CN101280158A - 多晶硅化学机械抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多晶硅的化学机械抛光液，其含有多元醇型非离子表面活性剂、胍类化合物、研磨颗粒和水。本发明的抛光液可以在碱性条件下较好地抛光多晶硅薄膜。其中，多元醇型非离子表面活性剂可显著降低多晶硅的去除速率，而不降低二氧化硅的去除速率，从而显著降低多晶硅与二氧化硅的选择比；胍类化合物也可调节多晶硅与二氧化硅的选择比，同时具有调节pH的作用，使得本发明的抛光液无需添加常规pH调节剂，大大减少了金属离子污染和环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学机械抛光液，尤其涉及一种用于抛光多晶硅的化学机械抛光液。
背景技术
在集成电路制造中，互连技术的标准不断提高，一层上面又沉积一层，使得在硅片表面形成了不规则的形貌。现有技术中使用的一种平坦化方法就是化学机械抛光(CMP)，CMP工艺就是使用一种含磨料的混合物和抛光垫去抛光一硅片表面。在典型的化学机械抛光方法中，将硅片直接与旋转抛光垫接触，在硅片背面施加压力。在抛光期间，硅片和抛光台/抛光垫旋转，同时在硅片背面保持向下的力，将磨料和化学活性溶液(通常称为抛光液或抛光浆料)涂于抛光垫片上，该抛光液与正在抛光的薄膜发生化学反应开始进行抛光过程。
对于多晶硅的抛光，目前主要应用于两种芯片，一种是DRAM，一种是Flash。后者应用中，往往在对多晶硅的抛光中会涉及到对二氧化硅的抛光。这一抛光过程存在两个技术难题：
第一，现有技术中主要采用以二氧化硅为研磨颗粒的碱性浆料来抛光多晶硅层和二氧化硅层，其抛光过程中，多晶硅的去除速率往往比二氧化硅的去除速率高得多，易导致多晶硅的过量去除而产生凹陷，影响后续工艺。
目前，已有文献公开了为解决这一问题的一些技术方案。
如专利文献US2003/0216003 A1和US2004/0163324 A1公开了一种制造Flash的方法。其中包括一种抛光多晶硅的抛光液，该抛光掖中包含至少一种含有-N(OH)、-NH(OH)或-NH2(OH)基团的化合物，使用该浆料的多晶硅与二氧化硅的抛光选择比为50∶1～300∶1，但选择比仍然较高。
再如专利文献US2005/0130428 A1和CN 1637102 A公开了一种用于多晶硅化学机械抛光的浆料，该浆料成分包括一种或多种在多晶硅层上形成钝化层的非离子表面活性剂，及一种用于调节氮化硅和氧化硅相对除去速率的胺或亚胺表面活性剂。该非离子表面活性剂为至少一种环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物醇和/或环氧乙烷-环氧丙烷三嵌段聚合物。该浆料可以减小多晶硅的凹陷深度。
第二，常规多晶硅碱性浆料抛光液中，通常需使用KOH等无机碱，或氨水、四甲基氢氧化铵(TMAH)或四丁基氢氧化铵(TBAH)等有机胺调节pH。如专利文献US2005/0130428 A1和CN 1637102 A公开了一种用于多晶硅化学机械抛光的浆料，使用KOH，NH4OH，TMA，TMAH和TEA组成的组合pH控制剂。但无机碱会在浆料中引入金属离子污染，而金属离子对芯片的良率有潜在的隐患，氨水则对环境污染很大，羟胺类化合物在碱性条件下会抑制二氧化硅等介电材料的去除速率。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述多晶硅/二氧化硅选择比过高，和常规碱性pH调节剂带来的金属离子污染和环境污染的问题，而提供一种用于抛光多晶硅的具有合适的多晶硅/二氧化硅选择比，且无污染的化学机械抛光液。
本发明的抛光液，含有多元醇型非离子表面活性剂、胍类化合物、研磨颗粒和水。
本发明中，所述的多元醇型非离子表面活性剂较佳的为多元醇与脂肪酸经酯化反应生成的酯类表面活性剂和/或聚乙二醇表面活性剂。所述的多元醇型非离子表面活性剂的重量百分比浓度较佳的为0.0001～20％，更佳的为0.001-10％。本发明的抛光液中，多元醇型非离子表面活性剂可显著降低多晶硅的去除速率，而不降低二氧化硅的去除速率，从而显著降低多晶硅与二氧化硅的选择比，避免了因多晶硅的过量去除而产生的凹陷。
其中，所述的酯类表面活性剂较佳的为多元醇脂肪酸酯R1OmHm-n(OCR2)n、聚乙二醇脂肪酸酯R2COO(CH2CH2O)pH或R2COO(CH2CH2O)pOCR2、聚氧乙烯多元醇脂肪酸酯R1OmHm-n(CH2CH2O)p(OCR2)n，其中，R1(OH)m为2≤m≤8的多元醇，4≤p≤120(相应的(CH2CH2O)pH2O为分子量为200～6000的聚乙二醇)，R2COOH为碳原子数为8～22的脂肪酸，n＝1～4且m≥n。其中，所述的多元醇较佳的为乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、丙二醇、甘油、聚甘油、聚氧乙烯甘油、季戊四醇、失水木糖醇、聚氧乙烯失水木糖醇、山梨醇、聚氧乙烯山梨醇、失水山梨醇、聚氧乙烯失水山梨醇、蔗糖或聚乙二醇。
