用於矽衍生物或矽的絕緣材料層的新型化學機械拋光方法
2023-04-30 08:01:01 3
專利名稱：用於矽衍生物或矽的絕緣材料層的新型化學機械拋光方法
技術領域：
本發明涉及一種通過化學機械拋光用於集成電路絕緣的電絕緣材料的平整化技術。
在微電子領域內，在使尺寸減小和增加密度過程中產生了絕緣技術。因此基於局部氧化的有源區域的絕緣技術之後是通過淺槽絕緣使所說的有源區域側向絕緣的技術，上述淺槽絕緣包括蝕刻這些槽以填充非導電材料以及將這種絕緣層平整化的步驟。
這些絕緣技術的主要困難在於非導電材料的平整化。
化學機械拋光似乎是平整化工藝最有效的手段。其優點在於採用常規的液體或雷射蝕刻技術來蝕刻材料，同時可以非常有效地使原來的凹凸不平平整化。
本發明涉及作為側向絕緣(STI淺槽絕緣)和作為內部連接的絕緣(ILD，內部介電)的將用於生產集成電路的氧化矽平整化的步驟的改進。
化學機械拋光技術將兩種對非導電材料具有攻擊影響的作用，即機械作用和化學作用結合在一起。
機械作用是由於半導體材料晶片在拋光織物上加載力、晶片與織物之間相對移動速度(如旋轉)、這種織物的特點和磨料中氧化矽顆粒直徑的特點而產生的。
化學作用基本上是由於膠體氧化矽的表面化學而產生的。
結合在一起的兩種作用通過使要拋光的材料平整化而使拋光材料的分子優選地在凸出的區域上重新處理。
為了拋光基於矽衍生物如二氧化矽或氮化矽的非導電性材料，通常採用由熱解氧化矽(也稱為氣相法氧化矽)膠體顆粒的鹼性水溶液組成的磨料。
這些熱解氧化矽是通過在高溫下在燃燒室中用氫氣和氧氣燃燒高純度的四氯矽烷經熱解法獲得的。
通常獲得直徑為5-50納米的球形氧化矽基本粒子，這些粒子團聚成長度一般為50-500納米的粒子。
文獻描述在基於矽衍生物，特別是基於二氧化矽的非導電材料的化學機械拋光過程中，熱解氧化矽顆粒的直徑越大，並且所用的膠體氧化矽溶液的pH越高，熱解氧化矽對非導電材料的攻擊速度越高，(特別是參見R.Jairath等人，Mat；Res.Soc.Symp.Proc.vol337，1994，p121-31，G.J.Pietsch等人，Surface Science 331-333(1995)p395-401，M.Borda等人，Dumic Conference 211-22，2，1995，p.331-337，D.DeVlieger等人，Conference Proceedings ULSI-X，1995，Materials ResearchSociety，p201-205，W.J.Patrick等人，J.Electrochem.Soc.，vo1.138，No.6，June 1991，p1778-1784，R.Kolenkow等人，Solid StateTechnology，June 1992，p112-114，Beyer，Klaus Dietrich EP 224646，SearsGeorge Wallace Jr，US 3922393，Doan Trung T.US5169491，Koto Itsuki JP0731846)。
最常用的pH為9-12.5。另一方面，在酸性pH下，攻擊速度特別低，參見G.J.Pietsch等人的文章，Surface Science 331-333(1995)p396，特別是其中的
圖1。
採用這種在高度鹼性介質中的水基懸浮液存在許多缺點。首先由於結塊長度的分布較廣，會使後者隨時間而發生沉降，這個缺點只能通過不斷地攪拌該懸浮液而降至最小。此外，採用高度鹼性的水基懸浮液還存在涉及環境和工作條件的問題。
本申請人的主要目的在於改進絕緣方法中二氧化矽層的平整化，，該絕緣方法是集成電路製造中可能會遇到的，例如在通過使半導體基體上未來有源區域產生淺槽的側向絕緣方法中以及在其它需要對二氧化矽進行精確平整化的集成電路絕緣方法中。它還包括使二氧化矽集成電路內連接絕緣。
為了實現所有這些採用膠體二氧化矽鹼性水溶液的化學機械拋光的改進，令人驚奇且出乎人們意料的是含有或由不是通過矽氧烷鍵連接在一起並用於酸性介質中的氧化矽單個細顆粒組成的膠體氧化矽懸浮液可以獲得改進較大的平整化效果同時保持對絕緣材料良好的攻擊性以及傑出的均勻拋光攻擊質量。
