Абразивные частицы для механической полировки - RU2356926C2

Чертежи

Описание

Уровень техники

Изобретение относится к абразивным частицам и суспензиям, содержащим частицы, а также к способам механохимической планаризации (CMP), использующим суспензии.

Суспензии, содержащие абразивные и/или химически активные частицы в жидкой среде, используют для различных применений при полировке и планаризации. Некоторые применения включают в себя полировку технического стекла, механических дисков памяти, исходных кремниевых пластин и нержавеющей стали, используемой в медицинских устройствах. CMP используют для выравнивания и сглаживания подложки до очень высокой степени однородности. CMP используют в разнообразных применениях, включая полировку стеклянных продуктов, таких как лицевые стеклянные пластины плоских панелей дисплеев, и планаризацию устройств на основе пластин во время производства полупроводников. Например, полупроводниковая промышленность использует CMP для планаризации диэлектрических и металлических пленок, а также структурированных металлических слоев на различных стадиях производства интегральных схем. Во время изготовления поверхность пластины, как правило, разделяется на множество участков (как правило, прямоугольных), на которых формируются фотолитографические изображения, как правило, идентичные структурам схемы, от одного участка к другому. Каждый из прямоугольных участков в итоге становится индивидуальным шаблоном, после того как пластина разделяется на индивидуальные куски.

Шаблон интегральной схемы, предпочтительно в очень больших интегральных (VLSI) полупроводниковых схемах, изготавливается посредством осаждения и формирования структур как проводящего слоя (или слоев), так и непроводящего (изолирующего) слоя или слоев на полупроводниковой пластине. Современная технология, как правило, использует изоляторы на основе двуокиси кремния, хотя все большее распространение находят и другие материалы. Слои формируются в виде слоистой, ламинированной конфигурации, расположенные один поверх другого, создавая непланарный рельеф. Один из источников непланарности создается непроводящими или диэлектрическими слоями, которые формируются поверх выступающих проводящих линий или других деталей в слоях, лежащих ниже, создавая рельефную структуру в слоях, лежащих выше. Планаризация необходима для точного осаждения и структурирования последующих слоев.

Другой источник непланарности создается посредством способа медной дамасской технологии и возрастающей потребности в планарных или гладких твердых дисках. В способе медной дамасской технологии (1) в диэлектрическом слое вытравливаются канавки, (2) осаждается барьерный слой, тонким слоем покрывающий канавку и тонким слоем покрывающий диэлектрик вблизи канавки, (3) осаждается медь с такой толщиной, чтобы заполнить канавку, в то же время, нанося покрытие на участки рядом с канавкой, и (4) используют способ CMP для сошлифовывания меди в областях вблизи канавки, в то же время оставляя медь настолько много, насколько это возможно, в канавке.

Устройства на основе интегральных схем становятся все более изощренными и более сложными, количество слоев, которые действуют друг на друга, увеличивается. Когда увеличивается количество слоев, проблемы с планарностью также, как правило, увеличиваются. Планаризация слоев во время обработки интегральных схем становится главной проблемой и составляет главные затраты при производстве полупроводниковых приборов. Требования к планарности приводят к появлению ряда подходов, и в последнее время технологии CMP используются для планаризации полупроводниковых пластин. CMP заключается в перемещении непланаризованной неполированной поверхности относительно полирующей площадки с суспензией CMP, расположенной между площадкой и поверхностью, которую обрабатывают. Как правило, это осуществляется посредством непрерывного нанесения на площадку суспензии и вращения площадки по отношению к подложке при относительно низких скоростях. Суспензия CMP содержит, по меньшей мере, один или два компонента; абразивные частицы для механического удаления материала подложки и один или несколько реагентов для химического удаления материала подложки. Реагенты, как правило, представляют собой простые комплексообразующие агенты или окислители, в зависимости от материалов, которые должны полироваться, и кислоты или основания для установления pH.

Суспензии CMP могут разделяться на категории на основе материалов, которые должны полироваться. Полировка оксидов относится к полировке внешнего или подслойного диэлектрика в интегральных схемах, в то время как полировка металла представляет собой полировку металлических соединений (контактов) в интегральных схемах. Двуокись кремния и окись алюминия наиболее широко используются в качестве абразивов для полировки металлов, в то время как двуокись кремния используется почти исключительно для полировки оксидов. Окись церия также используется в некоторых применениях, включая полировку металлов и полировку полимеров.

Диапазон параметров, которые характеризуют действие полирующей суспензии, представляет собой шкалу оценок для эффективности полирующих суспензий.

Эти параметры включают в себя скорость истирания, то есть скорость, с которой удаляется материал, который должен полироваться, селективность, то есть отношение скоростей полировки материала, который должен полироваться, к другим материалам, которые присутствуют на поверхности подложки, и параметры, которые представляют однородность планаризации. Параметры, используемые для представления однородности планаризации, обычно представляют собой неоднородность в пределах одной пластины (WIWNU) и неоднородность от пластины к пластине (WTWNU), а также количество дефектов на единицу площади.

В различных суспензиях CMP уровня техники исходный материал для производства полирующих суспензий представлял собой частицы оксидов, таких как двуокиси кремния, которые содержат большие агрегаты более мелких первичных частиц, то есть мелкие в целом сферические первичные частицы вторично соединяются друг с другом с образованием частиц большего размера, нерегулярной формы. Таким образом, для производства полирующих суспензий необходимо, чтобы эти агрегаты были разрушены на частицы, которые являются настолько малыми, насколько это возможно. Это достигается посредством введения энергии сдвига. Энергия сдвига вызывает разрушение агрегатов двуокиси кремния. Однако, поскольку эффективность введения энергии сдвига зависит от размера частиц, невозможно производить частицы с размером и формой первичных частиц, используя силу сдвига. Полирующие суспензии, производимые таким образом, имеют тот недостаток, что агрегаты не разрушаются полностью. Фракция крупных частиц может приводить к повышенному образованию царапин или дефектов на поверхности подложки, которая должна полироваться.

