CN109986458B - 缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法及半导体工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法及半导体工艺方法，包含以下步骤：1）将包含多晶硅层的半导体结构置于化学机械研磨设备中，多晶硅层的表面形成有凸块缺陷；2）使用包含二氧化铈研磨颗粒的研磨缓冲液对多晶硅层进行化学机械研磨，以去除多晶硅层表面的凸块缺陷，研磨缓冲液呈弱酸性，以防止多晶硅层的多晶硅在化学机械研磨过程中被氧化而形成二氧化硅。本发明通过使用包含二氧化铈研磨颗粒的酸性研磨缓冲液对多晶硅层进行化学机械研磨，由于在酸性环境下所述二氧化铈研磨颗粒去除所述多晶硅的速率非常慢，在去除位于多晶硅层表面的凸块缺陷的同时，可以有效控制去除的多晶硅层的厚度，从而减少多晶硅层的损耗。

Description

缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法及半导体工艺方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，特别是涉及一种缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法及半导体工艺方法。
背景技术
在现有的半导体工艺中，多晶硅的应用越来越广泛。在现有的多晶硅形成工艺中，形成多晶硅层之后，由于多晶硅生长工艺的限制以及多晶硅生长环境中杂质的存在，形成的所述多晶硅层的上表面会形成有凸块缺陷，所述凸块缺陷的存在会影响后续工艺的质量及最终形成的器件结构的性能，需要在形成所述多晶硅层之后去除。
为了使得在去除所述凸块缺陷之后所述多晶硅层的表面具有较高的平坦度，一般会采用化学机械研磨工艺(CMP)对所述多晶硅层的表面进行研磨以去除所述凸块缺陷。然而，在现有的化学机械研磨工艺中的研磨缓冲液一般均为包含二氧化硅(SiO2)研磨颗粒的碱性研磨缓冲液(一般PH值介于10～11)，由于在碱性环境下多晶硅会容易被氧化成二氧化硅，使得被氧化的二氧化硅会与研磨缓冲液发生水解反应而被快速去除；现有的包含二氧化硅的碱性研磨缓冲液对多晶硅的去除速率一般在300纳米/分钟(nm/min)～400纳米/分钟，在如此高的去除速率下，虽然可以去除位于所述多晶硅层表面的所述凸块缺陷，同时也会在很短的时间内去除较多的所述多晶硅层，而所述多晶硅层的过多去除使得保留的所述多晶硅层过少，设置被完全去除而破坏位于所述多晶硅层下方的结构，从而影响最终形成的器件结构的性能。
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缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法，用于解决现有技术中使用现有的包含二氧化硅研磨颗粒的碱性研磨缓冲液去除多晶硅层表面的凸块缺陷时存在的去除速率过快，容易在去除凸块缺陷的同时去除掉过多的多晶硅层，从而影响最终形成的器件结构的性能的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法，所述缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法至少包含以下步骤：
1)将包含多晶硅层的半导体结构置于化学机械研磨设备中，其中，所述多晶硅层的表面形成有凸块缺陷；及，
2)使用包含二氧化铈研磨颗粒的研磨缓冲液对所述多晶硅层进行化学机械研磨，以去除所述多晶硅层表面的凸块缺陷，其中，所述研磨缓冲液呈弱酸性，以防止所述多晶硅层的多晶硅在化学机械研磨过程中被氧化而形成二氧化硅。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述研磨缓冲液对所述多晶硅层的去除速率小于10纳米/分钟。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述研磨缓冲液对所述多晶硅层的去除速率介于4纳米/分钟～6纳米/分钟。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述研磨缓冲液中，所述二氧化铈研磨颗粒的质量百分比介于1％～2％。
