Bei einer Zusammensetzung in Form einer Dispersion oder einer Slurry für das chemisch-mechanische Polieren (CMP) bei der Herstellung von elektronischen oder mikroelektronischen Bauelementen, insbesondere Halbleiterelementen, und/oder eines mechanischen Bauelementes, insbesondere eines mikroelektromechanischen Bau- oder Halbleiterelementes (MEMS), soll eine Lösung geschaffen werden, die es ermöglicht, eine definiert einstellbare Teilchengrößenverteilung mit verbesserter Uniformität hinsichtlich Größe und Morphologie der Partikel zu erzielen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Zusammensetzung reine Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltige Partikel enthält, welche vor, insbesondere unmittelbar vor, oder bei Zubereitung der Dispersion oder der Slurry einem Nassmahlungsschritt bzw. einer Nassmahlung ausgesetzt sind.
Beschreibung[de]
Die Erfindung richtet sich auf Zusammensetzungen in Form einer Dispersion
oder einer Slurry für das chemisch-mechanische Polieren (CMP) bei der Herstellung
von elektronischen oder mikroelektronischen Bauelementen, insbesondere Halbleiterelementen,
und/oder eines mechanischen Bauelementes, insbesondere eines mikroelektromechanischen
Bau- oder Halbleiterelementes (MEMS).
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
elektronischen oder mikroelektronischen Bauelementes, insbesondere eines Halbleiterelementes,
und/oder eines mechanischen Bauelementes, insbesondere eines mikroelektromechanischen
Bau- oder Halbleiterelementes (MEMS), welches unter dem Einfluss einer titanhaltigen
Zusammensetzung in Form einer Dispersion oder einer Slurry einem chemisch-mechanischen
Polier- Verfahren (CMP) unterworfen wird.
Sie richtet sich ferner auf ein mikroelektronisches Bauelement, insbesondere
ein Halbleiterelement, und/oder ein mechanisches Bauelement, insbesondere ein mikroelektromechanisches
Bau- oder Halbleiterelement (MEMS), hergestellt nach diesem Verfahren.
Schließlich betrifft die Erfindung ein chemisch-mechanisches Polieren
(CMP), durchgeführt unter Verwendung der vorstehenden Zusammensetzung.
Bei der Dispersion oder Slurry handelt es sich um eine Polierflüssigkeit,
die beim chemisch-mechanischen Polieren (CMP), das auch als chemisch-mechanische
Planarisierung bezeichnet wird, Verwendung findet.
In modernen integrierten Schaltungen (integrated circuits, IC) werden
eine große Anzahl von mikroelektronischen Bauelementen, etwa Transistoren, Dioden,
Kondensatoren und dergleichen, auf einem Substrat, z.B. aus Silizium oder anderen
halbleitenden, isolierenden oder leitenden Materialien hergestellt. Die Schaltkreise
bestehen aus strukturierten halbleitenden, nicht leitenden und elektrisch leitfähigen
dünnen Schichten. Diese strukturierten Schichten werden üblicherweise dadurch hergestellt,
dass ein Schichtmaterial durch physikalische oder chemische Verfahren (z. B. Aufdampfen,
Kathodenzerstäubung, chemische Abscheidung aus der Dampfphase o. ä.) aufgebracht
und durch ein mikrolithographisches Verfahren strukturiert wird. Durch die Kombination
der verschiedenen halbleitenden, nicht leitenden und leitenden Schichtmaterialien
werden die elektronischen Schaltungselemente des IC, wie z. B. Transistoren, Kondensatoren,
Widerstände u. a. definiert und hergestellt.
Diese einzelnen Schaltungselemente müssen untereinander mittels einer
so genannten Metallisierung gemäß der erforderlichen Funktionalität der integrierten
Schaltung verbunden werden. Dazu wird ein so genanntes Zwischenebenendielektrikum
über den Elementen abgeschieden und es werden Durchgangsöffnungen in der dielektrischen
Schicht gebildet. Anschließend erfolgt die Abscheidung des Metalls für die eigentlichen
Leitbahnen. Zwei Verfahren werden üblicherweise für die Strukturierung des Metalls
eingesetzt. In einem ersten Verfahren wird das Metall, z. B. Aluminium mit einer
photolithographisch aufgebrachten Lackmaske durch z.B. reaktives Ionenätzen (RIE)
strukturiert. In einem zweiten Verfahren, das bevorzugt eingesetzt wird, wenn das
Metall nicht durch RIE geätzt werden kann, werden die Durchgangsöffnungen und ins
Zwischenebenendielektrikum geätzte Gräben mit Metall, beispielsweise Kupfer oder
Wolfram gefüllt, um die elektrische Verbindung der einzelnen Halbleiterelemente
bereitzustellen (sog. Damascene- bzw. Dual-Damascene Verfahren). Rückpolieren mittels
chemisch-mechanischem Polieren (CMP) führt zu den metallgefüllten Gräben bzw. Durchgangsöffnungen.
Aufgrund der ständig steigenden Anzahl von Halbleiterelementen und der immensen
Komplexität moderner integrierter Schaltungen müssen typischerweise eine Vielzahl
von Metallisierungsschichten übereinander gestapelt werden, um die erforderliche
Funktionalität zu erreichen.
Im Rahmen einer wirtschaftlichen Fertigung der Integrierten Schaltungen
reduzieren sich regelmäßig die Strukturbreiten der Schaltungen, d. h. die Schaltungen
werden kleiner und die Substratfläche, d.h. der Scheibendurchmesser (Waferdurchmesser)
und damit die Anzahl der Schaltungen auf dem Wafer nimmt zu. Die zur Erzielung der
gewünschten Strukturbreiten, bei modernsten ICs im sub-100 nm Bereich, eingesetzten
Lithographieverfahren weisen Schärfentiefebereiche (depth-of-focus, DOF) von < 1
&mgr;m auf, d.h. es werden extrem ebene Substratoberflächen benötigt. Strukturen,
die auf Bereiche oberhalb oder unterhalb der Schärfentiefeebene abgebildet werden,
erscheinen unscharf und weisen Abweichungen von der Struktursollgröße auf. Ausgehend
von ultraglatten Substraten (Wafern), deren Oberflächen unter Verwendung von CMP
hergestellt werden, müssen also die Wafer immer wieder dann planarisiert
werden, wenn die Topographie auf der Scheibenoberfläche die erlaubte DOF überschreitet.
Dies tritt beim ersten beschriebenen Metallisierungsschema immer dann auf, wenn
sich die Leitbahnen z.B. aus Aluminium, die eine Stärke von 0,5 – 0,8 &mgr;m
aufweisen, kreuzen bzw. überschneiden. Abhilfe schafft eine Planarisierung des Zwischenebenendielektrikums
mittels CMP. Andernfalls können Kurzschlüsse, unterbrochene Verbindungen, mangelhafte
Kontakte zwischen den Ebenen oder schließlich Zuverlässigkeitsprobleme während des
Betriebs des ICs auftreten. Die Anwendung der Damascene- bzw. Dual-Damascene-Technologie
bei Wolfram-Durchgangskontakten oder Kupfer-Leitbahnen, d.h. die Herstellung von
eingegrabenen Leitbahnen, führt beim Polieren von überstehendem Metall automatisch
zu planaren Oberflächen, weshalb sich diese Technologie verstärkt durchsetzt.
