КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ СМР, СОДЕРЖАЩАЯ АБРАЗИВНЫЕ ЧАСТИЦЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ДИОКСИД ЦЕРИЯ
CMP COMPOSITION COMPRISING ABRASIVE PARTICLES CONTAINING CERIUM DIOXIDE

Изобретение относится к композиции для химико-механической полировки (СМР), содержащая абразивные частицы, содержащие диоксид церия, способу получения композиции для СМР согласно настоящему изобретению, способу получения полупроводникового устройства, включающему химико-механическая полировка подложки в присутствии композиции для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению, к применению специфических полимеров для подавления агломерации и/или установления дзета-потенциала частиц, содержащих диоксид церия, диспергированных в водной среде, и к способу подавления агломерации и/или установления дзета-потенциала частиц, содержащих диоксид церия, диспергированных в водной среде.
В полупроводниковой промышленности химико-механическая полировка (обозначается СМР) является хорошо известной методикой, применяемой для производства усовершенствованных фотонных, микроэлектромеханических и микроэлектронных материалов и устройств, таких как полупроводниковые пластины.
В ходе производства материалов и устройств, применяемых в полупроводниковой промышленности, СМР применяется для полировки поверхностей. В СМР применяется взаимодействие химического и механического действия для достижения плоскостности полируемых поверхностей. Химическое действие обеспечивается посредством химической композиции, также упоминаемой как СМР композиция или СМР суспензия. Полирующее действие, как правило, осуществляется посредством полировальника, который, как правило, прижимается к поверхности, подлежащей полировке, и перемещается на подвижной плите. Движение плиты, как правило, является линейным, вращательным или орбитальным. На стадии стандартного способа СМР вращение держателя поверхности приводит поверхность, подлежащую полировке, в контакт с полировальником. Композиция для СМР, как правило, применяется между поверхностью, подлежащей полировке, и полировальником.
Особенно при производстве интегральных схем и микроэлектромеханических устройств очень высокие требования должны быть удовлетворены на стадии способа СМР, которая осуществляется на каждом уровне многоуровневой структуры. Одним важным параметром, описывающим эти требования, является скорость удаления материала (MRR) т.е. скорость, при которой вещество, подлежащее полировке, удаляется.
Композиции для СМР, как правило, применяемые в этой области, содержат частицы неорганических веществ, которые служат в качестве абразивов, и различные другие компоненты. Для определенных применений СМР, коллоидные частицы, содержащие диоксид церия, применяются в качестве абразива. Композициям на основе диоксид церия для СМР уделяется значительное внимание в применениях STI (узкощелевая изоляция) благодаря их способности достигать сравнительно высокую селективность оксида к нитриду благодаря высокой химической аффинности диоксида церия к диоксиду кремния, которая также упоминается в данной области как химическое зацепляющее действие диоксида церия.
Стабильность коллоидных растворов определяется посредством дзета-потенциала диспергированных коллоидных частиц. Дзета-потенциал частицы представляет собой потенциал на плоскости, на которой сдвиг в отношении основной массы раствора, как предполагается, происходит. Эта плоскость, называемая плоскость сдвига, располагается в диффузной части электрического двойного слоя и рассматривается как резкая граница между гидродинамически подвижной и неподвижной жидкой средой (смотрите Measurement and Interpretation of Electrokinetic Phenomena by A.V. Delgado et al., Journal of Colloid and Interface Science 309 (2007), p. 194-224). Как показатель коллоидной стабильности дисперсии, дзета-потенциал может рассматриваться в качестве оценки поверхностного заряда частицы и зависит от состава и pH, температуры, ионной силы и ионных форм в жидкости.
В коллоидном растворе, содержащем только один вид частиц, например, частицы диоксида церия, при данном наборе условий (pH, температура, ионная сила и ионные формы в жидкости) дзета-потенциал всех частиц имеет одно значение. Таким образом, когда частицы несут значительные заряды, электростатическое отталкивание предотвращает их коагуляцию (флокуляцию).
+
Для коллоидных оксидов, дзета-потенциал сильно зависит от значения pH жидкости. При значении pH в кислотной области, частицы коллоидного оксида, как правило, имеют ионы H, адсорбированные на их поверхностях. Когда pH увеличивается, адсорбированные ионы нейтрализуются, приводя к уменьшению поверхностного заряда до тех пор, пока не будет достигнута изоэлектрическая точка, где общий заряд каждой коллоидной оксидной частицы равен нулю. Соответственно, электростатическое отталкивание меду частицами прекращается, так что частицы могут коагулировать в более большие частицы (агломерированные частицы), благодаря действию Ван-дер-ваальсовых сил. Для коллоидного диоксида церия, в отсутствии стабилизирующих добавок, дзета-потенциал значительно выше 30 мВ при pH, равном 5.5 или ниже, но значительно уменьшается, когда pH возрастает более 6, приводя к коагуляции частиц.
Другая сложность состоит в том, что в случае диэлектрических подложек поверхность подложки, подлежащей полировке композицией для СМР, является заряженной. Если заряд подложки, подлежащей полировке, противоположен заряду абразивной частицы, благодаря электростатическому притяжению абразивные частицы адсорбируются на положительно заряженной поверхности и с трудом удаляются после полировки. С другой стороны, если заряд вещества, подлежащего полировке, является таким же как у абразивной частицы, полировка затрудняется благодаря электростатическому отталкиванию. Соответственно, скорость удаления материала и селективность сильно зависит от взаимодействия между дзета-потенциалом абразива и зарядом вещества, подлежащего полировке. По этой причине абразивные частицы предпочтительно не несут значительный заряд.
К сожалению, уменьшение абсолютного значения поверхностного заряда абразивных частиц способствует коагуляции указанных частиц по причинам, указанным выше.
Чтобы по меньшей мере частично решить обсуждаемые выше проблемы, были предложены некоторые добавки для композиций для СМР, которые должны минимизировать агломерацию абразивных частиц и/или улучшить скорость удаления материала и селективность соответствующей композиции для СМР.
В EP 1844122 B1 раскрывается адъювант для применения при одновременной полировке катионно заряженного вещества, такого как нитрид кремния, и анионно заряженного вещества, такого как диоксид кремния. Полагают, что указанный адъювант образует адсорбционный слой на катионно заряженном веществе, чтобы повысить селективность полировки анионно заряженного вещества по сравнению с катионно заряженным веществом. Адъювант содержит соль полиэлектролита, содержащую: (а) полиэлектролит привитого типа, который имеет средневесовую молекулярную массу от 1,000 до 20,000 и содержит основную цепь и боковую цепь, имеющую специфическую структуру, как определено в EP 1844122 B1; и (b) основное вещество. Указанный адъювант должен также минимизировать агломерацию абразивных частиц. Однако примеры, приведенные в EP 1844122 B1 показывают, что указанные задачи не всегда решаются с помощью предложенных адъювантов. В некоторых случаях селективность удаления диоксида кремния по сравнению с нитридом кремния не увеличивается по сравнению с композициями для СМР с адъювантами из уровня техники. Кроме того, в композициях для СМР, содержащих адъювант согласно EP 1844122 B1, средний размер агломерированной частицы частиц диоксида церия составляет более 500 нм, что является неприемлемым для множества применений СМР. Влияние указанного адъюванта на дзета-потенциал частиц диоксида церия не раскрывается в EP 1844122 B1.
В US 7,381,251 B2 раскрывается жидкая композиция, содержащая смесь жидкой среды, коллоидную дисперсию минеральных частиц и фосфонат-терминированного поли(оксиалкен)полимера.
Одной из задач согласно настоящему изобретению является обеспечение композиции для химико-механической полировки (СМР) и способа СМР, показывающего повышенную эффективность полировки, особенно для диэлектрических подложек. Более конкретно, задачей настоящего изобретения является обеспечение композиции для химико-механической полировки (СМР) и способа СМР, показывающего
(i) высокую скорость удаления вещества (MRR) диоксида кремния, или
(ii) регулируемую селективность между диоксидом кремния и нитридом кремния, или
(iii) регулируемую селективность между диоксидом кремния и поликристаллическим кремнием,
(iv) высокое качество поверхности полированных поверхностей
(v) предпочтительно комбинацию (i), (ii), (iii) и (iv).
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение композиции для химико-механической полировки (СМР), содержащей частицы диоксида церия, где агломерация частиц диоксида церия при значении pH, равном 6 и выше, предпочтительно вплоть до значения pH, равного 10, подавляется.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение композиции для химико-механической полировки (СМР), содержащей частицы диоксида церия, где частицы диоксида церия несут низкие заряды, т.е. имеет низкий дзета-потенциал.