Определенные усилия были направлены на конструирование компонента абразивных частиц. Например, патент США № 5264010, полное содержание которого включается сюда в качестве ссылки, описывает абразивную композицию для применения при планаризации поверхности подложки, где абразивный компонент содержит 3-50 мас.% оксида церия, 8-20 мас.% мелкодисперсной двуокиси кремния и 15-45 мас.% осажденной двуокиси кремния. Патент США № 5527423, полное содержание которого включается сюда в качестве ссылки, описывает суспензию для применения при механохимической полировке слоев металлов. Суспензия содержит абразивные частицы, которые представляют собой агломераты очень малых частиц и образуются из различных видов мелкодисперсной двуокиси кремния или коллоидной окиси алюминия. Агломерированные частицы, как правило из мелкодисперсных материалов, имеют зубчатую неправильную форму. Частицы имеют распределение размеров агрегатов, где почти все частицы меньше чем примерно 1 мкм, а средний диаметр агрегата меньше чем примерно 0,4 мкм.

Патент США № 5693239, полное содержание которого включается сюда в качестве ссылки, описывает суспензию CMP, которая содержит абразивные частицы, где примерно 15 мас.% частиц представляют собой кристаллическую окись алюминия, а оставшиеся частицы представляют собой менее абразивные материалы, такие как гидроокиси алюминия, двуокись кремния и т.п.

Патент США № 5376222, полное содержание которого включается сюда в качестве ссылки, описывает использование основных золей двуокиси кремния, содержащих сферические частицы, имеющих pH в пределах между 9 и 2,5. Такие полирующие суспензии имеют то преимущество, что они состоят практически только из отдельных сферических частиц, что приводит к низким уровням царапания и других дефектов на поверхности, которая должна полироваться.

Недостатком этих полирующих суспензий является их более низкая скорость полировки, при минимизации доли дефектов.

Попытки увеличения скорости полировки, при минимизации дефектов, сосредоточились на распределении размеров частиц абразивного компонента. Патент США № 6143662, публикации заявок на патенты США № 2002/0003225 A1 и 2003/0061766 A1, полное содержание которых включается сюда в качестве ссылок, описывают суспензии CMP, содержащие абразивные частицы, имеющие очень узкое распределение размеров частиц, которое является бимодальным или мультимодальным по природе. При том, что суспензии демонстрируют более высокую скорость полировки, такие суспензии страдают возникновением более высоких плотностей дефектов.

Соответственно, по-прежнему существует необходимость в полирующих суспензиях с улучшенными свойствами. В частности, полирующие суспензии, которые обеспечивают достаточно высокую скорость полировки, повышенную гладкость поверхности подложки, хорошую планаризацию и низкие плотности дефектов, являются необходимыми для современного производства VLSI.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к абразивной композиции для полировки подложек, содержащей множество абразивных частиц, имеющих распределение размеров полидисперсных частиц, при этом медианный размер частиц, по объему, составляет от примерно 20 нм до примерно 100 нм, значение разброса, по объему, является равным или большим чем примерно 20 нм, где фракция частиц, больших чем примерно 100 нм, составляет менее чем или равна примерно 20 об.% абразивных частиц.

Настоящее изобретение также относится к абразивной суспензионной композиции для полировки подложек, содержащей множество абразивных частиц, имеющих распределение размеров полидисперсных частиц, при этом медианный размер частиц, по объему, составляет от примерно 20 нм до примерно 100 нм, значение разброса, по объему, является равным или большим чем примерно 20 нм, где фракция частиц, равных или больших чем примерно 100 нм, составляет менее чем или равна примерно 20 об.% абразивных частиц; и раствор, имеющий один или несколько химических реагентов.

Настоящее изобретение также относится к способу полировки подложек с помощью абразивной композиции посредством обеспечения подложки, которую необходимо полировать; и полировки подложки с использованием множества абразивных частиц, имеющих распределение размеров полидисперсных частиц, при этом медианный размер частиц, по объему, составляет от примерно 20 нм до примерно 100 нм, значение разброса, по объему, является равным или большим чем примерно 20 нм, где фракция частиц, равных или больших чем примерно 100 нм, составляет менее чем или равна примерно 20 об.% абразивных частиц.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой графическое представление примера абразива по настоящему изобретению, имеющего распределение размеров полидисперсных частиц (по объему).

Фиг.2 представляет собой графическое представление кумулятивного распределения объема примера абразива по настоящему изобретению, имеющего распределение размеров полидисперсных частиц.

Подробное описание изобретения

Термин "абразив", как он здесь используется, означает любой синтетический и/или природный неорганический и органический материал, который является относительно инертным, когда он используется в суспензиях CMP, такой, например, как мелкодисперсная двуокись кремния, коллоидная и осажденная двуокись кремния, оксид алюминия, силикат алюминия, оксид церия, двуокись титана, оксид циркония и т.п.; глины, такие как слюда, бентонит, смектит, лапонит и т.п.; полимеры, такие как полистирол, полиметилметакрилат и т.п.; и любые их сочетания и/или смеси.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения коллоидная двуокись кремния используется в качестве абразива. Под термином "коллоидная двуокись кремния" или "золь коллоидной двуокиси кремния" подразумеваются частицы, происходящие из дисперсий или золей, в которых частицы не осаждаются из дисперсии в течение относительно продолжительных периодов времени. Такие частицы, как правило, меньше одного микрона в размере. Коллоидная двуокись кремния, имеющая средний размер частицы в пределах от примерно 1 до примерно 300 нм, и способы для ее изготовления хорошо известны в данной области. См. патенты США 2244325; 2574902; 2577484; 2577485; 2631134; 2750345; 2892797; 3012972 и 3440174, содержание которых включается сюда в качестве ссылок.

