DE10063492A1 - Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren von Isolationsschichten nach der STI-Technik bei erhöhten Temperaturen - Google Patents
Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren von Isolationsschichten nach der STI-Technik bei erhöhten TemperaturenInfo
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Abstract
Durch ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren von Isolationsschichten nach der STI-Technik mit einer basischen Polierslurry, die 5 bis 12,5 Gew.-% eines kolloidalen Siliciumdioxid-Abrasivs enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierslurry auf die Wafer-Oberfläche bei einer Temperatur von 35 DEG C bis 80 DEG C aufgetragen wird die Polierselektivität hinsichtlich der Geschwindigkeit des Abtragens von Siliciumdioxid gegenüber Siliciumnitrid erhöht.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum chemisch-mechanischen
Polieren von SiO2-Isolationsschichten nach der STI-Technik (STI = shallow trench
isolation) und insbesondere ein Polierverfahren, das bei erhöhten Temperaturen
durchgeführt wird.
Gegenwärtig ist das chemisch-mechanische Polieren (CMP) bei der Herstellung von
integrierten Schaltungen (Integrated Circuits, IC) eine bevorzugte Methode zur Er
reichung einer optimalen Planarisierung auf Wafern (global planarization). Ein Wafer
ist eine polierte Siliciumscheibe, auf der integrierte Schaltungen aufgebaut werden.
Zunächst wird eine Polierslurry auf ein elastomeres Poliertuch (Pad) oder direkt auf
die zu polierende Wafer-Oberfläche aufgetragen. Das Poliertuch wird dann gegen die
zu polierende Oberfläche gepresst und dabei relativ zur Waferebene bewegt, so dass
die Partikel der Polierslurry gegen die Wafer-Oberfläche gedrückt werden. Die Be
wegung des Poliertuchs bewirkt eine Verteilung der Polierslurry und damit der
Partikel auf der Wafer-Oberfläche, was zu einem chemischen und mechanischen Ab
trag der Substratoberfläche führt.
Die Polierslurries können in zwei Typen unterteilt werden. Der eine Typ besteht aus
einer Aufschlämmung von pyrogener Kieselsäure als Schleifmittel (Abrasiv) und der
andere Typ enthält kolloidales Siliciumdioxid als Schleifmittel. Die Verfahren zur
Herstellung der Polierslurries aus pyrogener Kieselsäure und aus kolloidalem
Siliciumdioxid, auch Kieselsol genannt, sind verschieden. Die Aufschlämmung von
pyrogener Kieselsäure wird erhalten, indem pyrogene Kieselsäure in einem wässri
gen Medium dispergiert wird. Für Polierslurrys, die kolloidales Siliciumdioxid ent
halten wird das kolloidale Siliciumdioxid mittels der Sol-Gel-Technik direkt aus
einer wässrigen Lösung hergestellt, z. B. aus einer Natriumsilikatlösung. Zu keinem
Zeitpunkt der Herstellung liegt das kolloidale Siliciumdioxid in einem getrocknetem
Zustand vor, der zur Agglomeration oder Aggregation führen kann, wie es bei der
pyrogenen Kieselsäure der Fall ist. Die Aufschlämmung von pyrogener Kieselsäure
hat eine breitere Teilchengrößenverteilung als die Polierslurry vom Typ des kolloida
len Siliciumdioxids. Dies führt dazu, dass die Teilchen der Polierslurry aus pyro
gener Kieselsäure während der Lagerung und/oder dem Polieren agglomerieren oder
sedimentieren, was zusätzlich zu einer ungleichmäßigen Teilchengrößenverteilung
führt. Somit werden beim Einsatz der Polierslurry aus pyrogener Kieselsäure Defekte
wie Oberflächen-Rauhigkeit und Mikrokratzer auf der polierten Halbleiter-Oberflä
che verursacht. Ein solches Phänomen wird schwerwiegender, wenn die Linienbreite
des IC-Bauelements auf 0,25 µm bzw. 0,18 µm oder darunter abnimmt. Daher findet
die Polierslurry vom Typ des kolloidalen Siliciumdioxids eine zunehmende Ver
breitung.
Bei der integrierten Halbleitertechnik müssen gewöhnlich mehrere aktive und passive
Elemente innerhalb der integrierten Schaltkreisstruktur voneinander isoliert werden.
