TWI818914B - 化學機械拋光液 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種化學機械拋光液，包含氧化鈰磨料顆粒、聚四級銨鹽及pH調節劑。本發明中的聚四級銨鹽可控制氧化矽的拋光速率，使得在高壓下達到高的氧化矽拋光速率，在低壓下實現低的氧化矽的拋光速率，從而取得較低碟形凹陷(dishing)。
Description
本發明是關於一種化學機械拋光液領域，尤其關於一種化學機械拋光液及其在控制碟形凹陷中的應用。
氧化鈰是一種重要的CMP拋光液磨料，相比於傳統矽溶膠磨料，氧化鈰對二氧化矽材質具有更高效的拋光特性，已廣泛應用於STI和ILD的CMP拋光。但是，在STI的CMP拋光應用中，通常要求具備高的二氧化矽介質層的拋光速率，而低的氮化矽介質層的拋光速率，最好氮化矽介質層的拋光速率可以接近於零。也就是說，要求高的二氧化矽對氮化矽的選擇比。有機分子能夠有效地抑制氮化矽的拋光速率已有許多報道，比如，Electrochemical and Solid-State Letter ( vol 8(8), page G218-G221, year 2005)報導吡啶甲酸(picolinic acid)等化合物能夠提高拋光液對二氧化矽介質層的拋光速率，同時抑制氮化矽的拋光速率，相比普通拋光液減小至少20倍，使得拋光液對二氧化矽和氮化矽的選擇比超過200。
但是，在STI應用中，除了抑制氮化矽的拋光速率，同時還要控制碟形凹陷(dishing)。其中一種取得低碟形凹陷數值的方式是在高的壓力下(比如，4psi或5psi下)，採用高的氧化矽的拋光速率，在低的壓力下(比如，1.5psi下)，採用低的氧化矽的拋光速率。換言之，氧化矽的速率對壓力的曲線，應該偏離傳統的Prestonian線性方程。而在圖形的晶圓拋光時，則需高點的地方要承受大的壓力，低點(trench)承受的壓力要比高點低很多，CMP的目的就是去除高點的材料，實現平整化。
有報導發現，帶正電的四級氨鹽會對同樣帶正電的氧化鈰摩擦顆粒產生強的電荷排斥作用，但是對帶負電的氧化矽晶圓會有強的吸引作用，從而達到控制氧化矽拋光速率的目的。但是不是所有的四級銨鹽都能很好的控制氧化矽的拋光速率。
本發明發現聚四級銨鹽-6(PQ-6)有獨特的控制氧化矽拋光速率的能力，且可以在較低的濃度下發揮作用。本發明用聚四級銨鹽-6(PQ-6)來控制氧化矽的拋光速率，使得在高壓下達到高的氧化矽的拋光速率，在低壓下實現低的氧化矽的拋光速率，從而取得較低的碟形凹陷(dishing)。
具體地，本發明提供一種化學機械拋光液。該拋光液包含氧化鈰磨料、聚四級銨鹽-6及pH調節劑。本發明可以控制氧化矽的拋光速率，使得在高的壓力下達到較高的氧化矽的拋光速率，在低的壓力下達到較低的氧化矽的拋光速率，從而取得較低碟形凹陷(dishing)。
本發明提供一種化學機械拋光液，其包含氧化鈰研磨顆粒、聚四級銨鹽-6及pH調節劑。 優選地，該氧化鈰研磨顆粒濃度為0.1wt%-2wt%。 較佳地，該聚四級銨鹽-6濃度為1ppm-10ppm，優選地，為4-5ppm。 優選地，該化學機械拋光液的pH值為3.5-5.5。 優選地，該pH調節劑為氫氧化鉀(KOH)及/或硝酸(HNO3
)。
與現有技術相比較，本發明的優勢在於：本發明採用氧化鈰與聚四級銨鹽配合使用的技術方案，利用聚四級銨鹽-6(PQ-6)獨特的控制氧化矽拋光速率的能力，獲得一種可在高壓下達到高的氧化矽的拋光速率，在低壓下實現低的氧化矽的拋光速率，且抑制拋光後碟形凹陷(dishing)的拋光液組合物。
本發明實施例中所選用原料皆市售可得。本發明實施例中將氧化鈰濃度固定為1wt%，選擇小分子的十六烷基三甲基氯化銨(CTMAC)和三甲基苄基氯化銨(BTMAC)，大分子的四級銨鹽是聚四級銨鹽-6(也稱PQ-6)作為四級銨鹽，其分子結構如下所示： R=C16
H33
- 十六烷基三甲基氯化銨 三甲基苄基氯化銨聚四級銨鹽-6
並按照表1中的具體組分及含量，將所有組分溶解混合均勻，用水補足品質百分比至100%，以氫氧化鉀(KOH)或硝酸(HNO3
)調節pH，得到具體實施例如下，其中以不含四級銨鹽的1A作為基準液。 表1：對比例及實施例配比及具體實施結果
將上述實施例和對比例中配製的拋光液分別進行TEOS空白晶圓的化學機械拋光，並將拋光效果進行對比。
拋光條件：拋光機台為Mirra，IC1010拋光墊，Platten和Carrier轉速分別為93rpm和87rpm，壓力1.5psi、2psi、3psi、4psi和5psi，拋光液流速為150mL/min，拋光時間為60秒。