Золи двуокиси кремния могут быть получены посредством конденсации разбавленных растворов кремниевой кислоты, которые только что получены из растворов молекулярных силикатов, реже посредством пептизации силикагелей или посредством других способов. Большая часть способов получения золей двуокиси кремния, которые осуществляются в промышленном масштабе, используют растворы силиката натрия или калия промышленного качества, полученных из жидкого стекла. Силикаты натрия являются предпочтительными по соображениям стоимости, а силикаты натрия с массовым отношением двуокиси кремния к соде примерно 3,2-3,34:1 являются наиболее предпочтительными. Натриевые жидкие стекла или калиевые жидкие стекла являются пригодными исходными материалами, используемыми при производстве растворов силиката натрия или силиката калия. Жидкие стекла обычно получают посредством высокотемпературного плавления двуокиси кремния и соды или поташа. Раствор силиката натрия или силиката калия получают посредством растворения измельченной формы стекла в воде при повышенных температурах и/или давлениях. Другие способы получения силикатов натрия известны и включают в себя взаимодействие мелкодисперсного кварца или других пригодных для использования исходных материалов на основе двуокиси кремния со щелочью при гидротермальных условиях.

Получение золей двуокиси кремния, используемых в полирующих абразивах, как рассматривается в патентах, упоминаемых здесь, включает в себя удаление некоторой части или большинства катионов металлов, присутствующих в разбавленном растворе силиката натрия, обычно с помощью катионообменного материала в водородной форме. Во многих описанных способах разбавленный силикат натрия проходит через слой катионообменной смолы для удаления натрия, и полученная "кремниевая кислота" добавляется в емкость, содержащую либо достаточное количество щелочи для поддержания раствора при pH от нейтрального до щелочного, либо щелочной золь из полученных ранее частиц коллоидной двуокиси кремния. Описывается также другой способ, который включает в себя одновременное добавление разбавленного раствора силиката натрия и ионообменной смолы к воде, разбавленному раствору силиката натрия или щелочному золю полученных ранее частиц коллоидной двуокиси кремния, так что pH поддерживается при постоянном, щелочном значении. Любой из этих способов может использоваться для изготовления золей коллоидной двуокиси кремния по настоящему изобретению. Изменяя условия скоростей добавления, pH, температуры и природы раствора (суспензии), могут выращиваться частицы, охватывающие диапазон от примерно 1 до примерно 300 нм в диаметре и имеющие удельные площади поверхности от примерно 9 до примерно 3000 м²/г (измеренные с помощью БЭТ), в золях, которые имеют отношения SiO₂:Na₂O от примерно 40:1 до примерно 300:1. Полученные золи могут дополнительно концентрироваться посредством ультрафильтрования, дистилляции, вакуумной дистилляции или других подобных средств. Хотя они могут быть стабильными при pH от примерно 1 до примерно 7 в течение относительно коротких периодов времени, они являются неограниченно стабильными при щелочных pH, в частности, от примерно pH 8 до примерно pH 11. Ниже pH примерно 8, частицы коллоидной двуокиси кремния будут иметь тенденцию к агрегации и образованию гелей. Выше pH примерно 11, и определенно выше pH 12, частицы будут иметь тенденцию к растворению.

Возможно также получение используемых золей двуокиси кремния посредством других способов. Например, это получение возможно посредством гидролиза тетраэтилортосиликата (TEOS). Золи двуокиси кремния, полученные с помощью этих способов, как правило, являются очень дорогими и по этой причине находят ограниченное использование.

Большинство золей коллоидной двуокиси кремния содержат щелочь. Щелочь обычно представляет собой гидроксид щелочного металла из группы IA Периодической таблицы (гидроксиды лития, натрия, калия и т.п.). Большинство коммерчески доступных золей коллоидной двуокиси кремния содержат гидроксид натрия, который происходит, по меньшей мере, частично, из силиката натрия, используемого для получения коллоидной двуокиси кремния, хотя гидроксид натрия может также добавляться для стабилизации золя от гелеобразования. Они могут также стабилизироваться с помощью других щелочных соединений, таких как гидроксид аммония или органические амины различных типов. Если присутствие иона натрия или другого щелочного металла является вредным для применения при полировке, золь коллоидной двуокиси кремния может быть деионизован с помощью катионообменной смолы в водородной форме, а затем повторно стабилизирован с помощью желаемого щелочного соединения.

Щелочные соединения стабилизируют частицы коллоидной двуокиси кремния посредством взаимодействия с силанольными группами, присутствующими на поверхности коллоидных частиц двуокиси кремния. Результатом этого взаимодействия является то, что коллоидные частицы двуокиси кремния обладают отрицательным зарядом, который создает отталкивающий барьер для межчастичной агрегации и гелеобразования. Альтернативно, поверхность коллоидной двуокиси кремния может модифицироваться для стабилизации частиц. Один из способов, описанный в патенте США 2892797, полное содержание которого включается сюда в качестве ссылки, приводит к созданию алюмосиликатного аниона на поверхности частицы и приданию отрицательного заряда коллоидной частице двуокиси кремния. Еще в одном способе, как описано в патентах США 3007878, 3620978 и 3745126, полное содержание которых включается сюда в качестве ссылок, коллоидные частицы двуокиси кремния могут быть положительно заряжены посредством нанесения на частицу покрытия из оксида многовалентного металла. Соответствующие многовалентные оксиды включают в себя трех- и четырехвалентный металлические алюминий, цирконий, титан, галлий и хром, но предпочтительным является алюминий.