Dies wird oft durch die STI-Technik bewerkstelligt, die die Probleme der beim
LOCOS-Verfahren auftretenden Feld-Oxid-Diffusion und der mechanischen Bean
spruchung lösen kann und die Vorteile aufweist, eine gute Isolierwirkung zu ergeben
und die Integrationsdichte und Planarisierung des IC-Bauelements zu erhöhen. Daher
wurde STI die Haupt-Isolationstechnik bei der 0,18 µm-CMOS-Technologie.
Die STI-Technik umfasst die Erzeugung eines schmalen Grabens im Silicium, dem
Ausfüllen des schmalen Grabens mit Siliciumdioxid (SiO2), wobei auch gleichzeitig
die gesamte Waferoberfläche mit einem Siliciumdioxid-Film überzogen wird, gefolgt
von der Planarisierung durch die CMP-Technik. Es ist üblich, vorher einen härteren
Siliciumnitrid(Si3N4)-Film unter dem zu polierenden Siliciumdioxid-Film auszu
bilden, so dass der Siliciumnitrid-Film während des Polierens als Stopper-Schicht
dient. Eine ideale, für den Gebrauch gut geeignete Polierslurry ist einerseits dazu
fähig, den Siliciumdioxid-Film oberhalb des schmalen Grabens wirksam zu polieren
ohne andererseits den Siliciumnitrid-Film abzupolieren. Das heißt, dass eine
Polierslurry erwünscht ist, bei der die Geschwindigkeit für das Polieren des
Siliciumdioxid-Films so hoch wie möglich ist und die Geschwindigkeit für das
Polieren des Siliciumnitrid-Films nahezu null ist.
Ein gewöhnlich verwendeter Index zur Auswertung der Geschwindigkeit des
Polierens von Siliciumdioxid auf Siliciumnitrid ist die Polierselektivität, die dadurch
definiert wird, dass die Poliergeschwindigkeit von Siliciumdioxid durch die Polier
geschwindigkeit von Siliciumnitrid dividiert wird. Wenn eine Polierslurry mit einer
niedrigen SiO2/Si3N4-Selektivität zum Polieren des SiO2 verwendet wird, das sich
oberhalb eines Grabens befindet, treten ein sog. "dishing" des SiO2 und eine sog.
"erosion" des Si3N4 auf.
Bei der gegenwärtigen IC-Fabrikation ist die Selektivität der eingesetzten CMP-
Polierslurries nicht ausreichend hoch genug. Daher verkürzt z. B. IBM die Polier
dauer und verwendet zur Vermeidung des Problems des sog. "dishing" des SiO2 die
Technik des reaktiven Ionenätzens (RIE-Technik). Dieses kombinierte RIE + CMP-
Verfahren verlängert jedoch die gesamte Herstellungsdauer um etwa 40% und führt
daher zu einer Erhöhung der Herstellungskosten.
Verschiedene Polierslurries wurden entwickelt, um die Polierselektivität bezüglich
der Geschwindigkeit der Entfernung von Siliciumdioxid gegenüber Siliciumnitrid zu
erhöhen. In US-A 4 526 631 ergibt eine Polierslurry mit 6 Gew.-% kolloidalem
Siliciumdioxid, die mit KOH auf einen pH-Wert von etwa 12 eingestellt ist, ein
Polierverhältnis von etwa 10 SiO2 zu 1 Si3N4. In US-A 5 738 800 enthält die Polier
zusammensetzung zum Polieren einer Kombination aus Siliciumdioxid und Silicium
nitrid eine aromatische Verbindung, die mit Siliciumdioxid und Siliciumnitrid
Komplexe bildet. In US-A 5 759 917 umfasst die Zusammensetzung Ammonium
cernitrat, Essigsäure und pyrogene Kieselsäure. In US-A 5 733 819 enthält die
Polierzusammensetzung feines Siliciumnitrid-Pulver, Wasser und eine Säure. In
EP-A 853 335 umfasst die Zusammensetzung pyrogene Kieselsäure als Abrasiv, ein
Tetramethylammonium-Salz und Wasserstoffperoxid. EP-A 853 110 macht eine
alkalisierte Polierslurry zur Verbesserung der Polierselektivität verfügbar, die ein
Fluoridsalz enthält.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Lösung der oben er
wähnten Probleme und in der Bereitstellung eines Verfahrens zum chemisch-mecha
nischen Polieren mit einer hohen Polierselektivität bezüglich der Geschwindigkeit
der Abtragung von Siliciumdioxid gegenüber Siliciumnitrid.
