CN103937411A - 用于介电膜的提高速率的化学机械抛光组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种化学机械抛光组合物，其基本上由二氧化硅、氧化剂、季铵化合物、及水组成。本发明进一步提供一种使用前述抛光组合物来化学机械抛光基板的方法。当用该抛光组合物抛光介电膜时，其提供提高了的抛光速率。

Description

用于介电膜的提高速率的化学机械抛光组合物
本申请是申请日为2007年7月12日、中国申请号为200780027114.3、发明名称为“用于介电膜的提高速率的化学机械抛光组合物”的发明申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及化学机械抛光组合物及方法。
背景技术
集成电路由形成在基板上或基板中的数百万个有源器件构成，该基板例如硅晶片。所述有源器件以化学方式和物理方式连接到基板中且通过使用多层互连而互联形成功能电路。典型的多层互连包含第一金属层、层间介电层、以及第二金属层和某些情况下的后续的金属层。诸如掺杂及未掺杂的二氧化硅(SiO2)和/或低k电介质的层间电介质用以电隔离不同的金属层。形成每一层时，通常使该层平坦化以使后续各层能够形成在该新形成的层上。
钨正在愈来愈多地用作形成集成电路器件内的互连的导电材料。一种在二氧化硅基板上制作平坦钨电路迹线的方法称作镶嵌工艺。根据该工艺的实施方式，钨镶嵌工艺始于完全平坦化的介电表面，该表面以垂直接触孔或通孔来图案化，以便在各层和/或沟槽之间提供电连接以界定电路线路。将粘合促进层(通常为钛或氮化钛)施加至基板表面，以将金属粘附至介电表面并避免金属与介电材料发生反应。然后，使用化学气相沉积工艺沉积钨，以填充孔和/或沟槽。采用化学机械抛光(CMP)以减小钨外层的厚度，以及任何粘合促进层和/或扩散阻挡层的厚度，直至获得暴露出二氧化硅表面的高出部分的平坦表面。通孔及沟槽仍填充有形成电路互连的导电性钨。
可用于钨及其他金属的CMP的抛光组合物通常具有酸性pH值。相对于金属，这种抛光组合物通常以显著低的速率使介电层平坦化。随着金属上覆层的移除，由此暴露出下伏的介电表面，在更缓慢地平坦化该介电表面的同时继续移除剩余在孔和/或沟槽中的金属，这导致孔和/或沟槽中的金属的侵蚀及基板表面的后继非平坦化。因此，在本领域中仍然需要在一个单独的抛光步骤中以类似速率有效抛光金属与介电材料两者的抛光组合物及方法。
发明内容
本发明提供一种基本上由以下物质组成的化学机械抛光组合物：(a)二氧化硅，其具有10nm至40nm的平均初级粒径；(b)氧化剂，其选自过氧化氢、脲过氧化氢、过碳酸盐、过氧化苯甲酰、过乙酸、过氧化钠、二叔丁基过氧化物、单过硫酸盐、二过硫酸盐、铁(III)化合物、及其组合；(c)季铵化合物，其包含具有结构R1R2R3R4N+的阳离子，其中R1、R2、R3及R4独立地选自C2-C6烷基及C7-C12芳烷基；及(d)水，其中该抛光组合物具有1至5的pH值。
本发明还提供一种化学机械抛光基板的方法，该方法包括：(i)使基板与抛光垫及化学机械抛光组合物相接触，该化学机械抛光组合物基本上由以下物质组成：(a)二氧化硅，其具有10nm至40nm的平均初级粒径；(b)氧化剂，其选自过氧化氢、脲过氧化氢、过碳酸盐、过氧化苯甲酰、过乙酸、过氧化钠、二叔丁基过氧化物、单过硫酸盐、二过硫酸盐、铁(III)化合物、及其组合；(c)季铵化合物，其包含具有结构R1R2R3R4N+的阳离子，其中R1、R2、R3及R4独立地选自C2-C6烷基及C7-C12芳烷基；及(d)水，其中该抛光组合物具有1至5的pH值；(ii)相对于该基板移动该抛光垫，其间具有该化学机械抛光组合物；及(iii)磨除该基板的至少一部分以抛光该基板。
本发明通过以下条目内容来实现：
1.一种化学机械抛光组合物，其基本上由以下物质组成：
(a)二氧化硅，其具有10nm至40nm的平均初级粒径；
(b)氧化剂，其选自过氧化氢、脲过氧化氢、过碳酸盐、过氧化苯甲酰、过乙酸、过氧化钠、二叔丁基过氧化物、单过硫酸盐、二过硫酸盐、硝酸盐、铁(III)化合物、及其组合；