這就是為什麼本發明的主題是採用包括含有單個膠體氧化矽顆粒(沒有通過矽氧烷鍵連接)和作為懸浮介質的水的膠體氧化矽酸性水基懸浮液的磨料來對基於矽或矽衍生物的層進行化學機械拋光、特別是對二氧化矽層進行化學機械拋光以及一種對基於矽或矽衍生物的絕緣材料層進行化學機械拋光的方法，其中通過採用含有一種磨料的織物磨擦所說的層而使絕緣材料層磨損，其特徵在於該磨料含有單個膠體氧化矽顆粒(沒有通過矽氧烷鍵連接)和作為懸浮介質的水的膠體氧化矽酸性水基懸浮液並且優選地是由這種酸性水基懸浮液組成的。
這些膠體氧化矽水基懸浮液含有懸浮在水中的或由懸浮在水中的沒有通過矽氧烷鍵連接在一起的單個細氧化矽顆粒組成並且優選地基本上沒有顆粒團聚物。對於化學機械拋光本發明所說的材料層來說，該膠體氧化矽的水基懸浮液用於酸性溶液中並且優選地具有3-250納米、特別是3-150納米、更特別地為10-50納米的單個顆粒直徑。
可以由鹼金屬矽酸鹽、特別是矽酸鈉或矽酸鉀，也可以由矽酸乙酯獲得這種膠體氧化矽的水基懸浮液。在這兩種情況下，可以通過熟悉本領域的人員已知的方法，特別是由K.K.Iler描述於「The Chemistry ofSilica」，9章，P331-343，Publisher Wiley Interscience 1979中的方法，可以獲得含有直徑為3-250納米的沒有通過矽氧烷鍵連接在一起的單個顆粒的膠體氧化矽酸性水基懸浮液。
本發明的主要優點在於改進通過膠體氧化矽的酸性水基懸浮液對絕緣材料如二氧化矽層進行的化學機械拋光。
例如，這種改進可以通過下列3種試驗基本上得到證實a)測試膠體氧化矽水分散液磨料對二氧化矽層攻擊的速度。該攻擊速度是通過在沒有圖案的二氧化矽晶片/薄片上拋光前後厚度測定差來測定的。攻擊速度用埃/分鐘來表示。
b)平整化試驗，特別是在原始高度為7000埃的含有絕緣圖案的晶片/薄片上測定的反映原始凹凸不平(拋光前)和最終凹凸不平(拋光後)之間臺階高度變化的平整化(DP)程度。它用百分比表示並用下列等式定義DP=100Hi-HfHi]]>其中Hi＝臺階的原始高度Hf＝臺階的最終高度全部平整化使總的平整化程度為100％。無平整化使平整化程度為0％。
圖1、2和3表示平整化程度的定義。圖1中的平整化程度為0％，圖2中為50％，而圖3中為100％。
為了進行全部平整化試驗，將在下部部件(圖案外)中除去的厚度調整為3500埃。
c)測試拋光攻擊的均勻性。它表示在相同晶片上氧化物厚度的變化。它根據下列等式由拋光前後在相同二氧化矽晶片上氧化物的測定值計算得到
獲得的值越低，攻擊的均勻性越令人滿意。
這種較好的拋光方法得益於由沒有通過矽氧烷鍵連接在一起的單個顆粒組成的特殊膠體氧化矽的酸性水基懸浮液而進行。
在優選的用來實施本發明所說的方法的條件下，膠體氧化矽酸性水基懸浮液的pH為1-6，特別是1.5-4，更特別地為2-3。
在優選的用來實施本發明所說的方法的條件下，膠體氧化矽酸性水基懸浮液基本粒子的直徑為3-250納米、特別是3-150納米、更特別地為10-50納米。
為了獲得最佳的拋光效果，特別是對於兩個主要的試驗二氧化矽層的攻擊速度和處理層的平整化質量，在其它優選的實施條件下，拋光產品，即二氧化矽的重量濃度為5-50％，優選地為15至30％。
絕緣材料層優選地基於二氧化矽、氮化矽、多晶矽或無定型矽，更特別地基於二氧化矽。
本發明的另一個優點是由沒有通過矽氧烷鍵連接在一起的並且具有實際上單一分布的顆粒直徑的單個顆粒組成的膠體氧化矽酸性水基懸浮液具有非常好的穩定性，這樣就不會隨著時間而出現沉降。
最後，本發明的主題是用於對基於矽或矽衍生物的絕緣材料層進行化學機械拋光的磨料，所說的磨料包括用含有沒有通過矽氧烷鍵連接在一起的並且顆粒直徑為3-250的單個顆粒的、pH為1.5-4的膠體氧化矽酸性水基懸浮液浸漬過的織物。特別優選的懸浮液在下文中在該方法的操作條件中進行描述。
下列實施例可以更好地理解本發明。
實施例1用基於本發明的膠體氧化矽的酸性水基懸浮液的磨料進行拋光的例子在每一塊晶片上形成約1微米的二氧化矽沉積層，然後在拋光前進行測定。
根據下列標準方法對晶片進行拋光-負載力0.5daN/cm2-板速度25轉/分鐘-載體速度 22轉/分鐘-溫度 20℃-磨料用量 80cm3/分鐘-織物 IC1000，在來自RODEL PRODUCTS的Suba4上每一個例子中所示出的結果是由全二氧化矽晶片針對攻擊速度和攻擊均勻性的百分比以及由結構晶片針對平整化程度而獲得的。