其中，所述的聚乙二醇表面活性剂较佳的为分子量为200～20000的聚乙二醇(PEG)。
本发明中，所述的胍类化合物较佳的为胍、碳酸胍、乙酸胍、磷酸氢二胍、盐酸胍、硝酸胍、硫酸胍、氨基胍、氨基胍碳酸氢盐、氨基胍磺酸盐、氨基胍硝酸盐或氨基胍盐酸盐。所述的胍类化合物的重量百分比浓度较佳的为0.001～3％，更佳的为0.01～2％。胍类化合物在本发明的抛光液中，具有调节多晶硅与二氧化硅的选择比的作用。在其他成分及其含量均相同的情况下，胍类化合物含量越高，多晶硅与二氧化硅的选择比会随之上调。但胍类化合物对选择比的调节作用的程度远小于多元醇型非离子表面活性剂对选择比的影响，因此可作为一种微调节的成分使用。通过简单的实验即可获得具有合适多晶硅/二氧化硅选择比的抛光液。同时，胍类化合物还具有调节pH的作用。因此，本发明的抛光液无需添加常规pH调节剂，如KOH等无机碱、氨水等有机胺等，使得本发明的抛光液金属离子含量低，环境污染少。
本发明中，所述的研磨颗粒颗为本领域常用研磨颗粒，其中较佳的为二氧化硅、氧化铝、掺杂铝的二氧化硅、覆盖铝的二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛和/或高分子研磨颗粒。所述的研磨颗粒的粒径较佳的为20～150nm。所述的研磨颗粒的含量较佳的为重量百分比0.5～30％。
本发明的抛光液的pH值较佳的为8～12。
本发明的抛光液中还可以含有HCl、H2SO4和HNO3等酸性pH调节剂，粘度调节剂和/或消泡剂等，通过它们来控制抛光液的pH和粘度等特性。
本发明的抛光液由上述成分简单混合均匀即得。
本发明的积极进步效果在于：本发明的抛光液可以在碱性条件下较好地抛光多晶硅薄膜。其中，多元醇型非离子表面活性剂可显著降低多晶硅的去除速率，而不降低二氧化硅的去除速率，从而显著降低多晶硅与二氧化硅的选择比；胍类化合物也可调节多晶硅与二氧化硅的选择比，以获得合适的选择比，同时胍类化合物还具有调节pH的作用，使得本发明的抛光液无需添加常规pH调节剂(KOH等无机碱和/或氨水等有机胺等)，大大减少了金属离子污染和环境污染。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1 多晶硅的化学机械抛光液
表1给出了本发明的多晶硅化学机械抛光液1～6的配方，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各实施例的抛光液，水为余量。
表1 多晶硅的化学机械抛光液1～6
效果实施例1
表2给出了对比抛光液1和抛光液7～36的配方及抛光效果数据，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各实施例的抛光液，水为余量。
抛光工艺参数为：下压力3psi、抛光盘(直径14英寸)的转速70rpm、抛光头转速80rpm、抛光液流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、Logitech LP50抛光机。
表2对比抛光液1和抛光液7～36的组成配方及抛光效果
由表2数据可见，与对比抛光液1相比，本发明的抛光液7～36均显著降低多晶硅的去除速率而不降低二氧化硅的去除速率，从而降低了多晶硅与二氧化硅的选择比。
效果实施例2
表3给出了抛光液37～40的配方及抛光效果数据，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各实施例的抛光液，水为余量。
抛光工艺参数为：下压力3psi、抛光盘(直径14英寸)的转速70rpm、抛光头转速80rpm、抛光液流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、Logitech LP50抛光机。
表3抛光液37～40的组成配方及抛光效果
| 抛光液 | 研磨颗粒SiO2(70nm)含量wt％ | 表面活性剂吐温(85)含量wt％ | 碳酸胍含量wt％ | pH | 多晶硅去除速率(A/min) | 二氧化硅去除速率(A/min) | 多晶硅/二氧化硅选择比 |
| 37 | 5 | 0.01 | 0.6 | 10.0 | 475 | 43 | 11.0 |
| 38 | 5 | 0.01 | 0.9 | 10.0 | 623 | 43 | 14.5 |
| 39 | 5 | 0.01 | 1.2 | 10.0 | 841 | 44 | 19.1 |
| 40 | 5 | 0.1 | 0.9 | 10.0 | 439 | 43 | 10.2 |
由表3中抛光液37～39的数据可见，在其他成分及其含量均相同的情况下，胍类化合物含量越高，多晶硅与二氧化硅的选择比会随之略微上调。由抛光液40数据可见，胍类化合物虽然与对选择比的调节作用虽然与多元醇型非离子表面活性剂对选择比的影响作用相反，但其影响程度远小于多元醇型非离子表面活性剂对选择比的影响程度。因此，可以通过多元醇型非离子表面活性剂和胍类化合物的含量来调节抛光液的多晶硅/二氧化硅选择比。