Коллоидная двуокись кремния, особенно пригодная для настоящего изобретения, представляет собой соединение, которое известно как полидисперсная коллоидная двуокись кремния. "Полидисперсная" определяется здесь как обозначающая дисперсию частиц, имеющую распределение размеров частиц, в котором медианный размер частиц находится в пределах 15-100 нм и которое имеет относительно широкое распределение. "Разброс" определяется здесь как означающий меру ширины распределения размеров частиц. Пригодные для использования распределения являются такими, что медианный размер частиц, по объему, составляет от примерно 20 нм до примерно 100 нм; значение разброса, по объему, является равным или большим чем примерно 15 нм; и фракция частиц, большая чем 100 нм, составляет менее чем или равна примерно 20 об.% абразивных частиц. Диапазон (по объему) разброса измеряют посредством вычитания размера частиц d₁₀ (то есть размера, ниже которого находятся 10 об.% частиц) из размера частиц d₉₀ (то есть размера, ниже которого находятся 90 об.% частиц), генерированных с использованием микрофотографий, сделанных с использованием методологий измерения размеров частиц с использованием трансмиссионного электронного микроскопа (TEM). Например, TEM фотографии образцов абразивных частиц анализируются с помощью обычного программного обеспечения для цифрового анализа изображений, для определения взвешенных по объему медианных диаметров частиц и распределений размеров. В результате, распределение имеет относительно широкий разброс и, кроме того, очень малое количество частиц, которые являются относительно большими (например, большими чем 100 нм). См. фиг.1. Такие большие частицы вносят вклад в царапание и появление дефектов на поверхности подложки после осуществления способа CMP. В дополнение к этому, присутствие значительного количества больших частиц (например, больших чем 100 нм) в дисперсии может приводить к оседанию во время хранения, приводя к образованию неоднородной суспензии и к возможному образованию осадка из частиц большего размера на нижней поверхности контейнера для хранения. После образования такого осадка полностью повторно диспергировать осевшие частицы трудно, и любая восстановленная суспензия может содержать агрегаты частиц. Более того, использование контейнеров для хранения, содержащих неоднородные распределения или суспензии частиц, или использование суспензий, содержащих большие агрегаты частиц, может не полностью обеспечить преимущества от выгод полировки по настоящему изобретению.

Предпочтительные распределения частиц являются такими, где абразивные частицы имеют медианный размер частиц, по объему, от примерно 20, 25, 30 или 35 нм до примерно 100, 95, 90 или 85 нм; значение разброса, по объему, равное или большее чем примерно 15, 18, 20, 22, 25 или 30 нм; и фракцию частиц, больших чем примерно 100 нм, равную или меньшую, чем 20, 15, 10, 5, 2, 1, или большую чем 0-1 об.% абразивных частиц. Важно отметить, что любая из величин, приведенных здесь, относительно медианных размеров частиц, значений разброса и фракций частиц больше 100 нм, может использоваться для изготовления абразивных частиц в любом сочетании. Например, пригодное для использования распределение абразивных частиц содержит медианный размер частиц, по объему, от примерно 25 нм до примерно 95 нм, значение разброса, по объему, равное или большее чем примерно 18 нм, и фракцию частиц, больших чем примерно 100 нм, равную или меньшую, чем примерно 20 об.% абразивных частиц. Предпочтительное распределение абразивных частиц имеет медианный размер частиц, по объему, от примерно 25 нм до примерно 100 нм, значение разброса, по объему, равное или большее чем примерно 18 нм, и фракцию частиц, больших чем примерно 100 нм, равную или меньшую, чем примерно 15 об.% абразивных частиц. Более предпочтительное распределение абразивных частиц имеет медианный размер частиц, по объему, от примерно 25 нм до примерно 100 нм, значение разброса, по объему, равное или большее чем примерно 25 нанометров, и фракцию частиц, больших чем примерно 100 нм, равную или меньшую, чем примерно 10 об.% абразивных частиц. Еще более предпочтительное распределение абразивных частиц имеет медианный размер частиц, по объему, от примерно 25 нм до примерно 100 нм, значение разброса, по объему, равное или большее чем примерно 30 нм, и фракцию частиц, больших чем примерно 100 нм, равную или меньшую чем примерно 5 об.% абразивных частиц.

В другом варианте осуществления, настоящее изобретение также относится к абразивной суспензионной композиции для полировки подложек, содержащей множество абразивных частиц, имеющих распределение размеров полидисперсных частиц, как описано здесь, в растворе, содержащем один или несколько химических реагентов.

Настоящая суспензия CMP может использоваться в сочетании с любым пригодным для использования компонентом (или ингредиентом), известным в данной области, например, с дополнительными абразивами, окисляющими агентами, катализаторами, пленкообразующими агентами, комплексообразующими агентами, агентами для контроля реологии, поверхностно-активными веществами (то есть, поверхностно-активными агентами), полимерными стабилизаторами, регуляторами pH, ингибиторами коррозии и другими соответствующими ингредиентами.

В сочетании с настоящим изобретением может использоваться любой пригодный для использования окисляющий агент. Пригодные для использования окисляющие агенты включают в себя, например, окисленные галогениды (например, хлораты, броматы, йодаты, перхлораты, перброматы, перйодаты, фторидсодержащие соединения и их смеси и т.п.). Пригодные для использования окисляющие агенты также включают в себя, например, перборную кислоту, пербораты, перкарбонаты, нитраты (например, нитрат железа (III) и гидроксиламина нитрат), персульфаты (например, персульфат аммония), пероксиды, пероксикислоты (например, перуксусную кислоту, пербензойную кислоту, м-хлорпербензойную кислоту, их соли, их смеси и т.п.), перманганаты, хроматы, соединения церия, феррицианиды (например, феррицианид калия), их смеси и т.п. Является также удобным для композиции, используемой в сочетании с настоящим изобретением, чтобы она содержала окисляющие агенты, как приведено, например, в патенте США № 6015506, полное содержание которого включается сюда в качестве ссылки.

В сочетании с настоящим изобретением может использоваться любой пригодный для использования катализатор. Пригодные для использования катализаторы включают в себя металлические катализаторы и их сочетания. Катализатор может выбираться из соединений металлов, которые имеют множество окислительных состояний, таких как Ag, Go, Cr, Cu, Fe, Mo, Mn, Nb, Ni, Os, Pd, Ru, Sn, Ti и V, но не ограничиваясь этим. Термин "множество окислительных состояний" относится к атому и/или соединению, которые имеют количество валентностей, которое может быть выражено, как результат потери одного или нескольких отрицательных зарядов в форме электронов. Катализаторы на основе железа включают в себя, но не ограничиваются этим, неорганические соли железа, такие как нитрат железа (II или III), сульфат железа (II или III), галогениды железа (II или III), включая фториды, хлориды, бромиды и йодиды, а также перхлораты, перброматы и перйодаты, и органические соединения железа (II или III), такие как, но не ограничиваясь этим, ацетаты, ацетилацетонаты, цитраты, глюконаты, оксалаты, фталаты и сукцинаты, и их смеси.

