專利名稱：半導(dǎo)體或絕緣材料層的機(jī)械－化學(xué)新拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明方法涉及一種在制造集成電路時所用半導(dǎo)體或絕緣材料的新的機(jī)械-化學(xué)拋光方法。
制造集成電路時可采用兩種彼此分開而又依次進(jìn)行的工藝。
第一種工藝主要是制作集成電路板，也就是說要制作硅片。因此在此類制造業(yè)中，先要進(jìn)行硅單晶生長，然后再把制成的硅單晶切割成約750微米厚的單晶片，那時再把這些單晶片進(jìn)行拋光，以便得到一種光潔硅片。但是這類制造業(yè)廠家并不生產(chǎn)集成電路而是把這些集成電路板都賣給集成電路制造商。
專利US-A-3,170,273、US-A-4,664,679、US-A-4,117,093及EP-A-0,684,638描述了由切割實心單晶棒所得到的粗制硅片的拋光，以便制成集成電路板。
第二種工藝是集成電路制造商的專業(yè)工藝，它主要就在于把按照前述工業(yè)所提供的集成電路板隨后制成集成電路。制作集成電路的具體步驟如下首先是把集成電路板的整個表面進(jìn)行氧化得到一種絕緣層。在那種情況下再對該氧化層進(jìn)行光刻以便露出硅來。這樣刻蝕出的凹形部件叫作有源區(qū)。就在這些有源區(qū)的地方再重新進(jìn)行所謂“柵極氧化”的氧化過程。那時就形成一個例如是可構(gòu)成柵極的摻雜多晶硅層。然后沉積絕緣層并進(jìn)行一次新的光刻重新顯現(xiàn)出原有硅片的地方。在這些位置內(nèi)當(dāng)時就沉積一種金屬比如是鎢。本發(fā)明涉及在集成電路制作水平面的拋光以及后面的幾個制作水平面的拋光。事實上，目前可以達(dá)到在6個接觸水平面上每個水平面都有一種帶沉積層的凹形刻槽，然后再按照本發(fā)明進(jìn)行金屬及絕緣材料的拋光操作。相反地，本發(fā)明卻不涉及集成電路板的初始拋光。
正如上面所看到的那樣，高度的變化過程主要是由于刻蝕步驟因而也是伴隨著有規(guī)律沉積層的凹槽刻蝕步驟而出現(xiàn)的?？s小晶體管的尺寸必須使這些凹凸外形比較平整，因為它們能引起定位校準(zhǔn)比較困難(光刻時的聚焦)、在沉積時出現(xiàn)材料的連續(xù)性問題或者在刻蝕這些材料時有殘余材料。主要是通過對不同沉積層加以機(jī)械-化學(xué)拋光來實現(xiàn)超微工藝展平。這些絕緣沉積層、半導(dǎo)體層或?qū)w層拋光后的剩余厚度對集成電路的電特性有影響。
現(xiàn)今，制作集成電路都是在直徑為200毫米(mm)的集成電路板上作成的，根據(jù)其尺寸每片板可有50-200個電路。
集成電路的電特性不管其在板上的位置如何都應(yīng)該是重現(xiàn)的，各種不同工藝步驟的均勻性是很重要的。尤其是集成板上的機(jī)械-化學(xué)拋光良好均勻性可避免材料拋光的局部過量，這會造成電路損壞或?qū)е录呻娐返碾娞匦噪S著其在板上位置不同而有所變化。
因而提高集成電路的集成度就必須要發(fā)展新工藝，比如用于凹凸圖案表面光滑展開的機(jī)械-化學(xué)拋光。
因此在目前的集成電路制作過程中，不僅特別需要對集成電路板上的硅材料進(jìn)行拋光，而且還涉及到對其它一些集成電路板化合物像氧化硅以及諸如鎢之類的一些金屬進(jìn)行拋光。這些金屬的拋光方法比較容易控制。
但是與比相反，那些半導(dǎo)體材料諸如多晶硅、外延單晶硅、無定形非晶硅或者一些絕緣材料諸如磷硅酸鹽玻璃(通常稱為PSG)或硼磷硅酸鹽玻璃(通常稱為BPSG)等的機(jī)械-化學(xué)拋光方法仍然很難控制，因為沒有適合這些各種不同材料的研磨劑。
這些材料都按照制作集成電路的各個不同階段而用到外延層半導(dǎo)體(外延硅)或沉積層半導(dǎo)體(多晶硅和無定形非晶硅，PSG和BPSG)的微電子工業(yè)中。
因此，專用磨料在集成電路板材料拋光方面的發(fā)展是掌握其拋光方法的基礎(chǔ)。
在該文獻(xiàn)中還描述了采用其pH值呈堿性(通常為9-12.5)的膠體二氧化硅含水懸浮液進(jìn)行多晶硅拋光。這些膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液的pH借助于添加堿金屬氫氧化物比如氫氧化鈉或氫氧化鉀，或者通過添加溶于水的胺而變成堿性(具體參見M.T.Bohr等人的專利WO-A-9627206,M.Motoshu等人的專利US-A-5,376,222,A.V.Gelatos等人的專利US-A-5,324,690,R.L.Lachapelle的專利US-A-3.328.141,S.Yamamichi等人的專利JP-A-07074313,M.Watanabe等人的專利JP-A-07249600)。
