CN103897603B - 一种gst中性化学机械抛光液 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学机械抛光液领域，尤其涉及一种可有效应用于相变材料GST的化学机械抛光。本发明提供一种GST中性化学机械抛光液，以重量百分比计，包括如下组分：二氧化硅抛光颗粒0.2‑30wt%；氧化剂0.01‑5wt%；表面活性剂0.01‑4wt%；余量为pH值调节剂和去离子水；所述GST中性化学机械抛光液的pH值为6‑8。本发明提供的用于相变材料GST的中性化学机械抛光液，所述的经过烷基改性，金属氧化物包裹，胺型改性，无机离子改性等方法改性的SiO2抛光颗粒，在pH值6‑8范围内，zeta电位的绝对值30‑80mv，胶体达到了稳定，从而形成稳定的中性化学机械抛光液。

Description

一种GST中性化学机械抛光液

技术领域

本发明涉及化学机械抛光液领域，尤其涉及一种可有效应用于相变材料GST的化学机械抛光。

背景技术

相变存储器因具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，而被国际半导体行业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。

相变存储器技术的基本原理是以硫系化合物为存储介质，利用电能（热量）使材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转换实现信息的写入与擦除，信息的读出则靠测量电阻的变化实现。典型的相变材料是硫族化合物合金薄膜，最成熟的材料是GeSbTe合金。存储单元包括由电介质材料定义的细孔，相变材料沉积在细孔中，相变材料在细孔的一端上连接电极。电极接触使电流通过该通道产生焦耳热对该单元进行编程，或者读取该单元的电阻状态。

目前，在构建相变存储单元时，通行的做法是：先通过磁控溅射的方法沉积相变材料在由电介质材料定义的细孔中，然后通过反应离子刻蚀（RIE）或者化学机械抛光（CMP）的方法，将细空上方的相变材料进行去除。相比于RIE而言，CMP因具有表面低损伤和能实现全局平坦化的优点，受到了许多研究人员和半导体公司的亲睐。

为满足制备纳电子相变存储器中CMP工艺的需求，需要可控的无损伤地对相变材料进行去除，同时还希望尽可能减少下层绝缘材料的损失。为此，许多研究人员做出了很多有益的尝试和研究。

CN200410066674.8公开的硫系化合物纳米级抛光液主要涉及到使用10-120nm的氧化硅化学机械抛光液对GST材料的抛光，抛光速率为138-218nm/min，抛光后经AFM测得的表面粗糙度RMS为1.25-2.22nm；CN200410084490.4公开了一种无磨料碱性抛光液，对GST的抛光速率为42-76nm/min，抛光后GST表面效果较好，RMS为0.69-0.91nm；另外，著名的抛光液供应商Cabot在US20070178700中公开了一种酸性氧化硅（20nm或者80nm）抛光液，对GST的抛光速率为0-200nm/min，抛光后的表面未提及。它们在对GST抛光时均简单易行，且专利CN200410084490.4公开的无磨料碱性抛光液抛光后表面效果较佳，但均存在抛光速率过慢速率范围过窄的问题，且专利CN200410066674.8公开的抛光液抛光后表面效果较差，对表面存在一定损伤。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于相变材料GST的中性化学机械抛光液，其特征在于通过烷基改性，金属氧化物包裹，胺型改性，无机离子改性等方法对二氧化硅的进行改性，控制改性过后的二氧化硅在pH值6-8时其zeta电位绝对值在30-80mv范围。从而能够在pH值6-8范围之内，形成稳定的GST中性化学机械抛光液。同时此抛光液也包含氧化剂、表面活性剂、有机添加剂、水性介质。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种GST中性化学机械抛光液，以重量百分比计，包括如下组分：

