基于氧化鈰的拋光工藝和氧化鈰基漿料的制作方法

專利名稱：基于氧化鈰的拋光工藝和氧化鈰基漿料的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件制作，更具體地，涉及用于CMP(化學機械拋光)的技術以及，再具體地，涉及基于氧化鈰的拋光方法，具體用于圖案化氧化物的CMP拋光。
背景技術：
在制造高密度電子電路中CMP是一種關鍵技術。這種方法使用包括漿料(高性能研磨劑和化學制品的混合物)的先進拋光技術。在制造半導體器件的方法中，CMP技術非常重要，例如，這種半導體器件為淺溝槽隔離(STI)、夾層電介質的平整、植入金屬線的形成、插頭的形成、植入電容器的形成，等等。
CMP工藝包括存在漿料時在壓力下靠著拋光墊旋轉晶片。CMP用于平整氧化硅(氧化物)。對于傳統的氧化物拋光，漿料由懸浮在稀堿性溶液(pH～10-11)中的氧化硅基膠體組成。典型的拋光墊為復合多孔聚亞安酯基材料。對氧化物拋光的理論沒有好的理解，但是，通常認為堿性化學物質水解氧化物的表面和亞表面，因此減弱了SiO2的鍵結構。通過壓力和旋轉給予膠體的機械能致使高處特征以比低處特征更快的速率侵蝕，從而隨著時間推移表面得到平整。
本發明的主要定向于氧化物的化學機械拋光(CMP)。這種方法中，通過在拋光墊上使用研磨劑礦物質使帶有氧化硅薄膜的晶片得以拋光。這種技術在玻璃拋光工業和半導體工業中被廣泛應用。典型地，研磨劑礦物質懸浮在還可以包含其它化學物質的水介質中，所述其它化學物質用于減少礦物質的沉淀并改善拋光性能。半導體工業中為了平整氧化硅薄膜所最通常使用的研磨劑礦物質為硅和鈰的氧化物。為了獲得更好的平整性能，特別是用于拋光圖案化的氧化物時，鈰氧化物使用更為普遍。這里所使用的，圖案化氧化物包括，但不局限于，淺溝槽隔離(STI)、金屬前電介質(premetal dielectric)(PMD)以及夾層電介質ILD。
美國專利申請20040040217(“Takashina”)公開了一種由水介質和研磨劑顆粒組成的拋光成分，其中研磨劑顆粒包括體積含量為50％或更多的具有2到200nm顆粒尺寸的研磨劑顆粒，所述具有2到200nm顆粒尺寸的研磨劑顆粒包括(i)體積含量40％到75％的具有2nm或更大且小于58nm的顆粒尺寸的小尺寸顆粒，(ii)體積含量0％到50％的具有58nm或更大且小于75nm的顆粒尺寸的中等尺寸顆粒，以及(iii)體積含量10％到60％的具有75nm或更大和200nm或更小的顆粒尺寸的大尺寸顆粒；一種由水介質和研磨劑顆粒組成的拋光成分，其中研磨劑顆粒包括具有2到50nm的平均顆粒尺寸的研磨劑顆粒(A)和具有52到200nm的平均顆粒尺寸的研磨劑顆粒(B)，其中A與B的重量比(A/B)從0.5/1到4.5/1；一種包括使用拋光成分對半導體襯底進行平整的拋光工藝；一種用于使用拋光成分對半導體襯底進行平整的方法；以及一種包括使用拋光成分對半導體襯底進行拋光的制作半導體器件的方法。所述拋光成分在拋光用于半導體器件的襯底時能夠得到令人滿意的應用，而且所述用于制作半導體器件的方法能夠令人滿意地用于制作諸如存儲ICs、邏輯ICs和系統LSIs的半導體器件。
如Takashina所提出的，一個用于CMP的拋光液體的實例包括研磨劑顆粒在水中的分散。所述研磨劑顆粒包括焙燒的氧化硅、氧化鋁顆粒等。這些顆粒中，由于其低成本和高純度，焙燒的氧化硅得到廣泛應用。然而，由于在生產過程中形成聚集的顆粒(二次顆粒)，因此在焙燒氧化硅中存在可能在表面上產生劃痕的缺點。另一方面，由于被稱為“膠體氧化硅”的氧化硅研磨劑顆粒具有相對的球形表面形狀，并且以接近單分散狀態存在，因此聚集的顆粒可能難于形成，從而使得可以期望劃痕減少而且氧化硅研磨劑顆粒已經開始得到應用。然而，氧化硅研磨劑顆粒中存在拋光速率通常低的缺點。
如Takashina所提出的，氧化硅、鋁氧化物和鈰氧化物顆粒最好，而且從減少劃痕的觀點看，氧化硅更好。具體例子包括諸如膠體氧化硅顆粒、焙燒的氧化硅顆粒以及表面改性的氧化硅顆粒的氧化硅顆粒；諸如具有3或4的氧化數和具有六方、立方和面心立方晶系的鈰氧化顆等等。
如Takashina所提出的，膠體氧化硅顆粒更好。膠體氧化硅顆粒具有相對的球形，可以以最初顆粒狀態被穩定地分散開，使得難于形成聚集的顆粒，因此可以減少被拋光表面上的劃痕。可以通過使用如硅酸鈉的堿金屬硅酸鹽作為原材料的硅酸鈉方法或者使用四乙烷氧基硅烷或類似的作為原材料的的烷氧基硅烷法制備膠體氧化硅顆粒。這些研磨劑顆粒可以單獨使用或者以兩種或更多種混合使用。