Первым объектом настоящего изобретения является композиция для химико-механической полировки (СМР), содержащая следующие компоненты:
(A) абразивные частицы, содержащая диоксид церия
(B) один или более полимеров, где каждая макромолекула указанных полимеров (B) содержит
(i) одну или более анионных функциональных групп
и
a
(ii) одну или более структурных единиц -(AO)-R
a
a
где в каждой структурной единице -(AO)-R, независимо от каждой другой структурной единицы -(AO)-R,
x
2x
a
A представляет собой CH, где для каждой A в указанных структурных единицах -(AO)-R, x (независимо от каждого другого x) выбирается из диапазона целых значений от 2 до 4, где x предпочтительно равно 2 или 3, более предпочтительно x=2,
a
где в каждой структурной единице -(AO)-R группы A являются одинаковыми или различными,
a представляет собой целое число, выбранное из диапазона от 5 до 200, предпочтительно от 8 до 150, наиболее предпочтительно от 20 до 135,
R представляет собой водород или разветвленную или линейную алкильную группу, имеющую от 1 до 4 атомов углерода,
где в указанном полимере (B) сумма молярных масс всех структурных единиц (ii) составляет по меньшей мере 50% от молярной массы указанного полимера (B).
Более подробно модификации и преимущества настоящего изобретения поясняются в следующем далее подробном описании и примерах.
(A) абразивные частицы, содержащие диоксид церия
Композиция для СМР согласно настоящему изобретению содержит в качестве компонента (A) абразивные частицы, содержащие диоксид церия. В способе СМР, указанные частицы диоксида церия (A) действую в качестве абразива на поверхность, подлежащую полировке.
Предпочтительно абразивные частицы (A) состоят из диоксида церия. Предпочтительно композиция для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению не содержит другие абразивные частицы, отличные от абразивных частиц (A), содержащих диоксид церия или состоящих их диоксида церия.
В композиции для СМР согласно настоящему изобретению, частицы диоксида церия, как правило, диспергированы в коллоидном состоянии.
Подходящие абразивные частицы, содержащие диоксид церия, (A) являются коммерчески доступными, например, под торговым наименованием Rhodia.
Подходящие абразивные частицы, содержащие диоксид церия, (A) получают, например, способом влажного осаждения или плазменным способом. В последнем случае, диоксид церия также обозначается как коллоидальный диоксид церия. В некоторых случаях, влажно-осажденный диоксид церия является предпочтительным, благодаря тому, что он имеет очень хорошие дисперсионные свойства. В других случаях, коллоидальный диоксид церия является предпочтительным, благодаря тому, что он обладает очень сильным абразивным действием.
50
50
В композиции для СМР согласно настоящему изобретению абразивные частицы, содержащие диоксид церия, предпочтительно имеют распределение частиц по размеру, отличающееся значением D, равным 500 нм или менее, предпочтительно 250 нм или менее, более предпочтительно 200 нм или менее, особенно предпочтительно 180 нм или менее, наиболее предпочтительно 150 нм или менее. Распределение частиц по размеру может быть измерено, например, с помощью способов DLS (динамическое рассеяние света) или SLS (статическое рассеяние света). Эти и другие способы хорошо известны в области техники, смотрите, например, Kuntzsch, Timo; Witnik, Ulrike; Hollatz, Michael Stintz; Ripperger, Siegfried; Characterization of Slurries Used for Chemical mechanical planarization (CMP) in the Semiconductor Industry; Chem. Eng. Technol; 26 (2003), volume 12, page 1235. Как правило, применяется Horiba LB550 V (DLS, динамическое рассеяние света, измерение осуществляется в ручную) или любое другое DLS устройство. Распределение частиц по размеру дисперсии диоксида церия, как правило, измеряется в пластиковой кювете при концентрации твердого вещества от 0.1 до 1.0%. Разбавление, при необходимости, осуществляется с помощью дисперсионной среды и ультрачистой воды. Значение D распределения частиц по размеру на основе объема показано как представление распределения частиц по размеру.
Распределение по размеру абразивных частиц, содержащих диоксид церия, (A) может быть мономодальной, бимодальной или мультимодальной. Предпочтительно, распределение частиц по размеру является мономодальным, чтобы иметь легко воспроизводимый профиль свойств абразивных частиц, содержащих диоксид церия, (A) и легко воспроизводимые условия в ходе способа согласно настоящему изобретению.
Более того, распределение по размеру абразивных частиц, содержащих диоксид церия, (A) может быть узким или широким. Предпочтительно распределение частиц по размеру является узким с только небольшими количествами маленьких частиц и больших частиц, чтобы иметь легко воспроизводимый профиль свойств абразивных частиц, содержащих диоксид церия, (A) и легко воспроизводимые условия в ходе способа согласно настоящему изобретению.
Абразивные частицы, содержащие диоксид церия, (A) могут иметь различные формы. Следовательно, они могут быть одного или по существу одного типа формы. Тем не менее, также возможно, что абразивные частицы абразивные частицы, содержащие диоксид церия, (A) имеют разные формы. В частности, два типа абразивных частиц, содержащих диоксид церия, (A) различающихся по форме, могут присутствовать в композиции согласно настоящему изобретению. Что касается самих форм, они могут представлять собой кубы, кубы со скошенными краями, октаэдры, икосаэдры, гранулы и сферы с или без выступов или углублений. Наиболее предпочтительно форма является сферической с или только с очень немногими выступами или углублениями. Эта форма, как правило, является предпочтительной, потому что обычно она увеличивает устойчивость механическим воздействиям, которым подвергаются абразивные частицы, содержащие диоксид церия, (A) подвергаются в ходе способа СМР.
Абразивные частицы (A), которые содержат диоксид церия, могут содержать незначительные количества других оксидов редкоземельных металлов.
Абразивные частицы (A), которые содержат диоксид церия, могут иметь гексагональную, кубическую или гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку.
В определенных конкретных случаях, абразивные частицы (A), которые содержат диоксид церия, являются композитными частицами, содержащими ядро, которое содержит или состоит из по меньшей мере одного другого абразивного материала из твердых частиц, который отличается от диоксида церия, в частности оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид титана, диоксид циркония, оксид цинка и их смеси.
Такие композитные частицы известны, например, из WO 2005/035688 A1, US 6,110,396, US 6,238,469 B1, US 6,645,265 B1, K.S. Choi et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 671, 2001 Materials Research Society, M5.8.1 to M5.8.10, S.-H. Lee et al., J. Mater. Res., Vol. 17, No. 10 (2002), pages 2744 to 2749, A. Jindal et al., Journal of the Electrochemical Society, 150 (5), G314-G318 (2003), Z. Lu, Journal of Materials Research, Vol. 18, No. 10, October 2003, Materials Research Society, или S. Hedge et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 7 (12), G316-G318 (2004).
Наиболее предпочтительно композитные частицы представляют собой покрытые частицы типа малина, содержащие ядро, выбранное из группы, включающей оксид алюминия, оксид кремния, оксид титана, оксид циркония, оксид цинка и их смеси, с размером ядра от 20 до 100 нм, где ядро покрыто частицами диоксида церия, имеющими размер частиц менее 10 нм.
Особенно предпочтительной является композиция для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению, где общее количество (A) абразивные частицы, содержащие диоксид церия, находится в интервале от 0.01 мас. % до 5 мас. %, предпочтительно от 0.1 мас. % до 1.0 мас. %, например, 0.5 мас. %, в каждом случае на основе общей массы соответствующей композиции для СМР.
(B) Полимеры
Композиция для СМР согласно настоящему изобретению содержит один или более полимеров (B), где каждая макромолекула указанных полимеров (B) содержит
(i) одну или более анионных функциональных групп
и
a
(ii) одну или более структурных единиц -(AO)-R
a
a
где в каждой структурной единице -(AO)-R независимо от каждой другой структурной единицы -(AO)-R
x
2x
a
A представляет собой CH, где для каждой A в указанных структурных единицах -(AO)-R, x (независимо от каждого другого x) выбирается из диапазона целых значений от 2 до 4, где x предпочтительно равно 2 или 3, более предпочтительно x=2
a
где в каждой структурной единице -(AO)-R группы A являются одинаковыми или различными
a представляет собой целое число, выбранное из диапазона от 5 до 200, предпочтительно от 8 до 150, наиболее предпочтительно от 20 до 135,
R представляет собой водород или разветвленную или линейную алкильную группу, имеющую от 1 до 4 атомов углерода,
где в указанном полимере (B) сумма молярных масс всех структурных единиц (ii) составляет по меньшей мере 50% от молярной массы указанного полимера (B).
Полимеры (B), применяемые согласно настоящему изобретению, являются растворимыми в воде.
a
Структурные единицы -(AO)-R далее также обозначаются как структурные единицы (ii). Группа R предпочтительно выбирается из группы, включающей водород и метил.
Анионные функциональные группы представляют собой функциональные группы, которые в диссоциированном состоянии несут отрицательный заряд. Предпочтительно в макромолекулах указанного полимера (B) или по меньшей мере одного из указанных полимеров (B) указанная одна или более анионных функциональных групп выбирается из группы, включающей карбоксильную группу, сульфоновую группу, сульфатную группу, фосфорную группу и фосфоновую группу.
