CN107011805A - 浆料和使用其的衬底抛光方法 - Google Patents

浆料和使用其的衬底抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种浆料和使用其的衬底抛光方法，且更具体来说，涉及一种可以用以在半导体制造工艺中通过化学机械抛光工艺来平面化氧化物的浆料和一种使用其的衬底抛光方法。根据本发明一实施例的浆料是氧化物抛光浆料，且包含：第一浆料，含有抛光磨料和抑制与氧化物不同的第一材料的抛光的第一抛光抑制剂；以及第二浆料，含有促进氧化物的抛光的抛光促进剂。第一浆料可含有分散磨料的分散剂，且可进一步含有维持磨料的均匀分散的分散稳定剂。第二浆料可含有抑制与氧化物不同的第二材料的抛光的第二抛光抑制剂。本发明的浆料和衬底抛光方法能够通过调节氧化物的抛光速率将所述氧化物与不为所述氧化物的材料之间的抛光选择性维持在最优范围内。

Description

浆料和使用其的衬底抛光方法
技术领域
本发明涉及一种浆料和一种使用其的衬底抛光方法，并且更具体来说，涉及一种能够在半导体制造工艺中借助于化学机械抛光工艺来高效进行氧化物抛光的浆料；和一种使用其的衬底抛光方法。
背景技术
随着半导体装置尺寸缩小和金属布线层的数目增加，每一层的表面不规则性转移到下一层，并且因此，底部层的粗糙度变得重要。此粗糙度可能对下一步骤具有重大影响，使得难以进行光刻工艺。因此，为了改良半导体装置的产率，基本上使用平面化工艺以降低在许多工艺步骤中产生的不规则表面的粗糙度。平面化通过各种方法实现，如在形成薄膜之后进行的回焊方法、在形成薄膜之后进行的回蚀方法和化学机械抛光(chemicalmechanical polishing，CMP)方法。
CMP工艺是通过供应含有磨料和各种化合物的浆料同时表面在旋转运动中接触抛光垫来抛光半导体晶片的表面。换句话说，CMP工艺意指衬底或其上部层的表面使用浆料和抛光垫化学和机械地抛光并且平面化的工艺。
举例来说，为了在用于制造闪存器装置的常规工艺中形成装置绝缘层，使用用于氧化硅膜的化学机械抛光工艺，多晶硅膜用作抛光终止层。换句话说，在衬底上形成栅极绝缘膜和多晶硅膜之后，通过使用多晶硅膜上的氮化物膜作为硬掩模将衬底蚀刻到预定深度而形成沟槽。随后，形成氧化硅膜以覆盖沟槽，并且然后通过抛光氧化硅膜直到多晶硅膜暴露而形成装置绝缘层。
因此，为了在多个异质材料层中形成沟槽和在沟槽中形成氧化硅膜，需要具有高氧化物抛光速率以及具有最优抛光选择性以便同时抑制氮化物膜和多晶硅膜的抛光的浆料。然而，到目前为止已经进行的各种研究仅为了改良对氧化物的抛光选择性，并且尚未开发通过将氧化物抛光速率降低到较低速率来调节对氮化物膜和多晶硅膜的最优抛光选择性的氧化物抛光浆料。
另一方面，韩国专利公开案第10-2009-0003985号公开一种用于抛光氮化硅的浆料，其抑制氮化硅膜的抛光以改良对氧化物的抛光选择性。即使在此情况下，对氧化物相对于氮化物的抛光选择性也可能改良，但如上所述的相同问题仍存在。
[相关技术文件]
[专利文件]
韩国专利公开案第10-2009-0003985号
发明内容
本发明提供一种氧化物抛光浆料和一种使用其的衬底抛光方法。
本发明提供一种浆料一种衬底抛光方法，其能够通过调节氧化物的抛光速率将所述氧化物与不为所述氧化物的材料之间的抛光选择性维持在最优范围内。
根据本发明的一个实施例的浆料是一种氧化物抛光浆料，并且包含：第一浆料，含有抛光磨料、用于分散所述磨料的分散剂和用于抑制与所述氧化物不同的第一材料的抛光的第一抛光抑制剂；以及第二浆料，含有用于促进所述氧化物的抛光的抛光促进剂。
所述第二浆料可以含有用于抑制与所述氧化物和所述第一材料不同的第二材料的抛光的第二抛光抑制剂。
所述第一浆料和所述第二浆料可以以1∶0.5到1∶1.5的比率混合。
所述磨料可以包含氧化铈(cerium oxide)(二氧化铈(ceria))粒子，并且可以相对于所述第一浆料的总重量以0.1重量％到10重量％的量包含在内。
所述氧化物与所述第一材料之间的抛光选择性可以在100∶1到300∶1范围内，并且所述氧化物与所述第二材料之间的抛光选择性可以在20∶1到60∶1范围内。
所述第一抛光抑制剂的含量可以小于所述抛光促进剂的含量。
所述第一抛光抑制剂的含量可以小于所述第二抛光抑制剂的含量。
所述第一抛光抑制剂可以相对于所述第一浆料的总重量以0.002重量％到0.02重量％的量包含在内。
所述抛光促进剂可以相对于所述第二浆料的总重量以0.1重量％到1.35重量％的量包含在内。
所述第二抛光抑制剂可以相对于所述第二浆料的总重量以0.15重量％到1重量％的量包含在内。
所述第一抛光抑制剂可以包含具有疏水基团和亲水基团两者的非离子型材料。
