CN101333421B - 用于化学机械抛光的浆料组合物及抛光方法 - Google Patents

用于化学机械抛光的浆料组合物及抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于对相变存储设备进行化学机械抛光的浆料组合物，该浆料组合物含有去离子水、和铁或铁化合物。该浆料组合物可以实现对相变存储设备的高抛光速率，并提高在相变存储材料和抛光阻挡层(如氧化硅膜)间的抛光选择性，能够使加工瑕疵(如凹陷和侵蚀)的出现最小化，而且能够降低相变存储材料的蚀刻速率，从而提供高质量的抛光表面。本发明还提供了一种使用该浆料组合物对相变存储设备进行抛光的方法。

Description

用于化学机械抛光的浆料组合物及抛光方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2007年6月29日提交的韩国专利申请No.10-2007-0065877的优先权，该韩国专利申请在此一并引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于在半导体制造过程中对相变存储设备进行抛光的浆料组合物。更具体地说，本发明涉及一种用于对相变存储设备内含有的金属合金或硫族化合物进行化学机械抛光(CMP)的浆料组合物，以及用该浆料组合物对相变存储设备进行抛光的方法。
背景技术
随着全球电子设备市场如数码相机、摄像机、MP3播放器、数字多媒体广播(DMB)接收器、导航系统和移动电话等的扩大，对半导体存储器的需要也在增加。而且，在性能特征上与常规存储器相比运行速度快、能量消耗低的高容量存储器的需要越来越大。在这种情况下，为了开发出具有动态随机存储器(DRAMs)、静态随机存储器(SRAMs)和闪速存储器的固有优点和特征的下一代存储器，大量的研究工作正在被开展。相变随机存储器(PRAMs)、磁性随机存储器(MRAMs)、铁电随机存储器(FeRAMs)和聚合物存储器目前被认为是下一代存储器。其中，PRAMs具有常规的高度集成DRAMs、高速SRAMs和非易失性NAND闪存的优点，并且与常规的互补金属氧化物半导体(C-MOS)场效应晶体管(FETs)的集成工艺有优异的兼容性。基于这些优点，PRAMs由于具有成功商业化的最大可能性而吸引了越来越多的关注。
自从2001年S.Lai(英特尔)和T.Lowrey(Ovonyx)在国际电子设备会议(IEDM)上发表论文之后，人们对相变RAMs(PRAMs)进行了广泛的研究和开发。相变RAMs是非易失性存储器，它利用了材料可以由于对施加的电流或电压响应产生的焦耳热而引发晶体(低电阻)和无定形体(高电阻)两相间的可逆相变的能力，从而写入数据。
金属合金和硫族化合物目前被用作PRAMs的典型相变材料。特别地，具有GexSbyTez(GST)组成的硫族化合物正在被研究。
在目前正在开发的用于PRAM设备中的相变材料的CMP工艺中，氧化硅(SiO2)被用来形成抛光阻挡层(polish stop layer)。在对有图形的晶片进行抛光时，抛光的均匀度和表面瑕疵(如，表面凹陷和侵蚀)受到某些方法因素的很大影响，例如，对相变材料的抛光和蚀刻速率、氧化硅膜的抛光均匀度以及相变材料和氧化硅膜之间的抛光选择性。
另一方面，用于对铝、铜、钨和其它金属线材进行抛光的浆料主要被运用在半导体制造过程。与PRAM设备的相变材料不同，由于这些金属层材料由单一元素组成，因而不能发生相变。因此，常规的金属材料不能用于PRAMs设备，并使层性质间产生巨大的差异。
通过对氧化剂、研磨材料和其它有用的添加剂的选择，可以调整用于对金属线材进行抛光的CMP浆料，从而在有效地以需要的抛光速度抛光金属表面的同时，使表面瑕疵、缺陷、腐蚀和侵蚀最小化。此外，该抛光浆料可以用于控制对其它薄膜材料的抛光选择性，如钛、氮化钛、钽、氮化钽、氧化钽等。
与常规的由单一元素如铜(Cu)或钨(W)组成的金属层不同，待抛光的相变存储设备的层由含有特定比例的特殊元素的高级材料组成，如硫(S)、硒(Se)、锗(Ge)、锑(Sb)、碲(Te)、银(Ag)、铟(In)、锡(Sn)、镓(Ga)等，从而在结晶态和无定形态之间进行可逆相变。由于待抛光的材料的特性与常规金属层材料不同，所以强烈需要开发新型的抛光组合物。