Die oben erwähnte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum chemisch-mecha
nischen Polieren von Isolationsschichten nach der STI-Technik mit einer basischen
Polierslurry, die 5 bis 12,5 Gew.-% eines kolloidalen Siliciumdioxid-Abrasivs ent
hält, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierslurry auf die Wafer-Oberfläche bei
einer Temperatur von 35°C bis 80°C aufgetragen wird.
Nach Ausführung der STI-Technik, d. h. der Herstellung der schmalen Gräben und
der anschließenden Abscheidung des Siliciumdioxids, wird das Polieren gemäß der
vorliegenden Erfindung durchgeführt, indem eine Polierslurry bei einer Temperatur
von 35°C bis 80°C auf die Wafer-Oberfläche aufgebracht wird, um die Halbleiter-
Oberfläche zu planarisieren. Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren
zum Polieren eines Siliciumdioxid und Siliciumnitrid enthaltenden Verbundmaterials
verwendet. Insbesondere wird das Verfahren zum Polieren eines dielektrischen, auf
einem Siliciumnitrid-Film ausgebildeten Films wie beispielsweise eines Silicium
dioxid-Films verwendet. Der Siliciumnitrid-Film wird als Stopper verwendet.
Das erfindungsgemäße Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das
Polieren bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird. Vorzugsweise beträgt die
Poliertemperatur 65°C bis 75°C. Die Hydrolysereaktionen sowohl von Silicium
dioxid als auch von Siliciumnitrid sind exotherm. Daher nehmen bei einer Erhöhung
der Poliertemperatur die Geschwindigkeiten für das Polieren sowohl von Silicium
dioxid als auch von Siliciumnitrid ab. Die Poliergeschwindigkeit von Siliciumnitrid
nimmt jedoch stärker als die von Siliciumdioxid ab. Somit kann die Polierselektivität
bezüglich der Geschwindigkeit zur Entfernung von Siliciumdioxid gegenüber
Siliciumnitrid durch eine Erhöhung der Poliertemperatur verbessert werden.
Bei der in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Polierslurry liegt das kolloidale
Siliciumdioxid-Abrasiv vorzugsweise in einer Menge von 6 bis 10 Gew.-% vor. Das
kolloidale Siliciumdioxid kann eine mittlere Teilchengröße von 10 nm bis 1 µm, vor
zugsweise 20 nm bis 100 nm aufweisen.
Die Polierslurry kann weiterhin 8 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 8 bis 12 Gew.-%
eines Metallfluorids enthalten. Beispiele für besonders geeignete Metallfluoride sind
Lithiumfluorid, Natriumfluorid und Kaliumfluorid.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Polierslurry ist basisch. Vorzugsweise
liegt der pH-Wert der Polierslurry höher als 10,5.
Die folgenden Beispiele sollen das Verfahren und die Vorteile der vorliegenden
Erfindung vollständiger veranschaulichen, ohne deren Rahmen einzuschränken, weil
den Fachleuten zahlreiche Modifikationen und Variationen offensichtlich sind.
Die Polierslurries der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden gemäß den unten
stehenden Angaben hergestellt. Mit den Polierslurries wurden Filme auf Silicium-
Wafern mittels einer Westech-372-Poliermaschine poliert, die entweder aus Nieder
druck-CVD-Siliciumdioxid (SiO2) oder aus Niederdruck-CVD-Siliciumnitrid (Si3N4)
bestanden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Die Poliergeschwindigkeit
wird aus der Division der Differenzdicke vor und nach dem Polieren durch die
Polierdauer berechnet, wobei die Filmdicke durch Nanospec gemessen wird. Die
Polierselektivität wird durch Division der Poliergeschwindigkeit von Siliciumdioxid
durch die Poliergeschwindigkeit von Siliciumnitrid berechnet.