所述第一抛光抑制剂可以包含以下中的至少一种：聚丙二醇-b-聚乙二醇-b-聚丙二醇(PEP)共聚物(polypropyleneglycol-b-polyethyleneglycol-b-polypropyleneglycol(PEP)copolymer)、聚山梨醇酯(polysorbates)、辛苯聚醇(octoxynol)、聚乙二醇、十八烷基醚(octadecyl ether)、壬基苯酚乙氧基化物(nonylphenol ethoxylate)、环氧乙烷(ethylene oxide)、乙醇酸(glycolic acid)或甘油乙氧基化物(glycerol ethoxylate)。
所述抛光促进剂可以包含具有羟基和胺基的烷醇胺家族中的单分子材料。
所述抛光促进剂可以包含以下中的至少一种：氨甲基丙醇(aminomethylpropanol，AMP)、乙醇胺(ethanolamine)、氨甲庚醇(heptaminol)、异他林(isoetharine)、甲醇胺(methanolamine)、二乙基乙醇胺或N-甲基乙醇胺。
所述第二抛光抑制剂可以包含具有羧基的阴离子材料。
所述第二抛光抑制剂可以包含以下中的至少一种：聚(丙烯酸)(poly(acrylicacid)，PAA)、聚(甲基丙烯酸烷酯)、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或乙基-甲基丙烯酰胺。
根据本发明的一个实施例的用于抛光衬底的方法包含以下步骤：制备衬底，所述衬底具有氧化物层和由多种不为所述氧化物的异质材料构成的异质材料层；制备第一浆料，所述第一浆料含有磨料、用于分散所述磨料的分散剂和用于抑制所述多种异质材料当中的第一材料的抛光的第一抛光抑制剂；制备第二浆料，所述第二浆料含有用于促进所述氧化物的抛光的抛光促进剂和用于抑制所述多种异质材料当中的第二材料的抛光的第二抛光抑制剂；以及在将所述第一浆料和所述第二浆料供应到所述衬底上的同时抛光所述氧化物层。
所述衬底的所述制备可以包含以下步骤：在所述衬底上形成由所述第一材料构成的第一材料层；在所述第一材料层上形成由所述第二材料构成的第二材料层；在所述第一材料层和所述第二材料层中形成沟槽；以及在包括所述沟槽的整个表面上形成氧化物层。
在所述氧化物层的所述抛光中，所述氧化物层的抛光速率可以快于所述第二材料的抛光速率，并且所述第二材料的所述抛光速率可以快于所述第一材料的抛光速率。
在所述氧化物层的所述抛光中，所述氧化物与所述第一材料之间的抛光选择性可以维持在100∶1到300∶1范围内，并且所述氧化物与所述第二材料之间的抛光选择性可以维持在20∶1到60∶1范围内。
在所述氧化物层的所述抛光中，所述第一浆料和所述第二浆料可以以1∶0.5到1∶1.5的混合比供应到所述衬底上。
附图说明
可以从结合附图进行的以下描述中更详细地理解例示性实施例，其中：
图1是展示氧化物抛光速率相对于第一抛光抑制剂的浓度的图。
图2是展示氧化物抛光速率相对于抛光促进剂的浓度的图。
图3是展示氧化物抛光速率相对于第二抛光抑制剂的浓度的图。
图4是用于比较氧化物抛光速率相对于第一抛光抑制剂的类型的图。
图5是用于比较ζ电势(zeta potential)的变化相对于第一抛光抑制剂的类型的图。
图6A到图6D是用于说明根据本发明的一个实施例的半导体装置制造方法的截面视图。
具体实施方式
根据本发明，一种浆料和一种使用其的衬底抛光方法提供一种技术特征，其中通过使用含有第一抛光抑制剂的第一浆料与含有抛光促进剂的第二浆料混合而成的浆料，可以实现对于氧化物(SiO2)的高抛光速率，并且可以将不为氧化物的材料(如多晶硅或氮化物(Si3N4))的抛光速率调节到最优范围。
在下文中，将参考附图更详细地描述具体实施例。然而，本发明可以用不同形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例。而是，提供这些实施例是为了使得本发明将是透彻并且完整的，并且这些实施例将把本发明的范围完整地传达给所属领域的技术人员。在描述中，相同元件用相同参考标号指示。在图式中，为了说明的清楚起见放大了层和区域的尺寸。类似参考标号通篇指代类似元件。
根据本发明的一个实施例的浆料是一种氧化物抛光浆料，并且包含：第一浆料，含有抛光磨料和用于抑制与氧化物不同的第一材料的抛光的第一抛光抑制剂；以及第二浆料，含有用于促进所述氧化物的抛光的抛光促进剂。所述第一浆料可以含有用于分散所述磨料的分散剂，并且可以进一步含有用于维持所述磨料的均匀分散的分散稳定剂。所述第二浆料可以含有用于抑制与所述氧化物不同的第二材料的抛光的第二抛光抑制剂。