效果实施例3
表4给出了对比抛光液2～4和抛光液41的组成配方和抛光效果，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各抛光液，水为余量。
抛光时的工艺参数为：下压力3psi、抛光盘(直径14英寸)的转速70rpm、抛光头转速80rpm、抛光液流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、Logitech LP50抛光机。
表4对比抛光液2～4和抛光液41的组成配方和抛光效果
| 抛光液 | 研磨颗粒SiO2(70nm)含量wt％ | 表面活性剂吐温(20)含量wt％ | 其他 | pH | 多晶砖去除速率(A/min) | 二氧化硅去除速率(A/min) | 抛光效果 |
| 对比2 | 10 | 0.01 | 四甲基氢氧化铵 | 10.25 | 830 | \ | 不能去除二氧化硅 |
| 对比3 | 10 | 0.01 | 氨水 | 10.25 | 888 | 80 | 气味大 |
| 对比4 | 10 | 0.01 | KOH | 10.25 | 745 | 111 | 金属离子多 |
| 41 | 10 | 0.01 | 1.2wt％碳酸胍 | 10.25 | 853 | 116 | 金属离子少无气味 |
由表4数据可见，抛光液41有较好的抛光效果，且相对于对比抛光液2～4，减少了金属离子的污染和环境污染。
本发明中所用试剂均市售可得。
Claims (14)
1. 一种多晶硅的化学机械抛光液，其特征在于：含有多元醇型非离子表面活性剂、胍类化合物、研磨颗粒和水。
2. 根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的多元醇型非离子表面活性剂为多元醇与脂肪酸经酯化反应生成的酯类表面活性剂和/或聚乙二醇表面活性剂。
3. 根据权利要求2所述的抛光液，其特征在于：所述的酯类表面活性剂为多元醇脂肪酸酯R1OmHm-n(OCR2)n、聚乙二醇脂肪酸酯R2COO(CH2CH2O)pH或R2COO(CH2CH2O)pOCR2、聚氧乙烯多元醇脂肪酸酯R1OmHm-n(CH2CH2O)p(OCR2)n，其中，R1(OH)m为2≤m≤8的多元醇，4≤p≤120，R2COOH为碳原子数为8～22的脂肪酸，n＝1～4且m≥n。
4. 根据权利要求2所述的抛光液，其特征在于：所述的多元醇为乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、丙二醇、甘油、聚甘油、聚氧乙烯甘油、季戊四醇、失水木糖醇、聚氧乙烯失水木糖醇、山梨醇、聚氧乙烯山梨醇、失水山梨醇、聚氧乙烯失水山梨醇、蔗糖或聚乙二醇。
5. 根据权利要求2所述的抛光液，其特征在于：所述的聚乙二醇表面活性剂为分子量为200～20000的聚乙二醇。
6. 根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的多元醇型非离子表面活性剂的含量为重量百分比0.0001～20％。
7. 根据权利要求6所述的抛光液，其特征在于：所述的多元醇型非离子表面活性剂的含量为重量百分比0.001～10％。
8. 根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的胍类化合物为胍、碳酸胍、乙酸胍、磷酸氢二胍、盐酸胍、硝酸胍、硫酸胍、氨基胍、氨基胍碳酸氢盐、氨基胍磺酸盐、氨基胍硝酸盐或氨基胍盐酸盐。
9. 根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的胍类化合物的含量为重量百分比0.001～3％。
10. 根据权利要求9所述的抛光液，其特征在于：所述的胍类化合物的含量为重量百分比0.01～2％。
11. 根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、掺杂铝的二氧化硅、覆盖铝的二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛和/或高分子研磨颗粒。
12. 根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒的粒径为20～150nm。
13. 根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒的含量为重量百分比0.5～30％。
14. 根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于：所述的抛光液的pH值为8～12。
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