-
Карбоксильная группа имеет структуру -COOM (где M представляет собой H или катионный эквивалент) в недиссоциированном состоянии и -COO в диссоциированном состоянии.
3
3
-
Сульфатная группа имеет структуру -O-SOM (где M представляет собой H или катионный эквивалент) в недиссоциированном состоянии и -O-SO в диссоциированном состоянии.
3
3
-
Сульфоновая группа имеет структуру -SOM (где M представляет собой Н или катионный эквивалент) в недиссоциированном состоянии и -SO в диссоциированном состоянии.
3
2
3
3
-
2-
Фосфорная структура имеет структуру -O-POM (где M представляет собой H или катионный эквивалент) в недиссоциированном состоянии, -O-POM (где M представляет собой H или катионный эквивалент) в первом диссоциированном состоянии и O-PO во втором диссоциированном состоянии.
x
x
-
2
2
В контексте настоящей заявки термин «фосфорная группа» включает фосфорные группы, в которых одна из двух гидрокси-групп эстерифицирована спиртом R-OH, с получением структуры -O-P(OR)OM (где M представляет собой H или катионный эквивалент) в недиссоциированном состоянии, и -O-P(OR)O в диссоциированном состоянии.
3
2
3
3
-
2-
Фосфоновая группа имеет структуру -POM (где M представляет собой H или катионный эквивалент) в недиссоциированном состоянии, -POM (где M представляет собой H или катионный эквивалент) в первом диссоциированном состоянии, -PO в полностью диссоциированном состоянии.
x
x
x
-
2
2
В контексте настоящей заявки термин «фосфоновая группа» включает фосфоновые группы, в которых одна из двух гидрокси-групп эстерифицирована спиртом R-OH, с получением структуры -P(OR)OM (где M представляет собой H или катионный эквивалент) в недиссоциированном состоянии, и -P(OR)O в диссоциированном состоянии.
2
2
2
3
3
2
2
2
2
2
2
2
Структурная единицы -AO-, определенные выше, предпочтительно выбираются из группы, включающей -O-CH-CH-, -O-CH-CH(CH)-, -O-CH(CH)-CH- и -O-CH-CH-CH-CH-, где -O-CH-CH- (структурная единица, полученная из этиленоксида) является предпочтительной.
a
Предпочтительно, в полимерах (B), применяемых согласно настоящему изобретению, молярная масса каждой из указанных одной или более структурных единиц (ii) -(AO)-R составляет 500 г/моль или более, предпочтительно 1000 г/моль или более, более предпочтительно 2000 г/моль или более, наиболее предпочтительно 3000 г/моль или более
и/или
a
сумма молярных масс всех указанных структурных единиц (ii) -(AO)-R составляет 60% или более, предпочтительно 70% или более, наиболее предпочтительно 80% или более от молярной массы указанного полимера (B).
Предпочтительно, указанный полимер (B) или по меньшей мере один из указанных полимеров (B) выбирается из группы, включающей гребенчатые полимеры и блок-сополимеры.
Блок-сополимеры представляют собой сополимеры, каждая макромолекула которых состоит из соседних блоков, которые являются конституционно различными, т.е. соседние блоки в каждом случае содержат либо составные звенья, полученные из различных видов мономера или из мономеров одного вида, но с различным составом, либо распределение по порядку расположения составных звеньев.
Гребенчатые полимеры представляют собой полимеры, макромолекулы которых представляют собой гребенчатые макромолекулы, где каждая содержит основную цепь (как правило упоминается как основная цепь) с множеством трифункциональных точек разветвления, из каждой из которых исходит линейная боковая цепь. Гребенчатые полимеры получают гомополимеризацией или сополимеризацией длинноцепочечных α-олефинов, алкилоксиранов, виниловых простых эфиров, виниловых сложных эфиров, алкил(мет)акрилатов или N-алкил(мет)акриламидов. Длинноцепочечные мономеры также упоминаются как макромеры. Альтернативно, их получают с помощью графт-сополимеризации.
В предпочтительной композиции для СМР согласно настоящему изобретению, указанный полимер (B) или по меньшей мере один из указанных полимеров (B) представляет собой гребенчатый полимер, содержащий
(i) основную цепь, к которой присоединена одна или более анионных функциональных групп
и
a
(ii) одну или более боковых цепей, где каждая содержит или состоит из структурных единиц -(AO)-R (где A, a и R имеют определенные выше значения)
a
где в указанном гребенчатом полимере сумма молярных масс всех указанных структурных единиц (ii) -(AO)-R составляет по меньшей мере 50% от молярной массы указанного гребенчатого полимера.
Специфические типы предпочтительных полимеров (B) описываются далее более подробно, например, посредством общей формулы. Поскольку в различных общих формулах применяются одинаковые переменные, и такие переменные имеют различные значения в указанных соответствующих формулах, то в каждом случае значение определяется специально для соответствующей формулы.
Предпочтительный гребенчатый полимер (B) содержит
- элементарные звенья, каждое содержащее одну или более анионных функциональных групп,
и
a
- боковые цепи, каждую содержащую структурную единицу (ii) -(AO)-R где
x
2x
a
A представляет собой CH, где для каждой A в указанных структурных единицах -(AO)-R, x (независимо от каждого другого x) выбирается из диапазона целых значений от 2 до 4, где x предпочтительно равно 2 или 3, более предпочтительно x=2
a
где в каждой структурной единице -(AO)-R группы A являются одинаковыми или различными
a представляет собой целое число, выбранное из диапазона от 5 до 200, предпочтительно от 8 до 150, наиболее предпочтительно от 20 до 135
R представляет собой водород или разветвленную или линейную алкильную группу, имеющую от 1 до 4 атомов углерода,
где одно или более из элементарных звеньев, содержащих анионную функциональную группу, выбираются из общих формул (7.1), (7.2), (7.3) и (7.4):
1
2
1
4
2
2
где R представляет собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу, CHCOOH или CHCO-X-R;
2
3
2
3
2
6
4
3
2
6
4
3
2
R представляет собой POM, O-POM, (CH)-POM или (CH)-OPOM;
7
n
2n
n
2n
X представляет собой NR-(CH) или O-(CH), где n=1, 2, 3 или 4, причем атом азота или атом кислорода, соответственно, присоединен к CO группе;
7
2
9
1
6
n
2n
n
2n
3
2
n
2n
3
2
6
4
3
2
6
4
3
2
n
2n
α
R представляет собой H, C-C алкил, (CH)-OH, (CH)-POM, (CH)-OPOM, (CH)-POM, (CH)-OPOM или (CH)-O-(AO)-R, где n=1, 2, 3 или 4
2
z
2z
2
6
5
A представляет собой CH, где z=2, 3, 4 или 5, или представляет собой CHCH(CH);
α равно целому числу от 1 до 350; и
9
1
4
R представляет собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
2
или X представляет собой химическую связь, и R представляет собой OM;
3
1
4
где R представляет собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
n равно 0, 1, 2, 3 или 4;
4
3
2
3
2
R представляет собой POM, или O-POM;
5
1
4
где R представляет собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
7
Z представляет собой O или NR; и
7
n
2n
n
2n
3
2
n
2n
3
2
6
4
3
2
6
4
3
2
R представляет собой H, (CH)-OH, (CH)-POM, (CH)-OPOM, (CH)-POM, или (CH)-OPOM, где
n представляет собой 1, 2, 3 или 4;
6
1
4
где R представляет собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
7
Q представляет собой NR или O;
7
2
9
n
2n
n
2n
3
2
n
2n
3
2
6
4
3
2
6
4
3
2
n
2n
α
R представляет собой H, (CH)-OH, (CH)-POM, (CH)-OPOM, (CH)-POM, (CH)-OPOM или (CH)-O-(AO)-R,
n представляет собой 1, 2, 3 или 4;
2
z
2z
2
6
5
A представляет собой CH, где z=2, 3, 4 или 5, или представляет собой CHCH(CH);
α равно целому числу от 1 до 350;
9
1
4
R представляет собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
где в формулах (7.1), (7.2), (7.3) и (7.4) каждая M независимо от любой другой M представляет собой H или катионный эквивалент,
a
и/или где одна или более боковых цепей, содержащих структурную единицу (ii) -(AO)-R выбираются из общих формул (7.5), (7.6), (7.7) и (7.8):
10
11
12
1
4
где R, R и R независимо друг от друга представляют собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
n равно 0, 1, 2, 3, 4 и/или 5;
1
6
2
6
10
E представляет собой неразветвленную или разветвленную C-C алкиленовую группу, циклогексиленовую группу, CH-CH, 1,2-фенилен, 1,3-фенилен или 1,4-фенилен;
G представляет собой O, NH или CO-NH; или
Е и G вместе представляют собой химическую связь;
16
17
18
1
4
где R, R и R независимо друг от друга представляют собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
n равно 0, 1, 2, 3, 4 или 5;
1
6
2
6
10
E представляет собой неразветвленную или разветвленную C-C алкиленовую группу, циклогексиленовую группу, CH-CH, 1,2-фенилен, 1,3-фенилен или 1,4-фенилен или представляет собой химическую связь;
z
2z
2
6
5
L представляет собой CH, где z=2, 3, 4 или 5, или представляет собой CH-CH(CH);
d равно целому числу от 1 до 350;
20
1
4
R представляет собой H или неразветвленную C-C алкильную группу;
21
22
23
1
4
где R, R и R независимо друг от друга представляют собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
25
W представляет собой O, NR или N
25
1
4
R представляет собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
25
Y равно 1, если W=O или NR, и равно 2, если W=N;
6
1
4
где R представляет собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
10
Q представляет собой NR, N или O;
10
1
4
R представляет собой H или неразветвленную или разветвленную C-C алкильную группу;
10
Y представляет собой 1, если Q=O или NR, и равно 2, если Q=N.
