Brevet FR2761629A1 — publié le 19981009

La présente invention concerne la technique de polissage mécano-chimique de matériaux semi-conducteurs utilisés lors de la fabrication des circuits intégrés. L'intégration croissante des circuits intégrés a nécessité le développement de nouvelles technologies telles que le polissage mécanochimique appliqué à l'aplanissement de surfaces comportant des motifs en relief. Les technologies actuelles nécessitent de polir principalement l'oxyde de silicium et certains métaux tels que le tungstène. Les procédés de polissage de ces matériaux sont donc bien maîtrisés. Le polissage mécano-chimique de matériaux semi-conducteurs à base de silicium ou à base d'oxyde de silicium dopé, tel que le silicium polycristallin, le silicium épithaxié, le silicium amorphe, le verre de phosphosilicate (appelé plus communément PSG) ou le verre de borophosphosilicate (appelé plus communément BPSG) est encore très mal maîtrisé du fait que les abrasifs existants n'y sont pas bien adaptés. Le développement d'un abrasif spécifique au polissage de ces matériaux est fondamental pour la réussite de ces nouvelles technologies. Dans la littérature, il a été décrit le polissage de polysilicium par des suspensions aqueuses de silice colloïdale de pH basique, le plus souvent compris entre pH 9 et pH 12,5. Le pH de ces suspensions aqueuses de silice colloïdale a été rendu basique grâce à l'addition d'hydroxyde de métal alcalin tel que la soude ou la potasse, ou par l'addition d'une amine soluble dans l'eau (voir en particulier M.T. Bohr et ai, WO-A-9627206, M. Motoshu et ai, USA- 5.376.222, A.V. Gelatos et al, US-A-5.324.690, R.L. Lachapelle, US-A- 3.328.141, S. Yamamichi et ai, JP-A-07074313, M. Watanabe et ai, JP-A- 07249600). L'utilisation de telles suspensions aqueuses basiques présente un certain nombre d'inconvénients. On obtient une mauvaise uniformité de polissage, en particulier sur les bords de la plaque à polir, appelée plus communément du terme anglais "wafer". La demanderesse s'est donc donné pour but principal, une amélioration de l'uniformité de polissage des couches des matériaux précédemment cités, utilisés comme semi-conducteurs dans la fabrication des circuits intégrés. Il faut préciser que le polissage pourra être effectué sur pleine plaque ou sur plaque avec reliefs, afin d'aplanir ces reliefs. Les matériaux concernés par l'invention intègrent comme on l'a vu cidessus, les matériaux à base de silicium ou à base de silicium dopé tels que le silicium polycristallin, le silicium épithaxié, le silicium amorphe, le verre de phosphosilicate, ou le verre de borophosphosilicate, ces deux derniers étant à base d'oxyde de silicium dopé. Pour réaliser toutes ces améliorations dans le polissage mécano- chimique des couches de silicium ou d'oxyde de silicium dopé, il a été constaté de façon surprenante et inattendue, que l'utilisation d'une suspension de silice colloïdale, notamment une suspension comprenant ou de préférence essentiellement (plus de 50%, notamment plus de 60%, particulièrement plus de 80%, plus particulièrement plus de 90%, tout particulièrement plus de 99%) constituée de fines particules individualisées de silice non liées entre elles par des liaisons siloxanes et utilisées en milieu neutre ou proche de la neutralité, permettait d'améliorer considérablement l'uniformité de polissage, tout en conservant une bonne vitesse d'attaque, ainsi que d'excellentes qualités d'aplanissement et de surfaces, en particulier la quasi absence de rugosité. C'est pourquoi la présente invention a pour objet l'utilisation d'un abrasif qui comprend une suspension aqueuse à pH neutre ou proche de la neutralité de silice colloïdale contenant de préférence des particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, pour le polissage mécano-chimique d'une couche de matériau semi-conducteur utilisé lors de la fabrication des circuits intégrés, ainsi qu'un procédé de polissage mécano-chimique d'une couche de matériau semi-conducteur à base de silicium dans lequel on procède à une abrasion d'une couche de matériau semi-conducteur en frottant ladite couche à l'aide d'un tissu imprégné d'une composition abrasive, caractérisé en ce que l'abrasif comprend une suspension aqueuse à pH neutre ou proche de la neutralité de silice colloïdale de préférence comprenant des particules individualisées de silice colloïdale, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, et de l'eau comme milieu de suspension, et est notamment essentiellement constitué d'une telle suspension aqueuse à pH neutre ou proche de la neutralité. Pour le polissage mécano-chimique des couches de matériaux à base de silicium, tel que le silicium