膠體二氧化矽具有下列特徵-膠體二氧化矽基本顆粒的平均直徑12nm-水基懸浮液的pH2.2
-膠體二氧化矽的重量濃度20％可以獲得下列性能-平整化程度78％-二氧化矽攻擊的速度1050埃/分鐘-均勻攻擊的百分比 3％在相同條件下採用具有下列特徵的膠體二氧化矽-膠體二氧化矽基本顆粒的平均直徑25nm-水基懸浮液的pH2.2-膠體二氧化矽的重量濃度20％可以獲得下列性能-平整化程度52％-二氧化矽攻擊的速度1850埃/分鐘-均勻攻擊的百分比 2.5％實驗1用基於膠體氧化矽的鹼性水基懸浮液的磨料進行拋光的對比例子在上述條件下進行拋光，其不同之處在於二氧化矽的重量濃度調整為12-13％。
採用具有下列特徵的市售熱解膠體氧化矽-膠體二氧化矽基本顆粒的平均直徑10nm-顆粒團聚物的平均直徑 150nm-水基懸浮液的pH10.3-活性產物的重量濃度12％可以獲得下列性能-平整化程度42％-二氧化矽攻擊的速度1100埃/分鐘-均勻攻擊的百分比 8.5％採用具有下列特徵的市售熱解膠體氧化矽-膠體二氧化矽基本顆粒的平均直徑25nm-顆粒團聚物的平均直徑 200nm-水基懸浮液的pH10.2
-活性產物的重量濃度 13％可以獲得下列性能-平整化程度 56％-二氧化矽攻擊的速度 1500埃/分鐘-均勻攻擊的百分比 11.5％因此，可以看出一方面，與文獻中所說的相反，與以前所用的膠體氧化矽的鹼性水基懸浮液相比，採用具有相同粒徑的膠體氧化矽的酸性水基懸浮液可以獲得出乎人們意料的氧化矽層的攻擊速度。
另一方面，可以看出膠體氧化矽的酸性水基懸浮液同樣出乎人們意料地比用熱解膠體氧化矽的鹼性水基懸浮液產生非常好的平整化效果並且正是這種基於小顆粒的酸性水基懸浮液在所有試驗產物中出乎人們意料地產生最好的結果。
最後，相對於熱解膠體氧化矽的鹼性水基懸浮液來說，本發明的膠體氧化矽的酸性水基懸浮液可以產生非常均勻的攻擊。
權利要求
1.一種用於對基於矽或矽衍生物的絕緣材料層進行化學機械拋光的方法，其中通過採用含有一種磨料的織物磨擦所說的層而使絕緣材料層磨損，其特徵在於該磨料含有沒有通過矽氧烷鍵連接的單個膠體氧化矽顆粒和作為懸浮介質的水的膠體氧化矽酸性水基懸浮液。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於該膠體氧化矽酸性水基懸浮液的pH為1-6。
3.根據權利要求2的方法，其特徵在於該膠體氧化矽酸性水基懸浮液的pH為2-3。
4.根據權利要求1-3的方法，其特徵在於該膠體氧化矽酸性水基懸浮液含有沒有通過矽氧烷鍵連接在一起的單個顆粒，其直徑為3-250納米。
5.根據權利要求4的方法，其特徵在於該膠體氧化矽酸性水基懸浮液含有沒有通過矽氧烷鍵連接在一起的單個顆粒，其直徑為10-50納米。
6.根據權利要求1-5的方法，其特徵在於該膠體氧化矽酸性水基懸浮液以5-50％氧化矽重量的濃度使用。
7.根據權利要求6的方法，其特徵在於該膠體氧化矽酸性水基懸浮液以15-30％氧化矽重量的濃度使用。
8.根據權利要求1-7中一個權利要求的方法，其特徵在於基於矽或矽衍生物的絕緣材料層是以二氧化矽、氮化矽、多晶矽或無定型矽為基礎的。
9.根據權利要求8的方法，其特徵在於該絕緣材料層是以二氧化矽為基礎的。
10.一種用於對基於矽或矽衍生物的絕緣材料層進行化學機械拋光的磨料，它包括浸漬了膠體氧化矽酸性水基懸浮液的織物，該膠體氧化矽酸性水基懸浮液含有沒有通過矽氧烷鍵連接的單個顆粒，其顆粒直徑為3-250納米，pH為1.5-4。
全文摘要
一種用於對基於矽或矽衍生物的絕緣材料層進行化學機械拋光的方法,其中通過採用一種用作磨料的織物摩擦所說的層而使絕緣材料層磨損,其特徵在於該磨料含有沒有通過矽氧烷鍵連接的單個膠體氧化矽顆粒和作為懸浮介質的水的膠體氧化矽酸性水基懸浮液,以及基於這種懸浮液的新型磨料。
文檔編號H01L21/3105GK1187406SQ97121160
公開日1998年7月15日 申請日期1997年10月22日 優先權日1996年10月23日
發明者E·加魁諾特, M·裡沃利 申請人:科萊恩化學股份有限公司