Особенно предпочтительно элементарное звено формулы (7.1) представляет собой звено метакриловой кислоты или аакриловой кислоты, элементарное звено формулы (7.3) представляет собой звено малеинового ангидрида, и элементарное звено формулы (7.4) представляет собой звено малеиновой кислоты или малеинового сложного моноэфира.
Особенно предпочтительно элементарное звено формулы (7.5) представляет собой алкоксилированное изопрениловое звено, алкоксилированное гидроксибутил-винилпростоэфирное звено, звено алкоксилированного (мет)аллилового спирта или представляет собой винилированное метилполиалкиленгликолевое звено.
В определенном выше гребенчатом полимере, предпочтительно, молярное отношение между общим количеством элементарных звеньев формул (7.1), (7.2), (7.3) и (7.4) и общим количеством элементарных звеньев формул (7.5), (7.6), (7.7) и (7.8) составляет от 1:4 до 15:1, предпочтительно от 1:1 до 10:1.
Такие гребенчатые полимеры получают сополимеризацией мономера, выбранного из группы, включающей акриловую кислоту; гидроксиалкилакрилаты; метакриловую кислоту; гидроксиалкилметакрилаты, малеиновую кислоту, итаконовую кислоту, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновую кислоту (AMPS); акриламид и
фосфорной кислоты гидроксиалкилметакрилат
a
x
2x
a
с одним или более макромерами, выбранными из группы, включающей алкоилированные виниловые простые эфиры (например этоксилированный гидроксибутилвиниловый простой эфир), алкоксилированные аллиловые простые эфиры, алкоксилированные металлиловые простые эфиры, алкоксилированные изопрениловые простые эфиры, сложные эфиры метакриловой кислоты и полиалкиленоксида моноалкиловых простых эфиров, сложные эфиры акриловой кислоты и полиалкиленоксида моноалкиловых простых эфиров, сложные эфиры малеиновой кислоты и полиалкиленоксида моноалкиловых простых эфиров. Указанные алкоксилированные макромеры в каждом случае содержат структурную единицу -(AO)-R, в которой A представляет собой CH, где для каждой A в указанных структурных единицах -(AO)-R, x (независимо от каждого другого x) выбирается из диапазона целых значений от 2 до 4, где x предпочтительно равно 2 или 3, более предпочтительно x=2.
Предпочтительно электрон-богатые макромеры реагируют с электрон-дефицитными мономерами, т.е. винилпростоэфирные мономеры с акриловыми или малеиновыми мономерами.
Подходящие пути получения определенного выше гребенчатого полимера раскрываются в европейской заявке на патент, имеющей номер заявки 13156752.1.
a
2
2
a
Предпочтительный гребенчатый полимер этого типа доступен под торговым наименованием MelPers 0045 от BASF SE. В указанном гребенчатом полимере, основная цепь образуется из мономеров акриловой и малеиновой кислоты, каждая структурная единица -(AO)-R имеет молярную массу, равную 5800 г/моль, А представляет собой -CH-CH-, R представляет собой H, и сумма молярных масс всех указанных структурных единиц -(AO)-R составляет 94% от молярной массы указанного гребенчатого полимера.
Другой вид полимера (B), подходящий согласно настоящему изобретению, представляет собой гребенчатый полимер, получаемый сополимеризацией мономеров
(8.1) акриловой кислоты и
(8.2) одного или более макромеров, причем каждый содержит полимеризуемую двойную связь, предпочтительно двойную связь винильной группы, аллильной группы, изопрениловой группы, акрилатной группы, метакрилатной группы или малеиновой сложноэфирной группы,
x
2x
a
A представляет собой CH, где для каждой A в указанных структурных единицах -(AO)-R, x (независимо от каждого другого x) выбирается из диапазона целых значений от 2 до 4, где x предпочтительно равно 2 или 3, более предпочтительно x=2
a
где в каждой структурной единице -(AO)-R группы A являются одинаковыми или различными
a представляет собой целое число, выбранное из диапазона от 5 до 200, предпочтительно от 8 до 150, наиболее предпочтительно от 20 до 135
R представляет собой водород или разветвленную или линейную алкильную группу, имеющую от 1 до 4 атомов углерода,
a
где количества мономеров (8.1) и (8.2) выбираются таким образом, что получают гребенчатый полимер, где в указанном гребенчатом полимере сумма молярных масс всех указанных структурных единиц (ii) -(AO)-R составляет по меньшей мере 70% от молярной массы указанного гребенчатого полимера.
a
2
2
a
В предпочтительном гребенчатом полимере этого типа, основная цепь образуется из полиакриловой кислоты, каждая структурная единица -(AO)-R имеет молярную массу, равную 1100 г/моль, А представляет собой -CH-CH-, R представляет собой H, и сумма молярных масс всех указанных структурных единиц -(AO)-R составляет 75% от молярной массы указанного гребенчатого полимера.
Другим видом полимера (В), подходящим согласно настоящему изобретению, является гребенчатый полимер, который представляет собой поликонденсат, содержащий
1
a
(9.1) по меньшей мере одно элементарное звено, содержащее ароматическую или гетероароматическую систему Ar, и боковую цепь, содержащую или состоящую из структурной единицы (ii) -(AO)-R
где в каждом элементарном звене (9.1) независимо от каждого другого элементарного звена (9.1)
x
2x
а
A равно CH, где для каждой A в указанных структурных единицах -(AO)-R, x (независимо от каждого другого x) выбирается из диапазона целых значений от 2 до 4, где x предпочтительно равно 2 или 3, более предпочтительно x=2
a
где в каждой структурной единице -(AO)-R группы A являются одинаковыми или различными
a представляет собой целое число, выбранное из диапазона от 5 до 200, предпочтительно от 8 до 150, наиболее предпочтительно от 20 до 135
R представляет собой водород или разветвленную или линейную алкильную группу, имеющую от 1 до 4 атомов углерода,
где предпочтительно элементарные звенья (9.1) представлены общей формулой (9.1)
где для каждого элементарного звена формулы (9.1) независимо от каждого другого элементарного звена формулы (9.1)
1
Ar выбирается из группы, включающей незамещенные ароматические или гетероароматические системы, имеющие от 5 до 10 атомов углерода в каждом случае
1
E выбирается из группы, включающей N, NH и O, предпочтительно O
1
1
n=2, если E=N, и n=1, если E=NH или O
A, a и R имеют значения, как определено выше,
1
(9.2) по меньшей мере одно элементарное звено, содержащее ароматическую или гетероароматическую систему Ar и фосфорную группу,
где предпочтительно одно или более из элементарных звеньев (9.2) имеют общую формулу (9.2)
где для каждого элементарного звена формулы (9.2) независимо от каждого другого элементарного звена формулы (9.2)
2
Ar выбирается из группы, включающей незамещенную ароматическую или гетероароматическую систему, имеющую от 5 до 10 атомов углерода в каждом случае
2
E выбирается из группы, включающей N, NH и O, предпочтительно O
2
2
m=2, если E=N, и m=1, если E=NH или O
A определена выше для элементарного звена (9.1)
b представляет собой целое число, выбранное из диапазона от 0 до 300, предпочтительно от 1 до 5
M независимо от другой M представляет собой H или катионный эквивалент,
26
1
a
R представляет собой M или Ar-O-(AO)-
2
(9.3) по меньшей мере одно элементарное звено, содержащее ароматическую или гетероароматическую систему Ar, где элементарное звено (9.3) отличается от элементарного звена (9.2) исключительно тем, что фосфоновая группа элементарного звена (9.2) замещена на H в элементарном звене (9.3), и элементарное звено (9.3) не идентично элементарному звену (9.1)
где предпочтительно элементарное звено (9.3) представлено общей формулой (9.3)
2
2
где для каждого элементарного звена формулы (9.3), независимо от каждого другого элементарного звена формулы (9.3), Ar, E, m, A и b имеют значения, определенные для элементарного звена (9.2)
1
2
1
2
В элементарном звене (9.1), (9.2) и (9.3) указанных поликонденсатов ароматические и гетероароматические системы Ar и Ar, соответственно, предпочтительно представлены посредством или получены из фенила, 2-гидроксифенила, 3-гидроксифенила, 4-гидроксифенила, 2-метоксифенила, 3-метоксифенила, 4-метоксифенила, нафтила, 2-гидроксинафтила, 4-гидроксинафтила, 2-метоксинафтила, 4-метоксинафтила. Предпочтительно ароматические или гетероароматические системы Ar и Ar представляют собой фенил.