使用這類堿性含水懸浮液有一定的不足之處。得到的拋光均勻性不佳，在通常在英文中被稱為“薄片”的拋光板的邊緣處尤為如此。
專利EP-A-0,745,656描述了半導(dǎo)體基片上極少量絕緣材料的拋光方法，使用的研磨組合物含有在穩(wěn)定劑存在下的氧化鋁，二氧化硅及氧化鈰混合物。
EP-A-0,363,100描述了在含有SI3N4的表面與相對說來比SI3N4更容易處理的表面之間的選擇性拋光，由于氨水對拋光選擇性產(chǎn)生不利影響而使用沒有氨水的純度為95.3％的膠質(zhì)二氧化硅。
本申請的主要目的就是闡明了一種拋光方法，它可改善上述沉積在集成電路板上的一些材料層的拋光均勻性，所用的沉積材料比如是集成電路制作中的半導(dǎo)體材料或絕緣材料。
需要明確指出的是拋光是在平整的板面上(參見

圖1a和1b)或在表面凹凸不平的板上進(jìn)行的(參見圖1c和1d)，目的是對這些起伏不平的表面進(jìn)行平整拋光。
本發(fā)明所涉及的一些材料如上面所提到的可歸納為以硅或以摻雜硅為主要成分的材料，諸如多晶硅、外延硅、無定形非晶硅、磷硅酸鹽玻璃或硼磷硅酸鹽玻璃，這后兩種以摻雜硅氧化物為主要成分，沒有在制作集成電路板時所使用的粗制硅。
為了實現(xiàn)在上述材料層機(jī)械-化學(xué)拋光中的所有類似的改進(jìn)，令人驚奇而又意外地發(fā)現(xiàn)使用膠質(zhì)二氧化硅懸浮液，尤其是使用一種含二氧化硅單個細(xì)顆粒(或優(yōu)選地基本上由其組成)的懸浮液可以明顯地改善拋光的均勻性，這些細(xì)小的二氧化硅顆粒并沒有由于硅氧烷的粘合力而彼此粘結(jié)并且以中性介質(zhì)或接近中性的介質(zhì)形式使用，同時還保持了良好的腐蝕速度以及非常好的表面平整質(zhì)量，具體是幾乎沒有粗糙度。在本申請及后面的說明中，所謂的“基本上”應(yīng)理解為是50％以上，尤其是60％以上，優(yōu)選地是80％以上，更優(yōu)選地是90％以上，最優(yōu)選地是99％以上。
因此本發(fā)明的目的就是使用了一種含有中性或接近中性pH值膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液的研磨劑，它優(yōu)選地含有未因硅氧烷而彼此粘結(jié)的膠質(zhì)二氧化硅的單個微粒，諸如用于半導(dǎo)體材料層的機(jī)械-化學(xué)拋光的，多晶硅、外延單晶硅、無定形非晶硅，或者用于絕緣材料層的機(jī)械-化學(xué)拋光，比如磷硅酸鹽玻璃或制作集成電路時所用的硼磷硅酸鹽玻璃，制作集成電路板時所用的初制硅除外，本發(fā)明還涉及用在半導(dǎo)體微電子工藝中的半導(dǎo)體或絕緣材料層的機(jī)械-化學(xué)拋光方法，半導(dǎo)體材料比如是多晶硅、外延單晶硅、非晶硅；絕緣材料比如是磷硅酸鹽玻璃或硼磷硅酸鹽玻璃，在制作集成電路板時所用的初制硅除外，在該方法中，利用浸漬了研磨組合物的織物摩擦所述材料層而達(dá)到對半導(dǎo)體材料或絕緣材料層的研磨，其特征在于研磨劑含有一種中性或接近中性pH值的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液，優(yōu)選地它含有的是一些單個化的膠質(zhì)二氧化硅微粒，這些微粒之間沒有通過硅氧烷鍵而彼此粘結(jié)，還含有水作為懸浮介質(zhì)，該研磨劑具體地說基本上是由這種中性或接近中性的pH含水懸浮液細(xì)成。
這種機(jī)械-化學(xué)拋光在制作集成電路的各個階段都進(jìn)行，尤其是在晶體管的側(cè)向絕緣處理過程中，在制備晶體管柵極，實現(xiàn)介電互連時完成。
這種機(jī)械-化學(xué)拋光也可以對完整的板或表面凹凸不平的板起作用以便對凹凸不平表面進(jìn)行拋光平整。
對于機(jī)械-化學(xué)拋光以硅為主要成分的材料層來說，這些材料比如是多晶硅、外延硅或非晶硅，或者拋光以摻雜硅氧化物為主要成分的材料層比如磷硅酸鹽玻璃(或稱PSG)或硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)，所用膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液的單個微粒直徑優(yōu)選為3-250nm(亳微米)，具體地為7-150nm，更優(yōu)選地是10-100nm。
