使用二氧化铈涂布的二氧化硅磨料的屏障化学机械平面化浆料制造技术

包含复合颗粒如二氧化铈涂布的二氧化硅颗粒的化学机械平面化(CMP)抛光组合物提供了在不同膜之间可调整的抛光去除选择性值。组合物能够实现对互联金属和二氧化硅介电质的高去除速率而同时提供对低K介电质、a‑Si和钨膜的抛光停止。化学机械平面化(CMP)抛光组合物已经使用软抛光垫显示了优异性能。

【技术实现步骤摘要】
相关专利申请的交叉引用本专利申请要求2015年6月5日提交的美国临时专利申请序列号62/171,360的权益。
本专利技术涉及半导体器件生产中的化学机械平面化(“CMP”)抛光组合物(可交换地使用CMP浆料、CMP组合物或CMP制剂)，以及进行化学机械平面化的抛光方法。特别是，它涉及适用于抛光由钴(Co)、SiN和氧化物材料组成的图案化半导体晶片的包含复合磨料颗粒的抛光组合物。专利技术背景集成电路制造工艺中有多个CMP步骤，如整体金属层、传统Cu屏障层抛光、最近的Co屏障层抛光、浅槽隔离(STI)、间层介电质(ILD)CMP和栅polyCMP等。用于这样的应用的典型抛光组合物含有：磨料、腐蚀抑制剂和任选的其他化学物质。其他化学物质可以包含在屏障CMP抛光组合物中以改善稳定性、提高去除速率、抑制去除速率，或者包含抑制剂以在CMP工艺期间和之后保护金属膜表面免受腐蚀。在CMP浆料中使用的常见磨料如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛等等中，二氧化铈因其对于二氧化硅的高反应性而为人所知，并且因为二氧化铈对于二氧化硅的高反应性所带来的最高氧化物去除速率(RR)而广泛用于STI CMP组合物中。然而，二氧化铈颗粒也已知造成严重的划痕，这对于抛光金属膜将更成为问题。二氧化铈颗粒通常不用作屏障CMP浆料组合物的磨料，也不与软抛光垫一起使用。因此，需要开发针对用于高级应用的新型磨料类型的组合物。随着半导体技术的发展，对于使用新型膜材料和复杂集成方案存在着许多新的挑战。例如，已经引入钴作为用于铜结构的屏障材料以及互联线材二者。在需要钴与其他类型的膜之间的不同选择性的工件中有着众多的集成方案。某些应用需要Co与氧化物介电质之间1:1的抛光选择性，其他一些应用可能需要针对不同的膜(如钨、非晶硅、多晶硅或低K膜)的额外抛光停止(polish stop)。某些应用还可能需要一些下层膜如氮化钛或钛的高去除速率。这些有挑战的集成方案需要新型浆料组合物来满足CMP性能目标。
技术实现思路
本文描述的是满足该需要的屏障CMP抛光组合物、方法和系统。在一个方面，本文描述了一种抛光组合物，其包含：0.01重量％至20重量％的磨料，所述磨料选自：复合颗粒，其包含核心颗粒，所述核心颗粒具有由纳米颗粒覆盖的表面；磨料颗粒，其选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、表面改性的无机氧化物颗粒及其组合；及其组合；0.0001重量％至5重量％的pH调节剂；0.0005重量％至0.5重量％的腐蚀抑制剂；和其余为水；其中所述核心颗粒选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、聚合物颗粒及其组合；和所述纳米颗粒选自锆、钛、铁、锰、锌、铈、钇、钙、镁、镧、锶纳米颗粒及其组合；和所述抛光组合物的pH为约2至11。在另一个方面，本文描述了一种用于半导体器件的化学机械平面化的抛光方法，所述半导体器件包括具有选自金属或合金形式的Co、Cu、Al及其组合的第一材料以及第二材料的至少一个表面，所述方法包括以下步骤：a)将所述至少一个表面与抛光垫接触；b)将抛光组合物递送到所述至少一个表面，所述抛光组合物包含：0.01重量％至20重量％的磨料，所述磨料选自：复合颗粒，其包含具有由纳米颗粒覆盖的表面的核心颗粒；磨料颗粒，其选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、表面改性的无机氧化物颗粒及其组合；及其组合；0.0001重量％至5重量％的pH调节剂；0.0005重量％至0.5重量％的腐蚀抑制剂；和其余为水；其中所述核心颗粒选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、聚合物颗粒及其组合；和所述纳米颗粒选自锆、钛、铁、锰、锌、铈、钇、钙、镁、镧、锶纳米颗粒及其组合；和所述抛光组合物的pH为约2至11；和c)用所述抛光组合物抛光所述至少一个表面。