Somit besteht ein Bedarf für eine Zusammensetzung und ein Verfahren für das chemisch-mechanische Polieren von Siliciumdioxid und Siliciumnitrid für Shallow-Trench-Isolation-Verfahren mit verbesserter Selektivität.

Unter einem ersten Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung zur Verfügung, die zum Polieren von Siliciumdioxid und Siliciumnitrid auf einem Halbleiterwafer nützlich ist, die 0,01 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung, 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung und zum Rest Wasser umfasst, wobei die zwitterionische Verbindung die folgende Struktur besitzt:

Unter einem zweiten Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung eine wässrige Zusammensetzung zur Verfügung, die zum Polieren von Siliciumdioxid und Siliciumnitrid auf einem Halbleiterwafer nützlich ist, die 0,01 bis 5 Gew.-% N,N,N-Trimethylammonioacetat, 0,01 bis 5 Gew.-% Polyacrylsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Cerdioxid, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung und zum Rest Wasser umfasst, wobei die wässrige Zusammensetzung einen pH-Wert von 4 bis 9 aufweist.

Unter einem dritten Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Polieren von Siliciumdioxid und Siliciumnitrid auf einem Halbleiterwafer zur Verfügung, das die folgenden Stufen umfasst: Inkontaktbringen des Siliciumdioxids und des Siliciumnitrids auf dem Wafer mit einer Polierzusammensetzung, wobei die Polierzusammensetzung 0,01 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung, 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung und zum Rest Wasser umfasst; und Polieren des Silciumdioxids und Siliciumnitrids mit einem Polierkissen; wobei die zwitterionische Verbindung die folgende Struktur besitzt:

Die Zusammensetzung und das Verfahren bieten eine unerwartete Selektivität für das Entfernen von Siliciumdioxid relativ zu Siliciumnitrid. Vorteilhafterweise beruht die Zusammensetzung auf einem Chelatbildner oder einem Selektivitätsverstärker zum selektiven Polieren von Siliciumdioxid relativ zu Siliciumnitrid für STI-Verfahren. Insbesondere umfasst die Zusammensetzung eine zwitterionische Verbindung zum selektiven Polieren von Siliciumdioxid relativ zu Siliciumnitrid am pH-Wert der Auftragung bzw. Anwendung.

Wie hierin definiert, bezeichnet der Begriff "Alkyl" (oder Alkyl- oder Alk-) eine substituierte oder unsubstituierte, gerade, verzweigte oder cyclische Kohlenwasserstoffkette, die vorzugsweise 1 bis 20 Kohlenstoffatome enthält. Alkylgruppen beinhalten beispielsweise Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Cyclopropyl, Butyl, Isobutyl, tert.-Butyl, sek.-Butyl, Cyclobutyl, Pentyl, Cyclopentyl, Hexyl und Cyclohexyl.

Der Begriff "Aryl" bezeichnet eine beliebige substituierte oder unsubstituierte, aromatische, carbocyclische Gruppe, die vorzugsweise 6 bis 20 Kohlenstoffatome enthält. Eine Arylgruppe kann monocyclisch oder polycyclisch sein. Arylgruppen beinhalten beispielsweise Phenyl, Naphthyl, Biphenyl, Benzyl, Tolyl, Xylyl, Phenylethyl, Benzoat, Alkylbenzoat, Anilin und N-Alkylanilino.

Der Begriff "zwitterionische Verbindung" bedeutet eine Verbindung, die kationische und anionische Substituenten in gleichen Anteilen enthält, die durch eine physische Brücke, z.B. eine CH₂-Gruppe, verbunden sind, so dass die Verbindung insgesamt neutral ist. Die zwitterionischen Verbindungen der vorliegenden Erfindung beinhalten die folgende Struktur:

Bevorzugte zwitterionische Verbindungen beinhalten beispielsweise Betaine. Ein bevorzugtes Betain gemäß der vorliegenden Erfindung ist N,N,N-Trimethylammonioacetat, das durch die folgende Struktur dargestellt wird:

Vorteilhafterweise enthält die Zusammensetzung 0,01 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung zum selektiven Entfernen des Siliciumdioxids relativ zum Siliciumnitrid. Vorteilhafterweise enthält die Zusammensetzung 0,05 bis 1,5 Gew.-% zwitterionische Verbindung. Die zwitterionische Verbindung der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise die Planarisierung fördern und das Entfernen von Nitrid unterdrücken.

Zusätzlich zur zwitterionischen Verbindung enthält die Zusammensetzung vorteilhafterweise 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung 0,05 bis 1,5 Gew.-% eines Carbonsäurepolymers. Vorzugsweise besitzt das Polymer auch ein zahlenmittleres Molekulargewicht von 4000 bis 1500000. Zusätzlich können Blends von Carbonsäurepolymeren mit höherem und niedrigerem zahlenmittleren Molekulargewicht verwendet werden. Im Allgemeinen sind diese Carbonsäurepolymere in Lösung, sie können jedoch in einer wässrigen Dispersion vorliegen. Das Carbonsäurepolymer kann vorteilhafterweise als ein Dispergiermittel für die Schleifpartikel (die unten diskutiert werden) dienen. Das zahlenmittlere Molekulargewicht der voranstehend aufgeführten Polymere wird durch GPC (Gelpermeationschromatographie) bestimmt.