含于第一浆料中的磨料、分散剂、分散稳定剂和第一抛光抑制剂可以含于第一溶液中。举例来说，磨料、分散剂、分散稳定剂和第一抛光抑制剂分布分散于水、尤其去离子水中。此外，第一pH调节剂可以进一步含于第一浆料中以便调节第一浆料的pH。这样的第一浆料呈分散有磨料的液体形式，并且每种组分的含量经适当调节。
此外，含于第二浆料中的抛光促进剂和第二抛光抑制剂可以含于第二溶液中。换句话说，抛光促进剂和第二抛光抑制剂分布分散于水、尤其去离子水中，并且第二pH调节剂可以进一步含于第二浆料中以便调节第二浆料的pH。
第一浆料和第二浆料与稀释剂混合，并且混合浆料作为氧化物抛光浆料供应到抛光目标的表面，并且稀释剂可以是水、尤其去离子水。尽管含于第一浆料中的磨料、分散剂、分散稳定剂和第一抛光抑制剂、以及含于第二浆料中的抛光促进剂和第二抛光抑制剂可以制备为单一浆料，但含有磨料、分散剂、分散稳定剂和第一抛光抑制剂的第一浆料、以及含有抛光促进剂和第二抛光抑制剂的第二浆料可以分开地制备，以便第一浆料和第二浆料在抛光之前与稀释剂混合，并且经混合的浆料供应到抛光目标。这是因为，当第一浆料和第二浆料持续长时间周期地在不分离的情况下重复用于抛光工艺中时，浆料的分散稳定性和有效寿命可能由于第二浆料中的抛光促进剂和第二抛光抑制剂的离子特性而减小。
磨料可以是至少一种由以下所构成的族群中选出的金属氧化物：二氧化硅(SiO2)、二氧化铈(CeO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)和氧化锗(GeO2)。磨料可以包含对氧化物具有高抛光选择性的二氧化铈(CeO2)。
此外，磨料可以相对于第一浆料的100重量％以0.1重量％到10重量％的量包含在内。当磨料的含量小于0.1重量％时，磨料效果是可忽略的。另一方面，当磨料的含量大于10重量％时，抛光速率变得过高，并且因此，目标膜可能过度抛光并且可能形成刮痕。
构成磨料的磨料粒子的晶体结构可以通过XRD测量来分析，磨料粒子具有晶体结构，如湿二氧化铈，并且具有多面体晶体面。
磨料粒子的平均粒度可以是5nm到100nm。当磨料粒子的平均粒度小于5nm时，抛光目标膜无法充分抛光，并且因此导致抛光速率低。另一方面，当磨料粒子的平均粒度大于100nm时，会在抛光目标膜上形成微小刮痕。磨料粒子的平均粒度可以是20nm到80nm，因为在这样的范围内，不会在抛光终止层上形成微小刮痕，不会降低抛光目标膜的抛光速率。
分散剂用以通过使磨料均匀地分散于第一浆料中而防止磨料粒子之间的凝集，并且可以使用阳离子聚合物材料、阴离子低分子量材料、包含羟基的酸或包含氨基的酸。此外，分散剂可以调节磨料的ζ电势。换句话说，阳离子分散剂可以将磨料的ζ电势增加到正电位，并且阴离子分散剂可以将磨料的ζ电势降低到负电位。因此，根据含于浆料中的分散剂，磨料的ζ电势可以维持原样或可以精细地朝正电位或负电位调节。
阳离子聚合物分散剂可以包含由以下所构成的族群中选出的至少一种：聚赖氨酸、聚乙烯亚胺、苄索氯铵、西曲溴铵、西曲氯铵、四甲基氢氧化铵、二硬脂基二甲基氯化铵、聚二甲胺-共-表氯醇和聚烯丙胺。
阴离子低分子量分散剂可以包含由以下所构成的族群中选出的至少一种：草酸、柠檬酸、聚硫酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸(Darvan C-N)和含有至少一种其盐的材料，或可以包含其共聚物酸。
包含羟基的酸可以包含由以下所构成的族群中选出的至少一种：羟基苯甲酸、抗坏血酸和含有至少一种其盐的材料，并且包含氨基的酸可以包含由以下所构成的族群中选出的至少一种：吡啶甲酸、谷氨酸、色氨酸、氨基丁酸和含有至少一种其盐的材料。
分散剂可以相对于第一浆料的总重量以0.01重量％到1重量％的范围包含在内。当分散剂的含量小于0.01重量％时，难以分散并且沉淀可能会发生。另一方面，当分散剂的含量大于1重量％时，浆料的分散稳定性可能会由于聚合物材料的凝集和高离子化密度而降低。分散剂可以相对于浆料的总重量以0.05重量％到0.3重量％的范围包含在内，因为在这样的范围内，分散液高度稳定并且精细地调节磨料的ζ电势是更有利的。
分散稳定剂充当浆料中的pH缓冲剂，因此抑制第一浆料中的由外部因素所引起的化学变化，以便防止磨料粒子之间的聚结并且均匀地分散磨料粒子，并且因此用以抑制刮痕的形成。分散稳定剂可以包含有机酸。在此情况下，为解离常数的绝对值的pKa值在9到12范围内，并且分散稳定剂可以包含d-氨基酸，其中羧基(COOH)和胺基(NH2)键结到氨基酸当中的相同碳(C)原子。α-氨基酸可以根据羧基(COOH)和胺基(NH2)的数目而归类为中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。中性氨基酸可以包含由以下所构成的族群中选出的至少一种：丙氨酸、甘氨酸、酪氨酸和缬氨酸，其具有相等数目的胺基和羧基。酸性氨基酸可以包含由以下所构成的族群中选出的至少一种：天冬氨酸、谷氨酸和柠檬酸，其中羧基的数目大于胺基的数目。碱性氨基酸可以包含赖氨酸，其中胺基的数目大于羧基的数目。