Chemisch-mechanisches Polieren wird über die bereits erwähnten Anwendungen
hinaus auch beispielsweise bei der Erzeugung der Grabenisolation zwischen den Bauelementen
(shallow trench isolation – STI), bei der Definition der Steuerelektroden
bei MOS-Transistoren (metal gates), bei der Herstellung von mikroelektromechanischen
Systemen (MEMS), bei der Fertigung von Festplatten und Festplatten-Schreib/Leseköpfen
usw. eingesetzt. Das CMP bewirkt eine sowohl lokale als auch die gesamte Waferfläche
umfassende Planarisierung der strukturierten Oberflächen durch Abtrag erhöhter Schichtteile,
bis eine ebene Oberfläche erhalten wird. Hierdurch kann der nächstfolgende Schichtaufbau
auf einer ebenen Fläche ohne Höhenunterschiede erfolgen und die gewünschte Präzision
der Strukturierung und die Zuverlässigkeit der Bauelemente der Schaltung können
erreicht werden.
Ein CMP-Schritt wird mit Hilfe von speziellen Poliermaschinen, Poliertüchern
(Pads) und Poliermitteln (Polierslurries) durchgeführt. Eine Polierslurry ist eine
Zusammensetzung, die in Kombination mit dem Poliertuch, dem so genannten Pad, auf
der Poliermaschine einen Abtrag des zu polierenden Materials auf einem Wafer oder
einem anderen Substrat bewirkt. Ein Wafer ist eine polierte Siliziumscheibe, auf
der integrierte Schaltungen aufgebaut werden. CMP-Prozesse können auf verschiedene
Materialien, die z. B. oxidische, nitridische, halbleitende oder metallische Komponenten
enthalten, angewendet werden.
Bei Polierprozessen üben Poliertücher und Polierflüssigkeiten wichtige
Funktionen aus. So beeinflusst das Poliertuch z. B. die Verteilung der Polierflüssigkeit
auf dem Wafer, den Abtransport des abgetragenen Materials oder auch die Herausbildung
topologischer Merkmale (Planarität). Wichtige kennzeichnende Merkmale eines Poliertuchs
sind z. B. dessen Porenform und -größe, dessen Härte und Kompressibilität. Die Polierflüssigkeit
enthält z. B. die notwendigen Chemikalien und Abrasivmaterialien, verdünnt und transportiert
abgetragenes Material und beeinflusst z. B. die Abtragsrateneines CMP-Prozesses
bezüglich unterschiedlicher Materialien. Kennzeichnende Merkmale einer Polierflüssigkeit
sind z. B. deren Inhalt an Chemikalien und Abrasivmaterialien hinsichtlich Art und
Menge, die Teilchengrößenverteilung, die Viskosität und kolloidale und chemische
Stabilität. Eine Übersicht über die Technik des CMP findet sich z. B. in J. M. Steigerwald,
S. P. Murarka und R. J. Gutmann, "Chemical Mechanical Planarization of Microelectronic
Materials", John Wiley & Sons Inc., New York (1996), B. L. Mueller und J. S. Steckenrider,
Chemtech (1998) S. 38-46 oder in R. Waser (Hg.), "Nanoelectronics and Information
Technology – Advanced Electronic Materials and Novel Devices", Verlag Wiley-VCH
Weinheim (2003) S. 264-271.
Polierflüssigkeiten sind typischerweise Mehrkomponenten-Systeme, bestehend
aus flüssigen Bestandteilen und gelösten Additiven (z. B. organische und anorganische
Säuren oder Basen, Stabilisatoren, Korrosionsinhibitoren, oberflächenaktive Substanzen,
Oxidationsmittel, Puffer, Komplexierungsmittel, Bakterizide und Fungizide) und Abrasivmaterialien
(z. B. Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Ceroxid) dispergiert in einem flüssigen Medium,
typischerweise Wasser. Die konkrete Zusammensetzung wird durch das zu polierende
Material bestimmt.
Insbesondere in Polierschritten, in denen Halbleiterschichten beteiligt
sind, sind die Anforderungen an die Präzision des Polierschrittes und damit an die
Polierslurry besonders groß. Bewertungsmaßstab für die Wirksamkeit von Polierslurries
sind eine Reihe von Größen, mit denen die Wirkung der Polierslurry charakterisiert
wird. Hierzu gehören die Abtragsrate, d. h. die Geschwindigkeit, mit der das zu
polierende Material abgetragen wird, die Selektivität, d. h. das Verhältnis der
Abtragsgeschwindigkeiten von zu polierendem Material zu weiteren anwesenden Materialien,
sowie Größen für die Gleichmäßigkeit der Planarisierung. Diese beschreiben einen
erzielten Planarisierungsgrad (Ebenheit), eine unerwünschte Einpolierung ins Material
(dishing) oder einen unerwünschten Abtrag benachbarter, anderer Materialien (erosion).
Zu den die Gleichmäßigkeit der Planarisierung beschreibenden Größen werden aber
auch die Gleichmäßigkeit der Restschichtdicke innerhalb eines Wafers (within-wafer
non-uniformity, WIWNU) und die Gleichmäßigkeit von Wafer zu Wafer (wafer-to-wafer
non-uniformity, WTWNU) sowie die Anzahl der Defekte (z.B. Kratzer, Oberflächenrauigkeiten
oder anhaftende Partikel) pro Flächeneinheit gezählt.