Определенный выше поликонденсат предпочтительно содержит другое элементарное звено (9.4), которое представлено следующей формулой
где Y, независимо друг от друга, являются идентичными или различными и представляют собой элементарные звенья (9.1), (9.2), (9.3) или другие составляющие поликонденсата,
5
3
где R являются идентичными или различными и представляют собой H, CH, COOH или замещенную или незамещенную ароматическую или гетероароматическую систему, имеющую от 5 до 10 атомов углерода,
6
5
6
3
где R являются идентичными или различными и представляют собой H, CH, COOH или замещенную или незамещенную ароматическую или гетероароматическую систему, имеющую от 5 до 10 атомов углерода. Предпочтительно R и R в элементарном звене (9.4) независимо друг от друга, являются идентичными или различными и представляют собой H, COOH и/или метил.
В указанном поликонденсате, предпочтительно
молярное отношение элементарных звеньев [(9.1)+(9.2)+(9.3)]:(9.4) находится в интервале от 1:0.8 до 3, предпочтительно от 1:0.9 до 2 и особенно предпочтительно от 1:0.95 до 1.2,
и/или
молярное отношение элементарных звеньев (9.1):[(9.2)+(9.3)] находится в интервале от 1:10 до 10:1, предпочтительно от 1:7 до 5:1 и особенно предпочтительно от 1:5 до 3:1,
и/или
молярное отношение элементарных звеньев (9.2):(9.3) находится в интервале от 1:0.005 до 1:10, предпочтительно от 1:0.01 до 1:1, в частности от 1:0.01 до 1:0.2 и особенно предпочтительно от 1:0.01 до 1:0.1.
В способе получения указанного поликонденсата, поликонденсация и введение фосфорной группы (фосфатирование) предпочтительно осуществляются в реакционной смеси. Предпочтительно, реакционная смесь, применяемая в этом способе, содержит по меньшей мере
1
a
(9.1a) мономер, имеющий ароматическую или гетероароматическую систему Ar, и боковую цепь, содержащую или состоящую из структурной единицы (ii) -(AO)-R
(9.3a) мономер, имеющий ароматическую или гетероароматическую систему, причем указанный мономер (9.3a) частично фосфатируется в ходе реакции и таким образом образует мономер (9.2a) и/или, в поликонденсате, элементарное звено (9.2),
(9.4a) мономер, имеющий альдегидную группу, например, формальдегид, и фосфатирующий агент, например фосфорную кислоту и/или пентоксид фосфора.
Подходящие способы получения определенных выше поликонденсатов раскрываются в WO 2010/040612.
a
2
2
a
Предпочтительный гребенчатый полимер этого типа доступен под торговым наименованием EPPR 312 от BASF SE. В указанном гребенчатом полимере, структурные единицы -(AO)-R в каждом случае имеют молярную массу, равную 5000 г/моль, A представляет собой -CH-CH-, R представляет собой H, и сумма молярных масс всех указанных структурных единиц (ii) -(AO)-R составляет 83% от молярной массы указанного гребенчатого полимера, и молярное отношение элементарных звеньев (9.1):[(9.2)+(9.3)] равно 1:4.
Другой вид полимера (B), подходящий согласно настоящему изобретению, раскрывается в US 5,879,445 и имеет структуру формулы (10)
x
2x
a
a
где - A представляет собой CH, где для каждой A в указанных структурных единицах -(AO)-R, x (независимо от каждого другого x) выбирается из диапазона целых значений от 2 до 4, где x предпочтительно равно 2 или 3, более предпочтительно x=2, где в каждой структурной единице -(AO)-R группы A являются одинаковыми или различными
- a представляет собой целое число, выбранное из диапазона от 5 до 200, предпочтительно от 8 до 150, более предпочтительно от 20 до 135
- R представляет собой водород или разветвленную или линейную алкильную группу, имеющую от 1 до 4 атомов углерода, где R предпочтительно выбирается из группы, включающей водород и метил,
1
- Q представляет собой углеводородную группу, содержащую от 2 до 18 атомов углерода и возможно один или более гетероатомов,
1
- A представляет собой алкиленовую группу, содержащую от 1 до 5 атомов углерода,
j
- группы R независимо друг от друга выбираются из группы, включающей:
1
1
3
2
- группу A-POH, где A имеет определенное выше значение,
a
- алкильную группу, содержащую от 1 до 18 атомов углерода и способную нести -(AO)-R группы,
и
- группу
где B обозначает алкиленовую группу, имеющую от 2 до 18 атомов углерода,
a
j
- r представляет собой число структурных единиц -(AO)-R, которое несут все группы R,
a
- q представляет собой число структурных единиц -(AO)-R, которое несет Q,
a
- сумма "r+q" выбирается так, что в указанном полимере (B) сумма молярных масс всех указанных структурных единиц -(AO)-R составляет по меньшей мере 50% от молярной массы указанного полимера (B), предпочтительно 90% или более, на основе молярной массы указанного полимера,
- y представляет собой целое число в интервале от 1 до 3, где когда y>1, группы
являются одинаковыми или различными
1
j
- Q, N, и R группы могут образовывать вместе одно или более колец, более того это кольцо или эти кольца способны содержать один или более других гетероатомов.
Подходящие способы получения полимеров (B) формулы (10) раскрываются в US 5,879,445.
1
1
Группа Q предпочтительно имеет от 2 до 12 атомов углерода (включительно), и более предпочтительно, она имеет от 2 до 6 атомов углерода (включительно). Предпочтительно Q выбирается из этилена, циклогексена или н-гексена.
1
1
Алкиленовая группа A, которая является носителем одного двухвалентного атома углерода, имеет предпочтительно от 1 до 3 атомов углерода (включительно). Особенно предпочтительно A представляет собой метиленовую группу.
j
2
3
2
2
4
2
3
2
2
j
2
3
2
Группа R, которая возможно объединяется в солевую форму, предпочтительно выбирается из -CH-POH, метила и -CHN(CH-POH) групп. Еще более предпочтительно, R представляет собой -CH-POH группу.
Сумма "r+q" соответствует общему числу полиоксиалкилированных цепей. Предпочтительно эта сумма равна менее 3. Более предпочтительно она равна 1.
"y" равна числу от 1 от 3, включительно. Предпочтительно равно 1.
2
2
R предпочтительно представляет собой H, A предпочтительно представляет собой -CH-CH-, и a предпочтительно равно 50.
Согласно US 5,879,445, предпочтительными соединениями формулы (10), как определено выше, являются
и
где a предпочтительно равно 50.
a
2
2
a
Предпочтительный полимер (B) этого типа далее упоминается как Stab 100. В указанном полимере Stab 100 каждая структурная единица (AO)-R имеет молярную массу, равную 3000 г/моль, А представляет собой -CH-CH-, R представляет собой H, и сумма молярных масс всех указанных структурных единиц -(AO)-R составляет 92% от молярной массы указанного полимера.
a
a
a
a
a
a
Не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, полагают, что структурные единицы (ii) -(AO)-R (где A, a и R имеют значения, как определено выше), присутствующие в полимерах (B), стабилизируют диоксид церия-содержащие абразивные частицы (A) неионным стерическим образом, тогда как отрицательно заряженные анионные функциональные группы закрепляют полимеры (B) на положительно заряженных диоксид церия-содержащих абразивных частицах (A). Стерическая стабилизация происходит, как полагают, благодаря экранирующему (защитному) эффекту структурных единиц -(AO)-R, присутствующих на поверхности диоксид церия-содержащих абразивных частиц (A). Соответственно, важно, что в полимерах (B), применяемых согласно настоящему изобретению, значительная часть каждой макромолекулы образована экранирующими структурными единицами -(AO)-R. этот эффект стерической стабилизации не мог бы быть достигнут с полимерами, не имеющими или имеющими недостаточную долю экранирующих структурных единиц, например, полимерами, в которых доля анионных групп в макромолекулах значительно больше, чем в определенных выше полимерах, применяемых согласно настоящему изобретению (например, гомополимеры карбоновых кислот, как например полиакриловая кислота и полиаспарагиновая кислота, которые образуют полианионы с большим количеством отрицательного заряда). По меньшей мере по этой причине является важным, что в указанном полимере (B) сумма молярных масс структурных единиц -(AO)-R, которые обеспечивают экранирующий эффект, составляет по меньшей мере 50% от молярной массы указанного полимера (B). С другой стороны, присутствие анионных групп (i) необходимо для обеспечения закрепления полимера (B) на положительно заряженной поверхности абразивных частиц (A), содержащих диоксид церия. Кроме того, для обеспечения надежного и эффективного прикрепления посредством анионных функциональных групп (i) и экранирования посредством структурных единиц (ii) -(AO)-R, важно, что не происходит случайное распределение анионных функциональных групп (i) и структурных единиц (ii) -(AO)-R в полимере.