分散稳定剂可以相对于第一浆料的总重量基于含于第一浆料中的5重量％的磨料，以0.001重量％到0.1重量％的范围包含在内。当分散稳定剂的含量小于0.001重量％时，分散稳定剂具有低pH缓冲能力，并且分散稳定剂的效应因此不充足。另一方面，当分散稳定剂的含量大于0.1重量％时，磨料的分散稳定性降低并且沉淀可能会发生。分散稳定剂可以相对于浆料的总重量以0.005重量％到0.05重量％的范围包含在内，因为在这样的范围内，pH缓冲能力极佳并且维持分散稳定性是更有利的。
第一抛光抑制剂抑制不为抛光目标的材料的抛光。换句话说，第一抛光抑制剂抑制每种材料的抛光以调节抛光选择性。不为抛光目标的材料可以包含多种具有不同组分的异质材料。举例来说，当抛光氧化物时，第一抛光抑制剂可以通过分别抑制包含于多种异质材料中的第一材料和第二材料的抛光来调节选择性。
这样的第一抛光抑制剂是与氧化物相比对第一材料(例如多晶硅)具有高键结强度的材料，并且可以使用具有疏水基团和亲水基团两者的非离子型材料。这样的第一抛光抑制剂具有疏水和亲水性质两者，并且因此吸附于疏水多晶硅膜的表面上以形成钝化膜。因此，第一抛光抑制剂以相对高的速率降低多晶硅的抛光速率以调节抛光选择性。
各种非离子型材料可以用作第一抛光抑制剂。举例来说，第一抛光抑制剂可以包含以下中的至少一种：聚丙二醇-b-聚乙二醇-b-聚丙二醇(PEP)共聚物、聚山梨醇酯、辛苯聚醇、聚乙二醇、十八烷基醚、壬基苯酚乙氧基化物、环氧乙烷、乙醇酸或甘油乙氧基化物。
相对于第一浆料的总重量，第一抛光抑制剂的含量可以是约0.002重量％到0.02重量％。当第一抛光抑制剂的含量小于0.002重量％时，举例来说，用作抛光终止层的多晶硅膜的抛光速率过高。另一方面，当第一抛光抑制剂的含量大于0.02重量％时，过量的第一抛光抑制剂吸附于多晶硅膜上，并且氧化物膜与多晶硅膜之间的抛光选择性无法维持在适当范围内。此外，当第一抛光抑制剂的含量在0.005重量％到0.015重量％范围内时，可以充分获得选择性调节效应，并且多晶硅膜的抛光速率可以维持在适当水平下。
抛光促进剂含于第二浆料中以促进抛光目标材料的抛光。换句话说，抛光促进剂促进抛光目标材料的抛光并且抑制不为抛光目标的材料的抛光，因此调节抛光选择性。举例来说，当抛光氧化物时，抛光促进剂促进氧化物的抛光并且分别抑制不为氧化物的多晶硅和氮化物的抛光来调节选择性。
具有羟基(OH)和胺基(NH2)两者的烷醇胺家族中的单分子材料可以用作这样的抛光促进剂。这样的抛光促进剂的pKa值(解离常数的绝对值)是约9.7，并且因此解离为带正电的NH3+，其在pH值小于或等于9.7的溶液中带正电。解离的NH3+与例如在溶液中带负电的氧化物膜(SiOH-)相互作用，以促进呈Si(OH)4形式的氧化物膜的反应，并且因此增加氧化物膜的抛光速率。
烷醇胺家族中的单分子材料可以用作抛光促进剂。举例来说，抛光促进剂可以包含以下中的至少一种：氮甲基丙醇(AMP)、乙醇胺、氨甲庚醇、异他林、甲醇胺、二乙基乙醇胺或N-甲基乙醇胺。这样的单分子材料可以具有羟基和胺基作为官能团。
相对于第二浆料的总重量，抛光促进剂的含量可以是约0.1重量％到1.35重量％。当抛光促进剂的含量小于0.1重量％时，抛光目标(如氧化物膜)的抛光速率过低，或不为抛光目标的材料(如氮化物膜)的抛光速率过高，并且无法获得氧化物膜与氮化物膜之间的适当水平的抛光选择性。另一方面，当抛光促进剂的含量大于1.35重量％时，氮化物膜的抛光速率显着降低并且抛光效率可能因此降低。此外，当抛光促进剂的含量在0.5重量％到1重量％范围内时，氧化物膜和氮化物膜的抛光速率可以调节到最优水平。
第二抛光抑制剂含于第二浆料中以抑制不为抛光目标的材料的抛光。换句话说，第二抛光抑制剂抑制每种材料的抛光以调节抛光选择性。举例来说，当抛光氧化物时，第二抛光抑制剂可以通过分别抑制包含于多种异质材料中的第一材料和第二材料的抛光来调节选择性。
具有至少一个羧基的阴离子材料可以用作第二抛光抑制剂。这样的第二抛光抑制剂的pKa值(解离常数的绝对值)是约4，并且因此解离为带负电的COO-，其在pH值是至少4的溶液中带负电。解离的COO-基团可以吸附于不为抛光目标的材料上，例如吸附于带正电的氮化物上。