(c)季铵化合物，其包含具有结构R1R2R3R4N+的阳离子，其中R1、R2、R3及R4独立地选自C2-C6烷基及C7-C12芳烷基；及
(d)水，
其中该抛光组合物具有1至5的pH值。
2.条目1的抛光组合物，其中该二氧化硅为缩聚二氧化硅。
3.条目2的抛光组合物，其中该二氧化硅以0.1重量%至10重量%的量存在。
4.条目3的抛光组合物，其中该二氧化硅以0.5重量%至8重量%的量存在。
5.条目1的抛光组合物，其中该氧化剂为过氧化氢与铁(III)化合物的组合。
6.条目5的抛光组合物，其中该铁(III)化合物为硝酸铁。
7.条目6的抛光组合物，其中该过氧化氢以1重量%至10重量%的量存在，且该硝酸铁以0.1ppm至100ppm的量存在。
8.条目1的抛光组合物，其中该季铵化合物以100ppm至5000ppm的量存在。
9.条目8的抛光组合物，其中该季铵化合物包含选自四乙基铵、四丙基铵、四丁基铵、及四戊基铵的阳离子。
10.一种化学机械抛光基板的方法，该方法包括：
(i)使基板与抛光垫及化学机械抛光组合物相接触，该化学机械抛光组合物基本上由以下物质组成：
(a)二氧化硅，其具有10nm至40nm的平均初级粒径；
(b)氧化剂，其选自过氧化氢、脲过氧化氢、过碳酸盐、过氧化苯甲酰、过乙酸、过氧化钠、二叔丁基过氧化物、单过硫酸盐、二过硫酸盐、硝酸盐、铁(III)化合物、及其组合；
(c)季铵化合物，其包含具有结构R1R2R3R4N+的阳离子，其中R1、R2、R3及R4独立地选自C2-C6烷基及C7-C12芳烷基；及
(d)水，
其中该抛光组合物具有1至5的pH值，
(ii)相对于该基板移动该抛光垫，其间具有该化学机械抛光组合物，及
(iii)磨除该基板的至少一部分以抛光该基板。
11.条目10的方法，其中该二氧化硅为缩聚二氧化硅。
12.条目11的方法，其中该二氧化硅以0.1重量%至10重量%的量存在。
13.条目12的方法，其中该二氧化硅以0.5重量%至8重量%的量存在。
14.条目10的方法，其中该氧化剂为过氧化氢与铁(III)化合物的组合。
15.条目14的方法，其中该铁(III)化合物为硝酸铁。
16.条目15的方法，其中该过氧化氢以0.1重量%至10重量%的量存在，且该硝酸铁以1ppm至100ppm的量存在。
17.条目10的方法，其中该季铵化合物以100ppm至5000ppm的量存在。
18.条目17的方法，其中该季铵化合物包含选自四乙基铵、四丙基铵、四丁基铵、及四戊基铵的阳离子。
19.条目10的方法，其中该基板包含氧化硅。
20.条目19的方法，其中该基板进一步包含选自钨、铜、钽、氮化钽、铝、钛、氮化钛、及其组合的金属。
具体实施方式
本发明提供一种基本上由以下物质组成的化学机械抛光组合物：(a)二氧化硅，其具有10nm至40nm的平均初级粒径；(b)氧化剂，其选自过氧化氢、脲过氧化氢、过碳酸盐、过氧化苯甲酰、过乙酸、过氧化钠、二叔丁基过氧化物、单过硫酸盐、二过硫酸盐、铁(III)化合物、及其组合；(c)季铵化合物，其包含具有结构R1R2R3R4N+的阳离子，其中R1、R2、R3及R4独立地选自C2-C6烷基及C7-C12芳烷基；及(d)水，其中该抛光组合物具有1至5的pH值。
抛光组合物含有二氧化硅作为研磨剂。二氧化硅可为任何适当形式的二氧化硅。二氧化硅的有用形式包括，但不限于，热解二氧化硅、沉淀二氧化硅及缩聚二氧化硅。优选地，二氧化硅为缩聚二氧化硅。缩聚二氧化硅颗粒通常通过缩合Si(OH)4以形成胶状颗粒而制备。前体Si(OH)4可例如通过高纯度烷氧基硅烷的水解或通过硅酸盐水溶液的酸化而获得。这种研磨剂颗粒可根据美国专利5,230,833制备、或者可以作为多种市售产品，诸如FusoPL-1、PL-2及PL-3产品、及Nalco1050、2327及2329产品、以及可得自DuPont、Bayer、Applied Research、Nissan Chemical及Clariant的其它类似产品中的任何产品而获得。