Für die IC-Herstellung wird zunehmend der so genannte Kupfer-Damascene-Prozess
verwendet (vgl. z. B. "Microchip Fabrication: A Practical Guide to Semiconductor
Processing", Peter Van Zant, 4<th> ed., McGraw-Hill, 2000, pp 401-403 und 302-309;
"Copper CMP: A Question of Tradeoffs", Peter Singer, Semiconductor International,
Verlag Cahners, Mai 2000, pp 73-84; U. Hilleringmann, "Silizium-Halbleitertechnologie",
Teubner-Verlag, 3. Auflage, 2003). Dabei ist es erforderlich, eine Kupfer (Cu) -Schicht
chemisch-mechanisch mit einer Polierslurry abzutragen (sog. Cu-CMP-Prozess), um
die Cu-Leiterbahnen herzustellen. Die fertigen Cu-Leiterbahnen sind in ein Dielektrikum
eingebettet. Zwischen Cu und dem Dielektrikum befindet sich eine Barriereschicht,
um ein Eindiffundieren von Kupfer letztlich in das Silizium (Si) -Substratmaterial
zu verhindern, was negative Folgen für die Leistungsfähigkeit des ICs zur Folge
hätte. Aus diesem Aufbau resultieren Besonderheiten und Schwierigkeiten hinsichtlich
der erforderlichen Poliertechniken. In einem typischen IC-Herstellungsprozess wird
Kupfer auf einer Barriereschicht aus Tantal/Tantalnitrid abgeschieden. Auch andere
Metalle, deren Nitride bzw. Silicide können dafür eingesetzt werden. Bei der zu
erfolgenden Planarisierung ist es notwendig, das überschüssige Kupfer und Barrierematerial
zu entfernen, ohne die darunter liegende Schicht des Dielektrikums abzutragen. Bedingt
durch unterschiedliche Materialeigenschaften des Kupfers (relativ weich, leicht
oxidierbar) und des Tantals (relativ hart), werden an einen Polierprozess besondere
Anforderungen gestellt. Stand der Technik für den Cu-CMP-Prozess ist ein mehrstufiger
Prozess. Die Cu-Schicht wird zuerst mit einer Polierslurry poliert, die einen hohen
Cu-Abtrag garantiert. Anschließend wird eine zweite Polierslurry verwendet, um die
überstehende Barriereschicht zu entfernen. Nach anschließenden Reinigungsschritten
wird eine ebene Oberfläche mit dem blank polierten Dielektrikum und den eingebetteten
Leiterbahnen erhalten. Für den ersten Polierschritt verwendet man z. B. eine Polierslurry
mit hoher Selektivität, d. h., dass die Abtragsrate für Cu möglichst hoch ist und
die für das Material der darunter liegenden Barriereschicht möglichst klein ist.
Der Polierprozess wird automatisch gestoppt, sobald unter dem Cu die Barriereschicht
freigelegt wird. Für die Entfernung der Barriereschicht in einem zweiten Polierschritt
verwendet man Polierslurries mit hoher Abtragsrate für die Barriereschicht. Die
Abtragsrate für Cu ist kleiner oder gleich der Abtragsrate für die der Barriereschicht.
Zur Vermeidung von Dishing und Erosion soll die Abtragsrate des Dielektrikums in
gleicher Größenordnung liegen.
CMP-Slurries für das Polieren von Metall, z.B. für den ersten Kupfer-Polierschritt,
enthalten eine oder mehrere chemische Verbindungen, die mit dem Material der einzuebnenden
Schicht reagieren, z. B. oxidieren, wobei danach das Reaktionsprodukt, etwa das
Metalloxid, mechanisch mit Abrasivstoffen in der Slurry oder auf dem Poliertuch
entfernt wird. Freiliegendes Metall wird dann durch weitere chemische Verbindungen
leicht angeätzt, bevor sich wieder ein schützender Oxidüberzug bildet und der Zyklus
von neuem starten kann. Abtrag und erzielte Planarität hängen ab vom Druck zwischen
Werkstück und Poliertuch, von der Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden und
bei chemisch dominierten Prozessen von der Temperatur.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, als Abrasive in Polierslurries
für den ersten Polierschritt z. B. Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Ceroxid oder Titanoxid
einzusetzen (vgl. z. B. WO-A 99/64527, WO-A 99/67056, US-A 5,575,837 und WO-A 00/00567).
Nachteilig an auf Aluminiumoxid basierenden Polierslurries ist die hohe Härte des
Abrasivs, was verstärkt zu Kratzern auf der Waferoberfläche führt. Dieser Effekt
kann reduziert werden, indem man das Aluminiumoxid über Gasphasenprozesse und nicht
über Schmelzprozesse herstellt. Bei diesem Prozess erhält man unregelmäßig geformte
Partikel, die aus vielen kleinen Primärpartikeln (Aggregate) zusammengesintert sind.
Der Gasphasenprozess kann auch zur Herstellung von Titandioxid- oder Siliziumdioxidteilchen
verwendet werden. Kantige Teilchen kratzen prinzipiell stärker als runde, kugelförmige
Teilchen. Besonders glatt polierte Oberflächen mit Rauhigkeiten im Bereich deutlich
unter 1 nm z.B. auf dem Dielektrikumsmaterial Siliziumdioxid werden mit runden,
kugelförmigen kolloidalen Siliziumdioxid-Partikeln (Fällungskieselsäure) erzielt.
Eine Dispersion mit abrasiven Partikeln und einer durch TiO2
verursachten photokatalytischen Wirkung bei der Bestrahlung mit Licht, beispielsweise
ultraviolettem Licht, ist aus der US 2003/0022502 A1 bekannt. Hierbei unterstützt
die photokatalytische Wirkung die Oxidation der zu beseitigenden Metallschicht und
verbessert damit die abrasive Wirkung der Dispersion.
Eine Dispersions-Zusammensetzung mit photokatalytischer Wirkung und
einer Mischung aus TiO2 und Ti2O3 als Katalysator
ist aus der US 6,177,026 B1 bekannt.
Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist es, dass bei Verwendung
von dem Stand der Technik entsprechendem Titandioxid die Größe der abrasiven Partikel
nicht genau eingestellt wird und die resultierende multimodale Teilchengrößenverteilung
bzw. vorhandene Aggregate oder Agglomerate der abrasiven Partikel Kratzer, Riefen
oder unregelmäßige Abtragsraten bewirken und die Uniformität und Leistungsfähigkeit
des CMP-Prozesses beeinträchtigen. Aggregate sind dabei feste und harte Partikel,
welche deutlich größer sind als die mittlere Teilchengröße der
abrasiven Partikel. Aggregate lassen sich häufig nur schwer bzw. nur durch Einbringung
von hoher Mahlenergie zerteilen. Agglomerate sind feste Partikel, welche deutlich
größer sind als die mittlere Teilchengröße der abrasiven Partikel. Agglomerate entstehen
häufig dadurch, dass ein Teil einer Suspension an einer Behälterwand antrocknet
und die Suspension durch anschließendes Abplatzen dieser Trocknungsagglomerate verunreinigt
wird. Agglomerate lassen sich in der Regel durch Einbringung von ausreichender Mahlenergie
wieder zerteilen. Sowohl Aggregate als auch Agglomerate werden häufig auch als Überkorn
bezeichnet (s. auch „Industrial Inorganic Pigments", Gunter Buxbaum (Hrsg.),
2. Auflage, Wiley-VCH 1998, S. 12 ff).
Insbesondere für die Politur von neuartigen Materialien mit niedriger
Dielektrizitätskonstante (low-k materials), die aus dotierten Oxiden oder nanoporösen
Polymermaterialien bestehen, werden Slurries mit geringer Reibung zur Vermeidung
von Scherkräften benötigt, die bei der Politur mögliche Schicht-Delaminierungen
verhindern sollen.