在又一个方面，本文描述了一种用于化学机械平面化的系统，其包括：半导体器件，其包括具有选自金属或合金形式的Co、Cu、Al及其组合的第一材料以及第二材料的至少一个表面；抛光垫；和抛光组合物，所述抛光组合物包含：0.01重量％至20重量％的磨料，所述磨料选自：复合颗粒，其包含具有由纳米颗粒覆盖的表面的核心颗粒；磨料颗粒，其选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、表面改性的无机氧化物颗粒及其组合；及其组合；0.0001重量％至5重量％的pH调节剂；0.0005重量％至0.5重量％的腐蚀抑制剂；和其余为水；其中所述核心颗粒选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、聚合物颗粒及其组合；和所述纳米颗粒选自锆、钛、铁、锰、锌、铈、钇、钙、镁、镧、锶纳米颗粒及其组合；和所述抛光组合物的pH为约2至11；和其中所述至少一个表面与所述抛光垫和所述抛光组合物接触。抛光组合物还可以包含如下的至少一者：(1)0.0010重量％至约1.0重量％的分散添加剂，其选自：有机酸或其盐；聚合酸或其盐；水溶性共聚物或其盐；在同一共聚物分子中含有至少两个选自羧酸基团、磺酸基团和膦酸基团的酸基团的共聚物或其盐；聚乙烯酸或其盐；聚环氧乙烷；聚环氧丙烷；及其组合；(2)0.001重量％至5重量％的氧化剂，其选自过氧化氢、高碘酸、高碘酸盐、高溴酸、高溴酸盐、高氯酸、高氯酸盐、过硼酸、过硼酸盐、高锰酸盐、溴酸盐、氯酸盐、铬酸盐、碘酸盐、碘酸及其组合；(3)0.001重量％至5重量％的螯合剂，其选自：有机酸或其盐；聚合酸或其盐；水溶性共聚物或其盐；在同一共聚物分子中含有至少两个选自羧酸基团、磺酸基团、磷酸和吡啶酸的酸基团的共聚物或其盐；聚乙烯酸或其盐；无机硅酸钾；硅酸铵；聚环氧乙烷；聚环氧丙烷；吡啶或其衍生物；联吡啶(bipyridine)或其衍生物；联吡啶或其衍生物；及其组合；和(4)0.0001重量％至10重量％的表面活性剂，其选自a)非离子表面润湿剂；b)阴离子表面润湿剂；c)阳离子表面润湿剂；d)两性表面润湿剂；及其组合。在一个实施方式中，所述核心颗粒是二氧化硅颗粒；所述纳米颗粒是二氧化铈纳米颗粒；和所述复合颗粒是具有由单晶二氧化铈纳米颗粒覆盖的表面的非晶二氧化硅颗粒；所述磨料颗粒是二氧化硅颗粒；所述pH调节剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、有机季铵氢氧化物、硝酸、磺酸、磷酸、盐酸及其组合；和所述腐蚀抑制剂选自苯并三唑(BTA)、咪唑、三唑、吡唑、苯并咪唑、四唑、它们的相关衍生物及其组合。在另一个实施方式中，所述抛光组合物包含二氧化铈涂布的二氧化硅复合颗粒；选自苯并三唑、咪唑、三唑及其组合的腐蚀抑制剂；氢氧化铵或氢氧化钾。在又一个实施方式中，所述抛光组合物包含二氧化铈涂布的二氧化硅复合颗粒；选自苯并三唑、咪唑、三唑及其组合的腐蚀抑制剂；氢氧化铵或氢氧化钾；并且还包含二氧化硅磨料颗粒；硅酸钾或硅酸铵；和选自炔属二醇表面活性剂、醇乙氧基化物表面活性剂及其组合的表面活性剂。在又一个实施方式中，所述抛光组合物包含二氧化铈涂布的二氧化硅复合颗粒；选自苯并三唑、咪唑、三唑及其组合的腐蚀抑制剂；氢氧化铵或氢氧化钾；并且还包含二氧化硅磨料颗粒；过氧化氢；硅酸钾或硅酸铵；和选自炔属二醇表面活性剂、醇乙氧基化物表面活性剂及其组合的表面活性剂。所述抛光组合物可以提供对于SiO2:Co为1.0:4.0至4.0:1.0；对于Co:SiN为1.0:1.0至6.0:1.0或10:1至15:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抛光组合物，其包含：0.01重量％至20重量％的磨料，所述磨料选自：复合颗粒，其包含核心颗粒，所述核心颗粒具有由纳米颗粒覆盖的表面；磨料颗粒，其选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、表面改性的无机氧化物颗粒及其组合；及其组合；0.0001重量％至5重量％的pH调节剂；0.0005重量％至0.5重量％的腐蚀抑制剂；和其余为水；其中所述核心颗粒选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、聚合物颗粒及其组合；和所述纳米颗粒选自锆、钛、铁、锰、锌、铈、钇、钙、镁、镧、锶纳米颗粒及其组合；和所述抛光组合物的pH为约2至11。