如本领域中所熟知的，研磨剂颗粒包含处于最低结构层次的初级颗粒。初级颗粒通过构成颗粒的原子之间的共价键形成，而且对于除最苛刻的条件外的所有条件均为稳定的。在下一结构层次中，初级颗粒结合成二级颗粒，其通常被称为聚集体。聚集体颗粒包含初级颗粒，且聚集体颗粒通过共价键及静电相互作用结合在一起且通常耐受由例如机械能量输入(如，高剪切混合)而导致的降解。在下一结构层次中，聚集体更松散地结合为团块。通常，团块可经由机械能量输入而解离为成分聚集体。取决于具体组成及制备方法，初级颗粒和二级颗粒(例如，聚集体)可具有球形至椭圆形的形状，且某些聚集体可具有延伸的链状结构。例如，热解二氧化硅通常以具有链状结构的聚集体的形式存在。沉淀二氧化硅(例如，通过中和硅酸钠而制备的二氧化硅)具有聚集体结构，其中近似球形的初级颗粒结合为类似“葡萄串”的聚集体。初级研磨剂颗粒与聚集的初级颗粒(例如，二级颗粒)均可以平均粒径表征。在这点上，粒径指包裹该颗粒的最小球体的直径。应当注意，在某些条件下可制备单分散的二氧化硅颗粒，其中该单分散颗粒基本上是非聚集的。
研磨剂通常具有10nm或更大(例如，15nm或更大、或者20nm或更大)的平均初级粒径。优选地，研磨剂具有40nm或更小(例如，35nm或更小、或者30nm或更小)的平均初级粒径。更优选地，研磨剂具有10nm至40nm、或15nm至35nm的平均初级粒径。
当研磨剂包含初级颗粒的聚集体时，研磨剂通常具有20nm或更大(例如，30nm或更大、或者40nm或更大、或者50nm或更大)的平均聚集体粒径。优选地，研磨剂具有150nm或更小(例如，100nm或更小、或者90nm或更小、或者80nm或更小)的平均聚集体粒径。更优选地，研磨剂具有20nm至150nm、或30nm至100nm、或40nm至90nm、或50nm至80nm的平均聚集体粒径。
研磨剂合意地悬浮于抛光组合物中，更具体而言悬浮于抛光组合物的水中。当研磨剂悬浮于抛光组合物中时，研磨剂优选是胶体稳定的。术语胶体是指研磨剂颗粒在水中的悬浮液。胶体稳定性是指悬浮液随时间的保持性。在本发明的上下文中，若出现如下情形便认为研磨剂是胶体稳定的：当将研磨剂置于100ml量筒中且使其无扰动地静置两小时之时，量筒的底部50ml中的颗粒浓度([B]，以g/ml为单位)与量筒的顶部50ml中的颗粒浓度([T]，以g/ml为单位)之间的差值除以研磨剂组合物中颗粒的初始浓度([C]，以g/ml为单位)小于或等于0.5(即，{[B]-[T]}/[C]≤0.5)。合意地，[B]-[T]/[C]的值小于或等于0.3，且优选小于或等于0.1。
抛光组合物中可存在任何合适量的二氧化硅。通常，抛光组合物中可存在0.1重量%或更多的二氧化硅(例如，0.5重量%或更多、或者1重量%或更多、或者2重量%或更多)。抛光组合物中的二氧化硅的量优选不超过10重量%且更优选不超过8重量%。甚至更优选地，二氧化硅占抛光组合物的0.5重量%至10重量%(例如，1重量%至8重量%)。
抛光组合物含有作用于铜(即，使铜氧化)的氧化剂。氧化剂选自过氧化氢、脲过氧化氢、过碳酸盐、过氧化苯甲酰、过乙酸、过氧化钠、二叔丁基过氧化物、单过硫酸盐、二过硫酸盐、硝酸盐、铁(III)化合物、及其组合。在本文中，将所述的除铁(III)化合物之外的氧化剂称为过型(per-type)氧化剂。当抛光组合物含有硝酸盐时，抛光组合物通常还含有选自特定组的至少一种其他氧化剂。优选地，氧化剂选自过氧化氢、铁(III)化合物、及其组合。更优选地，氧化剂为过氧化氢与铁(III)化合物的组合，最优选的是过氧化氢与硝酸铁的组合。
抛光组合物可含有任何合适量的氧化剂。抛光组合物通常含有0.1重量%或更多(例如，0.5重量%或更多、或者1重量%或更多、或者1.5重量%或更多)的氧化剂。优选地，抛光组合物含有10重量%或更少(例如，9重量%或更少、或者8重量%或更少、或者7重量%或更少)的氧化剂。