作为本发明的一种优选方案，所述二氧化铈研磨颗粒的形状呈圆形，且所述二氧化铈研磨颗粒的平均粒径介于100纳米～160纳米。
作为本发明的一种优选方案，所述研磨缓冲液的PH值介于4～5。
作为本发明的一种优选方案，步骤1)中，所述半导体结构固定于一研磨头上，并由所述研磨头压制于一研磨垫上，其中，所述多晶硅层具有所述凸块缺陷的表面与所述研磨垫的上表面相接触；步骤2)中，对所述多晶硅层进行化学机械研磨的过程中的研磨压力介于0.5磅/平方英寸～5磅/平方英寸，所述研磨头的旋转速率介于10转/分钟～100转/分钟。
作为本发明的一种优选方案，所述研磨缓冲液对所述多晶硅层的去除机制仅包括物性研磨，使步骤2)中，去除所述凸块缺陷的同时，去除的所述多晶硅层的厚度介于3nm～5nm。
作为本发明的一种优选方案，所述研磨缓冲液中还包含表面活性剂，所述表面活性剂用于将所述多晶硅层的表面由疏水性变为亲水性。
作为本发明的一种优选方案，所述表面活性剂包含阳离子型表面活性剂。
作为本发明的一种优选方案，所述研磨缓冲液中，所述表面活性剂的质量百分比介于8％～10％。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)之后还包含如下步骤：
3)使用不具有表面活性剂的清洗液对所述多晶硅层的化学机械研磨后表面进行清洗。
作为本发明的一种优选方案，所述清洗液包含氢氧化铵溶液。
作为本发明的一种优选方案，所述氢氧化铵溶液中，氢氧化铵的摩尔百分数介于0.1％～1％。
本发明还提供一种半导体工艺方法，所述半导体工艺方法包含如下步骤：
制备包含多晶硅层的半导体结构，所述多晶硅层的表面形成有凸块缺陷；及，
使用如上述任一方案中所述的缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法对所述半导体结构的所述多晶硅层的表面进行处理。
如上所述，本发明的去除多晶硅层表面凸块缺陷的方法及半导体工艺方法，具有以下有益效果：
本发明的去除多晶硅层表面凸块缺陷的方法通过使用包含二氧化铈研磨颗粒的酸性研磨缓冲液对多晶硅层进行化学机械研磨，由于在酸性环境下所述二氧化铈研磨颗粒去除所述多晶硅的速率非常慢，在去除位于多晶硅层表面的凸块缺陷的同时，可以有效控制去除的多晶硅层的厚度，从而减少多晶硅层的损耗；
本发明使用的研磨缓冲液中包含阳离子型表面活性剂，在研磨过程中使得多晶硅层的表面由疏水性变为亲水性，多晶硅层表面残留的残留物较少，更便于研磨后的清洗，在研磨后只需要使用氢氧化铵溶液即可达到较高的清洗效果。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的去除多晶硅层表面凸块缺陷的方法的流程图。
图2显示为本发明实施例一中提供的去除多晶硅表面凸块缺陷的方法的步骤1)的截面结构示意图。
图3显示为本发明实施例一中提供的去除多晶硅表面凸块缺陷的方法的步骤2)的截面结构示意图。
图4显示为本发明实施例二中提供的半导体工艺方法的流程图。
元件标号说明
1 衬底
2 浅沟槽隔离结构
3 氧化层
4 多晶硅层
5 凸块缺陷
d 化学机械研磨过程中去除的多晶硅层的厚度
S1 载入步骤1)
S2 化学机械研磨步骤2)
S10 提供步骤
S20 去除缺陷步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实施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。
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1至图3所示。本发明提供一种缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法，所述缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法至少包含以下步骤：
1)将包含多晶硅层的半导体结构置于化学机械研磨设备中，其中，所述多晶硅层的表面形成有凸块缺陷；及，