Таким образом, заряд диоксид церия-содержащих абразивных частиц (A) минимизируется, и в то же время агломерация (флокуляция) абразивных частиц подавляется, даже при значении pH в интервале от 6 до 10, предпочтительно до 10.8 или по меньшей мере в значительной подгруппе этого pH диапазона.
Абразивные частицы, несущие низкий заряд, особенно предпочтительны для полировки поверхностей диэлектрических материалов, таких как диоксид кремния и нитрид кремния, потому что когда заряд абразивных частиц является низким, электростатическое взаимодействие между абразивными частицами и заряженной поверхностью подлежащего полировке диэлектрика, который определен при описании способа СМР (смотрите выше), уменьшается.
Особенно для химико-механической полировки диоксида кремния желательна композиция для СМР, имеющая значение pH более 6, потому что это обеспечивает щелочной химический гидролиз диоксида кремния, который способствует механизму удаления и помогает избежать царапин, которые видны после процесса химико-механическая полировки.
Соответственно, в композиции для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению концентрация указанного одного или более полимеров (B), как определено выше, выбирается таким образом, что
- не происходит флокуляция частиц, содержащих диоксид церия (A), при диапазоне pH от 6 до 10, предпочтительно до 10.8
и/или
- при значении pH в интервале от 6 до 10 дзета-потенциал частиц, содержащих диоксид церия, находится в интервале от +30 мВ до -30 мВ, предпочтительно от +20 мВ до -20 мВ.
Особенно предпочтительной является композиция для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению, где общее количество полимеров (B), как определено выше, находится в интервале от 0.0002 до 1.0 мас. %, предпочтительно от 0.001 мас. % до 0.1 мас. %, более предпочтительно от 0.005 мас. % до 0.025 мас. %, более предпочтительно от 0.0075 мас. % до 0.01 мас. %, в каждом случае на основе общей массы соответствующей композиции для СМР.
Другими объектами настоящего изобретения являются
- применение полимера (B), как определено выше, для подавления агломерации частиц, содержащих диоксид церия, диспергированных в водной среде, и/или для регулирования дзета-потенциала частиц, содержащих диоксид церия,
и
- способ подавления агломерации и/или регулирования дзета-потенциала частиц, содержащих диоксид церия, диспергированных в водной среде, причем указанный способ включает стадию добавления эффективного количества одного или более полимеров (B), как определено выше, в указанную водную среду, в которой диспергированы частицы, содержащие диоксида церия.
(C) Полигидроксисоединения
Для определенных применений, композиция для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению предпочтительно дополнительно содержит
(C) одно или более полигидроксисоединений.
Включение одного или более полигидроксисоединений (C) в композицию для СМР согласно настоящему изобретению в предпочтительных случаях способствует улучшению эффективности полировки, в частности достижению комбинации высокой скорости удаления диоксида кремния и низкой скорости удаления нитрида кремния и/или поликристаллического кремния.
Полигидроксисоединения (также упоминаются как полиолы) представляют собой органические соединения, содержащие две или более спиртовых гидрокси групп на молекулу. Типичными представителями полигидроксисоединений являются диолы (например гликоли, включая полиалкиленгликоли), глицерин, углеводы и сахарные спирты.

Предпочтительные полигидроксисоединения (C) выбираются из группы, включающей маннит, сорбит, ксилит, манноза, сорбоза, декстрин, глюкоза, желатин, камедь тары, катионная гуаровая камедь, коллаген, декстирн, трагакант, пропиленгликоля альгинат, циклодекстрин, хитин, гиалуроновая кислота, кармеллоза, крахмал, cyprogum, пчелиная смола, пуллулан, "LAPONITE (произведенный Rockwood Additives Limited)", пектин, трегалоза, казеин, сахароза, мальтоза, фруктоза, манноза, глюкуроновая кислота, глюкозамин, глюкозан, катионная целлюлоза, глюкозидаза, фенилозазон глюкозы, гидроксиэтилцеллюлоза, хитозан, фосфат крахмала, соевый лецитин, ксантановая камедь, тамариндовая камедь, смола плодоворожкового дерева, tamalindsy gum, гуммиарабик, cyliumseed gum, карагинан, геллановая камедь, сложный эфир жирной кислоты полиглицерина и гуаровой камеди, полисахариды, такие как крахмал, хитозан, альгиновая кислота, карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, курдлан и их производные, ксантановая камедь, гваяковая смола, мастиковая смола и канифоль глюконовая кислота, глюконо (кислота) дельта-лактон, и гликозиды, в частности алкилполигликозиды.
В предпочтительных случаях полигидроксисоединение (C) или одно из полигидроксисоединений (C) представляет собой гликозид формул 1-6
1
где R представляет собой алкил, арил, или алкиларил,
2
R представляет собой H, X1, X2, X3, X4, X5, X6, алкил, арил, или алкиларил,
3
R представляет собой H, X1, X2, X3, X4, X5, X6, алкил, арил, или алкиларил,
4
R представляет собой H, X1, X2, X3, X4, X5, X6, алкил, арил, или алкиларил,
5
R представляет собой H, X1, X2, X3, X4, X5, X6, алкил, арил, или алкиларил,
общее число моносахаридных единиц (X1, X2, X3, X4, X5, или X6) в гликозиде находится в интервале от 1 до 20,
и X1-X6 представляют собой структурные единицы, как указано в прямоугольниках в соответствующих формулах 1-6.
В гликозидах формул 1-6, общее число моносахаридных единиц (X1, X2, X3, X4, X5, или X6) предпочтительно находится в интервале от 1 до 5.
1
2
3
4
5
Более предпочтительно, гликозидом является гликозид формулы 1, где R представляет собой алкил, арил, или алкиларил, R представляет собой H или X1, R представляет собой H или X1, R представляет собой H или X1, R представляет собой H или X1.
Особенно предпочтительно, гликозидом является гликозид формулы 1a
1
где R представляет собой алкил, арил или алкиларил,
12
R представляет собой H, алкил, арил или алкиларил, предпочтительно H,
13
R представляет собой H, алкил, арил или алкиларил, предпочтительно H,
14
R представляет собой H, алкил, арил или алкиларил, предпочтительно H,
15
R представляет собой H, алкил, арил или алкиларил, предпочтительно H,
и k равно целому числу от 1 до 20, предпочтительно от 1 до 5.
12
13
14
15
Предпочтительно, в формуле (1a), R, R, R и R представляют собой H.
Предпочтительно, в формуле (1a),
1
R представляет собой
16
17
где R представляет собой H, алкил, арил или алкиларил, и R представляет собой H, алкил, арил или алкиларил, или
1
18
18
2
R представляет собой CHR, и R представляет собой H, алкил, арил или алкиларил.
Особенно предпочтительной является композиция для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению, где общее количество полигидроксисоединений (C), как определено выше, находится в интервале от 0.001 мас. % до 2 мас. %, предпочтительно от 0.01 мас. % до 1 мас. %, например, от 0,02 мас. % до 0.05 мас. %% в каждом случае на основе общей массы соответствующей композиции для СМР.
(D) pH-регуляторы
Более предпочтительно композиция для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению дополнительно содержит
(D) один или более pH-регуляторов.
2
3
3
2
4
Подходящие pH-регуляторы выбираются из группы, включающей аммиак, KOH, NaOH; MCO, M(HCO), где в каждом случае M выбирается из группы, включающей K, Na, NH и тетра-алкил-аммоний, тетраалкиламмония гидроксиды, такие как тетраметиламмония гидроксид (TMAH) и тетраэтиламмония гидроксид (TEMH), алкил-замещенные амины, такие как три-метил-амин, три-этил-амин, ди-метил-амин, ди-этил-амин, метил-амин; этил-аминполиамины, такие как диэтилен-три-амин, гексаметилен-три-амин или уротропин, полимерные имины, такие как полиэтиленимин, азотная кислота, фосфорная кислота, серная кислота, соляная кислота, муравьиная кислота, фосфоновые кислоты, сульфоновые кислоты, где аммиак, KOH, TMAH, TEAH; азотная кислота, муравьиная кислота являются предпочтительными.
Значение pH композиции для СМР согласно настоящему изобретению находится в интервале от 5 до 10.8, предпочтительно от 6 до 10, более предпочтительно от 6.5 до 9.5, более предпочтительно от 7 до 9, еще более предпочтительно от 7.5 до 8.5, например, 8.