Ein weiterer Nachteil beim Stand der Technik ist das aufwändige und
kostspielige Herstellungsverfahren der Dispersionspartikel, was in besonderem Maße
auf die Herstellung von Nanopartikeln aus Gasphasenprozessen zutrifft.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine definiert
einstellbare Teilchengrößenverteilung mit verbesserter Uniformität hinsichtlich
Größe und Morphologie der Partikel zu erzielen.
Bei einer Zusammensetzung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zusammensetzung Titandioxidpartikel oder
titandioxidhaltige Partikel enthält, welche vor, insbesondere unmittelbar vor, oder
bei Zubereitung der Dispersion oder der Slurry einem Nassmahlungsschritt bzw. einer
Nassmahlung ausgesetzt sind.
Insbesondere weist die Zusammensetzung ausschließlich solche Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltige Partikel auf, die eine Nassmahlung bzw. einen Nassmahlungsschritt
vor, insbesondere unmittelbar vor, oder bei Zubereitung der Dispersion oder der
Slurry durchlaufen haben.
Bevorzugt wird der Nassmahlungsschritt unmittelbar vor der Zubereitung
der CMP-Slurry vorgenommen, weil dies das Risiko hinsichtlich der Kontamination
mit oder der Bildung von gröberen Partikeln, z.B. durch Abplatzen von Anbackungen
von Behälter-, Reaktor- oder Rohrleitungen, sowie von Reagglomeration oder Flockulation
verringert. Unmittelbar bedeutet dabei, dass kein die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel betreffender Verfahrensschritt mehr zwischen der Nassmahlung und der Zubereitung
der Zusammensetzung liegt.
Hierdurch wird erreicht, dass Partikel mit einer definierten Teilchengröße
und Teilchengrößenverteilung vorliegen, wobei der Anteil an Agglomeraten oder Aggregaten
minimiert wird. Das hat zur Folge, dass die Erzeugung mechanischer Oberflächendefekte
wie Kratzer, Riefen, Oberflächenrauigkeiten oder anhaftende Partikel beim CMP-Prozess
minimiert wird. Insbesondere ist es möglich, Partikel mit einer hohen Abrasionsrate
bei gleichzeitig oberflächenschonenden Eigenschaften herzustellen.
Außerdem zeichnet sich die erfindungsgemäße Zusammensetzung durch
eine hohe katalytische bzw. photokatalytische Aktivität aus. Diese katalytische
bzw. photokatalytische Aktivität wird verursacht durch die spezifischen physikalischen
Eigenschaften von TiO2. Durch verschiedene Parameter kann eine gezielte
Beeinflussung dieser katalytischen bzw. photokatalytischen Aktivität erreicht werden:
Teilchengröße bzw. spezifische Oberfläche (BET-Oberfläche), Kristallinität (Anatas,
Rutil oder amorph), Acidität oder Oberflächenbeschichtung.
Weiterhin ist es möglich, die katalytische Aktivität durch chemische
Zusätze zu beeinflussen bzw. zu erhöhen, beispielsweise durch Zusätze von Metallionen
wie beispielsweise Fe, Co, Ni, V, Mo oder Edelmetalle wie z.B. Ag, Pd, Ru, Rh.
Diese chemischen Zusätze können den Titandioxidpartikeln oder titandioxidhaltigen
Partikeln entweder zugemischt oder auf die Oberfläche der Titandioxidpartikel oder
titandioxidhaltigen Partikel aufgebracht sein, sie können aber auch durch einen
Kalzinierungs- oder Temperprozess in das Kristallgitter der Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel eingebaut oder auf der Partikeloberfläche fest
verankert werden.
Mit der Erfindung werden Agglomerate oder Aggregate von Partikeln
aufweisende Zusammensetzungen vermieden. Weiterhin ist eine flexible Anpassung der
Teilcheneigenschaften an die eingangs erwähnten Erfordernisse von CMP-Prozessen
möglich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gasphasenprozessen ergibt sich ein technisch
und wirtschaftlich verbesserter Produktionsprozess zur Bildung nanopartikularer
titanoxidhaltiger Abrasivmaterialien, der eine variable Einstellung von z. B. Größe,
Morphologie, Gehalt an anderen erwünschten chemischen Elementen, Dotierung, Härte,
tribologischen Eigenschaften, Oberflächenrauhigkeit oder Oberflächenbeschichtung
erlaubt.
Bei Vornahme einer Nassmahlung ergibt sich ein erheblicher Spielraum
für Variationsmöglichkeiten bei der Erzeugung der TiO2-Partikel: Neben
der Erzeugung durch Gasphasenprozesse, z.B. CVD (chemical vapor deposition), können
auch Fällverfahren, Kalzinierverfahren, hydrothermale Prozesse oder andere Verfahren
zur Erzeugung der TiO2-Partikel bzw. Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltige
Partikel verwendet werden, ohne dass die dabei zunächst entstehenden harten Aggregate
oder Agglomerateaus den Partikeln sich nachteilig auf den CMP-Prozess auswirken
können. Durch die Einbringung entsprechender Mahlenergie im Rahmen der Nassmahlung
werden diese Aggregate oder Agglomerate effektiv und effizient Zerkleinerung zerkleinert.
Der Vorteil einer Nassmahlung gegenüber anderen Mahltechniken besteht
einerseits in der wirksameren Zerteilung der Aggregate oder Agglomerate, andererseits
in der besseren Absorption der Mahlenergie durch die hohe Wärmekapazität des fluiden
Mediums (z.B. Wasser) und schließlich in der besonders effektiven Abtrennung von
Überkorn bzw. gröberen Anteilen.
Durch ein gezieltes Design der charakteristischen Partikeleigenschaften
aufgrund der oben genannten Freiheitsgrade bei der Herstellung der Partikel ist
es möglich, eine rein photokatalytische Wirkung mit verbesserten Abrasiveigenschaften
zu kombinieren, so dass der Zusammensetzung keine weiteren Abrasivmaterialien außer
den dieser Erfindung zugrunde liegenden Titandioxidpartikeln oder titandioxidhaltige
Partikeln hinzugefügt werden müssen. Dies reduziert die Menge an Verbrauchsmaterialien
und wirkt sich schonend auf Ressourcen aus.
Grundsätzlich können für die Nassmahlung der Titandioxidpartikel oder
titandioxidhaltigen Partikel alle Mahlaggregate verwendet werden, die eine ausreichende
Zerkleinerungswirkung bei einer hinreichend kurzen Verweilzeit erlauben und dadurch
einen ausreichenden Durchsatz für ein wirtschaftliches Verfahren ermöglichen.
Besonders vorteilhaft ist aber eine Nassmahlung der Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel in einer Kugelmühle, einer Kugelschwingmühle,
einer Perlmühle oder einer Rührwerkkugelmühle, was die Erfindung in Ausgestaltung
vorsieht. Besonders bevorzugt wird die Verwendung einer Rührwerkkugelmühle, weil
in diesem Fall eine besonders effiziente Vermeidung von gröberen Anteilen erreicht
werden kann.