理想的用于对相变存储器(PRAMs)中的相变材料进行抛光的浆料组合物应该满足下述要求：i)必须快速地对相变材料进行蚀刻和抛光；ii)必须在相变材料和抛光阻挡层之间具有高抛光选择性；iii)必须使凹陷、侵蚀、图形不均匀、瑕疵(如划痕、缺陷和腐蚀)等达到最小化；和iv)抛光后必须不能改变相变材料的表面中元素的组成和状态。
发明内容
本发明提供了一种用于对相变存储设备进行化学机械抛光的浆料组合物和一种使用该CMP浆料组合物对相变存储设备进行抛光的方法，该组合物能够快速地对相变存储设备进行抛光，能够在相变存储材料和抛光阻挡层(如氧化硅膜)之间达到高抛光选择性，能够使加工瑕疵(如凹陷和侵蚀)的发生最小化，从而提供高质量的抛光表面。
本发明还提供了一种用于对相变存储设备进行化学机械抛光的浆料组合物和一种使用该CMP浆料组合物对相变存储设备进行抛光的方法，该组合物基本上不会使相变材料的组成或状态在抛光前后发生变化，能够使表面瑕疵(如划痕、缺陷、腐蚀和抛光残留物)的发生最小化，从而提供干净的抛光表面，而且该组合物不含有研磨颗粒，从而防止晶片表面被研磨颗粒污染。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于对相变存储设备进行化学机械抛光(CMP)的浆料组合物，该浆料组合物含有去离子水、和铁或铁化合物，并且该浆料组合物不含研磨颗粒。该CMP浆料组合物可以含有适用于CMP方法的其它加工辅助材料，例如，但不限于，此处提到的pH调节剂，只要组合物不含有研磨颗粒即可。
所述相变存储设备可以包括金属合金或硫族化合物。
所述相变存储设备可以包括至少一种选自InSe、Sb2Te3、GeTe、Ge2Sb2Te5、InSbTe、GaSeTe、SnSb2Te4、InSbGe、AgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)和Te81Ge15Sb2S2中的化合物。
所述铁或铁化合物可以为金属铁或分子结构中含有铁的化合物。
所述铁或铁化合物可以包括铁离子化合物或铁螯合物。
以浆料组合物的总重量为基准，所述铁或铁化合物在本发明的浆料组合物中的含量约为0.01-10重量％。
所述浆料组合物的pH值约为2-10。
所述CMP浆料组合物可以进一步含有pH调节剂。
所述pH调节剂可以包括选自硝酸、磷酸、硫酸、盐酸、pKa为6或更低的有机羧酸中的至少一种酸。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种用所述CMP浆料组合物对相变存储设备进行抛光的方法。
相变存储设备可以通过将绝缘材料施用于半导体晶片上以形成绝缘层，使绝缘层平面化，在该平面化的绝缘层上形成图形，以及在已形成图形的绝缘层上施用相变材料以形成相变材料层而制作。可以将所述用于CMP的浆料组合物与所述相变材料层接触，从而对所述相变材料层进行抛光，直到暴露出所述绝缘层。
对相变材料层进行抛光的方法包括，将用于化学机械抛光的浆料组合物施用于旋转的抛光垫上，在预设的压力条件下使所述抛光垫与相变材料层接触，利用摩擦力使一部分相变材料层被抛光。
根据本发明的再一个方面，本发明提供了一种通过所述抛光方法被抛光的相变存储设备。
具体实施方式
下面将通过一部分但并非全部实施方式，对本发明进行更全面地描述。事实上，本发明可以以很多不同的方式实施，而不应限于此处列举的实施方式，这些实施方式的提出是为了使本公开满足适当的法律要求。
本发明提供了一种含有去离子水、和铁或铁化合物的用于对相变存储设备进行抛光的化学机械抛光(CMP)浆料组合物。
所述相变存储设备通常含有金属合金或硫族化合物作为在结晶态和无定形态间进行可逆相变的相变材料。
适用于本发明的相变材料包括但不限于：二元化合物，如InSe、Sb2Te3和GeTe；三元化合物，如Ge2Sb2Te5、InSbTe、GaSeTe、SnSb2Te4和InSbGe；和四元化合物，如AgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)和Te81Ge15Sb2S2。
所述铁或铁化合物是能够将相变材料的表面层氧化为氧化物或离子的氧化剂，以助于除去表面层，并且能够均匀地抛光除去在图形区内的部分相变材料，直到曝露出抛光阻挡层(如氧化硅膜)，从而起到改进图形表面粗糙度的作用。另外，使用铁或铁化合物有助于除去相变材料在抛光阻挡层中存在的残留物，从而使抛光更均匀。
