CN101558125B - 用于抛光多晶硅的化学机械抛光液 - Google Patents

用于抛光多晶硅的化学机械抛光液 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于抛光多晶硅的化学机械抛光液，该抛光液包括研磨颗粒和水，其还包括一种或多种多元醇型非离子表面活性剂。本发明的抛光液是可以在碱性条件下较好地抛光多晶硅薄膜的新型的化学机械抛光液。并且还可以显著降低多晶硅的去除速率，调节多晶硅与二氧化硅的选择比，显著提高多晶硅的平坦化效率。

Description

用于抛光多晶硅的化学机械抛光液
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。
技术背景
在集成电路制造中，互连技术的标准在提高，一层上面又沉积一层，使得在衬底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，将衬底直接与旋转抛光垫接触，用一载重物在衬底背面施加压力。在抛光期间，垫片和操作台旋转，同时在衬底背面保持向下的力，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。
在以往的主要利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的情况下，多晶硅的除取速率往往比二氧化硅的除去速率高得多，易导致多晶硅的过量去除而产生凹陷，影响随后的工艺。
US2003/0153189A1公开了一种用于多晶硅抛光的化学机械抛光液及方法，该抛光液包括一种聚合物表面活性剂和一种选自氧化铝和氧化铈的研磨颗粒，该聚合物表面活性剂为聚羧酸酯表面活性剂，用该浆料可以使多晶硅表面大块区域的抛光速率大大高于沟槽内的抛光速率，从而减少凹陷。US2003/0216003A1和US2004/0163324A1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，该抛光液中包含至少一种含有-N(OH)，-NH(OH)，-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大于50。US2004/0014321A1公开了一种包含研磨颗粒和氧化剂的酸性抛光液，使用该浆料可提高多晶硅与二氧化硅的抛光选择比。US2004/0123528A1公开了一种包含研磨颗粒和阴离子化合物的酸性抛光液，该阴离子化合物能降低保护层薄膜的去除速率，提高多晶硅与保护层薄膜的去除速率选择比。US2005/0130428A1和CN 1637102A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能形成第二钝化层来能减小氮化硅或氧化硅除去速率的第二表面活性剂。这种非离子表面活性剂至少包括一种选自环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物醇和环氧乙烷-环氧丙烷三嵌段聚合物组成的组中的化合物，该浆料可以将多晶硅除去速率与绝缘体除去速率之间的选择比至少减小大约50％。
发明概要
本发明的目的是为了在碱性条件下较好地抛光多晶硅，并且还可以大大降低多晶硅的抛光速率，和降低多晶硅与二氧化硅的抛光速率比，从而提供了一种用于抛光多晶硅的抛光液。
该抛光液包括研磨颗粒、水和多元醇型非离子表面活性剂，其中所述多元醇型非离子表面活性剂由两种含有多羟基的多元醇与脂肪酸进行酯化而 生产的酯类组成；或者由一种含有多羟基的多元醇与脂肪酸进行酯化而生产的酯类与一种聚乙二醇类表面活性剂组成。
所述的酯类表面活性剂的通式结构式：
R1OmHm-n(OCR2)n
其中，R1(OH)m为m≥2的多元醇，具体的为乙二醇，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，聚氧乙烯；
R2代表C11H23，C15H31，C17H33，C17H3；
n＝1～4且m≥n。
所述的聚乙二醇(PEG)的通式结构式：
其中，分子量200～20000。
本发明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地为0.0001～20％；
更佳地为0.001-10％。
发明中所述的抛光液的pH值较佳地为7～12。
发明中所述的研磨颗粒包括二氧化硅、三氧化二铝、掺杂铝或覆盖铝的二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛和/或高分子研磨颗粒。
所述的研磨颗粒的重量百分比浓度较佳为0.5～30％；
更佳地为2～30％。
本发明的浆料中还可以包括pH调节剂，粘度调节剂，消泡剂，通过它们来控制浆料成分的pH，粘度等特性以达到本发明的发明目的。
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，并且还可以显著降低多晶硅的去除速率，调节多晶硅与二氧化硅的选择比，显著提高多晶硅的平坦化效率。
发明内容
对比实施例1’
对比抛光液1’二氧化硅15％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：3429A/min，对二氧化硅的抛光速率为：639A/min，两者选择比为5.38。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例1
抛光液1二氧化硅15％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯(Tween20)(分子量1227)0.2％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1181A/min，对二氧化硅的抛光速率为：623A/min，两者选择比为1.90。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例2
抛光液2二氧化硅15％、甘油单油酸酯0.1％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯(Tween20)(分子量1227)0.1％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1079A/min，对二氧化硅的抛光速率为：538A/min，两者选择比为2.01。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例3
抛光液3二氧化硅15％、聚乙二醇(PEG)(分子量为400)  0.2％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1653A/min，对二氧化硅的抛光速率为：517A/min，两者选择比为3.20。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
对比实施例2’
对比抛光液2’二氧化硅10％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1920A/min，对二氧化硅的抛光速率为：342A/min，两者选择比为5.61。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例4
抛光液4二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯 (Tween20)(分子量1227)10％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：541A/min，对二氧化硅的抛光速率为：279A/min，两者选择比为1.94。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例5
抛光液5二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯(Tween20)(分子量1227)0.2％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：820A/min，对二氧化硅的抛光速率为：323A/min，两者选择比为2.54。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例6
抛光液6二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯(Tween20)(分子量1227)0.01％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：898A/min，对二氧化硅的抛光速率为：324A/min，两者选择比为2.77。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例7
抛光液7二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯 (Tween20)(分子量1227)0.005％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1045A/min，对二氧化硅的抛光速率为：326A/min，两者选择比为3.21。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例8
抛光液8二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯(Tween20)(分子量1227)0.001％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1333A/min，对二氧化硅的抛光速率为：345A/min，两者选择比为3.86。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例9