具有羧基的阴离子材料可以用作第二抛光抑制剂。举例来说，第二抛光抑制剂可以包含以下中的至少一种：聚(丙烯酸)(PAA)、聚(甲基丙烯酸烷酯)、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或乙基-甲基丙烯酰胺。每种阴离子材料包含至少一个羧基，并且可以仅具有羧基或可以进一步具有除了羧基之外的其他官能团。
相对于第二浆料的总重量，第二抛光抑制剂的含量可以是约0.15重量％到1重量％。当第二抛光抑制剂的含量小于0.15重量％时，第二抛光抑制剂不充分吸附于氮化物膜上，并且无法充分获得选择性调节效应。另一方面，当第二抛光抑制剂的含量大于1重量％时，过量的第二抛光抑制剂吸附于氮化物膜上，并且氮化物膜的抛光速率因此过度降低。因此，氧化物与第二材料(如氮化物)之间的抛光选择性可能在20∶1到60∶1的目标范围之外。
第一pH调节剂和第二pH调节剂分别含于第一浆料和第二浆料中以调节每种浆料的pH。这些pH调节剂可以包含硝酸、氨水等。在本发明的一个实施例中，第一浆料和第二浆料的pH值可以使用这些pH调节剂同等地调节到4到8的范围。当pH值小于4时，分散稳定性可能降低。另一方面，当pH值大于8时，不为抛光目标的材料(如用作抛光终止层的多晶硅膜)的抛光速率可能会由于强碱性而显着增加。第一浆料和第二浆料的pH值可以调节到6到7的范围，因为在这样的范围内，可以维持分散稳定性，并且还可以最优地维持抛光目标材料与不为抛光目标材料的材料之间的抛光选择性。
第一浆料和第二浆料可以以1∶0.5到1∶1.5的比率混合，并且在此情况下，第一浆料和稀释剂可以以1∶3到1∶8的比率混合。当第一浆料和第二浆料以1∶0.5到1∶1.5的比率混合并且第一浆料和稀释剂以1∶3到1∶8的比率混合以制备氧化物浆料时，有可能将氧化物的抛光速率维持在到 范围内，并且将氮化物的抛光速率维持在到较佳到范围内。此外，在此情况下，多晶硅的抛光速率维持在或小于更好或小于并且因此有可能将氧化物与第一材料(如多晶硅)之间的抛光选择性维持在100∶1到300∶1范围内，并且将氧化物与第二材料(如氮化物)之间的抛光选择性维持在20∶1到60∶1范围内。
浆料根据以上实施例而制备并且应用于半导体衬底以评估浆料的抛光特性。下文将描述结果。
[实验实例]
用于制备浆料的工艺并不显着不同于用于制备浆料的典型工艺，并且将简单描述。
首先，为了制备第一浆料，准备用于制备第一浆料的容器，并且将所要量的去离子水、阴离子分散剂和有机酸(作为分散稳定剂)放置到容器中并且充分混合。然后，将预定量的具有多面体晶体面和预定平均磨料粒度的湿二氧化铈粒子作为磨料放置到容器中并且在其中均匀地混合。将预定量的聚丙二醇-b-聚乙二醇-b-聚丙二醇(PEP)共聚物作为第一抛光抑制剂放置到容器中并且在其中均匀地混合。随后，将pH调节剂(如硝酸)放置到容器中以调节第一浆料的pH。
为了制备第二浆料，准备用于制备第二浆料的容器，并且将预定量的去离子水、抛光促进剂和第二抛光抑制剂放置到容器中并且充分混合。氨甲基丙醇(AMP)用作抛光促进剂，并且聚(丙烯酸)(PAA)用作第二抛光抑制剂。随后，将pH调节剂(如硝酸)放置到容器中以调节第二浆料的pH。
随后，将所要量的去离子水(作为稀释剂)、第一浆料和第二浆料在容器中混合以制备氧化物浆料。添加和混合每种材料的次序不受特别限制。
在此实验实例中，氧化铈(二氧化铈)粒子相对于第一浆料的总重量添加到5重量％，并且分散剂和分散稳定剂相对于第一浆料的总重量添加到分别是0.15重量％和0.02重量％。此外，第一抛光抑制剂相对于第一浆料的总重量以0重量％到0.02重量％的各种量添加，并且抛光促进剂和第二抛光抑制剂相对于第二浆料的总重量分别以0重量％到1.35重量％和0重量％到0.3重量％的各种量添加。
换句话说，多种第一浆料和第二浆料根据含于第一浆料和第二浆料中的第一抛光抑制剂、抛光促进剂和第二抛光抑制剂的所添加量制备。硝酸用以将第一浆料和第二浆料的相应pH值调节到6.5。第一浆料和第二浆料可以包含不为前述组分的不可避免的杂质和纯水。将所得第一和第二浆料在去离子水中混合并且第一浆料、第二浆料和去离子水以0.7∶0.8∶3.5的比率混合以制备氧化物浆料。
表1展示使用根据本发明的实施例添加各种量的第一抛光抑制剂的浆料的抛光结果。图1是展示氧化物抛光速率相对于第一抛光抑制剂的浓度的图。表2展示使用根据本发明的实施例添加各种量的抛光促进剂的浆料的抛光结果。图2是展示氧化物抛光速率相对于抛光促进剂的浓度的图。表3展示使用根据本发明的实施例添加各种量的第二抛光抑制剂的浆料的抛光结果。图3是展示氧化物抛光速率相对于第二抛光抑制剂的浓度的图。此处，氧化硅、氮化硅和多晶硅的抛光速率分别通过抛光经氧化硅涂布的晶片、经氮化硅涂布的晶片和经多晶硅涂布的晶片而获得。抛光选择性意指氧化硅膜的抛光速率与氮化硅膜或多晶硅膜的抛光速率之间的比率。换句话说，抛光选择性是氧化硅膜的抛光速率除以氮化硅膜或多晶硅膜的抛光速率的值。