【技术特征摘要】
2015.06.05 US 62/171,360;2016.05.27 US 15/166,6051.一种抛光组合物，其包含：0.01重量％至20重量％的磨料，所述磨料选自：复合颗粒，其包含核心颗粒，所述核心颗粒具有由纳米颗粒覆盖的表面；磨料颗粒，其选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、表面改性的无机氧化物颗粒及其组合；及其组合；0.0001重量％至5重量％的pH调节剂；0.0005重量％至0.5重量％的腐蚀抑制剂；和其余为水；其中所述核心颗粒选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、聚合物颗粒及其组合；和所述纳米颗粒选自锆、钛、铁、锰、锌、铈、钇、钙、镁、镧、锶纳米颗粒及其组合；和所述抛光组合物的pH为约2至11。2.权利要求1所述的抛光组合物，其还包含如下的至少一者：(1)0.0010重量％至约1.0重量％的分散添加剂，其选自：有机酸或其盐；聚合酸或其盐；水溶性共聚物或其盐；在同一共聚物分子中含有至少两个选自羧酸基团、磺酸基团和膦酸基团的酸基团的共聚物或其盐；聚乙烯酸或其盐；聚环氧乙烷；聚环氧丙烷；及其组合；(2)0.001重量％至5重量％的氧化剂，其选自过氧化氢、高碘酸、高碘酸盐、高溴酸、高溴酸盐、高氯酸、高氯酸盐、过硼酸、过硼酸盐、高锰酸盐、溴酸盐、氯酸盐、铬酸盐、碘酸盐、碘酸及其组合；(3)0.001重量％至5重量％的螯合剂，其选自：有机酸或其盐；聚合酸或其盐；水溶性共聚物或其盐；在同一共聚物分子中含有至少两个选自羧酸基团、磺酸基团、磷酸和吡啶酸的酸基团的共聚物或其盐；聚乙烯酸或其盐；无机硅酸钾；硅酸铵；聚环氧乙烷；聚环氧丙烷；吡啶或其衍生物；联吡啶或其衍生物；联吡啶或其衍生物；及其组合；和(4)0.0001重量％至10重量％的表面活性剂，其选自：a)非离子表面润湿剂；b)阴离子表面润湿剂；c)阳离子表面润湿剂；d)两性表面润湿剂；及其组合。3.权利要求1或2所述的抛光组合物，其中所述核心颗粒是二氧化硅颗粒；所述纳米颗粒是二氧化铈纳米颗粒；和所述复合颗粒是具有由单晶二氧化铈纳米颗粒覆盖的表面的非晶二氧化硅颗粒；所述磨料颗粒是二氧化硅颗粒；所述pH调节剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、有机季铵氢氧化物、硝酸、磺酸、磷酸、盐酸及其组合；和所述腐蚀抑制剂选自苯并三唑(BTA)、咪唑、三唑、吡唑、苯并咪唑、四唑、它们的相关衍生物及其组合。4.权利要求1-3任一项所述的抛光组合物，其包含二氧化铈涂布的二氧化硅复合颗粒；选自苯并三唑、咪唑、三唑及其组合的腐蚀抑制剂；氢氧化铵或氢氧化钾。5.权利要求4所述的抛光组合物，其还包含如下的至少一者：(1)选自聚合酸或其盐及其组合的分散添加剂；其中所述聚合酸选自聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸或其盐及其组合；(2)硅酸钾或硅酸铵；(3)选自炔属二醇表面活性剂、醇乙氧基化物表面活性剂及其组合的表面活性剂；和(4)二氧化硅磨料颗粒。6.权利要求1-3任一项所述的抛光组合物，其包含二氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓波，J·A·施吕特，M·L·奥尼尔，D·C·坦姆伯利，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US