2)使用包含二氧化铈研磨颗粒的研磨缓冲液对所述多晶硅层进行化学机械研磨，以去除所述多晶硅层表面的凸块缺陷，其中，所述研磨缓冲液呈弱酸性，以防止所述多晶硅层的多晶硅在化学机械研磨过程中被氧化而形成二氧化硅。
在步骤1)中，请参阅图2中的步骤S1及图2，将包含多晶硅层4的半导体结构置于化学机械研磨设备中，其中，所述多晶硅层4的表面形成有凸块缺陷5。
作为示例，所述半导体结构可以为现有的任意一种包含所述多晶硅层的结构，具体的，所述半导体结构可以为现有的任意一种刚形成一层多晶硅层的半导体结构，所述多晶硅层下面可以包含任意可能的结构，譬如如图1中所示的结构等等，此处不做限定。需要说明的是，图1中以多晶硅层4形成在包含衬底1、位于衬底1内的浅沟槽隔离结构2及位于衬底1上表面的氧化层3的结构的上表面作为示例。当然，在其他示例中，所述多晶硅层4可以形成于任意其他结构的上表面，此处不做限定。
需要说明的是，所述半导体结构中，所述半导体结构的顶层需为所述多晶硅层4，以确保所述多晶硅层4形成有所述凸块缺陷5的表面裸露在外。
作为示例，所述半导体结构固定于一研磨头上，并由所述研磨头压制于一研磨垫上，其中，所述多晶硅层4具有所述凸块缺陷5的表面与所述研磨垫的上表面相接触。
在步骤2)中，请参阅图2中的步骤S2及图3，使用包含二氧化铈(CeO2)研磨颗粒的研磨缓冲液对所述多晶硅层4进行化学机械研磨，以去除所述多晶硅层4表面的凸块缺陷5，其中，所述研磨缓冲液呈弱酸性，以防止所述多晶硅层4的多晶硅在化学机械研磨过程中被氧化而形成二氧化硅。
采用酸性研磨缓冲液对所述多晶硅层4进行化学机械研磨，在酸性环境下，所述多晶硅层4不会被氧化成二氧化硅，所述二氧化铈研磨颗粒与多晶硅几乎不发生反应，对所述多晶硅层4的去除速率非常低。由于所述二氧化铈研磨颗粒对所述多晶硅层4的去除速率非常低，这样就可以有效控制化学机械研磨过程中去除所述多晶硅层4的厚度，使得在去除所述凸块缺陷5的过程中对所述多晶硅层4的去除非常少，可以确保化学机械研磨之后保留的所述多晶硅层4的厚度。同时，所述二氧化铈研磨颗粒的形状相较于二氧化硅研磨颗粒更加规则，在化学机械研磨后可以得到表面平整度非常高的所述多晶硅层4。
需要说明的是，在酸性环境下如果使用包含二氧化硅研磨颗粒的研磨缓冲液对所述多晶硅层4进行研磨，二氧化硅在酸性环境下很不稳定，会严重影响研磨效果。
作为示例，由于所述凸块缺陷5的尺寸非常小，很容易就可以将所述凸块缺陷5去除，为了既能去除所述凸块缺陷5，又可以避免对所述多晶硅层4去除过多，所述研磨缓冲液对所述多晶硅层4的去除速率非常慢，优选地，所述研磨缓冲液对所述多晶硅层4的去除速率小于10纳米/分钟，更为优选地，本实施例中，所述研磨缓冲液对所述多晶硅层4的去除速率介于4纳米/分钟～6纳米/分钟。
作为示例，所述研磨缓冲液中所述二氧化铈研磨颗粒的含量可以根据实际需要进行设置，优选地，本实施例中，所述研磨缓冲液中，所述二氧化铈研磨颗粒的质量百分比介于1％～2％之间。
作为示例，所述二氧化铈研磨颗粒的形状可以呈圆形，所述二氧化铈研磨颗粒的平均粒径可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述二氧化铈研磨颗粒的平均粒径介于100纳米～160纳米。
作为示例，所述研磨缓冲液的PH值可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述研磨缓冲液的PH值介于4～5。具体的，可以通过向所述包含所述二氧化铈研磨颗粒及去离子水的浆料中加入酸(譬如盐酸、硫酸等等)调节所述研磨缓冲液的PH值。
作为示例，对所述多晶硅层4进行化学机械研磨的过程中的研磨压力及所述研磨头的旋转速率可以根据实际需要进行设定，优选地，对所述多晶硅层4进行化学机械研磨的过程中的研磨压力介于0.5磅/平方英寸～5磅/平方英寸，所述研磨头的旋转速率介于10转/分钟(rpm/min)～100转/分钟；更为优选地，本实施例中，对所述多晶硅层4进行化学机械研磨的过程中的研磨压力为1磅/平方英寸，所述研磨头的旋转速率为50转/分钟。