如表1和图1中可以看出，氧化硅、氮化硅和多晶硅的抛光速率总体上随着第一抛光抑制剂的量增加而降低。另外，发现氧化硅的抛光速率快于氮化硅的抛光速率，并且氮化硅的抛光速率被调节得快于多晶硅的抛光速率。第一抛光抑制剂显着降低多晶硅的抛光速率。所涉及的原理已经进行了描述。
表1
当含于第一浆料中的第一抛光抑制剂的含量是0.002重量％并且含于第二浆料中的抛光促进剂和第二抛光抑制剂的含量分别是0.9重量％和0.2重量％时，氧化硅与多晶硅之间的抛光选择性是约236，其与当第一抛光抑制剂的含量是0重量％时的抛光选择性46相比是极高的值。
另外，如表2和图2中可以看出，随着抛光促进剂的量增加，氮化硅和多晶硅的抛光速率略微地降低，但氧化硅的抛光速率显着增加。所涉及的原理已经进行了描述。当含于第一浆料中的第一抛光抑制剂的含量是0.01重量％并且含于第二浆料中的抛光促进剂和第二抛光抑制剂的含量分别是0.1重量％和0.2重量％时，氧化硅与氮化硅之间的抛光选择性是25并且氧化硅与多晶硅之间的抛光选择性是153。这些值与当抛光促进剂的含量是0重量％时氧化硅与氮化硅之间的抛光选择性13相比和与当抛光促进剂的含量是0重量％时氧化硅与多晶硅之间的抛光选择性92相比是极高的值。
表2
另外，如表3和图3中可以看出，氧化硅、氮化硅和多晶硅的抛光速率总体上随第二抛光抑制剂的量增加而降低。发现第二抛光抑制剂显着降低氧化硅和氮化硅的抛光速率，并且氮化硅的抛光速率的降低率最高。所涉及的原理已经进行了描述。
表3
换句话说，当含于第一浆料中的第一抛光抑制剂的含量是0.01重量％并且含于第二浆料中的抛光促进剂和第二抛光抑制剂的含量分别是0.9重量％和0.15重量％时，氧化硅与氮化硅之间的抛光选择性是约30，其与当第二抛光抑制剂的含量是0重量％时的抛光选择性5相比是极高的值。
图4是在另一实验中用于比较氧化物抛光速率相对于第一抛光抑制剂的类型的图。表4展示氧化物抛光的结果相对于第一抛光抑制剂的类型。
如图4和表4中可以看出，发现与用于多晶硅的常规抛光抑制剂聚乙烯基吡咯烷酮(在下文中称为PVP)相比，当具有疏水基团和亲水基团两者并且对多晶硅具有高键结强度的非离子型材料聚丙二醇-b-聚乙二醇-b-聚丙二醇(PEP)共聚物(在下文中称为PEP)用作第一抛光抑制剂时，氧化硅的抛光速率的降低率从-9.4减小到-6.7，并且多晶硅的抛光速率的降低率进一步减小。
表4
与使用常规PVP时相比当PEP用作第一抛光抑制剂时氧化硅的抛光速率的降低率减小的原因可以从表5和图5看到。表5展示ζ电势值(zeta potential value)相对于第一抛光抑制剂的类型。表5展示PVP和PEP添加到二氧化铈粒子的相应情况下二氧化铈粒子的表面电位(即，ζ电势)值。图5是用于比较ζ电势的变化的图。
表5
如表5和图5中可以看出，浆料中的二氧化铈粒子的表面电位在-45mV到-50mV范围内，并且当非离子PEP或PVP添加到浆料中时增加。当查看表面电位相对于浓度的增加率时，表面电位的增加率在PVP的情况下是约127并且在PEP的情况下是28。因此，表面电位的增加率在PVP的情况下大于在PEP的情况下。当抛光氧化物时，氧化物的表面电位在-50mV到-60mV范围内。因此，氧化物与二氧化铈粒子之间的静电力(即，静电排斥力)在PVP的情况下小于在PEP的情况下，并且因此相较于在PEP的情况下，二氧化铈粒子于氧化物上的吸附在PVP的情况下较容易。因此，氧化硅的抛光速率的降低率归因于静电力的差异而在PEP的情况下小于在PVP的情况下。
另外，发现当第一抛光抑制剂含有0.005重量％的PEP时，氧化硅与多晶硅之间的抛光选择性是160，其远高于当第一抛光抑制剂含有相等量的PVP时氧化硅与多晶硅之间的抛光选择性11。
用于多晶硅的常规抛光抑制剂PVP显着降低氧化硅的抛光速率，并且使得难以找到抛光选择性的最优范围。另一方面，当根据本发明的一个实施例的PEP用作第一抛光抑制剂时，氧化硅的抛光速率适度地降低，并且因此易于调节氧化硅膜的抛光速率。另外，氧化硅与多晶硅之间的抛光选择性改良，并且因此有可能将选择性调节得很高。
根据本发明的一个实施例的浆料可以在半导体装置制造工艺中用于氧化物抛光工艺中。举例来说，为了在用于制造闪存器装置的工艺中形成装置绝缘层，可以通过使用多晶硅膜作为抛光终止层并且使用多晶硅膜上的氮化物膜作为硬掩模来形成图案。因此，当氧化硅膜在多个具有这样的图案的异质材料层上形成时，可以根据待抛光的图案和用以进行抛光工艺的抛光终止层的类型来选择具有适当抛光选择性的浆料。换句话说，如下浆料可以用于半导体装置制造工艺中，所述浆料对于氧化硅膜具有高抛光速率并且具有最优抛光选择性范围，其中氮化硅膜的抛光速率维持在高于多晶硅膜的抛光速率的一定水平下，以便降低氮化硅的抛光速率并且终止多晶硅膜的抛光。使用本发明的浆料的半导体装置制造方法将参考图6A到图6D进行描述。上述关于浆料的细节将在以下描述中省略掉。