polycristallin, le silicium épithaxié ou le silicium amorphe, ou à base d'oxyde de silicium dopé tel que le verre de phosphosilicate (ou PSG) ou le verre de borophosphosilicate (BPSG), les suspensions aqueuses de silice colloïdale utilisées possèdent de préférence des diamètres de particules individuelles compris entre 3 et 250 nm notamment entre 7 et 150 nm, particulièrement entre 10 et 100 nm. De telles suspensions aqueuses de silice colloïdale peuvent être obtenues, soit à partir de silicates alcalins, en particulier, de sodium ou de potassium, soit à partir de silicate d'éthyle. Dans les deux cas, à partir des moyens connus de l'homme de l'art, et décrits plus particulièrement par K.K. Iler, dans "The Chemistry of Silica ", chapitre 9, pages 331 à 343, Ed. Wiley Interscience 1979, on peut obtenir des suspensions aqueuses à pH neutre ou proche de la neutralité, de silice colloïdale contenant des particules individualisées, non liées entre elles par des liaisons de type siloxane de diamètre compris entre 3 et 250 nm. Dans des conditions préférentielles de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on utilise des suspensions aqueuses à pH neutre ou proche de la neutralité de silice colloïdale ayant un pH compris entre 6 et 8, particulièrement entre 6,5 et 7,5. Dans d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les diamètres des particules élémentaires des suspensions de silice colloïdale sont compris entre 3 et 250 nm, particulièrement entre 10 et 100 nm. Dans encore d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la concentration pondérale en produit de polissage, c'est-à-dire de silice, est de 5 à 50 %, préférentiellement de 15 à %. Un avantage principal de l'invention est l'amélioration du polissage mécano-chimique de couches de matériau semi- conducteur tel que le polysilicium par utilisation de suspensions aqueuses de silice colloïdale à pH neutre ou proche de la neutralité. Cette amélioration peut être par exemple essentiellement démontrée par des tests d'uniformité d'attaque du polissage tout en conservant une vitesse d'attaque du matériau semi-conducteur acceptable. Cette uniformité d'attaque du polissage représente la variation d'épaisseur de polysilicium sur une même plaque. Elle est calculée à partir de mesures de polysilicium sur une même plaque avant et après polissage (voir fig. la et fig. lb) selon la formule suivante: Epaisseur maxi - Epaisseur mini U = x 100 2 x Epaisseur moyenne enlevée Plus la valeur obtenue est basse, plus l'uniformité d'attaque est satisfaisante. Un autre avantage de l'invention est que les suspensions aqueuses à pH neutre ou proche de la neutralité de silice colloïdale, notamment constituées de particules individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, ont une très bonne stabilité dans le temps, d'o résulte l'absence de sédimentation des particules au cours du temps de stockage. La présente demande a enfin pour objet un abrasif pour le polissage mécano-chimique d'une couche de matériau semi-conducteur à base de silicium tel que le silicium polycristallin, le silicium épithaxié ou le silicium amorphe ou à base d'oxyde de silicium dopé tel que le verre de phosphosilicate (PSG) ou le verre de borophosphosilicate (BPSG), comprenant un tissu imprégné d'une composition liquide abrasive contenant une suspension aqueuse à pH neutre ou proche de la neutralité de silice colloïdale, de préférence comprenant des particules individualisées non liées entre elles par des liaisons siloxanes, de diamètre compris entre 3 et 250 nanomètres, de pH compris entre 6 et 8. Des suspensions tout particulièrement préférées, développées par la Société Française Hoechst, sont décrites ci-dessus dans les conditions opératoires du procédé. Les exemples suivants permettront de mieux comprendre l'invention. EXEMPLE 1: Exemple de polissage avec des abrasifs à base de suspensions aqueuses à pH neutre de silice colloïdale. Sur chaque plaquette étudiée est réalisé un dépôt de polysilicium d'environ 0,4 p.m qui est mesuré avant et après polissage. La plaquette est ensuite polie grâce au procédé standard suivant: - force d'appui: 0,7 daN/cm2 - vitesse de plateau: 40 tours/mn - vitesse de tête (carrier): 45 tours/mn - température: 20 C - débit d'abrasif: 50 cm3 /mn tissu: IC 1400 sur Suba 4 de RODEL PRODUCTS Avec une silice colloïdale dont les caractéristiques sont les suivantes: - pH de la suspension aqueuse: 7 - diamètre moyen des particules élémentaires de silice colloïdale: 50 nm - concentration pondérale en silice colloïdale: 30 % On obtient: - un pourcentage d'uniformité de 4 %. - une vitesse d'attaque de polysilicium de 1300 A/mn EXEMPLE 2 Exemples de polissage avec des abrasifs