作为示例，所述研磨过程中去除的所述多晶硅层4的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，以对图2中的所述半导体结构中的所述多晶硅层4进行处理作为示例，步骤2)之后得到的结构如图3所示，由于所述研磨缓冲液对所述多晶硅层4的去除机制仅包含物性研磨，使步骤2)中去除所述凸块缺陷5的同时，去除所述多晶硅层4的厚度d介于3nm～5nm。需要说明的是，图3中的虚线部分即为步骤2)中去除的部分。
作为示例，所述研磨缓冲液中还包含表面活性剂，所述表面活性剂用于将所述多晶硅层的表面由疏水性变为亲水性。具体的，所述表面活性剂包含阳离子型表面活性剂，所述表面活性剂可以为现有的任意一种阳离子型表面活性剂。除了所述阳离子型表面活性剂之外，任意一种可以将所述多晶硅层的表面由疏水性变为亲水性的表面活性剂均在本发明的保护范围之内。
作为示例，所述研磨缓冲液中所述表面活性剂的含量可以根据实际需要进行设定个，优选地，本实施例中，所述表面活性剂的质量百分比介于8％～10％之间。
具体的，所述研磨缓冲液可以由二氧化铈浆料和表面活性剂混合调制而成；其中，所述二氧化铈浆料包含所述二氧化铈研磨颗粒及去离子水，所述二氧化铈浆料的PH值可以介于5～6之间；所述表面活性剂的PH值可以介于3～4之间。
所述研磨缓冲液中含有所述表面活性剂，在对所述多晶硅层进行化学机械研磨的过程中即可将所述多晶硅层的表面由疏水性变为亲水性，从而可以避免研磨残留物在所述多晶硅层表面的残留，进而避免对所述多晶硅层表面造成刮伤等缺陷，从而可以实现较好的表面平坦化效果。由于所述研磨缓冲液中已经包含了所述表面活性剂，在化学机械研磨之后的清洗就变得比较简单，使用的清洗液中不需要含有表面活性剂即可实现较高的清洗效果。
作为示例，步骤2)之后，还包含如下步骤：3)使用不具有表面活性剂的清洗液对所述多晶硅层4的化学机械研磨后表面进行清洗。
作为示例，所述清洗液包含氢氧化铵溶液。所述氢氧化铵溶液的浓度可以根据实际需要进行设定，优选地，所述氢氧化铵溶液中，氢氧化铵的摩尔百分数介于0.1％～1％，更为优选地，所述氢氧化铵溶液中，氢氧化铵的摩尔百分数介于0.5％。使用所述氢氧化铵溶液对所述多晶硅层4的化学机械研磨后表面进行清洗时，所述氢氧化铵溶液会使得二氧化铈研磨颗粒带负电，又在研磨的过程中所述多晶硅层的表面也呈负电，在同性相斥的作用下，所述二氧化铈研磨颗粒更容易从所述多晶硅层表面进行去除。由于在步骤2)中的所述研磨缓冲液已经将所述多晶硅层的表面由疏水性变为亲水性，使用氢氧化铵溶液即可以达到较高的清洗效果。
实施例二
请参阅图4，本发明还提供一种半导体工艺方法，所述半导体工艺方法包含如下步骤：
步骤S10：制备包含多晶硅层的半导体结构，所述多晶硅层的表面形成有凸块缺陷；及，
步骤S20：使用如实施例一中所述的缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法对所述半导体结构的所述多晶硅层的表面进行处理。
在步骤S10中，请参阅图4，制备包含多晶硅层的半导体结构，所述多晶硅层的表面形成有凸块缺陷。
作为示例，所述半导体结构可以为现有的任意一种包含所述多晶硅层的结构，具体的，所述半导体结构可以为现有的任意一种刚形成一层多晶硅层的半导体结构，所述多晶硅层下面可以包含任意可能的结构，譬如如图1中所示的结构等等，此处不做限定。
需要说明的是，所述半导体结构中，所述半导体结构的顶层需为所述多晶硅层，以确保所述多晶硅层形成有所述凸块缺陷的表面裸露在外。即制备所述半导体结构的过程中，最后一步为形成所述多晶硅层，且形成的所述多晶硅层表面形成有所述凸块缺陷，而对于形成所述多晶硅层之前的步骤此处不做限定。
在步骤S20中，请参阅图4，使用如实施例一中所述的缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法对所述半导体结构的所述多晶硅层4的表面进行处理。
具体的，对所述半导体结构进行处理的具体方法请参阅实施例一，此处不再累述。