Особенно предпочтительной является композиция для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению, где
(A) общее количество абразивных частиц, содержащих диоксид церия, находится в интервале от 0.01 мас. % до 5 мас. %, предпочтительно 0.1 мас. % до 1.0 мас. %, например, 0.5 мас. %, в каждом случае на основе общей массы соответствующей композиции для СМР,
и
(B) общее количество полимеров (B), как определено выше, находится в интервале от 0.0002 мас. % до 1 мас. %, предпочтительно от 0.001 мас. % до 0.1 мас. %, более предпочтительно от 0.005 мас. % до 0.025 мас. %, более предпочтительно от 0.0075 мас. % до 0.01 мас. %, в каждом случае на основе общей массы соответствующей композиции для СМР.
и
(C) общее количество полигидроксисоединений находится в интервале от 0.001 мас. % до 2 мас. %, предпочтительно от 0.01 мас. % до 1 мас. % в каждом случае на основе общей массы соответствующей композиции для СМР.
Другие компоненты композиции для СМР
Композиции для СМР согласно настоящему изобретению могут дополнительно содержать, при необходимости, различные другие компоненты, включая, но без ограничения к этому, биоциды. Биоциды отличны от компонентов (A), (B), (C) и (D), как определено выше. В общем, биоцид представляет собой соединение, которое удерживает, обезвреживает или оказывает контролирующий эффект в отношении любого вредного организма с помощью химических или биологических средств. Предпочтительно биоцид представляет собой соединение четвертичного аммония, соединение на основе изотиазолинона, N-замещенного диазения диоксид или N'-гидрокси-диазения оксидную соль. Более предпочтительно биоцид представляет собой N-замещенного диазения диоксид или N'-гидрокси-диазения оксидную соль.
Получение композиции для СМР согласно настоящему изобретению
Другим объектом настоящего изобретения является способ получения композиции для СМР согласно настоящему изобретению (как определено выше). Этот способ содержит стадию объединения
(A) абразивных частиц, содержащих диоксид церия,
(B) одного или более полимеров, как определено выше,
в водной среде.
Способы получения композиции для СМР в общем известны. Эти способы могут применяться для получения композиции для СМР, применяемой согласно настоящему изобретению. Это может осуществляться посредством диспергирования вышеописанного компонента (A) и растворения вышеописанного компонента (B), и, при необходимости, вышеописанного необязательного дополнительного компонента (C) в воде, и необязательно посредством установления значения pH путем добавления pH-регулятора (D), как определено выше или далее. С этой целью могут применяться обычные и стандартные способы смешивания и устройства смешивания, такие как сосуды с мешалкой, лопасти с большими сдвиговыми усилиями, ультразвуковые смесители, сопла гомогенизатора или противоточные смесители. Значение pH композиции для СМР согласно настоящему изобретению предпочтительно устанавливается в интервале от 5 до 10.8, предпочтительно от 6 до 10, более предпочтительно от 6.5 до 9.5, более предпочтительно от 7 до 9, еще более предпочтительно от 7.5 до 8.5, например, 8.
Предпочтительно, способ получения композиции для СМР согласно настоящему изобретению (как определено выше) содержит стадию добавления одного или более полимеров (B), как определено выше, в водную суспензию, содержащую абразивные частицы, содержащие диоксид церия, (A).
Химико-механическая полировка с применением композиции для СМР согласно настоящему изобретению
Другим объектом настоящего изобретения является способ получения полупроводникового устройства, включающий стадию химико-механической полировки подложки в присутствии композиция для химико-механической полировки (СМР) согласно настоящему изобретению, как определено выше. На стадии химико-механической полировки, значение pH композиции для СМР находится в интервале от 5 до 10.8, предпочтительно от 6 до 10, более предпочтительно от 6.5 до 9.5, более предпочтительно от 7 до 9, еще более предпочтительно от 7.5 до 8.5, например, 8.
Стадия химико-механической полировки в общем известна и может осуществляться с помощью способов и оборудования при условиях, обычно применяемых для СМР производстве пластин с интегральными микросхемами.
В предпочтительном способе согласно настоящему изобретению, подложка содержит
- область поверхности или слой, состоящие из диоксида кремния
и
- область поверхности или слой, состоящие из нитрида кремния или поликристаллического кремния.
В предпочтительных случаях, слой диоксида кремния, подлежащий полировке с помощью композиции для СМР согласно настоящему изобретению, представляет собой слой диоксида кремния подложки, которая представляет собой устройство узкощелевой изоляции (STI) или его часть.
Примеры
Настоящее изобретение далее проиллюстрировано посредством примеров и сравнительных примеров.
Получение композиций для СМР:
Полимер (B), как определено далее, и необязательно полигидроксисоединение (C), как определено далее, добавляются к коммерчески доступному раствору коллоидного диоксида церия.
Применяются следующие полимеры (B)
Для сравнения, композиции для СМР, не содержащие какой-либо полимер (B), также протестировали.
3
Значение pH каждой композиции установили путем добавления водного раствора аммиака (0.1%) или HNO (0.1%). Значение pH измеряли с помощью pH комбинированного электрода (Schott, blue line 22 pH).
Концентрация диоксида церия (либо влажно осажденный, торговое наименование HC 60 от Rhodia, или коллоидный, торговое наименование NanoArc 6440 от NanoPhase) в каждом случае составляет 0.5 мас. %, на основе массы соответствующей композиции для СМР.
Влажно осажденные частицы диоксида церия (например, Rhodia HC60), как получено от поставщика, имеют средний первичный размер частицы, равный 60 нм, (как определено с применением BET измерений площади поверхности) и средний вторичный размер частицы (d50 значение), равный 99 нм (как определено с применением методик динамического рассеивания света с помощью устройства Horiba).
Коллоидные частицы диоксида церия (например, NanoArc 6440) как получено от поставщика, имеют средний первичный размер частицы, равный 30 нм, (как определено с применением BET измерений площади поверхности) и средний вторичный размер частицы (d50 значение), равный 130 нм (как определено с применением методик динамического рассеивания света с помощью устройства Horiba).
Если иного не указано, применяется влажно осажденный диоксид церия. Для дальнейшей информации о компонентах композиций для СМР, смотрите таблицы в части "результаты", приведенной далее.
СМР эксперименты
Несколько сравнительных композиций для СМР (смотрите таблицы в части "результаты") применялись для химико-механической полировки пластин диаметром, равным 200 мм, покрытых диоксидом кремния, нитридом кремния, либо поликристаллическим кремнием.
Параметры полировки являются следующими:
СМР устройство:
Strasbaugh nSpire (модель 6EC) с ViPRR подвижным носителем стопорного кольца;
давление прижима:
2.0 пси (140 мбар);
заднее давление:
0.5 пси (34.5 мбар);
давление стопорного кольца:
2.5 пси (172 мбар);
скорость полировальный стол/носителя:
95/85 оборотов в минуту;
скорость потока суспензии:
200 мл/мин;
продолжительность полировки:
60 с;
обработка подушечки:
in situ (4 Ibs, 17,8 N);
полировальник:
IC1000 A2 stacked pad, с x, y k или k нарезанными канавками (R&H);
основная пленка:
Strasbaugh, DF200 (136 отверстий);
обрабатывающий диск:
3M S60;
2
Для исследования удаления вещества диоксида кремния (SiO), подложки, покрытые слоем диоксида кремния, полученным с помощью усиленного плазмой химического осаждения из паровой фазы с применением тетра-этилортосиликата (TEOS), применяли в качестве исходного материала.
3
4
Для исследования удаления вещества нитрида кремния (SiN), применяли подложки, покрытые слоем нитрида кремния, полученным с помощью усиленного плазмой химического осаждения из паровой фазы.
Для исследования удаления вещества поликристаллический кремний (poly-Si), применяли подложки, покрытые слоем поликристаллического кремния, полученным с помощью химического осаждения из паровой фазы.
2
Для диоксида кремния, удаление материала определяется на основе разности массы до и после химико-механической полировки, на основе плотности SiO, равной 1.9 кг/л. Масса измеряется с помощью Sartorius LA310 S шкалы. Для нитрида кремния и поликристаллического кремния, удаление материала определяется на основе разности толщины пленки подложек до и после химико-механической полировки. Толщина пленки (средняя толщина полученного сканированием изображения диаметра) измеряется с помощью рефлектрометра Filmmetrics F50. Для вычисления скорости удаления материала (MRR) общее удаление вещества, как определено выше, делят на продолжительность основной стадии полировки.
2
3
4
2
Селективность удаления диоксида кремния по сравнению с нитридом кремния (SiO/SiN) представляет собой отношение между скоростями удаления диоксида кремния и нитрида кремния. Селективность удаления диоксида кремния по сравнению с поликристаллическим кремнием (SiO/poly-Si) представляет собой отношение между скоростями удаления диоксида кремния и поликристаллического кремния.