二氧化硅抛光颗粒 0.2-30wt%；

氧化剂 0.01-5wt%；

表面活性剂 0.01-4wt%；

余量为pH值调节剂和去离子水；

所述GST中性化学机械抛光液的pH值为6-8。

优选地，所述GST中性化学机械抛光液，以重量百分比计，包括如下组分：

二氧化硅抛光颗粒 2-6wt%；

氧化剂 1-4wt%；

表面活性剂 0.05-2wt%；

余量为pH值调节剂和去离子水；

所述GST中性化学机械抛光液的pH值为6-8。

本发明提供的用于相变材料GST的中性化学机械抛光液至少包含一种pH值调节剂。pH值调节剂有利于稳定抛光液，并使得抛光效果更佳。所述的pH值调节剂选自氢氧化钾、氨水、羟乙基乙二氨、四甲基氢氨，最终抛光液的pH值的范围为6-8。

本发明提供的用于相变材料GST的中性化学机械抛光液包含氧化剂。对于金属抛光，一般公认的过程为金属氧化形成质软的水化氧化层，然后氧化层被去除，重新露出新鲜的金属。如此过程往复，从而实现抛光过程的连续进行。对于相变薄膜材料GST而言，Sb和Te具有很明显的金属性。因此，在相变材料GST的抛光过程中，氧化剂对于抛光过程连续进行具有极其重要的作用。所述的氧化剂，选自铁氰化钾、双氧水和过硫酸铵。

本发明提供的用于相变材料GST的中性化学机械抛光液包含至少一种表面活性剂。表面活性剂以其特有的结构和一定的带电情况，可以改善抛光液的稳定性，从而利于相变材料GST的化学机械抛光。所述的表面活性剂为阴离子型表面活性剂，选自聚氧乙烯硫酸钠(AES)、聚丙烯酸钠和聚氧乙烯醚磷酸酯。

本发明第二方面提供所述GST中性化学机械抛光液在相变材料抛光领域的应用。

本发明提供的用于相变材料GST的化学机械抛光液改性后的氧化物抛光颗粒在pH值6-8时，其Zeta电位的绝对值30-80mv，形成稳定的中性化学机械抛光液。在抛光过程中，抛光颗粒一般作用是可以与被抛光材料化学交联，然后通过自身硬度及外界机械力去除交联产物并被液体带走。这个过程循环往复，从而保证了抛光过程的连续进行。目前对于GST抛光液一般存在酸性抛光液和碱性抛光液，这两种抛光液在抛光过程中通过氧化剂对被抛光材料GST的化学交联作用，然后通过外界机械力去除交联产物并被液体带走。然而在抛光过程中，由于抛光液中的化学物质与GST反应造成抛光后，在GST表面存在腐蚀坑等问题，从而影响了GST在后续工艺中的电学性质等，同时也造成表面粗糙度减低。Zeta电位的物理意义在于它的数值与胶态分散的稳定性相关。Zeta电位（正或负）越高，体系越稳定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，Zeta电位（正或负）越低，越倾向于凝结或凝聚，即吸引力超过了排斥力，分散被破坏而发生凝结或凝聚。一般而言，zeta电位的值在绝对值大于30mv的范围内，形成稳定的体系。对于未经过改性的二氧化硅颗粒，在pH值6-8时，其zeta电位值在-5～-20mv，在这个范围内，有zeta电位值与胶体稳定的关系，我们得出二氧化硅凝胶。本发明通过烷基改性，金属氧化物包裹，胺型改性，无机离子改性等方法，通过改变二氧化硅的zeta电位值，使其pH值在6-8这个范围内Zeta电位绝对值30-80mv，从而形成稳定的GST中性化学机械抛光液。本发明提供的用于相变材料GST的中性化学机械抛光液的经过改性的二氧化硅抛光颗粒在pH值6-8时，其zeta电位在绝对值30-80mv，形成了稳定的中性化学机械抛光液。由于不存在强酸强碱所造成的化学腐蚀，GST中性化学机械抛光液避免在酸性和碱性条件下抛光液所造成的腐蚀坑等问题，同时实现了速率可控，降低了表面粗糙度。