Hierbei ist es gemäß Ausgestaltung der Erfindung weiterhin von besonderem
Vorteil, wenn die Zusammensetzung Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltige Partikel
mit einem TiO2-Anteil von 5 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 75 bis 99 Gew.-%,
besonders bevorzugt 90 bis 99 Gew.-%, enthält (jeweils bezogen auf eine nach ISO
787 Teil 2 getrocknete Probe aus den Partikeln). Hierdurch weist die Zusammensetzung
den oben beschriebenen photokatalytischen Effekt in besonderem Maße auf, der einen
CMP-Prozess unterstützt.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der D90-Wert der Teilchengrößenverteilung
der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel <8,0 &mgr;m, bevorzugt
<1,2 &mgr;m, besonders bevorzugt <0,8 &mgr;m beträgt, was die Erfindung auch vorsieht.
Auf diese Weise wird vermieden, dass Schäden auf der polierten Oberfläche durch
Partikelkontamination und Ausbildung von Kratzern auftreten.
Der D90-Wert der Teilchengrößenverteilung ist der Wert, bei dem 90%
aller Teilchen kleiner und 10% der Teilchen größer als dieser Wert sind.
Entsprechend gilt für den D50-Wert der Teilchengrößenverteilung, dass
genau die Hälfte der Teilchen kleiner als dieser Wert ist.
Für den D98-Wert der Teilchengrößenverteilung gilt entsprechend, dass
98% der Teilchen kleiner als dieser Wert sind.
Üblicherweise wird die Teilchengrößenverteilung von Titandioxidpartikeln
mittels Lichtstreuung ermittelt. Beispielsweise eignet sich hierzu
ein Malvern Mastersizer 2000, wobei die zu untersuchende Dispersion mittels einer
zweiminütigen Ultraschallbehandlung dispergiert wird.
Da für den CMP-Prozess die Anwesenheit auch nur geringer Anteile an
groben Aggregaten oder Agglomeraten der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel nachteilig ist, eignet sich zur Charakterisierung der D90- bzw. der D98-Wert
besser als der D50-Wert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der D98-Wert der Teilchengrößenverteilung
der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel <10,0 &mgr;m, bevorzugt
<1,8 &mgr;m, besonders bevorzugt <1,0 &mgr;m beträgt.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der D50-Wert der Teilchengrößenverteilung
(die mittlere Teilchengröße) der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel
3 bis 1000 nm, bevorzugt 15 bis 300 nm, besonders bevorzugt 100 bis 300 nm, oder
insbesondere 10 bis 40 nm, beträgt. Hierbei sieht die Erfindung weiterhin vor, dass
die BET-Oberfläche der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel 0,1
bis 350 m2/g, bevorzugt 4 bis 150 m2/g, beträgt.
Somit wird z. B. eine hohe Abtragsleistung erreicht und die Bildung
mechanischer Defekte auf der Oberfläche während des CMP-Prozesses durch zu große
Abrasivpartikel minimiert bzw. verhindert.
Die Variation der Teilchengröße ist ein wichtiger Parameter zur Optimierung
und Steuerung des CMP-Prozesses. Je größer der mittlere Durchmesser der Teilchen
ist, desto höher wird tendenziell die Abtragsrate ausfallen; jedoch wächst dabei
auch das Risiko der Erzeugung von Defekten wie z.B. Kratzern oder Inhomogenitäten
beim CMP-Prozess.
Daneben sinkt mit größeren Teilchen in der Regel auch die photokatalytische
Aktivität.
Umgekehrt gilt, dass ein kleinerer mittlerer Durchmesser der Teilchen
tendenziell eine geringere Abtragsrate ergibt; jedoch sinkt dabei auch das Risiko
der Erzeugung von Defekten wie z.B. Kratzern oder Inhomogenitäten beim CMP-Prozess.
Daneben steigt mit kleineren Teilchen in der Regel auch die photokatalytische
Aktivität.
Je nach spezifischen Anforderungen an den CMP-Prozess kann es gemäß
Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft sein, wenn die mittlere Teilchengröße der
Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel 10 bis 40 nm und die BET-Oberfläche
der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel 50 bis 350 m2/g
beträgt. Diese Partikel weisen in der Regel eine besonders hohe photokatalytische
Aktivität auf.
Es kann aber bei anderen Bedingungen auch vorteilhaft sein, wenn die
mittlere Teilchengröße der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel
100 bis 300 nm und die BET-Oberfläche der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel 2 bis 25 m2/g beträgt, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Die Bestimmung der BET-Oberfläche erfolgt nach DIN 66131. Die Vorbehandlung
der Proben erfolgt durch Entgasen bei 140°C für 1 Stunde.
Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn die Teilchengrößenverteilung der
Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel monomodal ist.
Hierdurch wird eine bessere Uniformität der Partikel in der Polierflüssigkeit
erzielt, die für die Prozessführung wünschenswert ist und somit eine Verbesserung
des Stands der Technik darstellt, da bereits geringe Mengen an Überkorn zu Kratzern
und/oder Inhomogenitäten auf den zu polierenden Oberflächen führen können. Der Nassmahlung
der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel kommt deshalb eine ganz
entscheidende Bedeutung zu.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Anteil an Ti2O3
in den Titandioxidpartikeln oder titandioxidhaltigen Partikeln kleiner als 1 Gew.-%,
bevorzugt kleiner als 0,001 Gew.-% ist.
Weiter zeichnet sich die Erfindung in Ausgestaltung dadurch aus, dass
die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel 20 bis 2000 ppm Niob (Nb),
bevorzugt 50 bis 500 ppm an Nb, enthalten. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn
in den Titandioxidpartikeln oder titandioxidhaltigen Partikeln das Molverhältnis
von Niob zu Aluminium Nb/Al > 1, bevorzugt >10, und/oder das Molverhältnis von Niob
zu Zink Nb/Zn > 1, bevorzugt >10, beträgt. Bei solchen Verhältnissen
dieser Elemente wird ein besonders photokatalytisch aktives Material erhalten.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Titandioxidpartikel oder
titandioxidhaltigen Partikel durch Kalzinierung ohne Zugabe von Na, P, Al, und/oder
Zn hergestellt sind. Diese Elemente tragen zur Stabilisierung gegenüber Lichteinstrahlung
und damit zur Minimierung des photokatalytischen Effekts bei und können außerdem
einen Einfluss auf die Ladungsträger-Lebensdauer im Halbleiterbauelement haben.