Levasil® 50 CK, eine von der Bayer AG, Leverkusen bezogene kolloidale Polier
slurry vom Siliciumdioxid-Typ, wurde mit entionisiertem Wasser verdünnt, wodurch
eine Polierslurry mit 7,5 Gew.-% kolloidalem Siliciumdioxid erhalten wurde. Die
mittlere Teilchengröße des kolloidalen Siliciumdioxids beträgt 60 bis 90 nm und die
spezifische Oberfläche liegt bei 50 bis 180 m2/g. Der pH-Wert der Polierslurry be
trug 11,8. Das Polieren wurde bei 65°C durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle
1 angegeben.
Levasil® 50 CK wurde mit entionisiertem Wasser verdünnt, wodurch eine Polier
slurry mit 6 Gew.-% kolloidalem Siliciumdioxid erhalten wurde. 8 Gew.-% Kalium
fluorid wurde zu der verdünnten Aufschlämmung gegeben und gründlich vermischt.
Der pH-Wert der Polierslurry betrug 11,2. Das Polieren wurde bei 35°C durchge
führt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Dieselben Verfahren wie in Beispiel 1 wurden angewandt mit der Ausnahme, dass
das Polieren bei 25°C durchgeführt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 darge
stellt.
Dieselben Verfahren wie in Beispiel 2 wurden angewandt mit der Ausnahme, dass
kein Kaliumfluorid zugegeben wurde und das Polieren bei 25°C durchgeführt wurde.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
SS 25, eine von Cabot Microelectronics, Aurora, Ill., USA bezogene Polierslurry mit
pyrogener Kieselsäure, wurde mit entionisiertem Wasser verdünnt, wodurch eine
Polierslurry mit 7,5 Gew.-% Siliciumdioxid erhalten wurde. Der pH-Wert der
Polierslurry betrug 11,2. Das Polieren wurde bei 25°C durchgeführt. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 1 dargestellt.
Dieselben Verfahren wie in Vergleichsbeispiel 3 wurden angewandt mit der Aus
nahme, dass die eingesetzte Polierslurry 6 Gew.-% Siliciumdioxid enthält. Die Er
gebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Aus den obigen Beispielen geht hervor, dass infolge der Erhöhung der Polier
temperatur die Polierselektivität einer Polierslurry vom Typ des kolloidalen Silicium
dioxids bezüglich der Geschwindigkeit des Abtragens von Siliciumdioxid gegenüber
Siliciumnitrid erhöht werden kann. Darüber hinaus kann die Selektivität durch die
Zugabe des Metallfluorids ebenfalls verbessert werden.
Die zuvor aufgeführte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dieser Er
findung wurde aus Gründen der Veranschaulichung und der Beschreibung ange
geben. Offensichtliche Modifikationen oder Variationen sind angesichts der obigen
Lehren möglich. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um
die beste Veranschaulichung der Prinzipien dieser Erfindung und ihrer praktischen
Anwendung zu bieten und so den Fachleuten die Anwendung der Erfindung in
verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen, für die spezielle, vorge
sehene Verwendung geeigneten Modifikationen zu ermöglichen. Alle Modifika
tionen und Variationen liegen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung.
Claims (9)
1. Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren von Isolationsschichten
nach der STI-Technik mit einer basischen Polierslurry, die 5 bis 12,5 Gew.-%
eines kolloidalen Siliciumdioxid-Abrasivs enthält, dadurch gekennzeichnet,
dass die Polierslurry auf die Wafer-Oberfläche bei einer Temperatur von
35°C bis 80°C aufgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierslurry
bei einer Temperatur von 65°C bis 75°C aufgetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierslurry 6
bis 10 Gew.-% eines kolloidalen Siliciumdioxid-Abrasivs enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierslurry 8
bis 15 Gew.-% eines Metallfluorids enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfluorid
aus der Gruppe bestehend aus Lithiumfluorid, Natriumfluorid und Kalium
fluorid ausgewählt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfluorid
Kaliumfluorid ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Polieren
eines Verbundmaterials verwendet wird, das Siliciumdioxid und Silicium
nitrid enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert der
Polierslurry höher als 10,5 ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kolloidale
Siliciumdioxid eine mittlere Teilchengröße von 10 nm bis 1 µm aufweist.
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