Die Carbonsäurepolymere werden aus ungesättigten Monocarbonsäuren und ungesättigten Dicarbonsäuren gebildet. Typische ungesättigte Monocarbonsäuremonomere enthalten 3 bis 6 Kohlenstoffatome und beinhalten Acrylsäure, oligomere Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure und Vinylessigsäure. Typische ungesättigte Dicarbonsäuren enthalten 4 bis 8 Kohlenstoffatome und beinhalten die Anhydride davon und sind beispielsweise Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Glutarsäure, Itaconsäure, Itaconsäureanhydrid und Cyclohexendicarbonsäure. Zusätzlich dazu können ebenso wasserlösliche Salze der voranstehend aufgeführten Säuren verwendet werden.

Besonders nützlich sind "Poly(meth)acrylsäuren" mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von etwa 1000 bis 1500000, vorzugsweise 3000 bis 250000, und stärker bevorzugt 20000 bis 200000. Wie er hierin verwendet wird, ist der Begriff "Poly(meth)acrylsäure" als Polymere von Acrylsäure, Polymere von Methacrylsäure oder Copolymere aus Acrylsäure und Methacrylsäure definiert. Blends aus Poly(meth)acrylsäuren mit verschiedenem zahlenmittleren Molekulargewicht sind besonders bevorzugt. In diesen Blends oder Gemischen von Poly(meth)acrylsäuren wird eine Poly(meth)acrylsäure mit niedrigerem zahlenmittleren Molekulargewicht, die ein zahlenmittleres Molekulargewicht von 1000 bis 100000, und vorzugsweise 4000 bis 40000, aufweist, in Kombination mit einer Poly(meth)acrylsäure mit höherem zahlenmittleren Molekulargewicht, die ein zahlenmittleres Molekulargewicht von 150000 bis 1500000, vorzugsweise 200000 bis 300000, aufweist, verwendet. Typischerweise beträgt das Gewichtsprozentverhältnis der Poly(meth)acrylsäure mit geringerem zahlenmittleren Molekulargewicht zur Poly(meth)acrylsäure mit höherem zahlenmittleren Molekulargewicht etwa 10:1 bis 1:10, vorzugsweise 5:1 bis 1:5, und bevorzugter 3:1 bis 2:3. Ein bevorzugtes Blend umfasst eine Poly(meth)acrylsäure mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von etwa 20000 und eine Poly(meth)acrylsäure mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von etwa 200000 in einem Gewichtsverhältnis von 2.1.

Zusätzlich können Copolymere und Terpolymere, die Carbonsäuren enthalten, verwendet werden, in denen die Carbonsäure-Komponente 5 bis 75 Gew.-% des Polymers umfasst. Typische Vertreter derartiger Polymere sind Polymere von (Meth)acrylsäure und Acrylamid oder Methacrylamid; Polymere von (Meth)acrylsäure und Styrol und anderen vinylaromatischen Monomeren; Polymere von Alkyl(meth)acrylaten (Ester von Acrylsäure oder Methacrylsäure) und einer Mono- oder Dicarbonsäure, wie Acrylsäure oder Methacrylsäure oder Itaconsäure; Polymere von substituierten vinylaromatischen Monomeren mit Substituenten, wie Halogen (d.h., Chlor, Fluor, Brom), Nitro, Cyano, Alkoxy, Halogenalkyl, Carboxy, Amino, Aminoalkyl, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure und einem Alkyl(meth)acrylat; Polymere von monoethylenisch ungesättigten Monomeren, die einen Stickstoffring enthalten, wie Vinylpyridin, Alkylvinylpyridin, Vinylbutyrolactam, Vinylcaprolactam, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure; Polymere von Olefinen, wie Propylen, Isobutylen oder Olefinen mit langen Alkylketten, die 10 bis 20 Kohlenstoffatome aufweisen; und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure; Polymere von Vinylalkoholestern, wie Vinylacetat und Vinylstearat, oder Vinylhalogeniden, wie Vinylfluorid, Vinylchlorid, Vinylidenfluorid, oder Vinylnitrilen, wie Acrylnitril und Methacrylnitril, und einer ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäure; Polymere von Alkyl(meth)acrylaten mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe und einer ungesättigten Monocarbonsäure, wie Acrylsäure oder Methacrylsäure. Dies sind nur wenige Beispiele der Vielzahl an Polymeren, die in der neuen Polierzusammensetzung dieser Erfindung verwendet werden können. Es ist auch möglich, Polymere zu verwenden, die bioabbaubar, photoabbaubar oder auf andere Weise abbaubar sind. Ein Beispiel einer derartigen Zusammensetzung, die bioabbaubar ist, ist ein Polyacrylsäurepolymer, das Segmente von Poly(acrylat-co-methyl-2-cyanoacrylat) enthält.