图6A到图6D是用于说明根据本发明的一个实施例的半导体装置制造方法的截面视图。参考图6A，第一材料层120和第二材料层130在衬底110上形成。制造半导体装置时使用的各种衬底可以用作衬底110，并且可以使用硅衬底。第一材料层120和第二材料层130在衬底110上形成。第一材料层120可以使用用于抛光终止层的材料(如多晶硅)形成，并且第二材料层130可以使用用于供形成图案用的掩模层的材料(如氮化硅)形成。第一材料层120和第二材料层130可以使用物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)方法、化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)方法、金属有机CVD(metal organic CVD，MOCVD)方法、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)方法或AL-CVD(CVD-ALD混合)方法形成。
参考图6B，在第一材料层120在衬底110上形成之后，图案111通过在第一材料层120上使用第二材料层130作为掩模将衬底蚀刻到预定深度而形成。图案111可以是用于形成装置绝缘层的线形沟槽。
如图6C中所示，在包含图案111的第二材料层130的整个表面上形成氧化物层140以覆盖图案111。
参考图6D，氧化物层140和第二材料层130使用如下浆料来抛光，所述浆料对于氧化物层140膜具有高抛光速率并且具有最优抛光选择性范围，其中第二材料层130的抛光速率维持在高于第一材料层120的抛光速率的一定水平下，以便降低第二材料层130的抛光速率并且终止第一材料层120的抛光。第二材料层130可能需要在氧化物层140的抛光期间被去除以便改良装置的特性。浆料将氧化物层140与第一材料层120之间的抛光选择性维持在100∶1到300∶1范围内，并且将氧化物层140与第二材料层130之间的抛光选择性维持在20∶1到60∶1范围内。
抛光工艺在4到8的pH区间中进行，并且包含以下步骤：使用二氧化铈磨料粒子抛光氧化物层140；通过解离抛光促进剂的胺基产生NH3+基团；通过解离第二抛光抑制剂的羧基产生COO-基团；以及通过吸附第一抛光抑制剂的疏水基团形成钝化膜。如上文所述，所产生的NH3+基团与在溶液中带负电的氧化硅膜(SiOH-)相互作用以促进氧化物膜的抛光，并且所产生的COO-基团抑制氮化硅膜的抛光。此外，第一抛光抑制剂的疏水基团吸附于多晶硅膜的表面上以形成钝化膜，并且因此抑制多晶硅的抛光速率并且适度地降低氧化硅膜的抛光速率。因此，易于调节氧化硅膜的抛光速率。另外，氧化硅与多晶硅之间的抛光选择性改良，并且因此有可能将选择性调节得很高。
根据本发明的实施例，通过使用含有第一抛光抑制剂的第一浆料与含有抛光促进剂的第二浆料混合而成的浆料，可以实现对于氧化物的高抛光速率，并且可以将不为氧化物的材料(如多晶硅或氮化物)的抛光速率调节到最优范围。此外，有可能通过调节浆料以对不为氧化物的不同材料中的每一种具有高选择性和调节对不同材料中的每一种的抛光选择性以产生一定水平的抛光速率差异而改良抛光稳定性。
此外，因为第一抛光抑制剂适度地降低氧化物的抛光速率，所以易于调节氧化物的抛光速率。另外，第一抛光抑制剂在多晶硅膜上形成钝化膜并且因此防止多晶硅膜被抛光，因此能够防止过度抛光。
举例来说，当衬底在用作半导体装置制造工艺中的抛光终止层的多晶硅膜上使用氮化物膜作为掩模蚀刻到预定深度时，有可能改良对氧化物膜相对于每个异质材料层的抛光选择性。此外，通过将对氧化物膜相对于每个材料层的抛光选择性维持在最优范围内，有可能抑制侵蚀和凹陷并且在单一工艺中完成抛光，并且可以归因于工艺简化和成本降低而改良生产率。
尽管本发明的优选实施例已经使用特定术语进行了描述和说明，但所述术语仅打算阐明本发明，并且将显而易见的是，可以在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下对实施例以及本发明中所用的术语作出各种修改和改变。经修改的实施例不应独立于本发明的精神和范围地解释，而应属于本发明的保护范围内。

Claims (21)

1.一种氧化物抛光浆料，其特征在于，所述氧化物抛光浆料包括：
第一浆料，含有抛光的磨料、用于分散所述磨料的分散剂和第一抛光抑制剂，所述第一抛光抑制剂用于抑制与氧化物不同的第一材料的抛光；以及