如Takashina所提出的，拋光成分可以任意包括各種添加劑。所述添加劑包括pH值調節劑、分散穩定劑、氧化劑、螯化劑、防腐劑等等。
pH值調節劑包括諸如氨水、氫氧化鉀、氫氧化鈉以及水溶性有機胺的堿性物質，和包括諸如乙酸、草酸、丁二酸、羥基乙酸、蘋果酸、檸檬酸以及安息香酸的有機酸和諸如硝酸、鹽酸、硫酸以及磷酸的無機酸的酸性物質。這里，草酸和丁二酸也可用作螯化劑。
分散穩定劑包括諸如陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和非離子表面活性劑的表面活性劑，諸如聚丙烯酸或聚丙烯酸鹽、丙烯酸共聚物和環氧乙烷/環氧柄烷局部共聚物(聚丙二醇與環氧乙烷的加聚物)的聚合物分散劑等等。
氧化劑包括過氧化氫、高錳酸或高錳酸鹽、鉻酸或鉻酸鹽、硝酸或硝酸鹽、過氧酸或過氧酸鹽、含氧酸或含氧酸鹽、金屬鹽、硫酸等。
螯化劑包括諸如草酸、丁二酸、鄰苯二甲酸和三苯六甲酸的聚羧基酸；諸如羥基乙酸、蘋果酸、檸檬酸和水楊酸的羥基羧酸；諸如亞硝乙酸和乙二氨四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid)的聚氨基羧酸；諸如氨基三酸(甲基亞乙基磷酸)和1-羥基乙縮醛-1，1-二膦酸等等的磷酸。
防腐劑包括苯甲烷銨氯化物、benzethonium氯化物、1，2-benzisothiazolin-3-one等等。
如Takashina所提出的，最好根據拋光對象的種類和所要求的性質適當確定拋光成分的pH值。例如，從拋光對象的可清潔性、工作機器的抗腐蝕性和操作人員的安全性考慮，最好拋光成分的pH值優選為從2到12。此外，當拋光對象被用于拋光半導體晶片、半導體元件等，特別是用于拋光硅襯底、多晶硅襯底、氧化硅薄膜等時，從增加拋光速率和改善表面性質考慮，pH值更好為7到12，再好為8到12，特別好的是9到12。可以根據情況通過適當添加所需量的上述的pH值調節劑來調節pH值。
美國專利申請20030211747(“Hegde等”)公開了使用混合研磨劑漿料的淺溝槽隔離拋光。通過隨后為化學機械拋光的淺溝槽隔離技術提供了集成電路中活性區域(例如晶體管)等的隔離，活性區域隔離使得一個活性區域的功能不影響相鄰活性區域的功能，所述化學機械拋光采用混合研磨劑漿料，所述漿料基本上包括(a)相對大的、硬的無機金屬氧化物顆粒；(b)相對小的、軟的無機金屬氧化物顆粒。相對小的、軟的無機金屬氧化物顆粒吸附在相對大的、硬的無機金屬氧化物顆粒的表面上，使得漿料的有效電荷發生改變，從而提供了從氧化硅到氮化硅的更多的好的選擇性。所述漿料具有低于大約5的pH值。
如Hegde所提出的，提供一種用于CMP工藝的混合研磨劑拋光漿料，為了控制氧化物到氮化物的拋光速率選擇性和減少表面缺陷，所述漿料基本上由至少如氧化鈰(CeO2)和氧化鋁(Al2O3)顆粒的兩種無機金屬氧化物研磨劑材料組成，所述漿料的pH值低于5，例如在～4.0或更小的數量級。
混合研磨劑漿料(“MAS”)基本上由后面將詳細說明的(a)小而軟的顆粒和(b)相對大而硬的顆粒的混合物組成。選擇兩種漿料顆粒具有相反的極性從而使得較小的顆粒吸引到并因此偏向于吸附到較大顆粒的表面上。
漿料中為漿料提供必要的機械研磨功能的大的、硬的顆粒將，例如，具有從大約80到250nm數量級的平均顆粒尺寸；同時吸附在大顆粒表面上的小的、軟的顆粒可以，例如，為從大約10到40nm的數量級。大與小顆粒的比率可以，例如，是按重量從大約1∶1到大約1∶5，最好是按重量從1∶1到1∶1.2的數量級。
作為可用的大顆粒的例子，可以提及氧化鋁、鐵氧化物、氧化鉻、氧化鈰、氧化鈦、氧化鍺和氧化鋯；同時，用于小顆粒的可用材料的例子包括氧化硅、氧化鋯和氧化鈰。
圖4中說明的本發明的示意性拋光機理顯示小研磨劑顆粒如何繞大研磨劑顆粒的表面進行叢生的。Hegde假設，當包含吸附在大的、硬的氧化鋁顆粒上的小的、軟的氧化鈰顆粒的改性的研磨劑與氧化硅襯底發生作用時，首先氧化鈰與氧化硅襯底的獨特化學反應軟化SiO2的表面膜，然后硬的氧化鋁顆粒對軟化膜進行機械研磨。另一方面，對于要以更快速率去除的Si3N4，必須只能首先將其氧化成SiO2，然后改性的研磨劑中大的和小的顆粒的合成反應才能起到增強RR的作用。在pH值＜5時，Si3N4氧化成SiO2非常慢，因此拋光過程中改性的研磨劑總是與硬的Si3N4表面膜發生反應，導致低的Si3N4RR并因而改善了選擇性。