抛光液9二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯(Tween20)(分子量1227)0.0005％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1699A/min，对二氧化硅的抛光速率为：340A/min，两者选择比为5.00。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例10
抛光液10二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单硬酯酸酯 (Tween60))(分子量1311)0.01％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：836A/min，对二氧化硅的抛光速率为：329A/min，两者选择比为2.54。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例11
抛光液11二氧化硅10％、聚氧乙烯(4)失水山梨醇单硬酯酸酯(Tween61)(分子量608)0.01％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：823A/min，对二氧化硅的抛光速率为：343A/min，两者选择比为2.40。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例12
抛光液12二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇三硬酯酸酯(Tween65)(分子量1844)0.01％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：820A/min，对二氧化硅的抛光速率为：336A/min，两者选择比为2.44。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例13
抛光液13二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单油酯酸酯 (Tween80)(分子量1310)0.01％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：873A/min，对二氧化硅的抛光速率为：347A/min，两者选择比为2.52。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例14
抛光液14二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单硬酯酸酯(Tween20)0.01％、水余量、pH值为7；
对多晶硅的抛光速率为：650A/min，对二氧化硅的抛光速率为：133A/min，两者选择比为4.89。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例15
抛光液15二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单硬酯酸酯(Tween20)(分子量1227)0.01％、水余量、pH值为9；
对多晶硅的抛光速率为：665A/min，对二氧化硅的抛光速率为：207A/min，两者选择比为3.21。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例16
抛光液16二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单硬酯酸酯 (Tween20)(分子量1227)0.01％、水余量、pH值为10；
对多晶硅的抛光速率为：713A/min，对二氧化硅的抛光速率为：247A/min，两者选择比为2.89。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例17
抛光液17二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单硬酯酸酯(Tween20)0.01％、水余量、PH值为11；
对多晶硅的抛光速率为：804A/min，对二氧化硅的抛光速率为：310A/min，两者选择比为2.59。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例18
抛光液18二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单硬酯酸酯(Tween20)(分子量1227)0.01％、水余量、pH值为12；
对多晶硅的抛光速率为：818A/min，对二氧化硅的抛光速率为：341A/min，两者选择比为2.40。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例19
抛光液19二氧化硅30％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单硬酯酸酯 (Tween20)(分子量1227)0.01％、水余量、pH值为12；
对多晶硅的抛光速率为：1265A/min，对二氧化硅的抛光速率为：1155A/min，两者选择比为1.10。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例20
抛光液20二氧化硅10％、PEG(分子量为10000)0.2％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1035A/min，对二氧化硅的抛光速率为：301A/min，两者选择比为3.44。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例21
抛光液21二氧化硅10％、聚乙二醇(PEG)(分子量为400)0.1％、甘油单油酸酯0.1％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：960A/min，对二氧化硅的抛光速率为：289A/min，两者选择比为3.32。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例22
抛光液22二氧化硅2％、聚乙二醇(PEG)(分子量为200)0.001％、水余量、pH值为11；
对多晶硅的抛光速率为：699A/min，对二氧化硅的抛光速率为：153A/min，两者选择比为4.57。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例23
抛光液23二氧化硅10％、聚乙二醇(PEG)(分子量为6000)0.9％、乙二醇单硬脂酸酯0.001％、水余量、pH值为10；
对多晶硅的抛光速率为：860A/min，对二氧化硅的抛光速率为：288A/min，两者选择比为2.99。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例24
抛光液24二氧化硅15％、聚乙二醇(PEG)(分子量为400)20％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：758A/min，对二氧化硅的抛光速率为：502A/min，两者选择比为1.51。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例25
抛光液25二氧化铈0.5％、聚乙二醇(PEG)(分子量为20000)0.5％、蔗糖单硬脂酸酯0.0001％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：792A/min，对二氧化硅的抛光速率为： 213A/min，两者选择比为3.72。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例26
抛光液26覆盖铝的二氧化硅10％、二聚甘油聚氧乙烯(10)二月桂酸酯0.2％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1360A/min，对二氧化硅的抛光速率为：725A/min，两者选择比为1.88。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例27
抛光液27掺杂铝的二氧化硅10％、聚氧乙烯(20)失水山梨醇单月桂酸酯(Tween20)0.1％、失水山梨醇单月桂酸酯0.1％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1563A/min，对二氧化硅的抛光速率为：810A/min，两者选择比为1.93。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例28
抛光液28二氧化钛5％、聚氧乙烯(60)山梨醇四油酸酯0.1％、水余量、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：724A/min，对二氧化硅的抛光速率为：439 A/min，两者选择比为1.65。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例29
抛光液29三氧化二铝5％、硬酯酸聚氧乙烯(100)酯0.1％、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：860A/min，对二氧化硅的抛光速率为：407A/min，两者选择比为2.11。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
实施例30
抛光液30聚甲基丙烯酸甲酯15％、聚乙二醇(6000)双月桂酸酯0.0001％、pH值为11.5；
对多晶硅的抛光速率为：1264A/min，对二氧化硅的抛光速率为：251A/min，两者选择比为5.04。
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、抛光浆料流速200ml/min、抛光垫为PPG fast pad CS7、抛光机为Logitech LP50。
本发明所使用的原料和试剂均是市售所得。