当抛光组合物含有过型氧化剂与铁(III)化合物的组合时，抛光组合物通常含有1ppm或更多(例如，5ppm或更多、或者10ppm或更多、或者20ppm或更多)的铁(III)化合物。优选地，在抛光组合物中存在100ppm或更少(例如，90ppm或更少、或者80ppm或更少)的铁(III)化合物。在这样的情况下，抛光组合物合意地含有一定量的过型氧化剂(与对于氧化剂的总体描述相同)。不希望被任何具体理论约束，当抛光组合物用以抛光包含金属的基板时，认为铁(III)化合物通过接受来自金属的电子以被还原为铁(II)化合物，从而使金属氧化。过型化合物用以使铁(II)化合物再氧化为铁(III)化合物，但过型氧化剂除了用作铁(III)化合物的再氧化剂之外，其还可能直接使金属氧化。
抛光组合物含有包含具有结构R1R2R3R4N+的阳离子的季铵化合物，其中四烷基铵阳离子的R1、R2、R3及R4基团独立地选自直链、支链、或环状C2-C6烷基或C7-C12芳烷基残基。季铵化合物包含任何合适的阴离子。合适的阴离子的实例包括：氢氧根、氯离子、溴离子、碘离子、硝酸根、硫酸根、硫酸氢根、磷酸根、磷酸氢根、磷酸二氢根、及磺酸根(例如，对甲苯磺酸根)。在一些实施方式中，抛光组合物可包含两种或更多种的季铵化合物，这些季铵化合物如本文所述。
适合的四烷基铵阳离子的实例包括：四乙基铵、四丙基铵、四丁基铵、四戊基铵、四己基铵、苄基三甲基铵、及其类似物。优选地，四烷基铵阳离子为四乙基铵、四丙基铵、或四丁基铵。适合的四烷基铵化合物的具体实例包括，但不限于，氢氧化四乙铵、硝酸四乙铵、氢氧化四丙铵、硝酸四丙铵、氢氧化四丁铵、及硝酸四丁铵。
应当理解，抛光组合物中的四烷基铵化合物的具体性质取决于与用以制备抛光组合物的四烷基铵化合物有关的特定阴离子以及抛光组合物的pH值。举例而言，若使用氢氧化四烷基铵配制抛光组合物且在使用点(例如，在正以抛光组合物抛光的基板的表面上)处的抛光组合物的pH值是酸性的(即，其中抛光组合物的pH值小于7)，则因氢氧根与用以调节抛光组合物的pH值的特定酸的快速酸碱反应，相对于由氢氧化四烷基铵所供应的氢氧根的初始浓度，氢氧根的平衡浓度会降低。因此，在酸性pH值下，存在于抛光组合物中的实际四烷基铵化合物将包含用以调节抛光组合物的pH值的酸的共轭碱。举例而言，包含在水中的氢氧化四烷基铵且用硝酸调节至pH值3的抛光组合物将包含在该特定pH值下的硝酸四烷基铵。
抛光组合物可含有任何合适量的四元化合物。通常，在抛光组合物中存在10ppm或更高(例如，100ppm或更高)的四元化合物。更通常地，在抛光组合物中存在250ppm或更高(例如，500ppm或更高)的四元化合物。四元化合物的量通常不超过5000ppm(例如，不超过2500ppm)。优选地，四元化合物的量为250ppm至2500ppm(例如，500ppm至2250ppm、或者750ppm至2000ppm)。
抛光组合物合意地具有9或更低(例如，8或更低、或者6或更低、或者4或更低)的pH值。优选地，该抛光组合物具有1或更高(例如，2或更高)的pH值。甚至更优选地，抛光组合物具有2至5(例如，2至4)的pH值。任选地，抛光组合物含有pH值调节剂，例如，硝酸或氢氧化钾。任选地，抛光组合物含有pH缓冲体系，例如，邻苯二甲酸氢钾。许多这种pH缓冲体系是本领域所公知的。
当抛光组合物含有铁(III)化合物与过型氧化剂的组合时，抛光组合物任选地包含稳定剂。已经公知，在不使用稳定剂的情况下，在包括铁(III)化合物的许多金属离子存在下，过氧化氢及其他过型氧化剂是不稳定的。在没有稳定剂的情况下，金属离子与过型氧化剂可以使过型氧化剂随时间推移而降解的方式反应。
适当的稳定剂改进过型氧化剂的稳定性，但并不实质地影响化学机械抛光组合物的化学性质，这是因为稳定剂的存在基本上不影响抛光组合物在用以化学机械抛光给定的基板时所展现的移除速率。有用的稳定剂包括(但不限于)：磷酸、有机酸(诸如，丙二酸、柠檬酸、己二酸、草酸、邻苯二甲酸、及乙二胺四乙酸)、腈类、及其它能够与金属离子结合且降低该金属离子对过化合物的反应性的配体。应当理解，上述酸可以盐(例如，金属盐、铵盐等)、酸、或以其部分盐的形式存在。举例而言，丙二酸盐类包括丙二酸、以及其单盐及二盐。优选的稳定剂选自丙二酸、柠檬酸、己二酸、草酸、及其混合物。尤其优选的稳定剂为丙二酸。