制取本發(fā)明優(yōu)選膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液的方法是或者用鹽酸、硝酸或硫酸之類的一種酸中和堿性硅溶膠、具體是鈉或鉀硅溶膠；或者是用氫氧化鈉、氫氧化鉀或氨水，優(yōu)選地用氫氧化鉀和氨水、更優(yōu)選地用氨水中和酸性硅溶膠。
已經(jīng)注意到用pH為8的氨水中和酸性溶膠得到的這類膠質(zhì)二氧化硅懸浮液可獲得較高的均勻性百分比，同時還保持著較高的多晶硅腐蝕速度，這正好與EP-A-0.363.100所指出的情況相反。
按照采用本發(fā)明方法的優(yōu)選條件，人們使用中性或接近中性pH的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液，其pH為6-8，特別是6.5-7.5。
在其它使用本發(fā)明方法的優(yōu)選條件中，膠質(zhì)二氧化硅懸浮液的單個微粒直徑為3-250nm，優(yōu)選地為10-100nm。
在另外一些使用本發(fā)明方法的優(yōu)選條件中，拋光產(chǎn)品的重量濃度，也就是二氧化硅的重量濃度為5-50％，優(yōu)選地為15-40％。
本發(fā)明的一個主要優(yōu)點就是通過使用中性或接近中性pH膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液而改善了半導(dǎo)體材料層或絕緣材料層的機(jī)械-化學(xué)拋光的均勻性，半導(dǎo)體材料比如是多硅(多晶硅)，絕緣材料是以摻雜硅氧化物為主要成分的材料比如硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)。
這種改進(jìn)例如可以通過在保持可接受的半導(dǎo)體材料磨蝕速度的同時進(jìn)行拋光磨蝕均勻性試驗而基本得到驗證。這種拋光磨蝕均勻性表示的是在同一塊板上的多晶硅厚度變化。它是由對于在同一塊板上根據(jù)下述公式于拋光前、后測得的多晶硅而計算出來的(參見圖1a和1b)。
所得到的值越小，磨蝕的均勻性越令人滿意。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點就是中性或接近中性pH的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液(具體是由單微粒組成。這些微粒之間沒有通過硅氧烷鍵合而彼此粘結(jié))的穩(wěn)定性非常好，由此而產(chǎn)生的結(jié)果就是，貯存一段時間也不出現(xiàn)微粒沉淀。
本發(fā)明最后涉及用在半導(dǎo)體材料層或絕緣材料層機(jī)械-化學(xué)拋光方面的研磨劑，該半導(dǎo)體材料是以硅為主要成分的比如多晶硅、外延硅或非晶硅；絕緣材料是以摻雜硅氧化物為主要成分的，比如磷硅酸鹽玻璃(PSG)或硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)，不包括制作集成電路板時所用的初制硅，該研磨劑包括一種浸漬了液體研磨組合物的織物，該組合物含有中性或接近中性pH的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液，優(yōu)選地含有彼此之間沒有通過硅氧烷鍵而粘結(jié)的其直徑為3-250nm、pH為6-8的單個微粒。
上面按照方法的操作條件描述了由CLARIANT(法國)公司生產(chǎn)的特別優(yōu)選的懸浮液。
下面的實施例可更好地說明本發(fā)明。
圖1a示出了拋光前一塊完整的覆蓋有多晶硅的板片，而圖1b表示的是該板片拋光后的狀況。
圖1c和1d表示的是一塊類似板片的情況，但表面凹凸不平。這些起伏不平的形狀是由于光刻而形成的。
實施例1采用以中性pH膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液為主更成分的研磨劑進(jìn)行拋光的實施例。
在每塊進(jìn)行實驗的板片上沉積一層約0.4μm的多晶硅，厚度是在拋光前和拋光后測出的。