Claims (8)

1.一种化学机械抛光液在降低多晶硅去除速率中的应用，其中该抛光液包括研磨颗粒和水，其特征在于：还包括一种或多种多元醇型非离子表面活性剂，其中所述的多元醇型非离子表面活性剂为以下的一种或几种组成：
a、含有多个羟基的多元醇与脂肪酸进行酯化而生成的酯类
b、聚乙二醇类表面活性剂，
且所述的酯类表面活性剂的通式结构式：R1OmHm-n(OCR2)n
其中，R1(OH)m为m≥2的多元醇，具体的为乙二醇，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，聚氧乙烯失水山梨醇，蔗糖或聚氧乙烯：
R2代表C11H23，C15H31，C17H33或C17H35；
n=1～4且m≥n。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述的聚乙二醇的通式结构式：
其中，分子量200～20000。
3.如权利要求1至2任一项所述的应用，其特征在于：所述的多元醇型非离子表面活性剂的重量百分比浓度为0.0001～20％。
4.如权利要求3所述的应用，其特征在于：所述的多元醇型非离子表面活性剂的重量百分比浓度为0.001～10％。
5.如权利要求1至2任一项所述的应用，其特征在于：所述的抛光液的pH值为7～12。
6.如权利要求1至2任一项所述的应用，其特征在于：所述的研磨颗粒包括二氧化硅、三氧化二铝、掺杂铝或覆盖铝的二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛和／或高分子研磨颗粒。
7.如权利要求1至2任一项所述的应用，其特征在于：所述的研磨颗粒的重量百分比浓度为0.5～30％。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于：所述的研磨颗粒的重量百分比浓度为2～30％。
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