Результаты СМР экспериментов
Результаты СМР экспериментов приводятся в таблицах 1-8, показанных далее.
2
3
4
2
Композиции для СМР, содержащие EPPR312 в качестве полимера (B) в вышеуказанных количествах, стабильны при значениях pH, приведенных в таблице 1. В некоторых случаях селективности SiO/SiN и/или SiO/poly-Si улучшаются в присутствии EPPR312.
2
3
4
2
Комбинация EPPR312 в качестве полимера (B) с полигидроксисоединениями (C) при значениях pH, как показано в таблице 2, приводит к значительным улучшениям селективностей SiO/SiN и SiO/poly-Si, по сравнению с композициями для СМР, либо не содержащими полимер (B) или содержащими EPPR312 в качестве полимера (B), но не содержащими полигидроксисоединение (C).
2
3
4
2
Композиции для СМР, содержащие Melpers 0045 в качестве полимера (B) в вышеуказанных количествах, стабильны при значениях pH, приведенных в таблице 3. Селективности SiO/SiN и/или SiO/poly-Si заметно улучшаются в присутствии Melpers 0045, особенно при pH=9.
ПЭГ представляет собой полиэтиленгликоль, имеющий молярную массу 10000 г/моль, доступный от Aldrich. В последних двух композициях для СМР из таблицы 4, абразивными частицами (A) является коллоидный диоксид церия.
2
3
4
2
Комбинация Melpers 0045 в качестве полимера (B) с полигидроксисоединениями (C), как перечислено выше при значениях pH, приведенных в таблице 4, приводит к подходящим селективностям SiO/SiN и SiO/poly-Si, по сравнению с композициями для СМР, не содержащими полимер (B).
2
3
4
2
Композиции для СМР, содержащие Stab 100 в качестве полимера (B) в вышеуказанном количестве, являются стабильными при pH=8, смотрите таблицу 5. Селективности SiO/SiN и SiO/poly-Si существенно не изменяются в присутствии Stab 100.
2
3
4
2
Комбинация Stab 100 в качестве полимера (B) с полигидроксисоединением (C), как показано в таблице 6 при pH=8, приводит к улучшенным селективностям SiO/SiN и SiO/poly-Si, по сравнению с композициями для СМР, не содержащими полимер (B) или содержащими Stab 100 в качестве полимера (B), но не содержащими полигидроксисоединение (C).
2
3
4
2
Композиции для СМР, содержащие Stab 100 в качестве полимера (B) в вышеуказанном количестве, являются стабильными при pH=8, смотрите таблицу 7. Селективности SiO/SiN и SiO/poly-Si значительно увеличиваются в присутствии Stab 100.
2
3
4
2
Комбинация Stab0557 в качестве полимера (B) с полигидроксисоединением (C), как показано в таблице 8 при pH=8, приводит к улучшенным селективностям SiO/SiN и SiO/poly-Si, по сравнению с композициями для СМР, не содержащими полимер (B) или содержащими Stab 100 в качестве полимера (B), но не содержащими полигидроксисоединение (C).
Измерение дзета-потенциала
Для нескольких композиций для СМР согласно настоящему изобретению, а также для сравнительных композиций для СМР не в соответствии с настоящим изобретением, дзета-потенциал измеряется как функция от значения pH в интервале pH от 4 до 10 с применением Zetasizer Nano (поставщик: Malvern). Измерения начинаются при значение pH, которое соответствующая композиция для СМР имеет после разбавления до содержания диоксида церия 0.1 мас. % в присутствии 10 ммоль/л KCl. Для дальнейших измерений, значение pH соответствующих композиций для СМР устанавливается посредством автоматического титрования с помощью NaOH или HCl.
Концентрации полимеров в протестированных композициях являются следующими:
1. нет полимера (сравнительная композиция)
2. 0.002 мас. % полиаспарагиновой кислоты (сравнительная композиция)
3. 0.002 мас. % Melpers 0045
4. 0.002 мас. % EPPR312
5. 0.001 мас. % EPPR312
6. 0.002 мас. % Stab 100.
Результаты (смотрите Фиг. 1) показывают, что полимеры (B), применяемые согласно настоящему изобретению способны экранировать заряд абразивных частиц, содержащих диоксид церия, от электрофоретического возбуждения. Соответственно, абсолютное значение дзета-потенциала, вычисленного из электрофоретической подвижности значительно ниже, чем в композиции для СМР, не содержащей какой-либо полимер или содержащей полианионы без значительного количества структурных единиц, имеющих такой экранирующий эффект (как в случае аспарагиновой кислоты). В присутствии полиаспарагиновой кислоты, благодаря большому количеству отрицательных зарядов полианиона, значение дзета-потенциала является отрицательным, и абсолютное значение дзета-потенциала является высоким.
Несмотря на низкий дзета-потенциал частиц, содержащих диоксид церия в композициях для СМР согласно настоящему изобретению при pH в интервале от 6 до 10, никакой коагуляции диоксида церия не происходит в этом диапазоне pH или по меньшей мере в значительном поддиапазоне этого диапазона pH, благодаря стерической стабилизации частиц диоксида церия.
Тест на стабильность
Композиции для СМР, содержащие частицы (A), содержащие диоксид церия, получили следующим образом: К 100 мл ультрачистой воды добавили частицы, содержащие диоксид церия (Rhodia НС 60) при перемешивании. Конечная концентрация частиц, содержащих диоксид церия (A), составляет 0.5 мас. %. Значение pH устанавливается с помощью аммиака до значения, приведенного в таблице 9 далее.
Композиции для СМР, содержащие частицы (A), содержащие диоксид церия, и полимер Stab 100 (B) (смотрите выше) получили следующим образом: К 100 мл ультрачистой воды добавили Stab 100 до достижения концентрации 0.01 мас. %. Частицы, содержащие диоксид церия (Rhodia НС 60), добавили при перемешивании. Конечная концентрация частиц, содержащих диоксид церия (A), составляет 0.5 мас. %. Значение pH устанавливается с помощью аммиака до значения, приведенного в таблице 9 далее.
Композиции для СМР хранили в течение трех дней. Каждый день распределение частиц по размеру определяли с помощью Horiba LB 550 V (динамическое рассеивание света DLS) в различные периоды хранения. Результаты приведены в Таблице 9.
Для композиция для СМР с установленным pH 10 без полимера (B), распределение частиц по размеру не могло быть измерены после первого дня, потому что диоксид церия полностью коагулировал. Напротив, композиция для СМР с установленным pH 10, содержащая 0.01 мас. % полимера (B), оставалась стабильной более трех дней. То же самое относится к композиции для СМР с установленным pH 10.8, содержащей 0.01 мас. % полимера (B)
Для композиция для СМР с установленным pH 9 без полимера (B), распределение частиц по размеру не могло быть измерены после третьего дня, потому что диоксид церия полностью коагулировал. Напротив, композиция для СМР с установленным pH 9, содержащая 0.01 мас. % полимера (B), оставалась стабильной более трех дней.
Тест на долговременную стабильность
Композиции для СМР, содержащие частицы (A), содержащие диоксид церия, получили следующим образом: К 100 мл ультрачистой воды добавили частицы, содержащие диоксид церия (Rhodia НС 60) при перемешивании. Конечная концентрация частиц, содержащих диоксид церия (A), составляет 0.5 мас. %. Значение pH устанавливается с помощью аммиака до значения, приведенного в таблице 10 далее, или значение pH устанавливается с помощью KOH до значения, приведенного в таблице 12 далее.
Композиции для СМР, содержащие частицы (A), содержащие диоксид церия, и полимер Stab 100 (B) (смотрите выше) получили следующим образом: К 100 мл ультрачистой воды добавили Stab 100 до достижения концентрации 0.01 мас. %. Частицы, содержащие диоксид церия (Rhodia НС 60), добавили при перемешивании. Конечная концентрация частиц, содержащих диоксид церия (A), составляет 0.5 мас. %. Значение pH устанавливается с помощью аммиака до значения, приведенного в таблице 11 далее, или значение pH устанавливается с помощью KOH до значения, приведенного в таблице 13 далее.
Композиции для СМР хранятся в течение сорока (40) дней. Через пять (5) дней, двенадцать (12) дней, двадцать шесть (26) дней и сорок (40) дней, распределение частиц по размеру определяется с помощью Horiba LB 550 V (динамическое рассеивание света DLS) в различные периоды хранения. Результаты приведены в Таблицах 10, 11, 12 и 13.
2
3
4
2
Композиции для СМР, согласно настоящему изобретению, содержащие (A) частицы, содержащие диоксид церия, и (B) один или более полимеров приводят к дисперсиям, стабильным в течение длительного периода времени, в комбинации с высокой эффективностью полировки с точки зрения высокой селективности и скорости удаления материала для SiO по сравнению с SiN- и для SiO по сравнению с poly-Si-, как показано в примерах и таблицах, приведенных выше