第二浆料，含有用于促进所述氧化物的抛光的抛光促进剂。
2.根据权利要求1所述的氧化物抛光浆料，其中所述第二浆料含有第二抛光抑制剂，所述第二抛光抑制剂用于抑制与所述氧化物和所述第一材料不同的第二材料的抛光。
3.根据权利要求1所述的氧化物抛光浆料，其中所述第一浆料和所述第二浆料以1∶0.5到1∶1.5的比率混合。
4.根据权利要求1所述的氧化物抛光浆料，其中所述磨料包含氧化铈粒子，并且相对于所述第一浆料的总重量以0.1重量％到10重量％的量包含在内。
5.根据权利要求2所述的氧化物抛光浆料，其中所述氧化物与所述第一材料之间的抛光选择性在100∶1到300∶1范围内，并且所述氧化物与所述第二材料之间的抛光选择性在20∶1到60∶1范围内。
6.根据权利要求1所述的氧化物抛光浆料，其中所述第一抛光抑制剂的含量小于所述抛光促进剂的含量。
7.根据权利要求2所述的氧化物抛光浆料，其中所述第一抛光抑制剂的含量小于所述第二抛光抑制剂的含量。
8.根据权利要求1或6所述的氧化物抛光浆料，其中所述第一抛光抑制剂相对于所述第一浆料的总重量以0.002重量％到0.02重量％的量包含在内。
9.根据权利要求1或6所述的氧化物抛光浆料，其中所述抛光促进剂相对于所述第二浆料的总重量以0.1重量％到1.35重量％的量包含在内。
10.根据权利要求2或7所述的氧化物抛光浆料，其中所述第二抛光抑制剂相对于所述第二浆料的总重量以0.15重量％到1重量％的量包含在内。
11.根据权利要求1所述的氧化物抛光浆料，其中所述第一抛光抑制剂包含具有疏水基团和亲水基团两者的非离子型材料。
12.根据权利要求1、2、3、4、6、7和11中任一项所述的氧化物抛光浆料，其中所述第一抛光抑制剂包含以下中的至少一种：聚丙二醇-b-聚乙二醇-b-聚丙二醇共聚物、聚山梨醇酯、辛苯聚醇、聚乙二醇、十八烷基醚、壬基苯酚乙氧基化物、环氧乙烷、乙醇酸或甘油乙氧基化物。
13.根据权利要求1所述的氧化物抛光浆料，其中所述抛光促进剂包含具有羟基和胺基的烷醇胺家族中的单分子材料。
14.根据权利要求1、2、3、4、6、7和13中任一项所述的氧化物抛光浆料，其中所述抛光促进剂包含以下中的至少一种：氨甲基丙醇、乙醇胺、氨甲庚醇、异他林、甲醇胺、二乙基乙醇胺或N-甲基乙醇胺。
15.根据权利要求2所述的氧化物抛光浆料，其中所述第二抛光抑制剂包含具有羧基的阴离子材料。
16.根据权利要求2、7和15中任一项所述的氧化物抛光浆料，其中所述第二抛光抑制剂包含以下中的至少一种：聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸烷酯)、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或乙基-甲基丙烯酰胺。
17.一种衬底抛光方法，其特征在于，所述用于抛光衬底的方法包括以下步骤：
制备衬底，所述衬底具有氧化物层和由不为氧化物的多种异质材料构成的异质材料层；
制备第一浆料，所述第一浆料含有磨料、用于分散所述磨料的分散剂和用于抑制所述多种异质材料当中的第一材料的抛光的第一抛光抑制剂；
制备第二浆料，所述第二浆料含有用于促进所述氧化物的抛光的抛光促进剂和用于抑制所述多种异质材料当中的第二材料的抛光的第二抛光抑制剂；以及
在将所述第一浆料和所述第二浆料供应到所述衬底上的同时抛光所述氧化物层。
18.根据权利要求17所述的衬底抛光方法，其中所述衬底的所述制备包括以下步骤：
在所述衬底上形成由所述第一材料构成的第一材料层；
在所述第一材料层上形成由所述第二材料构成的第二材料层；
在所述第一材料层和所述第二材料层中形成沟槽；以及
在包括所述沟槽的整个表面上形成氧化物层。
19.根据权利要求17或18所述的衬底抛光方法，其中，在所述氧化物层的抛光中，所述氧化物层的抛光速率快于所述第二材料的抛光速率，并且所述第二材料的所述抛光速率快于所述第一材料的抛光速率。
20.根据权利要求17或18所述的衬底抛光方法，其中，在所述氧化物层的抛光中，所述氧化物与所述第一材料之间的抛光选择性维持在100∶1到300∶1范围内，并且所述氧化物与所述第二材料之间的抛光选择性维持在20∶1到60∶1范围内。
21.根据权利要求17或18所述的衬底抛光方法，其中，在所述氧化物层的抛光中，所述第一浆料和所述第二浆料以1∶0.5到1∶1.5的混合比供应到所述衬底上。
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GR01 Patent grant
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