à base de suspensions aqueuses proches de la neutralité de silice colloïdale. Dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1 en utilisant les mêmes silices colloïdales et en faisant varier seulement le pH on obtient les résultats suivants: a) à pH 6 - un pourcentage d'uniformité de 4,6 % - une vitesse d'attaque de polysilicium de 820 A/mn b) à pH8 - un pourcentage d'uniformité de 6 % - une vitesse d'attaque du polysilicium de 1950 A/mn Expérimentation 1: Exemple de polissage avec des abrasifs à base de suspensions aqueuses basiques de silice colloïdale. Dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1 en utilisant les mêmes silices colloïdales mais en les appliquant en milieu basique, on obtient les résultats suivants: a) à pH 10 - un pourcentage d'uniformité de 18 % - une vitesse d'attaque du polysilicium de 3550 A/mn b) pH 11 - un pourcentage d'uniformité de 30 % - une vitesse d'attaque du polysilicium de 7088 A/mn Expérimentation 2: Exemple de polissage avec des abrasifs à base de suspensions aqueuses acides de silice colloïdale. Dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1 en utilisant les mêmes silices colloïdales mais en les appliquant en milieu acide à pH 2,2 on obtient les résultats suivants: - un pourcentage d'uniformité de 8 % - une vitesse d'attaque du polysilicium de 470 A/mn On constate donc que l'utilisation de suspensions de silice colloïdale à pH neutre ou proche de la neutralité permet d'obtenir une bonne uniformité de polissage tout en conservant une bonne vitesse d'attaque, un très bon état de surface de la plaque et un excellent aplanissement. REVENDICATIONS 1. Procédé de polissage mécano-chimique d'une couche de matériau semiconducteur à base de silicium ou à base d'oxyde de silicium dopé, dans lequel l'on procède à une abrasion de la couche de matériau semiconducteur en frottant ladite couche à l'aide d'un tissu imprégné d'une composition abrasive, caractérisé en ce que l'abrasif comprend une suspension aqueuse à pH neutre ou proche de la neutralité de silice colloïdale. 2. Procédé de polissage mécano-chimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la suspension aqueuse de silice colloïdale comprend des particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, et de l'eau comme milieu de suspension. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la suspension aqueuse de silice colloïdale à pH neutre ou proche de la neutralité a un pH compris entre 6 et 8. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la suspension aqueuse de silice colloïdale, à pH neutre ou proche de la neutralité, a un pH compris entre 6,5 et 7,5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la suspension aqueuse de silice colloïdale à pH neutre ou proche de la neutralité, comprend des particules individualisées de silice colloïdale non liées entre elles par des liaisons siloxanes, de diamètre compris entre 3 et 250 nanomètres. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la suspension aqueuse de silice colloïdale à pH neutre ou proche de la neutralité, comprend des particules individualisées de silice colloïdale non liées entre elles par des liaisons siloxanes, de diamètre compris entre 10 et 100 nanomètres. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la suspension aqueuse de silice colloïdale à pH neutre ou proche de la neutralité, est utilisée à une concentration pondérale en silice comprise entre 5 et 50 %. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la suspension aqueuse à pH neutre ou proche de la neutralité, de silice colloïdale est utilisée à une concentration pondérale en silice comprise entre 15 et 40 %. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le matériau semi-conducteur est à base de silicium polycristallin, de silicium épithaxié, de silicium amorphe ou à base d'un oxyde de silicium dopé choisi parmi le verre de phosphosilicate (PSG) et le verre de borophosphosilicate (BPSG). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la couche de matériau semi-conducteur est à base de silicium polycristallin. 11. Un abrasif pour le polissage mécano-chimique d'une couche de matériau semi-conducteur à base de silicium tel que le silicium polycristallin, le silicium épithaxié ou le silicium amorphe ou à base d'oxyde de silicium dopé tel que le verre de phosphosilicate (PSG) ou le verre de borophosphosilicate (BPSG), comprenant un tissu imprégné d'une composition liquide abrasive contenant une suspension aqueuse à pH neutre ou proche de la neutralité de silice colloïdale comprenant des particules individualisées non liées entre elles par des liaisons siloxanes, de diamètre compris entre 3 et 250 nanomètres, de pH compris entre 6 et 8.