В сочетании с настоящим изобретением может использоваться любой пригодный для использования пленкообразующий агент (то есть, ингибитор коррозии). Пригодные для использования пленкообразующие агенты включают в себя, например, гетероциклические органические соединения (например, органические соединения с одной или несколькими активными функциональными группами, такими как гетероциклические кольца, в частности, гетероциклические кольца, содержащие азот). Пригодные для использования пленкообразующие агенты включают в себя, например, бензотриазол, триазол, бензимидазол и их смеси, как приведено в публикации патента США № 2001/0037821 A1, полное содержание которой включается сюда в качестве ссылки.

В сочетании с настоящим изобретением может использоваться любой пригодный для использования комплексообразующий агент (то есть, хелатирующий агент или усилитель селективности). Пригодные для использования комплексообразующие агенты включают в себя, например, карбонильные соединения (например, ацетилацетонаты и т.п.), простые карбоксилаты (например, ацетаты, арилкарбоксилаты и т.п.), карбоксилаты, содержащие одну или несколько гидроксильных групп (например, гликоляты, лактаты, глюконаты, галловую кислоту и ее соли и т.п.), ди-, три- и поликарбоксилаты (например, оксалаты, фталаты, цитраты, сукцинаты, тартраты, малаты, эдетаты (например, динатрий EDTA), их смеси и т.п.), карбоксилаты, содержащие одну или несколько сульфоновых и/или фосфоновых групп, и карбоксилаты, как приведено в публикации патента США № 2001/0037821 A1, полное содержание которого включается сюда в качестве ссылки. Пригодные для использования хелатирующие или комплексообразующие агенты также могут включать в себя, например, ди-, три- или полиспирты (например, этиленгликоль, пирокатехол, пирогаллол, таниновую кислоту и т.п.) и соединения, содержащие фосфаты, например, фосфониевые соли, и фосфоновые кислоты, как приведено, например, в заявке на патент США, серийный № 09/405249, полное содержание которой включается сюда в качестве ссылки. Комплексообразующие агенты также могут включать в себя аминсодержащие соединения (например, аминокислоты, аминоспирты, ди-, три- и полиамины и т.п.). Примеры аминсодержащих соединений включают в себя метиламин, диметиламин, триметиламин, этиламин, диэтиламин, триэтиламин, этаноламин, диэтаноламин, диэтаноламин додекат, триэтаноламин, изопропаноламин, диизопропаноламин, триизопропаноламин, нитрозодиэтаноламин и их смеси. Пригодные для использования аминсодержащие соединения дополнительно включают в себя соли аммония (например, TMAH и соединения четвертичного аммония). Аминсодержащее соединение также может представлять собой любое пригодное для использования катионное аминсодержащее соединение, такое, например, как гидрированные амины и соединения четвертичного аммония, которое адсорбирует слой нитрида кремния, присутствующий на подложке, которую полируют, и уменьшает, по существу уменьшает или даже ингибирует (то есть, блокирует) удаление нитрида кремния во время полировки.

В сочетании с настоящим изобретением может использоваться любое пригодное для использования поверхностно-активное вещество и/или агент для контроля реологии, включая агенты для повышения вязкости и коагулянты. Пригодные для использования агенты для контроля реологии включают в себя, например, полимерные агенты для контроля реологии. Кроме того, пригодные для использования агенты для контроля реологии включают в себя, например, полимеры уретана (например, полимеры уретана с молекулярной массой, большей, примерно, чем 100000 Дальтон), и акрилаты, содержащие одну или несколько акриловых субъединиц (например, винилакрилатов и стиролакрилатов), и их полимеры, сополимеры и олигомеры, и их соли. Пригодные для использования поверхностно-активные вещества включают в себя, например, катионные поверхностно-активные вещества, анионные поверхностно-активные вещества, анионные полиэлектролиты, неионные поверхностно-активные вещества, амфотерные поверхностно-активные вещества, фторированные поверхностно-активные вещества, их смеси и т.п.

Композиция, используемая в сочетании с настоящим изобретением, может содержать любой пригодный для использования полимерный стабилизатор или другой поверхностно-активный диспергирующий агент, как приведено в публикации патента США № 2001/0037821 A1, полное содержание которой включается сюда в качестве ссылки. Пригодные для использования полимерные стабилизаторы включают в себя, например, фосфорную кислоту, органические кислоты, оксиды олова, органические фосфонаты, их смеси и т.п.

Будет понятно, что многие из рассмотренных выше соединений могут существовать в форме соли (например, соли металла, соли аммония или подобные), кислоты или в виде неполной соли. Например, цитраты включают в себя лимонную кислоту, а также ее моно-, ди- и трисоли; фталаты включают в себя фталевую кислоту, а также ее моносоли (например, калий гидрофталат) и ее дисоли; перхлораты включают в себя соответствующую кислоту (то есть, перхлорную кислоту), а также ее соли. Кроме того, соединения, перечисленные здесь, классифицируются для иллюстративных целей; нет намерения ограничивать использование этих соединений. Как заметят специалисты в данной области, определенные соединения могут осуществлять более чем одну функцию. Например, некоторые соединения могут функционировать в качестве как хелатирующего, так и окисляющего агента (например, определенные нитраты железа (III) и т.п.).

Любой из компонентов, используемых в сочетании с настоящим изобретением, может обеспечиваться в форме смеси или раствора, в соответствующем жидком носителе или растворителе (например, в воде или соответствующем органическом растворителе). Кроме того, как упомянуто, соединения, сами по себе или в любом сочетании, могут использоваться в качестве компонента полирующей или чистящей композиции. Тогда два или более компонентов хранятся по отдельности и по существу смешиваются с образованием полирующей или чистящей композиции, при достижении точки использования или непосредственно перед этим. Компонент может иметь любой pH, соответствующий с точки зрения хранения и предполагаемого конечного использования, как будет очевидно специалистам в данной области. Кроме того, pH компонента, используемого в сочетании с настоящим изобретением, может регулироваться любым соответствующим образом, например, посредством добавления регулятора pH, регулятора или буфера. Пригодные для использования регуляторы pH, регуляторы или буферы включают в себя кислоты, такие, например, как хлористоводородная кислота, кислоты, такие как минеральные кислоты (например, азотная кислота, серная кислота, фосфорная кислота) и органические кислоты (например, уксусная кислота, лимонная кислота, малоновая кислота, янтарная кислота, винная кислота и щавелевая кислота). Пригодные для использования регуляторы pH, регуляторы или буферы также включают в себя основания, такие, например, как неорганический гидроксид, основания (например, гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид аммония и т.п.) и карбонатные основания (например, карбонат натрия и т.п.).