Bevorzugt beträgt der Gehalt der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel
an Na, P, Al und/oder Zn weniger als 500 ppm, bevorzugt weniger als 100 ppm.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Rutilgehalt der Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 1
Gew.-%, beträgt, da die photokatalytischen Eigenschaften von Anatas in der Regel
stärker ausgeprägt sind als diejenigen von Rutil.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Helligkeit Y nach DIN 53163
der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel weniger als 90, bevorzugt
weniger als 85, beträgt, weil diese Werte in der Regel mit einer höheren photokatalytischen
Aktivität einhergehen.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel weniger als 2000 ppm, bevorzugt weniger als 20 ppm, an Chlorid enthalten,
weil dies die photokatalytischen Eigenschaften positiv beeinflussen kann.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel 0,0001 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 2,5 Gew.-%, Sulfat enthalten, weil
dadurch zum einen die chemische Aktivität und zum anderen die photokatalytischen
Eigenschaften positiv beeinflusst werden können.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel weniger als 100 ppm, bevorzugt weniger als 15 ppm, an Eisen oder anderen
Schwermetallenenthalten.
Ein geringer Gehalt an Schwermetallen in Polierflüssigkeiten ist für
mikroelektronische Anwendungen anzustreben, da hierdurch die Kontamination der zu
polierenden Substrate und damit die Zuverlässigkeit des Halbleiter-Bauelements günstig
beeinflusst wird und der Eintrag von Kontaminationen in das Substrat, der die Ladungsträger-Lebensdauer
negativ beeinflusst, minimiert bzw. verhindert wird.
Üblicherweise wird der CMP-Prozess – auch mit der erfindungsgemäßen
Zusammensetzung – bei pH-Werten von 9 bis 11 für Oxid-CMP (z.B. SiO2)
bzw. bei pH-Werten von 3 bis 7 bei Metall-CMP (z.B. Kupfer) durchgeführt.
Gemäß weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung demgegenüber vor,
dass die Zusammensetzung einen pH-Wert von kleiner als 2, bevorzugt kleiner als
1, oder einen pH-Wert von größer als 12, bevorzugt größer als 13, aufweist.
Eine vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäße
Zusammensetzung mit Titandioxid bzw. den Titandioxidpartikeln oder den titandioxidhaltige
Partikeln als Abrasiv einen pH-Wert von größer als 12, bevorzugt größer als 13,
aufweist. Im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik verwendeten Zusammensetzungen,
welche SiO2 oder Al2O3 als Abrasiv enthalten, weist
das Titandioxid in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auch bei extrem hohen pH-Werten
keinerlei Löslichkeit auf. Auf diese Weise kann insbesondere beim CMP-Prozess an
oxidischen Oberflächen (z.B. SiO2) die Abtragsrate erheblich gesteigert
werden.
Aber auch bei niedrigen pH-Werten von kleiner als 2, bevorzugt kleiner
als 1, weist Titandioxid eine sehr hohe Stabilität auf. Insbesondere in salzsaurer
Lösung weist Titandioxid (im Gegensatz zu SiO2 oder Al2O3)
in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auch bei extrem niedrigen pH-Werten keine
nennenswerte Löslichkeit auf. Auf diese Weise kann insbesondere beim CMP-Prozess
an metallischen Oberflächen (z.B. Cu, W oder Ta) die Abtragsrate erheblich gesteigert
werden.
Von Vorteil kann es weiterhin sein, wenn die Titandioxidpartikel oder
titandioxidhaltigen Partikel mit einer anorganischen und/oder einer organischen
Verbindung beschichtet sind.
Somit können Zeta-Potential, Oberflächenmorphologie und tribologische
Eigenschaften der Abrasiv-Partikel je nach Erfordernis durch das
zu polierende Substrat gezielt eingestellt werden.
Beispielsweise können die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel mit einem Oxid, Hydroxid oder Oxyhydroxid der Elemente Si, Zr, Zn, Al,
Ti, Ce, oder Sn beschichtet sein, was die Erfindung auch vorsieht.
Von Vorteil kann es beispielsweise weiterhin sein, wenn die Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel mit Metallen, Metallverbindungen, Edelmetallen
oder Edelmetallverbindungen – dies zum Zwecke der Steigerung oder gezielten
Steuerung der photokatalytischen Eigenschaften – beschichtet sind, was die
Erfindung auch auszeichnet.
Es ist für das zu polierende Substrat dabei jeweils abzuwägen, ob
die gezielte Beeinflussung der Eigenschaften (z.B. der photokatalytischen Eigenschaften)
der erfindungsgemäßen Zusammensetzung durch Fremdmetalle oder deren Verbindungen
(mittels Beschichtung, Adsorption oder Einbau in das Kristallgitter der Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel) erfolgt oder ob spezifische Anforderungen hinsichtlich
Kontaminationsfreiheit die größere Bedeutung haben.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel nach der Beschichtung mit einer anorganischen und/oder einer organischen
Verbindung erstmalig oder erneut einer bzw. der Nassmahlung unterzogen werden bzw.
einen solchen Schritt durchlaufen, was die Erfindung ebenfalls kennzeichnet.
Dieser Verfahrensschritt kann eingesetzt werden, um Zeta-Potential,
Oberflächenmorphologie, tribologische Eigenschaften, Komplexierungseigenschaften
u.a. physikalisch-chemische Eigenschaften der Abrasiv-Partikel einzustellen und
somit z. B. die Selektivität, Abtragsleistung oder die Eigenschaften hinsichtlich
des Post-CMP Cleaning positiv zu beeinflussen.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Zusammensetzung die Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel in Mischung mit einem oder mehreren anderen Abrasiv(en)
enthält.
Besonders vorteilhaft ist dabei, eine Mischung verschiedener Bestandteile
zu verwenden, von denen das Titandioxid überwiegend (aber nicht nur) photokatalytisch
wirkt, während andere Bestandteile chemisch oder mechanisch wirken.
Somit kann z.B. die Selektivität einer Polierflüssigkeit hinsichtlich
der Substratoberfläche gezielt eingestellt werden.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Zusammensetzung die Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel in Mischung mit einem Titanoxidhydrat enthält,
was die Erfindung weiterhin vorsieht.
Unter einem Titanoxidhydrat wird eine Verbindung verstanden, welche
eine Zusammensetzung mit der Näherungsformel TiO2·xH2O·yH2SO4
enthält, wobei der H2O-Gehalt der Titanoxidhydratpartikel 0,4-25 Gew.-%,
bevorzugt 2-10 Gew.-%, und der H2SO4-Gehalt 0-15 Gew.-%, bevorzugt
0,1-10 Gew.-%, beträgt. Hierbei können weiterhin bis zu 10 Gew.-%, bevorzugt bis
zu 3 Gew.-%, an weiteren anorganischen und/oder organischen Bestandteile enthalten
sein. Auf diese Weise können die photokatalytischen Eigenschaften des Titanoxidhydrats
gut mit den abrasiven Eigenschaften von TiO2 kombiniert werden und positive
Synergieeffekte ausgenutzt werden.