稳定剂可以任何适当的量存在于抛光组合物中。合意地，稳定剂的量是基于存在于组合物中的铁(III)化合物的量。优选地，相对于铁(III)化合物的量，稳定剂的量为1摩尔当量或更高(例如，2摩尔当量或更高)。相对于铁(III)化合物的量，稳定剂的量通常少于5摩尔当量。
任选地，抛光组合物含有杀生物剂以在储存期间抑制抛光组合物中细菌的生长。合适的杀生物剂的非限制性实例包括来自Rohm and Haas,Philadelphia,PA的杀生物剂。
合意地，抛光组合物不含有腐蚀抑制剂。在本发明的上下文中，腐蚀抑制剂是这样的组分，当将其添加到抛光组合物中时，其起到降低使用本发明抛光组合物所抛光的金属的移除速率和/或静态蚀刻速率的作用。腐蚀抑制剂的实例包括阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性表面活性剂及聚合物、以及杂环有机化合物。阴离子表面活性剂包括具有选自磺酸盐、硫酸盐、羧酸盐、磷酸盐、及其衍生物的官能团的表面活性剂。非离子表面活性剂包括基于硅的化合物、基于氟的化合物、酯、环氧乙烷衍生物、醇、乙氧基化物、醚、糖苷、及其衍生物。两性表面活性剂包括聚羧酸盐、聚丙烯酰胺、纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、及其衍生物。起到腐蚀抑制剂作用的杂环有机化合物的实例包括唑(azole)诸如咪唑及其衍生物、以及***诸如苯并***、甲苯基***、及其类似物。
可通过任何合适的技术来生产化学机械抛光组合物，其中许多是本领域技术人员已知的。举例而言，二氧化硅、氧化剂及季铵化合物可在将抛光组合物施用至基板之前在水中组合，或者可在基板抛光前或基板抛光期间以(例如)含水分散体或含水溶液的形式将其分别施用至抛光垫或基板上。一般而言，抛光组合物的组分可通过将各成分以任何次序组合来制备。本文所用的术语“组分”包括单独成分(例如，二氧化硅、氧化剂、季铵化合物等)以及各成分的任何组合。
举例而言，氧化剂与季铵化合物可以预定浓度在水中组合并混合直至这些组分完全溶解。然后，可添加二氧化硅的浓缩分散体，且将该混合物稀释，以在最终的抛光组合物中获得所需的二氧化硅浓度。任选地，可在制备抛光组合物期间的任何时刻(例如，在添加氧化剂和季铵化合物之前或之后，及在添加二氧化硅之前或之后)，将稳定剂、杀生物剂和/或pH值调节剂添加到抛光组合物中，并且通过任何能够将各成分引入到抛光组合物中的方法而混合。如果需要的话，可过滤该混合物，以在使用前移除诸如团聚的二氧化硅或其他污染物的大颗粒污染物。
抛光组合物可在使用前制备，其中，刚好在使用前(例如，在使用前的1分钟内、或在使用前的5分钟内、或在使用前的1小时内、或在使用前的24小时内、或在使用前的7天内)，将一种或多种组分(诸如氧化剂)添加至抛光组合物中。举例而言，当抛光组合物含有过型氧化剂及铁(III)化合物时，过型氧化剂在铁(III)化合物的存在下可分解。在此情况下，过型氧化剂或铁(III)化合物可在使用前不久(例如，在使用前的1分钟内、或在使用前的5分钟内、或在使用前的1小时内、或在使用前的24小时内、或在使用前的7天内)添加至抛光组合物中。
可将化学机械抛光组合物作为含有二氧化硅、氧化剂、季铵化合物和水的单料包(one package)体系供应。任选地，可将一种或多种氧化剂置于第二或第三容器中。此外，第一或第二容器中的组分可为干燥形式，而在相应容器中的组分可为含水分散体形式。若氧化剂为固体，则其可以干燥形式或作为含水混合物而与抛光组合物的其他组分分开供应。抛光组合物的各组分的其他两个容器、或三个或更多个容器的组合均在本领域技术人员的知识范围内。
