可能会降低缺陷改善率。

根据一实施例，所述多层膜可以包括多晶硅膜、氮化硅膜，或两者的组合。

根据本发明的另一方面，提供一种抛光方法，包括以下步骤：通过使用所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物来对包括多层膜的半导体晶片进行抛光。

以下，将参照以下实施例及比较例对本发明进行详细说明，然而，下例实施例及比较例仅以说明为目的举出，本发明的技术思想并不限于此。

[实施例1]：

添加1重量百分比的粒径为80纳米的经表面改性的处于胶体状态的二氧化硅抛光粒子(PL-3D)、0.08重量百分比的作为羧酸的琥珀酸、0.03重量百分比的作为表面粗糙度改进剂的重量平均分子量为90000的羟乙基纤维素(HEC)、0.05重量百分比的作为抛光轮廓改进剂的重量平均分子量为600的聚乙二醇(PEG)及0.025重量百分比的作为缺陷改进剂的重量平均分子量为2000的聚丙烯酸(PAA 1X)，并与作为pH调节剂的三乙醇胺进行混合，制备了pH值为3.5的用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物。

通过使用所述用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物，在压力为2psi、载体RPM为78/83、流速为250ml/分的评估条件下，进行了60秒的抛光。

[实施例2]：

在实施例1中，除了添加0.005重量百分比的作为缺陷改进剂的聚丙烯酸(PAA 1X)以外，按照相同于实施例1的方式制备了用于抛光多层膜的化学机械抛光浆料组合物。