如Hegde所提出的，由于與拋光材料發生反應的氧化鈰顆粒非常軟，因此結果獲得的表面光潔度極好。這是混合研磨劑漿料的優點，其中研磨劑與拋光襯底的特殊反應可以適當地定制以控制拋光材料的去除速率到需要值并同時產生高的拋光后表面質量(低的表面粗糙度)。
美國專利申請20030092271(“Jindal”)公開了使用混合研磨劑漿料的淺溝槽隔離拋光。通過隨后為化學機械拋光的淺溝槽隔離技術提供了集成電路等中活性區域(例如晶體管)的隔離，活性區域隔離使得一個活性區域的功能不影響相鄰活性區域的功能，所述化學機械拋光采用混合研磨劑漿料，為了控制電路中氧化硅到氮化硅的拋光速率選擇性和減少表面缺陷，所述漿料基本上包括至少兩種無機金屬氧化物研磨劑材料顆粒，所述漿料的pH值低于5，最好是3.5到4.0的數量級。為了控制氧化物到氮化物的拋光速率選擇性和減少表面缺陷，所述用于CMP工藝的混合研磨劑拋光漿料基本上由如氧化鈰(CeO2)和氧化鋁(Al2O3)顆粒的至少兩種無機金屬氧化物研磨劑材料組成，所述漿料的pH值低于5，例如在大約4.0或更小的數量級。
如Jindal所提出的，在發生電流的器件中，通過淺溝槽隔離方法實現改善的隔離、更大的組裝密度以及更好的尺寸控制。可注意的是，淺溝槽隔離是通過經過氮化硅和氧化硅層進入到硅襯底而刻蝕溝槽到預定深度而形成的。然后使用本領域技術中熟知的如化學氣相沉積(“CVD”)的技術在整個晶片上和開在氮化硅內的溝槽中沉積氧化硅。然后化學機械拋光被用于去除多余的CVD氧化硅并停止于保護性的氮化硅上。然后使用強的熱酸刻蝕去除氮化物。
當到氮化物層時CMP必須被停止，這需要用于CMP的非常高的氧化物到氮化物的選擇性漿料。CMP工藝中，如該工藝名稱所指的，通過化學反應和機械研磨共同的作用實現平整。化學反應發生在漿料和被拋光材料之間。膜的機械研磨是通過墊、研磨劑和膜之間的作用產生的。
因此，CMP工藝的三個主要組件是膜、墊和漿料。由于該技術中該方法非常被熟知，包括其基本組件，因此這里沒有必要進行很詳細的討論。
三個主要的組件中，強調的是，為了提供商業產品，目前最迫切的是高選擇性漿料的使用，所述高選擇性漿料在淺溝槽隔離過程中產生最小化的缺陷。因此，強調的是，對于極其重要和商業的淺溝槽隔離系統，提供高選擇性的研磨劑漿料是基本的，所述高選擇性的漿料在淺溝槽隔離的化學機械拋光之后產生最小化的缺陷。
美國專利申請20030047710(“Babu等”)公開了化學機械拋光。一種用于化學機械拋光，例如用于對在制作微電子器件等中應用的金屬和硅晶片進行平整的研磨劑漿料，該漿料基本上只包括由至少兩種無機金屬氧化物組成的混合物，所述混合物用以在諸如提高的氧化物和金屬拋光速率、控制的拋光速率選擇性、低的表面缺陷以及增強的漿料穩定性等特性方面提供比使用單一無機金屬氧化物研磨材料能獲得的更好的性能。
如Babu所提出的，漿料中的研磨劑起到傳遞機械能到被拋光表面的非常重要的作用。用于該目的的例證性的研磨劑包括氧化硅(氧化硅，SiO2)和氧化鋁(氧化鋁，Al2O3)。氧化鈰(氧化鈰，CeO2)是最常用的用于拋光玻璃和(近來)STL的氧化物膜的研磨劑。
研磨劑-液體通過化學和物理作用進行的相互反應，在確定最合適的研磨劑種類、尺寸、形狀和濃度的過程中起著非常重要的作用。但是，在使用氧化鈰研磨劑對玻璃進行拋光的情況下，研磨劑也可以具有化學作用，其中氧化鈰與玻璃表面形成尚不完全理解的化學鍵。
如Babu所提出的，CMP本身是古老的，并已經例如，先于集成電路制作很長時間而在玻璃拋光和硅晶片拋光中得到應用。集成電路制作中使用的氧化硅是硅酸鹽玻璃的一種形式，因此這兩種材料具有相似的機械和化學特性。氧化硅拋光典型地在pH值接近10時進行，因為在該pH值范圍內分解和化學反應增強。顆粒研磨過程中產生壓力使分解速率得到提高。氧化鈰和氧化鋯已被發現具有以很多倍數量加快氧化硅去除的特殊的“化學牙齒”特性。
如Babu所提出的，按照慣例，氧化硅顆粒獨自已被用作硅氧化物和氮化物拋光的研磨劑。具有高的氧化物去除速率和高的氧化物到氮化物的拋光速率選擇性的氧化鈰基漿料，常常在氧化物表面上導致漿料引起的劃痕。這些劃痕對于集成電路器件的正常功能是致命的。深的劃痕應該被消除，因為它們可能侵襲硅襯底并破壞氧化物的完整性。

發明內容
本發明的一般目的是提供改善的用于氧化物CMP拋光的技術。