Bevorzugt enthält die Zusammensetzung die Titandioxidpartikel oder
titandioxidhaltigen Partikel in einem Anteil von 0,1 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt
3 bis 20 Gew.-%. Die für den jeweiligen Einsatzzweck optimale Konzentration kann
der Fachmann durch einfache Versuche leicht ermitteln.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel durch Hydrolyse von Titanylsulfatlösung, anschließende Abtrennung des erhaltenen
Titanoxidhydrats, gegebenenfalls Reinigung des Titanoxidhydrats und anschließende
Kalzinierung hergestellt werden und als abschließender Schritt die Nassmahlung folgt.
Auf diese Weise lassen sich Titandioxidpartikel zur Venrvendung in
einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung in guter Qualität kostengünstig herstellen.
Dieses Verfahren, welches dem großtechnischen Verfahren für die Herstellung von
Titandioxidpigmenten ähnlich ist, gewährleistet eine ausreichende Verfügbarkeit und
gleichmäßige Produkteigenschaften.
Bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird die oben stehende
Aufgabe dadurch gelöst, dass während des chemisch-mechanischen Polierens eine Zusammensetzung
nach einem der Ansprüche 1 – 29 auf die Oberfläche des Bauelementes aufgebracht
und polierend über die Oberfläche bewegt wird.
Hierdurch ergeben sich dieselben Vorteile wie sie vorstehend zu der
Zusammensetzung aufgeführt sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass während
des chemisch-mechanischen Polierens eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche
1 – 29 einer Bestrahlung mit sichtbarem und/oder ultraviolettem Licht zur
Ausnutzung eines photokatalytischen Effektes ausgesetzt wird.
Weiterhin wird die oben stehende Aufgabe gelöst durch ein mikroelektronisches
Bauelement, insbesondere ein Halbleiterelement, und/oder mechanisches Bauelement,
insbesondere mikroelektromechanisches Bau- oder Halbleiterelement (MEMS), hergestellt
nach dem vorstehenden Verfahren.
Schließlich wird die oben stehende Aufgabe gelöst durch ein Chemisch-mechanisches
Polieren (CMP) unter Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der oben stehenden
Ansprüche.
Vorteilhaft ist es gemäß Ausgestaltung der Erfindung, wenn eine metallische,
eine elektrisch leitende und/oder eine Dielektrikumstruktur chemisch-mechanisch
poliert wird. Und besonders vorteilhaft ist es, wenn eine kupferhaltige (Cu) –
haltige Struktur chemisch-mechanisch poliert wird, was die Erfindung in Ausgestaltung
schließlich vorsieht.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einiger ausgewählter Beispiele
näher erläutert, wobei die Erfindung keineswegs auf die spezifischen Beispiele beschränkt
ist.
CMP-Abtragseigenschaft bei Siliziumdioxid-Schichten
Das Abtragsverhalten der dieser Erfindung zugrunde liegenden Zusammensetzungen
in CMP-Prozessen wurde in diversen Poliertests überprüft, die alle auf einem Peter
Wolters PM200 Gemini CMP-Clustertool von Peter Wolters Surface Technologies GmbH,
ausgestattet mit Poliermaschine, Bürstenreiniger und automatischem Wafer-Handling,
durchgeführt wurden. Als Substrate dienten 150 mm (Durchmesser) Silizium-Wafer mit
einer Beschichtung von 1000 nm SiO2 (thermisch oxidiert).
Neben den titanoxidhaltigen Dispersionen, die im Weiteren einzeln
beschrieben werden, wurde auch eine für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente
kommerziell erhältliche Dispersion als Polierflüssigkeit verwendet (Klebosol 30N50,
Rohm & Haas Electronic Materials/Clariant, Feststoffgehalt 30 % kolloidales SiO2).
Als Poliertuch wurde ein Suba 500 von Rohm & Haas Electronic Materials eingesetzt.
Für alle Polierprozesse wurden die in Tabelle 1 zusammengefassten Maschinenparameter
verwendet.
Tabelle 1: Maschinenparameter der Polierprozesse
Für jede Dispersion wurden 3 Wafer für je 120 s poliert. Nach jedem
Wafer wurde das Poliertuch durch eine Nylon-Bürste konditioniert. Kontroll-Wafer
wurden zwischen den jeweiligen Test-Dispersionen behandelt, um eine Verfälschung
der Messwerte durch Verschleppung auszuschließen bzw. zu minimieren. Die zweifache
Reinigung der Wafer nach dem Polierschritt erfolgte mit Hilfe von PVA-Bürsten und
entionisiertem Wasser. Die mit den Dispersionen erzielten Abtragsleistungen und
die Non-Uniformity wurden nach erfolgter Politur und Reinigung durch reflektometrische
Messungen der Oxid-Schichtdicke mit einem Sentech Spektralphotometer ermittelt.
Die der Erfindung zugrunde liegenden titandioxidhaltigen Materialien
wurden (sofern nicht anders spezifiziert) in Form wässriger Dispersionen mit einem
Feststoffgehalt von 25 Gew.-% im pH-Bereich von 9 – 10 als Polierflüssigkeiten
getestet. Die Zusammensetzung der Polierflüssigkeiten sowie die Polierergebnisse
sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Tabelle 2: Zusammensetzung und Polierergebnisse der getesteten Dispersionen
für SiO2-CMP
Die erfindungsgemäße Dispersion 1-D zeigt von den aufgeführten Beispielen
die höchste Abtragsleistung; diese ist jedoch für einen typischen Oxid-CMP-Prozess
zu hoch. Hierzu wird die Feststoffkonzentration zweckmäßig herabgesetzt und somit
die Abtragsrate an die Erfordernisse angepasst. Schäden auf der polierten Oberfläche
durch Partikelkontamination und Ausbildung von Kratzern werden nicht beobachtet.
Die erfindungsgemäße Dispersion 1-B zeigt eine gute Abtragsleistung
und eine gute Uniformität, die auf eine vorteilhafte Verteilung der Abrasivpartikel
während des Poliervorgangs zurückgeführt werden kann. Schäden auf der polierten
Oberfläche durch Partikelkontamination und Ausbildung von Kratzern werden nicht
beobachtet.
Die Vergleichsdispersion 1-J enthält kommerziell verfügbares pyrogenes
TiO2 und zeigt eine höhere Abtragsleistung, verursacht jedoch Schäden
auf der polierten Oberfläche durch Partikelkontamination und Ausbildung von Kratzern.
Daher zeigen die anderen untersuchten Dispersionen beim Polieren Vorteile
bezüglich der variablen Abtragsrate, Non-Uniformity und Defektdichte im Vergleich
zu den untersuchten Dispersionen auf Basis von kolloidalem Siliziumdioxid (Klebosol
30N50) oder pyrogenem Titandioxid (Degussa P25) bei der Vergleichsdispersion 1-J.
Es ist offensichtlich, dass die hier beispielhaft beschriebenen titanoxidhaltigen
Dispersionen eine gute Abtragsleistung aufweisen und sich vorteilhaft bezüglich
des Post-CMP-cleaning und der Defektdichte auf der polierten Oberfläche verhalten.