上述對比例和實施例的結果表明，小分子四級銨鹽，如十六烷基三甲基氯化銨(CTMAC)或三甲基苄基氯化銨(BTMAC)只是隨著壓力的降低線性地遞減氧化矽的拋光速率，而聚四級銨鹽-6(PQ-6)能夠選擇性的抑制氧化矽的速率。其中，可見地，當聚四級銨鹽-6(PQ-6)濃度是5ppm時，在壓力為4psi或5psi時，PQ-6並未顯著降低TEOS的拋光速率，但是當壓力小於等於3psi時，TEOS速率減低很明顯，實施例1I對TEOS的拋光速率曲線在壓力為3psi到4psi區間偏離線性區；又，當PQ-6的濃度是4ppm時，實施例1H對TEOS的拋光速率曲線在壓力為2psi到3psi區間的拋光速率曲線偏離線性區。同樣地，從表1中可以看出，在不同拋光液pH條件下，調節拋光液配方中氧化鈰和聚四級銨鹽-6的濃度，得到的拋光液對TEOS的拋光速率與拋光壓力條件間均表現出明顯地非線性關係
按照表2中的具體組分及含量，將所有組分溶解混合均勻，用水補足品質百分比至100%，以氫氧化鉀(KOH)或硝酸(HNO3
)調節pH至4.5，得到具體實施例如下，其中，基準為表1中1A拋光液。 表2對比拋光液和本發明拋光液的拋光效果列表
將上述實施例和對比例中配製的拋光液分別在一定壓力下TEOS空白晶圓的拋光去除速率測量，SiN空白晶圓拋光去除速率測量，以及碟形凹陷(dishing)的測量。其中，拋光條件為拋光機台為Mirra，IC1010拋光墊，Platten和Carrier轉速分別為93rpm和87rpm，拋光液流速為150mL/min，拋光時間為30秒。
其中，TEOS和SiN膜厚是用NanoSpec膜厚測量系統(NanoSpec6100-300, Shanghai Nanospec Technology Corporation)測出的。從晶圓邊緣10mm開始，在直徑線上以同等間距測49個點。拋光速率是49點的平均值。而，將碟形凹陷(dishing)定義為，在氮化矽上面的高點到溝槽底部的高度差。這個高度差是通過高分辨的輪廓儀測量。
表2中用碟形凹陷(dishing)的增加量來衡量碟形凹陷(dishing)的控制能力，碟形凹陷(dishing)增加量越少，表明該拋光液對碟形凹陷(dishing)的控制能力越強。在上述對比例和實施例中拋光液條件下，碟形凹陷(dishing)的測量是在500um/500um(線寬/空間)和100um/100um(線寬/空間)結構上進行的。
結果表明，對比例2A和實施例2B的拋光液都能很好地停在氮化矽層上，幾乎沒有產生氮化矽拋光速率。在2A拋光液條件下，空白TEOS去除量是770Å，但是在500um/500um(線寬/空間)結構上碟形凹陷(dishing)增加量是727Å。這說明，三甲基苄基氯化銨(BTMAC)沒有防止碟形凹陷(dishing)增加的能力。另一方面，在2B拋光液條件下，空白TEOS去除量是1088 Å，但是在500um/500um(線寬/空間)結構上碟形凹陷(dishing)增加量是50Å，說明PQ-6有非常好碟形凹陷(dishing)控制能力。
上述結果表明，高分子的聚四級銨鹽(PQ-6)比小分子的四級銨鹽(BTMAC)更有效地控制STI圖形晶圓的碟形凹陷(dishing)。本發明採用氧化鈰與聚四級銨鹽配合使用的技術方案，利用聚四級銨鹽-6(PQ-6)獨特的控制氧化矽拋光速率的能力，獲得一種可在高壓下達到高的氧化矽的拋光速率，在低壓下實現低的氧化矽的拋光速率，且抑制拋光後碟形凹陷(dishing)的拋光液組合物。
以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為範例，本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。
Claims (4)
- 一種化學機械拋光液，包含氧化鈰磨料、聚四級銨鹽及pH調節劑；其中，該聚四級銨鹽選自聚四級銨鹽-6，該聚四級銨鹽-6的濃度為4ppm-5ppm。
- 如請求項1所述之化學機械拋光液，其中，該氧化鈰磨料濃度為0.1wt%-2wt%。
- 如請求項1所述之化學機械拋光液，其中，該化學機械拋光液的pH值為3.5-5.5。
- 如請求項1所述之化學機械拋光液，其中，該pH調節劑為氫氧化鉀(KOH)及/或硝酸(HNO3)。
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