根據本發明，一般地，少量的氧化硅與氧化鈰基的漿料相組合以促使氧化物拋光更快，因而增加了產量并最小化使用沒有氧化硅的漿料時由于最初時間內的變化導致的工藝不穩定性。這使拋光工藝開始時的停滯時間最小化，因而提高了拋光工藝的產量。
漿料中的氧化硅加速了拋光的開始。漿料中的氧化鈰與氧化物表面進行反應，所述表面為使用氧化硅初始拋光而產生并繼續拋光的。
根據本發明，用于使用氧化鈰基漿料對圖案化的氧化物進行化學機械拋光(CMP)的方法包括以下步驟添加一定數量的氧化硅到漿料中；其中按重量氧化鈰的濃度與氧化硅的濃度之比(氧化鈰∶氧化硅)為從大約10∶1到接近1∶1。漿料中氧化鈰的濃度為大約1.0～5.0wt％；而且漿料中氧化硅的濃度為大約0.1～5.0wt％。氧化鈰顆粒具有150～250nm的顆粒尺寸；而且氧化硅顆粒具有＞100nm的顆粒尺寸。本方法對于圖案化的氧化物是有用的，所述圖案化氧化物為淺溝槽隔離(STI)、前金屬電介質(PMD)和層間電介質(ILD)。
根據本發明，用于對襯底上氧化物進行化學機械拋光(CMP)的漿料，包括具有第一濃度的氧化鈰顆粒；具有第二濃度的氧化硅顆粒；其中漿料中氧化鈰的濃度為大約1.0～5.0wt％；而且漿料中氧化硅的濃度為大約0.1～5.0wt％。按重量氧化鈰的濃度與氧化硅的濃度之比(氧化鈰∶氧化硅)為從大約10∶1到接近1∶1。氧化鈰顆粒具有第一顆粒尺寸而且氧化硅具有第二顆粒尺寸；第一顆粒尺寸與第二顆粒尺寸之比(氧化鈰∶氧化硅)從由大約1∶1、大約1.5∶1、大約2∶1和大約2.5∶1組成的組中選擇。氧化鈰顆粒具有150～250nm的顆粒尺寸；而且氧化硅顆粒具有＞100nm的顆粒尺寸。氧化硅可以是焙燒的或膠體的。漿料具有大約9.0的pH值。
根據本發明，CMP拋光圖案化氧化物的方法包括以下步驟使用具有初始時間的氧化鈰基漿料；添加足夠數量的氧化硅到氧化鈰基漿料中以在保持氧化鈰基漿料的基本有利特性的同時充分地減少初始時間和增加工藝的穩定性。
添加氧化硅到氧化鈰基CMP漿料中是有利的，因為-拋光工藝比沒有氧化硅時啟動更快，因而消除了拋光工藝中的停滯時間。
還消除了因停滯時間內操作條件的改變引起的工藝不穩定性。


通過考慮下面的結合附圖(FIGs)所進行的說明，本發明的結構、操作和優點將變得更加顯而易見。附圖意為說明性的，而不是限制的。
為了說明清楚，在一些圖中某些元件可能被省略，或者未按比例進行說明。為了說明清楚，橫截面視圖可以是“切片”的形式，或者“近視的”橫截面視圖，省略了某些在“真實”的橫截面視圖中可見的背景線。
在伴隨著隨后的說明的附圖中，通常參考標號和圖例(標注、文本說明)一起被用于確定元件。如果提供了圖例，它們只是意于作為對讀者的輔助，而不應該以任何方式被解釋為限制。
通常，附圖的不同圖(FIGs)中相似的元件可以由相似號碼標注，這種情況下典型地最后兩個重要數字可以是相同的，最重要的數字是圖(FIG)的號碼。
圖1是具有典型STI(淺溝槽氧化物)結構的半導體晶片的橫截面視圖，所述STI結構具有大量淺溝槽。
圖2是說明初始時間對去除材料總量的影響的曲線圖，其中漿料具有4種不同初始時間。水平軸是以秒計的時間。垂直軸是以埃()每分鐘計的材料去除速率。
具體實施例方式
在下面的說明中，為了提供對本發明的整體理解，列出了很多的細節。那些本技術領域中的技術熟練人員將認識到在仍然實現本發明的結果的同時對這些特殊的細節進行修改將是可能的。但是，為了避免對本發明的說明不必要的模糊，可以不對眾所周知的加工步驟進行詳細說明。
材料(例如氧化硅)可以以它們的正式的和/或通常的名稱以及以它們的化學式而被提及。關于化學式，數字可以以常規字體而不是以下標出現。例如，氧化硅可以被簡單地提為“氧化物”、化學式SiO2。例如，氮化硅(化學定量Si3N4，常常簡化為“SiN”)可以簡單地提為“氮化物”。
在下面的說明中，為了說明本發明的具體實施方式
，可能出現示范性尺寸。該尺寸不應該被理解為限制。它們可以被包括到提供對比例的理解。概括地說，不同元件之間的關系是重要的，該關系是指元件所處的位置，元件的對比成分以及有時元件的相對尺寸。
在氧化物CMP需求迫切的半導體加工工業中整體設計之一就是淺溝槽隔離(STI)。該設計中，在需要相鄰器件隔離的晶片區域內刻蝕溝槽。然后在這些溝槽內填充(沉積)氧化物(典型的為氧化硅)。沉積過程中在沒有任何溝槽的晶片區域內沉積出氧化物突起。