所述铁或铁化合物可以为金属铁或分子结构中含有铁的化合物。所述铁或铁化合物还可以与一种或多种其它铁化合物结合使用。
所述铁化合物的例子包括铁离子化合物或铁螯合物。使用铁离子化合物或铁螯合物的优点在于能够快速地对相变材料进行抛光。
以浆料组合物的总重量为基准，该铁或铁化合物在本发明浆料组合物中的含量约为0.01-10重量％，例如含量约为0.05-5重量％，另一个例子是含量约为0.1-2重量％。铁或铁化合物的含量在该范围内能够有利于保持对相变材料的最佳蚀刻能力。
所述浆料组合物的pH值可以调节为约2-10，例如为约2-9，再例如为约2-5。所述浆料组合物还可以含有pH调节剂，以使浆料组合物的pH值被调节在上述限定的范围内。所述pH调节剂可以包括选自硝酸、磷酸、硫酸和盐酸的无机酸，或pKa为6或更低的有机羧酸，以及它们的组合。
本发明还提供了一种用所述CMP浆料组合物对相变存储设备进行抛光的方法。
在本发明的示范性实施方式中，相变存储设备的制作方法可以为将绝缘材料施用于半导体晶片上以形成绝缘层，使绝缘层平面化，在该平面化的绝缘层上形成图形，以及在已形成图形的绝缘层上施用相变材料以形成相变材料层。将CMP浆料组合物与所述相变材料层接触，从而对所述相变材料层进行抛光，直到暴露出所述绝缘层。
在本发明的示范性实施例中，对相变材料进行抛光的方法包括，将用于化学机械抛光的浆料组合物施用与旋转的抛光垫上，在预设的压力条件下使所述抛光垫与所述相变材料层接触，利用摩擦力使一部分相变材料层被抛光。该压力条件可以包括在CMP中通常可以适用的条件。
本发明还提供了一种用所述抛光方法被抛光的相变存储设备。
下面，将通过下面的实施例对本发明进行更详细的说明。然而，这些实施例的目的只是用于说明，并不是用来限定本发明的范围。并且，下面的实施例是用来说明将相变材料平面化的示例性的CMP方法。
实施例
对无图形的晶片(blanket wafer)进行抛光的测试
<实施例1-2和对比例1-4>
用去离子水配制无研磨颗粒的具有如下表1所示组成的浆料。改变浆料中所用的氧化剂的种类和含量。用硝酸将所有浆料组合物的最终pH值调节为3.5。
表1
在如下的抛光条件下分别用每一种浆料组合物对含有相变材料的无图形的晶片进行抛光后，测试各浆料对相变材料的抛光效果。结果如表2所示。
使用组成为锗(Ge)∶锑(Se)∶碲(Te)为2∶2∶5的Ge2Sb2Te5(GST)作为相变材料。用直流磁控溅射法(D.C magnetron sputtering)在无图形的晶片上沉积相变材料，形成2000厚的层。以15000 A厚的PETEOS氧化硅膜作为抛光阻挡层，并且以IC1000/SubaIVCMP垫(Rodel公司)作为抛光垫。用200mm的MIRRA抛光机(由应用材料公司(Applied Materials，AMAT)制造)，在向下的压力为3.0psi、浆料流速为200mL/min、床速(table speed)为100转/分和轴速度为100转/分的条件下，对该相变材料进行抛光1分钟。
表2
Figure S2008100855697D00072
从表2可以看出，实施例1和2中的浆料组合物用少量的对应的铁化合物作为氧化剂，与对比例1-4中的浆料组合物相比，表现出对GST层的高抛光速率，并且极大地增加了GST层和氧化硅膜间抛光速率的选择性。另外，实施例1和2中的浆料组合物表现出低于对比例1-4中的浆料组合物的抛光的不均匀性。此外，实施例1和2中的组合物表现出低于对比例2-4的对GST的湿蚀刻速率(WER)。对比例1中的组合物不含氧化剂，不能对GST层抛光。
而且，由于实施例1和2中的浆料组合物中不含有研磨颗粒，所以可以预见，由研磨颗粒引起的表面污染问题可以被避免。
根据下式计算抛光不均匀度：
不均匀度(％)＝(抛光速率的标准差/平均抛光速率)×100(％)
从晶片中心开始，用49-点极点图法(49-point polar map method)，测量整个表面的抛光速率。不均匀度的数值越低说明抛光进行得越均匀。
在室温下(25℃)，分别将GST样品(3cm×3cm)在各个抛光用组合物中放置20分钟，之后蚀刻。然后，用下式计算湿蚀刻速率(WER)：
WER(
Figure 2008100855697_1
/min.)＝(蚀刻前GST层的厚度-蚀刻后GST层的厚度)/20
[对有图形的晶片进行抛光]