Die vorgestellten Versuchsergebnisse können durch die Kombination mit Additiven
und Hilfsstoffen oder Anpassung der Produktionsbedingungen der titandioxidhaltigen
Materialien (je nach gewünschtem Verhältnis von chemischer, mechanischer oder (photo)katalytischer
Aktivität) sowie durch eine verfeinerte CMP-Prozessführung hinsichtlich ihres Abtragsverhaltens
gezielt auf unterschiedliche, in einem industriellen Fertigungsschritt zu polierende
Oberflächen übertragen werden.
Anspruch[de]
Zusammensetzung in Form einer Dispersion oder einer Slurry für das
chemisch-mechanische Polieren (CMP) bei der Herstellung von elektronischen oder
mikroelektronischen Bauelementen, insbesondere Halbleiterelementen, und/oder eines
mechanischen Bauelementes, insbesondere eines mikroelektromechanischen Bau- oder
Halbleiterelementes (MEMS), dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung
Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltige Partikel enthält, welche vor, insbesondere
unmittelbar vor, oder bei Zubereitung der Dispersion oder der Slurry einem Nassmahlungsschritt
bzw. einer Nassmahlung ausgesetzt sind.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Nassmahlung der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel in
einer Kugelmühle, Kugelschwingmühle, Perlmühle oder Rührwerkkugelmühle erfolgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Zusammensetzung Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltige
Partikel mit einem TiO2-Anteil von 5 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 75 bis
99 Gew.-%, besonders bevorzugt 90 bis 99 Gew.-%, enthält.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der D90-Wert der Teilchengrößenverteilung der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel <8,0 &mgr;m, bevorzugt <1,2 &mgr;m, besonders bevorzugt <0,8 &mgr;m, beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der D98-Wert der Teilchengrößenverteilung der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel <10,0 &mgr;m, bevorzugt <1,8 &mgr;m, besonders bevorzugt <1,0 &mgr;m beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass D50-Wert der Teilchengrößenverteilung (die mittlere Teilchengröße ) der Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel 3 bis 1000 nm, bevorzugt 15 bis 300 nm beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die BET-Oberfläche der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel
0,1 bis 350 m2/g, bevorzugt 4 bis 150 m2/g beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die mittlere Teilchengröße (D50-Wert) der Teilchengrößenverteilung der Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel 10 bis 40 nm und die BET-Oberfläche der Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel 50 bis 250 m2/g beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die mittlere Teilchengröße (D50-Wert) der Teilchengrößenverteilung der Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel 100 bis 300 nm und die BET-Oberfläche der Titandioxidpartikel
oder titandioxidhaltigen Partikel 2 bis 25 m2/g beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Teilchengrößenverteilung der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen
Partikel monomodal ist.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Anteil an Ti2O3 in den Titandioxidpartikeln oder
titandioxidhaltigen Partikeln kleiner als 1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0,001
Gew.-% ist.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel 20 bis 2000 ppm Niob
(Nb), bevorzugt 50 bis 500 ppm an Nb, enthalten.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass in den Titandioxidpartikeln oder titandioxidhaltigen Partikeln das Molverhältnis
von Niob zu Aluminium Nb/Al > 1, bevorzugt >10, und/oder das Molverhältnis von Niob
zu Zink Nb/Zn > 1, bevorzugt >10, beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel durch Kalzinierung
ohne Zugabe von Na, P, Al und/oder Zn hergestellt werden.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Gehalt der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel an Na,
P, Al und/oder Zn weniger als 500 ppm, bevorzugt weniger als 100 ppm, beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Rutilgehalt der Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel weniger
als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass für die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel die Helligkeit
als Normfarbwert Y nach DIN 53163 weniger als 90, bevorzugt weniger als 85, beträgt.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel weniger als 2000
ppm, bevorzugt weniger als 20 ppm, an Chlorid enthalten.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel 0,0001 bis 10 Gew.-%,
bevorzugt 0,1 bis 2,5 Gew.-%, Sulfat enthalten.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel weniger als 100 ppm,
bevorzugt weniger als 15 ppm, an Eisen, Aluminium, oder Natrium enthalten.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass sie einen pH-Wert von kleiner als 2, bevorzugt kleiner als 1, oder einen pH-Wert
von größer als 12, bevorzugt größer als 13, aufweist.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel mit einer anorganischen
und/oder einer organischen Verbindung beschichtet sind.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel mit einem Oxid, Hydroxid
oder Oxyhydroxid der Elemente Si, Zr, Zn, Al, Ti, Ce oder Sn beschichtet sind.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel mit Metallen, Metallverbindungen,
Edelmetallen oder Edelmetallverbindungen beschichtet sind.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel dem Nassmahlungsschritt
nach der Beschichtung mit einer anorganischen und/oder einer organischen Verbindung
ausgesetzt sind.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass sie die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel in Mischung mit
einem oder mehreren anderen Abrasiv(en) enthält.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass sie die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel in Mischung mit
einem Titanoxidhydrat enthält.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass sie die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel in einem Anteil
von 0,1 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 20 Gew.-%, enthält.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Titandioxidpartikel oder titandioxidhaltigen Partikel durch Hydrolyse von
Titanylsulfatlösung, anschließende Abtrennung des erhaltenen Titanoxidhydrats, gegebenenfalls
Reinigung des Titanoxidhydrats und anschließende Kalzinierung hergestellt sind.
Verfahren zur Herstellung eines elektronischen oder mikroelektronischen
Bauelementes, insbesondere eines Halbleiterelementes, und/oder eines mechanischen
Bauelementes, insbesondere eines mikroelektromechanischen Bau- oder Halbleiterelementes
(MEMS), welches unter dem Einfluss einer titanhaltigen Zusammensetzung in Form einer
Dispersion bzw. einer Slurry einem chemisch-mechanischen Polier – Verfahren
(CMP) unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des chemisch-mechanischen
Polierens eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 – 29 auf die Oberfläche
des Bauelementes aufgebracht und polierend über die Oberfläche bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass während des
chemisch-mechanischen Polierens eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1
– 29 einer Bestrahlung mit sichtbarem und/oder ultraviolettem Licht zur Ausnutzung
eines photokatalytischen Effektes ausgesetzt wird.
Mikroelektronisches Bauelement, insbesondere ein Halbleiterelement,
und/oder mechanisches Bauelement, insbesondere mikroelektromechanisches Bau- oder
Halbleiterelement (MEMS), hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 30 oder
31.
Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) durchgeführt unter Verwendung
einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 – 29.
Chemisch-mechanisches Polieren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet,
dass eine metallische, eine elektrisch leitende und/oder eine Dielektrikumstruktur
chemisch-mechanisch poliert wird.
Chemisch-mechanisches Polieren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet,
dass eine kupferhaltige Struktur chemisch-mechanisch poliert wird.