Полирующие и чистящие компоненты, описанные здесь, могут объединяться любым способом и при любой пропорции, для создания одной или нескольких композиций, пригодных для полировки или чистки подложки (например, полупроводниковой подложки). Пригодные для использования полирующие композиции приведены, например, в патентах США № 5116535, 5246624, 5340370, 5476606, 5527423, 5575885, 5614444, 5759917, 5767016, 5783489, 5800577, 5827781, 5858813, 5868604, 5897375, 5904159, 5954997, 5958288, 5980775, 5993686, 6015506, 6019806, 6033596 и 6039891, а также в заявках на международные патенты WO 97/43087, WO 97/47030, WO 98/13536, WO 98/23697 и WO 98/26025, полное содержание которых включается сюда в качестве ссылок. Пригодные для использования чистящие композиции приведены, например, в патенте США № 5837662, полное содержание которого включается сюда в качестве ссылки. Полное содержание этих патентов и публикаций включается сюда в качестве ссылок.

В одном из вариантов осуществления настоящее изобретение также относится к способу полировок подложек с помощью абразивной композиции, обеспечивающей полировку подложки; и к полировке подложки с использованием множества абразивных частиц, имеющих распределение размеров полидисперсных частиц, при этом медианный размер частиц, по объему, составляет от примерно 30 нм до примерно 90 нм, значение разброса, по объему, является равным или большим чем примерно 20 нм.

Настоящая суспензия CMP может использоваться для полировки и планаризации вместе с любой пригодной для использования подложкой. Подложка может включать в себя любой из следующих далее материалов в виде отдельного слоя (например, при полировке твердого диска) или в виде множества слоев, в любой конфигурации, такой, например, в которой они находятся при производстве IC или VLSI (например, включая ситуации, где множество слоев и/или материалов экспонируются и полируются одновременно, как при обработке с помощью медной дамасской технологии). Подложки, которые должны планаризоваться, могут включать в себя проводящие, сверхпроводящие, полупроводниковые и изолирующие материалы (например, с высокой диэлектрической постоянной (k), с обычной k, низкой k и сверхнизкой k). Пригодные для использования подложки включают в себя, например, металл, оксид металла, металлический композит, или их смеси или сплавы. Подложка может состоять из любого соответствующего металла. Пригодные для использования металлы включают в себя, например, медь, алюминий, титан, вольфрам, тантал, золото, платину, иридий, рутений и их сочетания (например, сплавы или смеси). Подложка также может состоять из любого пригодного для использования оксида металла. Пригодные для использования оксиды металлов включают в себя, например, оксид алюминия, двуокись кремния, оксид титана, оксид церия, оксид циркония, оксид германия, оксид магния и соответствующие их продукты, и их смеси. В дополнение к этому, подложка может содержать любую пригодную для использования композицию металлов и/или сплав металлов. Пригодные для использования композиты металлов и сплавы металлов включают в себя, например, нитриды металлов (например, нитрид тантала, нитрид титана и нитрид вольфрама), карбиды металлов (например, карбид кремния и карбид вольфрама), фосфиды металлов, силициды металлов, сплавы металл-фосфор (например, никель-фосфор) и т.п. Подложка также может включать в себя любой пригодный для использования материал полупроводниковой основы, такой, например, как материалы группы IV, группы II-VI и группы III-V. Например, пригодные для использования материалы полупроводниковой основы включают в себя монокристаллический, поликристаллический, аморфный кремний, кремний на изоляторе, углерод, германий и арсенид галлия, теллурид кадмия, сплавы кремния/германия и сплавы кремния/германия/углерода. В сочетании с настоящим изобретением также могут использоваться стеклянные подложки, включая техническое стекло, оптическое стекло и керамику различных типов, известных в данной области (например, алюмоборосиликатное, боросиликатное стекло, фторированное силикатное стекло (FSG), фосфосиликатное стекло (PSG), борфосфосиликатное стекло (BPSG) и т.п.). Подложки также могут содержать полимерные материалы. Подложки и/или их материалы могут содержать легирующие добавки, которые изменяют проводимость материала, такие, например, как кремний, легированный бором или фосфором и т.п. Пригодные для использования материалы с низкими k и сверхнизкими k включают в себя, например, легированные пленки диоксида кремния (например, диоксид кремния, легированный фтором или углеродом), стекла (например, FSG, PSG, BPSG и т.п.), кварц (например, HSSQ, MSSQ и т.п.), углерод (например, алмазоподобный углерод, фторированный алмазоподобный углерод и т.п.), полимеры (например, полиимиды, фторированные полиимиды, парилен N, бензоциклобутены, ароматические реактопласты/PAE, фторполимеры парилена F и т.п.), пористые материалы (например, аэрогели, ксерогели, мезопористая окись кремния, пористый HSSQ/MSSQ, пористая органика и т.п.) и так далее.

Например, настоящее изобретение может использоваться в сочетании с жесткими дисками или дисками памяти, металлами (например, благородными металлами), барьерными слоями, слоями ILD, интегральными схемами, полупроводниковыми устройствами, полупроводниковыми пластинами, микроэлектромеханическими системами, ферроэлектриками, магнитными головками или любым другим электронным устройством. Настоящий способ является особенно полезным при полировке или планаризации полупроводникового устройства, например, полупроводниковых устройств, имеющих геометрию деталей устройства примерно 0,25 мкм или меньше (например, 0,18 мкм или меньше). Термин "деталь устройства", как здесь используется, относится к компоненту с единственной функцией, такому как транзистор, резистор, конденсатор, интегральная схема или подобное. Детали устройства полупроводниковой подложки становятся все меньше, и степень планаризации становится более критичной. Поверхность полупроводникового устройства рассматривается как достаточно планарная, когда размеры самых маленьких деталей устройства (например, деталей устройства 0,25 мкм или меньше, таких как детали устройства 0,18 мкм или меньше) могут разрешаться на поверхности посредством фотолитографии. Планарность поверхности подложки может также быть выражена как мера расстояния между топографически самыми высокими и самыми низкими точками на поверхности. В контексте полупроводниковых подложек расстояние между высокими и низкими точками на поверхности желательно является меньшим, чем примерно 2000 Å, предпочтительно, меньшим, чем примерно 1500 Å, более предпочтительно меньшим, чем примерно 500 Å, и наиболее предпочтительно меньшим, чем примерно 100 Å.