圖1說明具有典型STI(淺溝槽氧化物)結構的半導體晶片，所述STI結構具有大量的淺溝槽。淺溝槽之間的區域(為了本討論的目的，稱為“臺”)典型地以氮化物(起到硬掩模的作用并在后續的加工中起到CMP刻蝕停止的作用)進行覆蓋。使用眾所周知的投影氧化物沉積方法進行氧化物沉積。氧化物填充到溢出溝槽，并在臺的頂部形成突起。典型的示范性尺寸為是-溝槽/突起間距＝0.2578μm(例如中心到中心)-相鄰突起的間距＝0.1061μm-溝槽寬＝0.2500μm-突起高度＝0.3321μm-氮化物之上到突起底端的氧化物厚度＝0.1705μm-氮化物厚度＝0.1000μm-溝槽深＝0.3321μm然后應用CMP從晶片上沒有溝槽的區域(也就是臺)去除全部的氧化物突起，并同時確保從溝槽內的氧化物損失最小。氮化物頂上的水平虛線是指氧化物將被平整、拋光到作為拋光停止層的氮化物的水平面。
CMP過程中，晶片通過氧化物突起與拋光墊接觸。(拋光墊被超出比例顯示得很粗。)因此有效壓力由與拋光墊接觸的氧化物突起的表面積決定。由于氧化物突起的“銳利”形貌，接觸面積在拋光初始階段最小并隨拋光進行而增大。
對于先進技術，例如0.13μm及更小，當溝槽之間的間距減小并且溝槽的深度增加時，氧化物突起變得更為銳利，因此進一步減小了拋光初始階段拋光墊和晶片之間的接觸表面面積。
現有關于氧化物CMP的文獻指出晶片與去除速率之間的接觸壓力更高使得從晶片表面上去除材料更高，(參見Chemical Processes inGlass Polishing，Cook L.M.，J.of Non-crystalline Solids，Vol.120，pp152-171，同樣參見A CMP model combining density and timedependencies，Taber H.Smith et al.，1999CMP-MIC conferenceproceedings.)這將預示在拋光的初始階段氧化物突起應該拋光更快，并且隨拋光工藝的進行去除速率必須降低。
但是在使用氧化鈰基漿料進行拋光時不存在這種問題。這種情況下在拋光的初始階段當晶片表面上氧化物突起最高時氧化物的去除速率非常低。
進一步的拋光使材料從這些突起上去除從而使它們逐漸多地變平。從晶片表面上的這些突起去除的材料將成為懸浮物并有助于從晶片表面進一步去除材料。這使得隨著晶片拋光的進行懸浮的材料數量持續增加，從而導致單個晶片拋光過程中去除速率的變化。
隨著越來越多的晶片被拋光，來自漿料的研磨劑材料和從晶片表面去除的材料可能嵌入到拋光墊中，反過來隨著拋光墊的老化導致去除速率發生改變。
根據本發明，為了使被去除的材料對后續拋光的影響最小化，在鈰氧化物(氧化鈰)基漿料中添加了一些氧化硅(焙燒的和/或膠體氧化硅)。結果獲得的漿料中的氧化硅導致拋光過程中材料去除開始非常早而不依賴于從晶片表面上去除的材料幫助拋光。
認為產生這種有利結果的機理在于鈰氧化物研磨劑并沒有選擇性地粘附到晶片的表面上。這導致了非常低的初始去除速率。然后拋光的初始階段從晶片上去除的氧化物粘附到晶片上余下的氧化物上并增加去除速率。添加的氧化硅研磨劑更好地粘附到氧化物的表面上，因此增加了氧化物的去除速率。
這樣，通過始終如一地向拋光系統提供充足的氧化硅使得拋光初始階段去除速率增加并且還改善工藝的穩定性。
表面改性的氧化硅顆粒和氧化鈰顆粒，如那些具有3或4的氧化數和那些具有六方、立方或者面心立方晶系等的，可以在漿料中使用，這也在本發明的范圍內。
拋光成分可以隨意地包含各種添加劑，包括pH調節劑、分散穩定劑，如那些Takashina已作說明的，這也在本發明的范圍內。漿料可以包含氧化劑、螯化劑和防腐劑，如那些Takashina已作說明的，盡管它們一般地沒有用于氧化物CMP，這也在本發明的范圍內。
實驗結果使用氧化鈰基漿料和兩種氧化硅摻雜的漿料對具有5700的氧化物(突起)的晶片進行CMP拋光，拋光時間120秒。測量120秒拋光之后剩余的氧化物的厚度。下面的表給出了添加氧化硅到漿料的結果。
表概念證明添加氧化硅的拋光結果

全部三種漿料中，整個漿料中氧化鈰的量(濃度)為10wt％。從表中證明，添加氧化硅到氧化鈰基漿料中改善了拋光性能。表中列出了氧化硅的濃度(wt％)。一種情況(1.2wt％氧化硅摻雜的漿料)中，為了實驗的目的，氧化硅比氧化鈰稍多。另一種情況(0.6wt％氧化硅摻雜的漿料)中，氧化硅比氧化鈰少。一般建議，認為氧化硅少于1.0wt％適合于獲得所需的結果。