Vorteilhafterweise enthält die Polierzusammensetzung 0,2 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, um das Entfernen von Siliciumdioxid zu ermöglichen. Innerhalb dieses Bereichs ist es wünschenswert, dass das Schleifmittel in einer Menge von 0,5 Gew.-% oder mehr vorliegt. Ebenso wünschenswert innerhalb dieses Bereichs ist eine Menge von 2,5 Gew.-% oder darunter.

Das Schleifmittel weist eine durchschnittliche Partikelgröße zwischen 50 und 200 Nanometern (nm) auf. Für die Zwecke dieser Beschreibung bezeichnet Partikelgröße die durchschnittliche Partikelgröße des Schleifmittels. Stärker bevorzugt ist es wünschenswert, ein Schleifmittel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße zwischen 80 und 150 nm zu verwenden. Ein Erniedrigen der Größe des Schleifmittels auf 80 nm oder weniger tendiert zu einer Verbesserung des Planarisierens der Polierzusammensetzung, jedoch neigt dies auch zu einer Senkung der Entfernrate.

Beispielhafte Schleifmittel beinhalten anorganische Oxide, anorganische Hydroxide, Metallboride, Metallcarbide, Metallnitride, Polymerpartikel und Gemische, die mindestens eines der Vorgenannten umfassen. Geeignete anorganische Oxide beinhalten beispielsweise Siliciumdioxid (SiO₂) , Aluminiumoxid (Al₂O₃) , Zirkoniumdioxid (ZrO₂) , Cerdioxid (CeO₂), Manganoxid (MnO₂) oder Kombinationen, die mindestens eines der vorangehenden Oxide umfassen. Modifizierte Formen dieser anorganischen Oxide, z.B. Polymerbeschichtete anorganische Oxidpartikel und anorganische beschichtete Partikel, können auch verwendet werden, wenn dies. gewünscht ist. Geeignete Metallcarbide, -boride und -nitride beinhalten beispielsweise Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbonitrid (SiCN), Borcarbid, Wolframcarbid, Zirkoniumcarbid, Aluminiumborid, Tantalcarbid, Titancarbid oder Kombinationen, die mindestens eines der vorangehenden Metallcarbide, -boride und -nitride umfassen. Diamant kann ebenso als ein Schleifmittel verwendet werden, wenn dies gewünscht ist. Alternative Schleifmittel beinhalten auch Polymerpartikel und beschichtete Polymerpartikel. Das bevorzugte Schleifmittel ist Cerdioxid.

Die Verbindungen bieten eine Wirksamkeit über einen weiten pH-Bereich in Lösungen, die zum Rest Wasser enthalten. Der nützliche pH-Bereich dieser Lösung erstreckt sich zumindest von 4 bis 9. Zusätzlich beruht die Lösung vorzugsweise auf deionisiertem Wasser zum Rest, um zufällige Verunreinigungen zu begrenzen. Der pH-Wert der Polierflüssigkeit dieser Erfindung beträgt vorzugsweise 4,5 bis 8, stärker bevorzugt ist ein pH-Wert von 5,5 bis 7,5. Die zum Einstellen des pH-Werts der Zusammensetzung dieser Erfindung verwendeten Säuren sind beispielsweise Salpetersäure, Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure, Phosphorsäure und dergleichen. Exemplarische Basen, die zur Einstellung des pH-Werts der Zusammensetzung dieser Erfindung verwendet werden, sind beispielsweise Ammoniumhydroxid und Kaliumhydroxid.

Optional kann die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung umfassen. Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung optional 0,05 bis 1,5 Gew.-% kationische Verbindung. Die kationische Verbindung der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise das Planarisieren fördern, die Klärzeit für den Wafer regulieren, und sie dient dazu, das Entfernen des Oxids zu unterdrücken. Bevorzugte kationische Verbindungen beinhalten Alkylamine, Arylamine, quaternäre Ammoniumverbindungen und Alkoholamine. Beispielhafte kationische Verbindungen beinhalten Methylamin, Ethylamin, Dimethylamin, Diethylamin, Trimethylamin, Triethylamin, Anilin, Tetramethylammoniumhydroxid, Tetraethylammoniumhydroxid, Ethanolamin und Propanolamin.

Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung zur Verfügung, die zum Polieren von Siliciumdioxid und Siliciumnitrid auf einem Halbleiterwafer für STI-Verfahren nützlich ist. Vorteilhafterweise umfasst die Zusammensetzung zwitterionische Verbindungen für eine verbesserte Selektivität. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung zur Verfügung, die zum Polieren von Siliciumdioxid und Siliciumnitrid auf einem Halbleiterwafer nützlich ist, die 0,01 bis 5 Gew.-% zwitterionische Verbindung, 0,01 bis 5 Gew.-% Carbonsäurepolymer, 0,02 bis 6 Gew.-% Schleifmittel, 0 bis 5 Gew.-% kationische Verbindung und zum Rest Wasser umfasst. Die Zusammensetzung zeigt eine in besonderem Maße verbesserte Selektivität in einem pH-Bereich von 4 bis 9.