抛光组合物还可作为意欲在使用前用适当量的水稀释的浓缩物提供。在这样的实施方式中，抛光组合物浓缩物可包含二氧化硅、氧化剂、季铵化合物以及水，其量使得在用适量的水稀释该浓缩物时，抛光组合物的每一组分将以在各组分的前述适当范围内的量存在于抛光组合物中。例如，二氧化硅、氧化剂和季铵化合物的各自存在浓度可以是各组分的上述浓度的2倍(例如，3倍、4倍或5倍)，以使得当用等体积的水(例如，分别用2等体积的水、3等体积的水、或4等体积的水)稀释该浓缩物时，每一组分在抛光组合物中的存在量处于上述每一组分的量的范围内。此外，本领域技术人员应当理解，浓缩物可含有适当分数的存在于最终抛光组合物中的水，以确保氧化剂、季铵化合物及其他任选的组分(例如，稳定剂和/或杀生物剂)至少部分或全部溶解在浓缩物中。在另一实施方式中，抛光组合物浓缩物可含有二氧化硅、季铵化合物和水，其量使得当用适量的氧化剂水溶液稀释浓缩物时，抛光组合物的各组分将以在各组分的前述适当范围内的量存在于抛光组合物中。
尽管抛光***的各组分可在使用前很久或甚至在使用前不久进行组合，但抛光组合物的各组分可在使用点处或在使用点附近组合。如本文中所使用的，术语“使用点”是指抛光组合物与基板表面相接触的点。当采用使用点混合来对抛光组合物的各组分进行组合时，抛光组合物的各组分分别储存于两个或更多个储存装置中。
为了在使用点处或在使用点附近混合储存装置中所含的抛光组合物的各组分，储存装置通常具备一条或多条自各储存装置引导至抛光组合物的使用点(例如，压板或基板表面)的流体路线。术语“流体路线”是指自单独的储存容器至该储存容器中所储存的组分的使用点的流体路径。一条或多条流体路线可各自直接引导至使用点处，或在使用多于一条流体路线的情况下，可在任一点将两条或更多条流体路线组合为引导至使用点处的单条流体路线。此外，一条或多条流体路线(例如，单独的流体路线或者组合的流体路线)中的任一者在到达组分的使用点之前，均可首先被引导至一个或多个其他装置(例如，泵送装置、测量装置、混合装置等)中。抛光组合物的各组分传输至基板表面的流动速率(即，抛光组合物的特定组分的传输量)在抛光工艺之前和/或在抛光工艺期间可改变，使得抛光组合物的抛光特性(例如，抛光速率)得以改变。
可将抛光组合物的各组分独立地传输至使用点处(例如，可将各组分传输至这样的基板表面，各组分在抛光工艺期间在该基板表面上进行混合)，或者可以在即将传输至使用点处之前将各组分进行组合。若各组分在到达使用点处之前的不到10秒钟内进行组合、优选在到达使用点处之前的不到5秒钟内进行组合、更优选在到达使用点处之前的不到1秒钟内进行组合、或甚至在与各组分在使用点处的传输同时进行组合(例如，将各组分在分散器处组合)，则各组分“在即将传输至使用点处之前”组合。若各组分在使用点的5m内(诸如在使用点的1m内)或甚至在使用点的10cm内(例如，在使用点的1cm内)进行组合，则各组分也“在即将传输至使用点处之前”组合。
当抛光组合物的两种或更多种组分在到达使用点之前组合时，这些组分可在流体路线中组合并传输至使用点而无需使用混合装置。或者，一条或多条流体路线可引导到混合装置中，以促进两种或更多种组分的组合。可以使用任何适合的混合装置。举例而言，混合装置可为其中流过两种或更多种组分的喷嘴或喷口(例如，高压喷嘴或喷口)。或者，混合装置可为包含一个或多个入口以及至少一个出口的容器型混合装置，其中抛光组合物中的两种或更多种组分经由所述入口引入到混合器中，且经混合的组分经由所述出口离开混合器以直接或经由设备的其他组件(例如经由一条或多条流体路线)传输至使用点。此外，混合装置可包含多于一个的腔室，各腔室具有至少一个入口及至少一个出口，其中在各腔室中将两种或更多种组分组合。若使用容器型混合装置，则该混合装置优选包含混合机构以进一步促进各组分的组合。混合机构是本领域中公知的，且其包括搅拌器、混合器、搅动器、桨式挡板、气体喷射***、振动器等。
本发明进一步提供一种化学机械抛光基板的方法，其包括：(i)将基板与抛光垫及本文所述的抛光组合物相接触；(ii)相对于该基板移动该抛光垫，其间具有该抛光组合物；及(iii)磨除该基板的至少一部分以抛光该基板。