根據本發明，用于對半導體晶片上圖案化氧化物，特別是STI結構，進行CMP拋光的有效漿料，包括-漿料中氧化鈰的量應該大約1.0～5.0wt％；-添加到氧化鈰基漿料的氧化硅的量應該大約0.1～5.0wt％；-按重量氧化鈰∶氧化硅的比率應該從大約10∶1到接近1∶1，包括下面示范性的范圍從10∶1到7∶1從10∶1到4∶1從10∶1到1.1∶1大約10∶1大約7∶1大約4∶1大于1∶1大于4∶1大于7∶1漿料中添加的氧化硅的量應該足以充分地減少初始時間并增加工藝的穩定性(下面進行討論)。
認為添加任何少于十分之一(例如，20∶1)的氧化硅將使氧化硅太少而不能起任何作用。因此，添加氧化硅的量應少于漿料中氧化鈰的量，包括接近等于1.1∶1，但不少得太多(＞10∶1)。
任何情況下，理想的是氧化硅的濃度應該小于氧化鈰的濃度，以保持氧化鈰基漿料的基本的有益性質。
還根據本發明，氧化鈰應該具有150-250nm(包括180-220nm)的顆粒尺寸，添加到氧化鈰基漿料中的氧化硅可以是具有下列顆粒尺寸的焙燒的或膠體的對于焙燒的氧化硅130-190nm對于膠體氧化硅 超過100nm對于氧化硅顆粒的有用尺寸范圍為100-200nm。
從上面列出的顆粒尺寸中，我們看出氧化鈰∶氧化硅的尺寸比率可以是大約1∶1(例如，180∶180)大約1.5∶1(例如，150∶100、180∶120或210∶140)大約2∶1(例如，200∶100)大約2.5∶1(例如，250∶100)本發明使用具有大約相同尺寸的大的氧化鈰顆粒和大的焙燒的氧化硅顆粒運轉得很好。氧化硅顆粒最好不大于氧化鈰顆粒。
有用的漿料具有150-250nm的氧化鈰和超過(＞)100nm的氧化硅(焙燒的或膠體的)。
漿料的化學組成為水成的(水)。
漿料的pH值在7-12的范圍內，如大約9.0(9±0.5)。可以通過按條件要求所需的量適當地添加pH值調節劑對pH值進行調節。
結果獲得的有氧化硅添加的氧化鈰基漿料顯示出在圖案密度上依賴性更小。拋光圖案化的氧化物時，包括摻雜的氧化物，包括STI、PMD、ILD，拋光更加均勻。
拋光機理傳統認為氧化鈰基漿料依賴“化學牙”性質對氧化物進行拋光。為了產生這種作用，氧化鈰顆粒必須與氧化物的表面接觸，集結在拋光墊和氧化物表面之間。在拋光的初始階段，由于晶片的外形所致，與拋光墊相接觸的氧化物的表面積總量受到限制。因此有少數的氧化鈰顆粒有效地對氧化物進行拋光。隨著拋光以非常地的速率進行，越來越多的表面外形變平，因此在氧化物表面與拋光墊之間聚集更多氧化鈰的氧化物表面積得到增加。而且更多的氧化物(氧化硅)從晶片被去除并反過來幫助從晶片上進一步的氧化物拋光。漿料中增加的氧化硅(來自于去除的材料)和晶片形貌變平的組合影響導致拋光速率增加。
根據本發明，通過將氧化硅添加到漿料中拋光機理發生改變。而且，漿料中氧化硅的濃度穩定致使氧化物的拋光速率穩定。使用純粹的氧化鈰漿料對在拋光的初始階段產生氧化硅以用于進一步拋光的依賴性因而得以消除。
圖2的曲線圖說明初始時間(這里也稱為“停滯時間”)對去除材料(例如，氧化物)總量的影響，其中漿料具有四種不同的初始時間。水平軸為以秒計的時間軸。垂直軸為以埃()每分鐘計的材料去除速率。全部四種漿料具有3000/min的最大材料去除速率(在全部四種情況中)。這不是實驗數據，而是以對如上面討論的那些(去除速率)進行測量為基礎的。
虛線(曲線)為具有100秒(s)的初始時間并在20秒以后(在120秒時)向上傾斜到最大材料去除速率的CMP漿料。
帶三角的線(曲線)為具有70秒(s)的初始時間并在20秒以后(在90秒時)向上傾斜到最大材料去除速率的CMP漿料。
具有方塊的線(曲線)為具有40秒(s)的初始時間并在20秒以后(在60秒時)向上傾斜到最大材料去除速率的CMP漿料。
具有圓圈的線(曲線)為實際上初始時間為0秒并在20秒以后(在20s時)向上傾斜到最大材料去除速率的CMP漿料。
去除的全部氧化物為每條曲線下面的面積。從圖2中可以得到一些合理的推論和結論。隨初始時間非常多地減少(停滯時間隨操作條件發生改變)，去除的氧化物總量增加，導致過拋光。由于氧化硅添加到漿料中減少全部初始時間，因此過拋光的量得到減少，從而導致工藝穩定性增加。初始時間的全部減少將減少整個過程的時間，因此產量增加。
當氮化物(硬掩模，拋光停止層)頂部的所有氧化物都被去除時認為拋光完成。為了去除典型數量(～6000)的氧化物，通常需要180-240秒的全部時間。