Настоящее изобретение может использоваться для полировки любой части подложки (например, полупроводникового устройства), на любой стадии, при производстве подложки. Например, настоящее изобретение может использоваться для полировки полупроводникового устройства в сочетании с обработкой изоляции мелкой канавки (STI), как приведено, например, в патентах США № 5498565, 5721173, 5938505 и 6019806 (полное содержание которых включается сюда в качестве ссылок), или в сочетании с формированием диэлектрика между слоями.

При типичном способе CMP, суспензия, содержащая дисперсию абразивных частиц по настоящему изобретению, используется в сочетании с одной или несколькими добавками, приведенными здесь. Количество абразивных частиц в суспензии может находиться в пределах от примерно 0,001 до примерно 20 мас.%, предпочтительно от примерно 0,01 до примерно 15 мас.%, и более предпочтительно от примерно 0,01 до примерно 10 мас.%, от суспензии. Остаток суспензии может содержать воду, растворители и другие добавки, как приведено здесь. pH суспензии может находиться в пределах от 1 до 11,5, предпочтительно от 2 до 11. Скорость удаления при способе полировки изменяется в зависимости от материала, который полируется, но, как правило, является большей чем 100 нм/мин, предпочтительно большей чем 200 нм/мин, более предпочтительно, большей чем 250 нм/мин, для более твердых материалов (например, твердого диска, стекла и т.п.). Для более мягких материалов (например, меди и других металлов) скорость удаления, как правило, является большей чем 400 нм/мин, предпочтительно большей чем 600 нм/мин. Шероховатость поверхности (Ra) для полируемых материалов, как правило, является меньшей чем 0,75 нм, предпочтительно меньшей чем 0,69 нм, и более предпочтительно меньшей чем 0,65 нм; и максимальная разница пик/впадина (P/V), как правило, является меньшей чем 6,49 нм, предпочтительно меньшей чем 5,99 нм, более предпочтительно меньшей чем 5,50 нм.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, суспензия CMP содержит диспергирующую среду, полидисперсные абразивные частицы и окисляющий агент; при этом суспензия, имеющая содержание абразивных твердых продуктов 5 мас.% от суспензии и pH от примерно 2,3, удаляет фосфид никеля с подложки из фосфида никеля со скоростью, по меньшей мере, 155 нм/мин, используя полировальное устройство Labopol-5 с площадкой Rodel DPC 6350, имеющее силу прижатия 30 Н и скорость вращения 150 об/мин. Способ CMP и компоненты суспензии используются, как приведено в примере 1. Предпочтительно, скорость удаления равна, по меньшей мере, примерно 200 нм/мин при шероховатости поверхности (Ra), меньшей чем примерно 0,69 нм, и разности пик/впадина (P/V) меньшей чем примерно 6,6 нм, более предпочтительно скорость удаления равна, по меньшей мере, примерно 225 нм/мин при шероховатости поверхности (Ra), меньшей чем примерно 0,65 нм, и разности пик/впадина (P/V), меньшей чем примерно 6,5 нм.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, суспензия CMP содержит диспергирующую среду, полидисперсные абразивные частицы и окисляющий агент; при этом суспензия, имеющая содержание абразивных твердых продуктов 5 мас.% от суспензии и pH от примерно 6,3, удаляет стекло со стеклянной подложки со скоростью, по меньшей мере, 155 нм/мин, с использованием полировального устройства Labopol-5 с площадкой Rodel DPC 6350, имеющего силу прижатия 30 Н при скорости вращения 150 об/мин. Способ CMP и компоненты суспензии используются, как приведено в примере 3. Предпочтительно, скорость удаления равна, по меньшей мере, примерно 200 нм/мин при шероховатости поверхности (Ra), меньшей чем примерно 0,55 нм, и разности пик/впадина (P/V), меньшей чем примерно 14,5 нм, более предпочтительно скорость удаления равна, по меньшей мере, примерно 225 нм/мин при шероховатости поверхности (Ra), меньшей чем примерно 0,50 нм, и разности пик/впадина (P/V), меньшей чем примерно 14,0 нм.

Полное содержание всех патентов и публикаций, перечисленных в настоящей заявке, включаются сюда в качестве ссылок.

Следующие далее примеры приводятся как конкретные иллюстрации заявляемого изобретения. Нужно понимать, однако, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными деталями, приведенными в примерах. Все доли и проценты в примерах, так же как и в остальном описании, приводятся по массе, если не указано иного.

Кроме того, любой диапазон чисел, упоминаемый в описании или формуле изобретения, например, такой, который представляет конкретный набор свойств, условий, физических состояний или процентов, предназначен здесь для буквального явного включения в себя любого числа, находящегося внутри такого диапазона, включая любое подмножество чисел с таким диапазоном, упоминаемым таким образом. Любые модификации настоящего изобретения, в дополнение к тем, которые показаны и описаны здесь, станут очевидны специалистам в данной области из приведенного выше описания и прилагаемых чертежей. Такие модификации, как предполагается, попадают в рамки прилагаемой формулы изобретения.