本发明的方法可用于抛光任何适合的基板，且本发明的方法尤其可用于抛光包含诸如金属氧化物、多孔金属氧化物及玻璃(例如，硼磷硅玻璃)的绝缘层的基板。适合的金属氧化物包括氧化硅。当绝缘层包含氧化硅时，氧化硅可得自任何适合的前体。优选地，氧化硅衍生自硅烷前体，更优选得自诸如原硅酸四乙酯(TEOS)的经氧化的硅烷前体。可使用任何适合的方法来制备氧化硅，例如通过原硅酸四乙酯的等离子体增强沉积(PETEOS)来制备氧化硅。
本发明的方法可用于抛光包含介电层的任何适合的基板。在这点上，本发明方法可用于与层间电介质(ILD)抛光相结合。本发明方法尤其可用于抛光包含绝缘层并进一步包含选自钨、铜、钽、氮化钽、铝、钛、氮化钛、及其组合的金属的基板，且本发明方法尤其可用于抛光包含氧化硅和钨的基板。合适的基板包括用于半导体工业的晶片。抛光组合物尤其适于平坦化或抛光已经经历所谓的镶嵌工艺的包含钨和氧化硅的基板。镶嵌工艺通常涉及提供硅基板，在该硅基板上沉积一层氧化硅，然后沉积粘附层(例如，钛或氮化钛)。沟槽和/或通孔的图案通过光刻法界定在基板的顶层上，然后，蚀刻该经图案化的区域以在基板表面中提供沟槽和/或通孔。基板外覆有钨，以填充沟槽和/或通孔，且使用抛光组合物通过化学机械抛光移除过量的钨，使得沟槽和/或通孔中的钨基本上与保留在基板表面上的氧化硅齐平。合意地，使用本发明的抛光组合物进行基板抛光以移除钨并暴露氧化硅，优选使得基本上移除钨，且使二氧化硅足够地平坦化而无基板表面上的钨的过量侵蚀。有利地，当抛光组合物包含低含量的氧化剂、或甚至基本上不包含氧化剂时，在移除过量的钨之后，可使用抛光组合物来磨光该基板，或者可使用抛光组合物来化学机械抛光介电层(例如，包含层间电介质的基板)。
本发明的抛光方法特别适于与化学-机械抛光(CMP)装置结合使用。通常，该装置包括：压板，其在使用时处于运动中且具有由轨道、线性或圆周运动导致的速度；抛光垫，其与该压板接触且当运动时与该压板一起移动；以及载体，其固持待通过与抛光垫表面接触并相对于抛光垫表面移动而进行抛光的基板。基板的抛光通过如下发生：与抛光垫及本发明的抛光组合物相接触而放置基板，然后，相对于基板移动抛光垫，以便磨除该基板的至少一部分来抛光该基板。
基板可使用本发明的抛光组合物以任何合适的抛光垫(例如，抛光表面)来进行抛光。合适的抛光垫包括，例如，编织和非编织抛光垫。此外，合适的抛光垫可以包含具有不同密度、硬度、厚度、压缩性、压缩回弹能力及压缩模量的任何合适的聚合物。合适的聚合物包括，例如，聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龙、碳氟化合物、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨基甲酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、其共形成产物、及其混合物。
合意地，CMP装置进一步包含原位抛光终点检测***，其中许多是本领域已知的。通过分析从工件表面反射的光或其他辐射来检测和监控抛光过程的技术是本领域已知的。这类方法描述在例如美国专利第5,196,353号、美国专利第5,433,651号、美国专利第5,609,511号、美国专利第5,643,046号、美国专利第5,658,183号、美国专利第5,730,642号、美国专利第5,838,447号、美国专利第5,872,633号、美国专利第5,893,796号、美国专利第5,949,927号及美国专利第5,964,643号中。合意地，对于正被抛光的工件的抛光过程进展的检测或监控使得能够确定抛光终点，即确定何时终止对特定工件的抛光过程。
该实施例进一步说明本发明，但当然不应理解为以任何方式对其范围进行限制。
实施例
在该实施例中，抛光实验总体上涉及：在基板对抛光垫的17.5kPa(2.5psi)下压力、22.5kPa(3.3psi)的副载体压力、17.5kPa(2.5psi)的背面压力、22.5kPa(3.3psi)的环压力、100rpm的压板速度、55rpm的载体速度、150mL/min的抛光组合物流动速率、及同心槽CMP垫的异位(ex-situ)调节下，使用市售抛光工具。
该实施例展示了以本发明的抛光组合物所观测到的缩聚二氧化硅的平均初级粒径对二氧化硅的移除速率的影响。