然后借助下面的標(biāo)準(zhǔn)方法拋光板片-支承力 0.7daN/cm2-托盤速度40轉(zhuǎn)/分鐘(tours/mn)-(載體)頂部速度 45轉(zhuǎn)/分鐘-溫度20℃-研磨劑流量 50cm3/分鐘-織物在RODEL PRODUCTS Suba4上的IC1400使用一種膠質(zhì)二氧化硅，其特性如下-含水懸浮液的pH7-膠質(zhì)二氧化硅單個微粒的平均直徑50nm膠質(zhì)二氧化硅的重量濃度 30％得到-均勻度的百分比4％-多晶硅的磨蝕速度為1300/分鐘實施例2采用以接近中性的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液為主要成分的研磨劑所進(jìn)行的拋光實施例。
在與實施例1相同的條件下，同時也使用同樣的膠質(zhì)二氧化硅并且僅僅改變了pH，得到如下結(jié)果a)pH為6-均勻度的百分比為4.6％-多晶硅的磨蝕速度為820/分鐘b)pH為8-均勻度的百分比為6％-多晶硅的磨蝕速度為1950/分鐘實施例3硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)的拋光實施例，濃度是硼為4.4％而磷為4.7％，使用以中性pH膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液為主要成分的研磨劑。
在與實施例1所述相同的條件下，同時也使用相同的膠質(zhì)二氧化硅而只是改變了pH，得到如下結(jié)果
-均勻度百分比為3.9％-BPSG的磨蝕速度為5560/分鐘實驗1采用以堿性膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液為主要成分的研磨劑進(jìn)行的拋光實施例。
在與實施例1相同的條件下，在堿性介質(zhì)中使用相同的膠質(zhì)二氧化硅，得到的結(jié)果如下a)pH為10-均勻度百分比為18％-多晶硅的磨蝕速度為3550/分鐘b)pH為11-均勻度百分比為30％-多晶硅的磨蝕速度為7088/分鐘實驗2采用以酸性膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液為主要成分的研磨液進(jìn)行的拋光實施例。
在與實施例1相同的條件下，使用相同的膠質(zhì)二氧化硅，不同的是使用pH2.2的酸性介質(zhì)，得到如下結(jié)果-均勻度百分比為8％-多晶硅的磨蝕速度為470/分鐘實驗3硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)的拋光實施例，其濃度是硼為4.4％而磷為4.7％，采用以堿性膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液為主要成分的研磨劑拋光。
在與實施例1中所述相同的條件下，使用相同的膠質(zhì)二氧化硅，不同的是在pH10堿性介質(zhì)中使用的，得到如下結(jié)果-均勻度百分比為12％-BPSG的磨蝕速度為451/分鐘實驗4采用以膠態(tài)二氧化硅堿性含水懸浮液為主要成分的研磨劑所進(jìn)行的硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)拋光實施例，其濃度是硼為4.4％而磷為4.7％。
在與實施例1中所述相同的條件下，使用同樣的膠態(tài)二氧化硅，是在pH2.5的酸性介質(zhì)中使用，得到如下結(jié)果-均勻度百分比為7.9％-BPSG的磨蝕速度為2770％/分鐘因而可證實使用中性或接近中性pH的膠態(tài)二氧化硅懸浮液可以達(dá)到無論是對多晶硅還是對BPSG都有較好的拋光均勻度，同時還保持了較高的磨蝕速度，板片的表面態(tài)也很好并且平整拋光又非常好。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體材料或絕緣材料層的機(jī)械-化學(xué)拋光方法，所謂半導(dǎo)體材料比如是多晶硅、外延單晶硅、非晶硅；絕緣材料比如是在半導(dǎo)體微電子學(xué)工藝中所用的磷硅酸鹽玻璃或硼磷硅酸鹽玻璃，不包括制作集成電路板時所用的粗制硅，在該方法中對半導(dǎo)體材料層或絕緣材料層進(jìn)行研磨是借助了一種浸漬有研磨劑組合物的織物對所述材料層進(jìn)行摩擦，該方法的特征在于研磨劑含有中性或接近中性pH的膠態(tài)二氧化硅含水懸浮液，它含有彼此沒有通過硅氧烷鍵而彼此粘結(jié)的單個顆?；哪z態(tài)二氧化硅微粒，還含有一些作為懸浮介質(zhì)的水。