可以進行下面的比較。以240秒為基線，對于100秒的初始時間的情況，20秒向上傾斜，以最大速率拋光為120秒，開始120秒進入拋光過程。240秒中的100秒是無效的，被浪費。
當初始時間減少到0，仍然有20秒時間向上傾斜和120秒以最大速率進行拋光，完全是立即啟動。整個過程花140秒而不是240秒(100秒的差距)。
使用這個例子，因此整個過程的時間可以減少達到大約100s/240s＝大約40％。
根據本發明，與使用沒有氧化硅的氧化鈰基漿料相比，使用氧化硅摻雜的氧化鈰基漿料的全部過程的時間將減少至少10％，包括至少20％，包括至少30％，包括大約40％。產量的增加真正得以實現，依賴于實際使用的工藝。可以實現每小時3-4個晶片(WPH)的輸入增加。(與大約210秒的總拋光時間的已知工藝相比較。使用提出的漿料成分，過程的時間可以減少將近60s，這將致使大約3WPH的增加。)初始階段依賴于形貌，反過來形貌依賴于所加工產品的技術節點。對于一些技術，初始時間大約20s，而另一些技術初始時間大約90-240s。本發明的優點在于氧化硅添加到漿料中將減少初始時間，這對于全部產品都完全一樣。理論為初始時間向上延伸到從晶片表面上有足夠的氧化物被去除的點。因此，對于初始時間非常少的產品，將不會在初始時間方面有多的變化。但是對于初始時間占拋光過程很大一部分的另外一些產品，氧化硅的添加將減少初始時間(可能到小于總拋光時間的10％)。
區分本發明上述的美國專利申請20040040217(″Takashina″)中，不同化學組成構成的的研磨劑，必需具有不同的尺寸，一種為52到200nm，另一種為2到50nm。與此相比，本發明中，構成的研磨劑中的一種為130-190nm，而另一種為150-250nm(180-220nm)。
上述的美國專利申請20030211747(″Hegde等″)中，公開了一種拋光漿料，該漿料中氧化硅比氧化鈰多。他們要求的最低氧化硅含量的漿料具有1∶1的氧化硅與氧化鈰之比。本發明中，漿料中氧化鈰比氧化硅多(氧化硅少于氧化鈰)。因此，Hegde的漿料與本發明的漿料相比將表現不同。本發明的漿料氧化鈰比氧化硅多，是氧化鈰基的漿料，使用氧化硅作為“添加劑”，而不是漿料中氧化硅超出氧化鈰的濃度。
Hegde的發明中，漿料的pH值低于5。本發明指定為在更高的，接近堿性的pH范圍內運行，從7到12，如大約9.0(9±0.5)。
Hedge的發明中的顆粒尺寸與本發明的顆粒尺寸不同。Hedge發明中的顆粒尺寸為大的氧化鈰80-250nm小的氧化硅10-40nm本發明中的顆粒尺寸為氧化鈰150-250nm(180-220nm)氧化硅至少100nm，如100-200nm，如130-190nmHedge發明的濃度比為氧化鈰∶氧化硅按重量1∶1到1∶5(至少氧化硅與氧化鈰一樣多)。
本發明中，氧化鈰為主要成分，濃度比為氧化鈰∶氧化硅10∶1到的1∶1，如上所述。
上述的美國專利20030092271(″Jindal″)，公開了混合的研磨劑漿料，其中混合的成分為氧化鋁和氧化鈰。本發明是具有氧化鈰和氧化硅的漿料。Jindal的整個漿料的pH值小于4.0。本發明在更高的、接近堿性的pH范圍內操作。
美國專利申請20030047710(″Babu等″)公開了化學機械拋光。他們談到了氧化鋁和氧化硅的混合以及氧化鋁和氧化鈰的混合。他們沒有談到本發明中的可以從氧化鈰和氧化硅的混合中獲得的改善工藝的穩定性(或者任何其它好處)。
簡而言之，工業中人們傾向于使用全氧化鈰基或全氧化硅基漿料。而且，文獻指出圖案化的晶片拋光比毯子式的晶片拋光快，這使我們對停滯時間的觀察很不明顯。本發明發現添加少量的氧化硅到氧化鈰基漿料中將減少/消除停滯時間。由于STI CMP中的停滯時間問題還沒有在文獻中有所報道(本發明發明人所知)，因此本發明所提出的對該問題的解決方法并不是顯而易見的。
盡管本發明就一些最好的具體實施方式
或具體實施方式
進行了展示和說明，那些本技術的技術人員在閱讀和理解本說明書及附圖的基礎上可以進行某些同等意義的變化和修改。特別是關于通過上述組件(裝配、器件、電路等)執行的不同功能，用于說明這些組件的術語(包括提及的“方法”)意為相應于，除非另有所指，執行所述組件的特殊功能的任何組件(也就是功能相同)，即使結構上并不同于執行這里所說明的本發明示例性具體實施方式
中的功能的公開的結構。此外，本發明的特殊特性可能關于幾個具體實施方式