分别使用三种不同的抛光组合物(组合物A～C)抛光类似的二氧化硅层。每种抛光组合物均包含8重量%的缩聚二氧化硅、1000ppm的氢氧化四丁铵、65ppm的丙二酸、0.0506重量%的硝酸铁、26ppm的杀生物剂、及2重量%的过氧化氢，且每种抛光组合物的pH值均为3.3。所使用的缩聚二氧化硅为日本大阪的Fuso Chemical Co.的PL-2、PL-5和PL-7产品。组合物A(本发明)进一步包含8重量%的具有25nm平均初级颗粒直径的二氧化硅(Fuso PL-2)。组合物B(对比)进一步包含8重量%的具有50nm平均初级颗粒直径的二氧化硅(Fuso PL-5)。组合物C(对比)进一步包含8重量%的具有70nm平均初级颗粒直径的二氧化硅(Fuso PL-7)。
在使用抛光组合物后，测定二氧化硅(“氧化物”)的移除速率。结果示于表中。
表：二氧化硅初级粒径对二氧化硅移除速率的影响
表中所示的结果说明：与具有50nm或70nm的平均初级粒径的缩聚二氧化硅相比，具有25nm的平均初级粒径的缩聚二氧化硅的使用在二氧化硅层的抛光中提供了显著提高的移除速率。

Claims (18)

1.一种化学机械抛光组合物，其基本上由以下物质组成：
(a)二氧化硅，其具有20nm至30nm的平均初级粒径；
(b)氧化剂，其中该氧化剂为过氧化氢与铁(III)化合物的组合；
(c)季铵化合物，其包含具有结构R1R2R3R4N+的阳离子，其中R1、R2、R3及R4独立地选自C2-C6烷基及C7-C12芳烷基；及
(d)水，
其中该抛光组合物具有2至4的pH值，和
该抛光组合物不含有腐蚀抑制剂。
2.权利要求1的抛光组合物，其中该二氧化硅为缩聚二氧化硅。
3.权利要求2的抛光组合物，其中该二氧化硅以0.1重量%至10重量%的量存在。
4.权利要求3的抛光组合物，其中该二氧化硅以0.5重量%至8重量%的量存在。
5.权利要求1的抛光组合物，其中该铁(III)化合物为硝酸铁。
6.权利要求5的抛光组合物，其中该过氧化氢以1重量%至10重量%的量存在，且该硝酸铁以0.1ppm至100ppm的量存在。
7.权利要求1的抛光组合物，其中该季铵化合物以100ppm至5000ppm的量存在。
8.权利要求7的抛光组合物，其中该季铵化合物包含选自四乙基铵、四丙基铵、四丁基铵、及四戊基铵的阳离子。
9.一种化学机械抛光基板的方法，该方法包括：
(i)使基板与抛光垫及化学机械抛光组合物相接触，该化学机械抛光组合物基本上由以下物质组成：
(a)二氧化硅，其具有20nm至30nm的平均初级粒径；
(b)氧化剂，其中该氧化剂为过氧化氢与铁(III)化合物的组合；
(c)季铵化合物，其包含具有结构R1R2R3R4N+的阳离子，其中R1、R2、R3及R4独立地选自C2-C6烷基及C7-C12芳烷基；及
(d)水，
其中该抛光组合物具有2至4的pH值，和
该抛光组合物不含有腐蚀抑制剂，
(ii)相对于该基板移动该抛光垫，其间具有该化学机械抛光组合物，及
(iii)磨除该基板的至少一部分以抛光该基板。
10.权利要求9的方法，其中该二氧化硅为缩聚二氧化硅。
11.权利要求10的方法，其中该二氧化硅以0.1重量%至10重量%的量存在。
12.权利要求11的方法，其中该二氧化硅以0.5重量%至8重量%的量存在。
13.权利要求9的方法，其中该铁(III)化合物为硝酸铁。
14.权利要求13的方法，其中该过氧化氢以0.1重量%至10重量%的量存在，且该硝酸铁以1ppm至100ppm的量存在。
15.权利要求9的方法，其中该季铵化合物以100ppm至5000ppm的量存在。
16.权利要求15的方法，其中该季铵化合物包含选自四乙基铵、四丙基铵、四丁基铵、及四戊基铵的阳离子。
17.权利要求9的方法，其中该基板包含氧化硅。
18.权利要求17的方法，其中该基板进一步包含选自钨、铜、钽、氮化钽、铝、钛、氮化钛、及其组合的金属。
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