Пример 1

Сравнительная полировка NiP (полировка твердого диска)

При этом сравнении определяются скорость полировки и гладкость поверхности после полировки для абразивных частиц (приведены в таблице I), суспендированных в водном растворе, содержащем H₂O₂ (2 мас.% по отношению к суспензии в целом) и молочную кислоту (2 мас.% по отношению к суспензии в целом). pH всех суспензий равен 2,3±0,1. Полировку осуществляют с использованием полировального устройства Labopol-5, доступного от Struers A/S, с силой прижатия 30 Н, скоростью вращения 150 об/мин и скоростью потока суспензии 60 мл/мин (на полировальное устройство). Используемая площадка представляет собой Rodel DPC 6350. Подложка, используемая для полировки, представляет собой NiP на алюминии. Подложки представляют собой 9,5-см диски, приобретенные от Komag (San Jose, CA), и имеют 12-15-микронный слой NiP поверх алюминия. Элементная композиция представляет собой приблизительно 85% никеля и 15% фосфора. После полировки подложку промывают и сушат. Скорость полировки (скорость удаления) определяют по потерям массы. Гладкость поверхности характеризуют с использованием неконтактного оптического профилометра Horizon, доступного от Burleigh Instruments, Inc. Значения Ra (средней поверхности шероховатости) и P/V (максимальная разница пик/впадина) представляют собой параметры гладкости поверхности, используемые для сравнения. Значение Ra отражает общую гладкость поверхности (чем ниже значение, тем выше гладкость), в то время как значение P/V (пик/впадина) является особенно чувствительным к царапинам на поверхности.

При этих оценках полирующая суспензия, содержащая полидисперсную коллоидную двуокись кремния, сравнивается с идентичными в основном суспензиями, содержащими монодисперсную коллоидную двуокись кремния, осажденную двуокись кремния, и мелкодисперсную двуокись кремния и коллоидный оксид алюминия. Сводка результатов полировки приводится в таблице I.

Результаты ясно показывают, что полидисперсная коллоидная двуокись кремния обеспечивает наибольшую скорость удаления, в то же время обеспечивая качество полированной поверхности, которое является превосходным (более гладким), по сравнению с тем, которое достигается с помощью остальных трех абразивов.

Пример 2

Сравнительная полировка NiP

Условия для этого сравнения являются по существу эквивалентными тем, что в примере 1, за исключением того, что используют 1% Fe(NO₃)₃ вместо 2% H₂O₂, и концентрация молочной кислоты понижается до 1,5%. pH всех суспензий равны 2,0±0,1. При этой оценке полирующая суспензия, содержащая полидисперсную коллоидную двуокись кремния, сравнивается с идентичными в остальном суспензиями, содержащими монодисперсную коллоидную двуокись кремния, мелкодисперсную и осажденную двуокись кремния. Сводка результатов полировки приводится в таблице II.

Опять, суспензия с полидисперсной коллоидной двуокисью кремния (имеющей очень малую фракцию частиц, больших, чем 100 нм) демонстрирует наибольшую скорость удаления и наилучшее качество поверхности (гладкость с наименьшим царапанием).

Пример 3

Сравнительная полировка стекла

При этом сравнении, идентичные условия полировки используют для сравнения таких же абразивов для полировки стекла. 9,5-см стеклянные диски представляют собой по существу чистое стекло на основе двуокиси кремния с начальной шероховатостью поверхности (значением Ra) 2-10 нм. Частицы суспендируют в 0,2% водном растворе полиакриловой кислоты, что приводит к pH 6,3±0,1.

Опять, полидисперсная коллоидная двуокись кремния дает самую высокую скорость удаления, самое маленькое царапание и шероховатость поверхности, сравнимую только с монодисперсной коллоидной двуокисью кремния.

Пример 4

Полировка меди в способе дамасской технологии

В способе медной дамасской технологии (1) вытравливают канавки в слое диэлектрика, (2) осаждают тонкий барьерный слой, покрывающий тонким слоем канавку и покрывающий тонким слоем диэлектрик вокруг канавки, (3) осаждают медь при толщине, соответствующей заполнению канавки, в то же время нанося покрытие на области вблизи канавки, и (4) используют способ CMP для сошлифовывания меди в областях вблизи канавки, в то же время оставляя внутри канавки настолько много меди, насколько это возможно. Желательным является быстрое сошлифовывание избытка меди, в то же время генерируя минимальную вогнутость на поверхности меди, заполняющей канавки, и минимальную эрозию диэлектрика между канавками.

Суспензии CMP для Cu изготавливают с использованием идентичных фаз раствора (аминокислота, перекись водорода в качестве окислителя и NH₄OH в воде). В этих растворах суспендируют приблизительно 0,010% частиц. Осуществляют эксперименты по полировке для определения скорости удаления Cu, а также тенденции суспензии к ускорению образования вогнутости и эрозии. Крутизна образования рельефа по отношению к удаленной меди, которая определяется как "восприимчивость" к образованию вогнутости или эрозии для структуры, представляющей интерес, может использоваться в качестве меры для рабочих характеристик. Это значение восприимчивости является безразмерным. Чем меньше значение крутизны, тем ниже значение рельефа при любом данном количестве удаленной меди и тем лучше рабочие характеристики. Восприимчивости как к образованию вогнутости, так и к эрозии определяются с помощью метода наименьших квадратов.

Суспензия полидисперсной коллоидной двуокиси кремния обеспечивает наилучшую стойкость к эрозии (то есть, значительно более низкую восприимчивость к эрозии) и по существу одинаковую стойкость к образованию углублений, несмотря на то, что количество абразива, используемое в суспензии, значительно выше, что делает возможной гораздо более высокую скорость удаления.

Реферат

Группа изобретений относится к абразивным и/или химически активным частицам и их использованию при полировке и планаризации. Абразивная композиция для полировки подложек содержит множество абразивных частиц, содержащих распределение размеров полидисперсных частиц, при этом медианный размер частиц, по объему, составляет от примерно 20 нм до примерно 100 нм, значение разброса, по объему, является равным или большим чем примерно 15 нм, где фракция указанных частиц, больших чем примерно 100 нм, составляет менее чем или равна примерно 20 об.% абразивных частиц. Представлены также суспензионная абразивная композиция для полировки подложек и способ полировки подложек абразивной композицией. Достигается высокая скорость полировки, повышенная гладкость полируемой поверхности, хорошая планаризация и низкие плотности дефектов. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

Формула