中的僅僅一個已經被公開，同時這些特性也可以與其它具體實施方式
的一個或更多特性相組合，這對于任何給定的或特別的應用是需要的和有益的。
權利要求
1.一種使用氧化鈰基漿料對圖案化的氧化物進行化學機械拋光的方法，包括以下步驟向所述漿料中加入一定量的氧化硅，其中氧化鈰濃度對氧化硅濃度即氧化鈰∶氧化硅的比值為重量比大約10∶1至接近1∶1。
2.根據權利要求1的方法，其中在漿料中所述氧化鈰的濃度為大約1.0-5.0wt％；以及在漿料中所述氧化硅的濃度為大約0.1-5.0wt％。
3.根據權利要求1的方法，包括從由10∶1至7∶1、10∶1至4∶1、10∶1至1.1∶1、大約10∶1、大約7∶1、大約4∶1、大于1∶1、大于4∶1以及大于7∶1構成的組中選擇氧化鈰濃度對氧化硅濃度即氧化鈰∶氧化硅的比值的步驟。
4.根據權利要求1的方法，其中所述氧化鈰具有第一顆粒尺寸，所述氧化硅具有第二顆粒尺寸；并且第一顆粒尺寸對第二顆粒尺寸即氧化鈰∶氧化硅的比值選自由大約1∶1、大約1.5∶1、大約2∶1以及大約2.5∶1構成的組。
5.根據權利要求1的方法，其中所述氧化鈰顆粒具有150-250nm的顆粒尺寸；并且所述氧化硅顆粒具有大于100nm的顆粒尺寸。
6.根據權利要求5的方法，其中所述氧化鈰顆粒具有180-220nm的顆粒尺寸。
7.根據權利要求5的方法，其中所述氧化硅顆粒具有130-190nm的顆粒尺寸。
8.根據權利要求1的方法，其中所述氧化硅顆粒包括焙燒的氧化硅。
9.根據權利要求1的方法，其中所述漿料具有大約9.0的pH值。
10.根據權利要求1的方法，其中所述圖案化的氧化物選自由淺溝槽隔離、前金屬介質和層間介質構成的組。
11.一種用于對襯底上的氧化物進行化學機械拋光的漿料，包括具有第一濃度的氧化鈰顆粒；以及具有第二濃度的氧化硅顆粒；其中在漿料中所述氧化鈰的濃度為大約1.0-5.0wt％；以及在漿料中所述氧化硅的濃度為大約0.1-5.0wt％。
12.根據權利要求11的漿料，其中氧化鈰濃度對氧化硅濃度即氧化鈰∶氧化硅的比值為重量比大約10∶1至接近1∶1。
13.根據權利要求12的漿料，其中氧化鈰∶氧化硅的比值選自由10∶1至7∶1、10∶1至4∶1、10∶1至1.1∶1、大約10∶1、大約7∶1、大約4∶1、大于1∶1、大于4∶1以及大于7∶1構成的組。
14.根據權利要求11的漿料，其中所述氧化鈰具有第一顆粒尺寸，所述氧化硅具有第二顆粒尺寸；并且第一顆粒尺寸對第二顆粒尺寸即氧化鈰∶氧化硅的比值選自由大約1∶1、大約1.5∶1、大約2∶1以及大約2.5∶1構成的組。
15.根據權利要求11的漿料，其中所述氧化鈰顆粒具有150-250nm的顆粒尺寸；并且所述氧化硅顆粒具有大于100nm的顆粒尺寸。
16.根據權利要求15的漿料，其中所述氧化鈰顆粒具有180-220nm的顆粒尺寸。
17.根據權利要求15的漿料，其中所述氧化硅顆粒具有130-190nm的顆粒尺寸。
18.根據權利要求11的漿料，其中所述氧化硅顆粒包括焙燒的氧化硅。
19.根據權利要求11的方法，其中所述漿料具有大約9.0的pH值。
20.一種對圖案化的氧化物進行化學機械拋光的方法，包括以下步驟使用具有引發時間的氧化鈰基漿料；以及向所述氧化鈰基漿料中加入足夠量的氧化硅，以基本上減小引發時間并提高處理穩定性，同時保持所述氧化鈰基漿料的必要的有益性質。
全文摘要
通過添加氧化硅到氧化鈰基CMP漿料，拋光過程比沒有氧化硅時開始得更快，因此消除了拋光過程的停滯時間，并消除在停滯時間內因操作條件改變引起的過程不穩定性。一種用于執行襯底上圖案化的氧化物(例如，STI、PMD、ILD)的化學機械拋光(CMP)的漿料，包括具有1.0－5.0wt％濃度的氧化鈰顆粒和具有0.1－5.0wt％濃度的氧化硅顆粒。氧化鈰濃度與氧化硅濃度之比(氧化鈰∶氧化硅)按重量從大約10∶1到接近1∶1。氧化鈰顆粒具有150－250nm的顆粒尺寸，氧化硅顆粒具有＞100nm的顆粒尺寸。氧化硅可以是焙燒(fumed)或者膠體的。漿料具有大約9.0的pH值。
文檔編號H01L21/463GK1750239SQ20051007896
公開日2006年3月22日 申請日期2005年6月21日 優先權日2004年9月14日
發明者拉加塞克哈爾·維尼加拉, 詹姆斯·W·漢納, 蒂莫西·M·麥考馬克, 小羅伯特·M·莫克林 申請人:國際商業機器公司