为了客观地测试浆料组合物对半导体图形的抛光效果，用如下步骤制造有图形的晶片：
步骤1：沉积厚度为850
Figure 2008100855697_2
的氮化硅(SiN)
步骤2：沉积厚度为1500
Figure 2008100855697_3
的二氧化硅(SiO2)
步骤3：在氧化物膜层上形成图形
步骤4：沉积厚度为2000
Figure 2008100855697_4
的相变材料(Ge2Sb2Te5)
该氧化硅膜用来作为在图形区的阻挡层。测定实施例1和2和对比例2-4中的组合物的抛光效果。
用与实施例1描述的抛光条件相同的条件对有图形的晶片进行测定，不同的是，改变了抛光时间。在按照由EPD系统测得的光学端点检测(EPD)时间进行过抛光(50％)后，观察有图形区域的侵蚀、凹陷和粗糙情况。结果列于表3。
表3
Figure S2008100855697D00091
表3说明，实施例1和2中含有铁化合物的浆料组合物在侵蚀、EOE、凹陷、残留物和最大粗糙度测试中都表现出比对比例2-4好得多的结果。
通过以上的说明可以明显看出，本发明提供了一种用于对相变存储设备进行抛光的CMP浆料组合物和一种使用该CMP浆料组合物对相变存储设备进行抛光的方法。本发明的浆料组合物能够快速地对相变存储设备进行抛光，能够实现在相变存储材料和抛光阻挡层(如氧化硅膜)间的高抛光选择性，能够降低相变存储材料的湿蚀刻速率(WER)，使加工瑕疵(如凹陷和侵蚀)的出现最小化，从而提供高质量的抛光表面。
得益于以上描述给出的教导，本领域技术人员能够从中想到很多修改和其它的实施方式。因此，应该理解的是，本发明并不限于所公开的特定的实施方式，而对它的修改和其它的实施方式也属于所附的权利要求的范围。尽管在这里使用了专业术语，但它只是用于一般的描述，并不是以限定为目的，本发明的范围由权利要求书进行限定。

Claims (8)

1.一种对含有金属合金或硫族化合物的相变材料层的相变存储设备进行抛光的方法，其中，该方法包括在不存在研磨颗粒的条件下使所述相变材料层与用于化学机械抛光的浆料组合物接触，该浆料组合物含有去离子水和铁化合物，所述铁化合物包括铁离子化合物或铁螯合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相变存储设备含有选自InSe、Sb2Te3、GeTe、Ge2Sb2Te5、InSbTe、GaSeTe、SnSb2Te4、InSbGe、AgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)、和Te81Ge15Sb2S2中的至少一种化合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铁化合物包括丙二胺四乙酸-Fe或FeCl3。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，以该浆料组合物的总重量为基准，所述铁化合物的含量为0.01-10重量％。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，该浆料组合物的pH值为2-10。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述浆料组合物还含有pH调节剂，所述pH调节剂包括选自硝酸、磷酸、硫酸、盐酸、pKa为6或更低的有机羧酸、以及它们的组合中的至少一种酸。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相变存储设备的制备包括将绝缘材料施用于半导体晶片上以形成绝缘层，使该绝缘层平面化，在该平面化的绝缘层上形成图形，以及在已形成图形的绝缘层上施用相变材料以形成相变材料层；并将所述用于化学机械抛光的浆料组合物与所述相变材料层接触，从而对所述相变材料层进行抛光，直到暴露出所述绝缘层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，对所述相变材料层进行抛光包括：将所述用于化学机械抛光的浆料组合物施用于旋转的抛光垫上，在预设的压力条件下使该抛光垫与所述相变材料层接触，利用摩擦力使部分相变材料层被抛光。
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