本发明提供的用于相变材料GST的中性化学机械抛光液，所述的经过烷基改性，金属氧化物包裹，胺型改性，无机离子改性等方法改性的SiO2抛光颗粒，在pH值6-8范围内，zeta电位的绝对值30-80mv，胶体达到了稳定，从而形成稳定的中性化学机械抛光液。

附图说明

图1显示为抛光后的原子粒图。

图2显示为抛光之后的光学显微镜图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指绝对压力。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本专利发明人经广泛研究发现，通过烷基改性，金属氧化物包裹，胺型改性，无机离子改性等方法对二氧化硅的进行改性，控制改性过后的二氧化硅在pH值6-8时其zeta电位绝对值在30-80mv范围。提高氧化物抛光颗粒在中性条件下的稳定性，中性抛光液解决了GST在抛光过程中存在的腐蚀问题，并且速率可控、表面低损伤并且无残留的抛光，可满足制备纳电子相变存储器中CMP工艺的需要。

GST抛光测试：

仪器：CMP tester(CETR CP-4)

条件：压力(Down Force)：3psi

抛光垫转速(Pad Speed):100rpm

抛光头转速（Carrier Speed）:100rpm

温度：25℃

抛光液流速（Feed Rate）：100ml/min

抛光液：取实施例所得的抛光液进行测试。

采用美国CETR公司的CP-4抛光机对蓝宝石进行抛光后，利用AFM原子力显微镜测试蓝宝石表面2μm×2μm区域的粗糙度RMS（Root Mean Square）。

实施例1

抛光液组成如下：

未改性二氧化硅颗粒含量：2wt%，

粒径：50nm；

双氧水：5wt%;

聚丙烯酸钠：4wt%；

pH值(氨水调)：7；

其余为去离子水。

抛光测试结果如表1所示；

实施例2

抛光液组成如下：

胺型改性的二氧化硅颗粒含量：2wt%，

粒径：50nm；

双氧水：5wt%;

聚丙烯酸钠：4wt%；

pH值(氨水调)：7；

其余为去离子水。

抛光测试结果如表1所示；

抛光后的原子粒如图1左所示；

实施例3

抛光液组成如下：

金属氧化物包裹的二氧化硅颗粒含量：2wt%，

粒径：50nm；

双氧水：5wt%；

聚丙烯酸钠：4wt%；

pH值(氨水调)：7；

其余为去离子水。

抛光测试结果如表1所示；

抛光后的原子粒如图1右所示；

表1

由表1可以看出，本发明提供的化学机械抛光浆液对相变材料GST的抛光速率可控制在5nm/min到1500nm/min,同时表面粗糙度降低到了以下。

图1左为经过胺型改性的二氧化硅抛光颗粒在中性条件下的抛光结果，图1右为经过金属氧化物包裹的二氧化硅颗粒在中性条件下的抛光结果。由图2可以看出，本发明提供的GST中性化学机械抛光液抛光之后去除了抛光之后表面存在腐蚀坑的问题，同时减低了表面粗糙度，可满足制备纳电子相变存储器中CMP工艺的需要。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种GST中性化学机械抛光液，以重量百分比计，包括如下组分：

金属氧化物包裹的二氧化硅抛光颗粒 2-6wt％；

氧化剂 1-4wt％；

表面活性剂 0.05-2wt％；

余量为pH值调节剂和去离子水；

所述GST中性化学机械抛光液的pH值为6-8；

所述二氧化硅抛光颗粒在pH值6-8时其zeta电位绝对值在30-80mv范围，所述的氧化剂选自铁氰化钾、双氧水和过硫酸铵，所述的表面活性剂选自聚丙烯酸钠。

2.如权利要求1所述的一种GST中性化学机械抛光液，其特征在于，所述的pH值调节剂选自氢氧化钾、氨水、羟乙基乙二氨。

3.如权利要求1-2任一权利要求所述的GST中性化学机械抛光液在相变材料抛光领域的应用。