综上所述，本发明提供一种缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法及半导体工艺方法，所述缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法至少包含以下步骤：1)将包含多晶硅层的半导体结构置于化学机械研磨设备中，其中，所述多晶硅层的表面形成有凸块缺陷；及，2)使用包含二氧化铈研磨颗粒的研磨缓冲液对所述多晶硅层进行化学机械研磨，以去除所述多晶硅层表面的凸块缺陷，其中，所述研磨缓冲液呈弱酸性。本发明的去除多晶硅层表面凸块缺陷的方法通过使用包含二氧化铈研磨颗粒的酸性研磨缓冲液对多晶硅层进行化学机械研磨，由于在酸性环境下所述二氧化铈研磨颗粒去除所述多晶硅的速率非常慢，在去除位于多晶硅层表面的凸块缺陷的同时，可以有效控制去除的多晶硅层的厚度，从而减少多晶硅层的损耗；本发明使用的研磨缓冲液中包含阳离子型表面活性剂，在研磨过程中使得多晶硅层的表面由疏水性变为亲水性，多晶硅层表面残留的残留物较少，更便于研磨后的清洗，在研磨后只需要使用氢氧化铵溶液即可达到较高的清洗效果。
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 (10)

1.一种缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法，其特征在于，所述方法至少包含以下步骤：
1)将包含多晶硅层的半导体结构置于化学机械研磨设备中，然后将该半导体结构固定在研磨头上，并由所述研磨头压制于一研磨垫上，其中多晶硅层的表面形成有凸块缺陷，多晶硅层具有所述凸块缺陷的表面与所述研磨垫的上表面接触，
2)使用包含平均粒径介于100纳米～160纳米的二氧化铈研磨颗粒的研磨缓冲液对所述多晶硅层进行化学机械研磨，以去除所述多晶硅层表面的凸块缺陷，所述二氧化铈研磨颗粒的形状呈圆形，对所述多晶硅层进行化学机械研磨的过程中的研磨压力介于0.5磅/平方英寸～5磅/平方英寸，所述研磨头的旋转速率介于10转/分钟～100转/分钟，其中，所述研磨缓冲液呈弱酸性，以防止所述多晶硅层的多晶硅在化学机械研磨过程中被氧化而形成二氧化硅，所述研磨缓冲液对所述多晶硅层的去除机制仅包含物性研磨，使步骤2)中，去除所述凸块缺陷的同时，去除的所述多晶硅层的厚度介于3nm～5nm，所述研磨缓冲液中还包含表面活性剂，所述表面活性剂用于将所述多晶硅层的表面由疏水性变为亲水性，所述表面活性剂的质量百分比介于8％～10％，所述表面活性剂的PH值介于3～4之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述研磨缓冲液对所述多晶硅层的去除速率小于10纳米/分钟。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述研磨缓冲液对所述多晶硅层的去除速率介于4纳米/分钟～6纳米/分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述研磨缓冲液中，所述二氧化铈研磨颗粒的质量百分比介于1％～2％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述研磨缓冲液的PH值介于4～5。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述表面活性剂包含阳离子型表面活性剂。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于：步骤2)之后还包含如下步骤：
3)使用不具有表面活性剂的清洗液对所述多晶硅层的化学机械研磨后表面进行清洗。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述清洗液包含氢氧化铵溶液。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述氢氧化铵溶液中，氢氧化铵的摩尔百分数介于0.1％～1％。
10.一种半导体工艺方法，其特征在于，所述半导体工艺方法包含如下步骤：
制备包含多晶硅层的半导体结构，所述多晶硅层的表面形成有凸块缺陷；及，
使用如权利要求1所述的缓研磨去除多晶硅表面凸块缺陷的方法对所述半导体结构的所述多晶硅层的表面进行处理。
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