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械-化學(xué)拋光方法，其特征在于研磨劑主要是由中性或接近中性pH的含水懸浮液組成的。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于中性或接近中性pH的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液的pH值為6-8。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于中性或接近中性pH的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液的pH值為6.5-7.5。
5．根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項的方法，其特征在于中性或接近中性pH的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液含有單個顆粒化的膠態(tài)二氧化硅微粒，這些微粒之間沒有通過硅氧烷鍵合而彼此粘結(jié)，微粒直徑為3-250nm。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于中性或接近中性pH的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液含有單顆?；哪z態(tài)二氧化硅微粒，這些微粒之間沒有通過硅氧烷鍵合而彼此粘結(jié)，其直徑為10-100nm。
7．根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項的方法，其特征在于中性或接近中性pH的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液在二氧化硅重量濃度為5-50％的條件下被采用。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于中性或接近中性pH的膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液在二氧化硅重量濃度為15-40％的條件下被采用。
9．根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于半導(dǎo)體材料是以多晶硅、外延硅、無定形非晶硅為主要成分，或者是以選自于磷硅酸鹽玻璃(PSG)和硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)的摻雜硅氧化物為主要成分。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于半導(dǎo)體材料層是以多晶硅為主要成分。
11．以硅為主要成分的半導(dǎo)體材料層或者是以摻雜硅氧化物為主要成分的材料層機(jī)械-化學(xué)拋光用的研磨劑，半導(dǎo)體材料比如是多晶硅，外延硅或無定形非晶硅；摻雜硅氧化物比如是磷硅酸鹽玻璃(PSG)或硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)，研磨劑還包括一種浸潤液體研磨組合物的織物，研磨組合物又含有中性或接近中性pH膠質(zhì)二氧化硅含水懸浮液，它含有單顆?；奈⒘?，這些微粒之間沒有通過硅氧烷鍵合而彼此粘結(jié)，微粒的直徑為3-250毫微米，pH為6-8。
全文摘要
半導(dǎo)體材料層或絕緣材料層的機(jī)械－化學(xué)研磨方法,半導(dǎo)體材料比如是多晶硅、外延單晶硅、非晶硅;絕緣材料比如是磷硅酸鹽玻璃或硼磷硅酸鹽玻璃,這都是在半導(dǎo)體微電子工藝中常用的,不包括制作集成電路板時所用的初制硅,在該方法中對半導(dǎo)體材料層或絕緣層進(jìn)行研磨主要是借助一種浸潤了研磨組合物的織物去摩擦所述材料層,研磨劑含有中性或接近中性pH的單顆?；z質(zhì)二氧化硅微粒的含水懸浮液,這些微粒之間沒有由于硅氧烷鍵合而彼此粘結(jié),還含一些作為懸浮介質(zhì)的水。
文檔編號H01L21/306GK1208248SQ9810969
公開日1999年2月17日 申請日期1998年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月7日
發(fā)明者E·杰克奎諾特, M·里沃爾, C·厄吾拉德 申請人:科萊恩(法國)公司