专利名称：一种同时抛光相变材料和钨的化学机械抛光方法
技术领域：
本发明涉及一种化学机械抛光方法，尤其涉及一种同时抛光相变材料和钨的化学机械抛光方法。
背景技术：
相变存储器是利用材料由非晶体状态变成晶体状态，再变回非晶体状态的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的反光特性和电阻特性，利用非晶态和晶态分别代表“O”和“I”来存储数据。相变存储器作为一种很有发展前景的数据存储技术。它具有比闪存速度快，复原性更好，能够实现一亿次以上的擦写等特性。相变存储单元由一种极小的硫族合金颗粒组成，通过电脉冲的形式集中加热的情况下，它能够从有序的晶态(电阻低状态)快速转变为无序的非晶态(电阻高状态)。这些合金材料的晶态和非晶态电阻率大小的差异能够存储二进制数据。目前最有应用前景的 PCM材料是GST (锗、锑和碲)合金。在芯片的实际加工过程中，将GST(主要是Ge2Sb2Te5)通过化学气相沉积到硅片表面，需要对娃片表面进行平坦化。化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing/Planarization, CMP)技术被认为是目前全局平坦化的最有效的方法。化学机械抛光是将化学作用、机械作用结合起来应用在硅片的表面，同时在硅片的表面进行氧化和抛光的过程，在这样的双重作用下实现硅片的全局平坦化。关于相变材料的化学机械抛光，目前已有部分现有技术报道，如美国专利US7897061B2、US20070178700A1使用氧化剂(例如双氧水)加草酸、丙二酸、琥珀酸、柠檬酸等络合剂进行GST抛光；US20100190339A1使用氧化剂加赖氨酸进行GST抛光；US7678605B2、US20090057834A1用氧化剂加腐蚀抑制剂(天门冬氨酸的衍生物)进行GST抛光；US20090001339A1用三乙胺、季铵盐加氧化剂降低GST抛光过程中的金属侵蚀(erosion) ；US20100112906A1 用季铵碱进行 GST 抛光。又如中国专利CN101370897A提供了一种以过氧化氢为氧化剂、有机酸作为螯合剂配上研磨颗粒为主要成分的化学机械抛光液；中国专利CN101333420A提供了一种含氮化合物、研磨颗粒、氧化剂、或研磨颗粒和氧化剂的化学机械抛光浆料；中国专利CN101765647A提供了一种包含颗粒研磨材料、以及赖氨酸氧化剂的组合物；中国专利CN101333421A 一种用于化学机械抛光的浆料组合物及以去离子水、和铁或铁化合物为主要成分，除去研磨颗粒，从而提高对于GST材料的表面平整性。上述的专利都针对GST材料的抛光提出了新的抛光液方案，以提高对于GST材料的抛光效果，然而我们发现，现有的技术中主要以过氧化氢为主要的氧化剂，而现有的氧化剂对于GST材料的抛光速率较低，其中上述专利中，中国专利CN101333420A提供的抛光液对于GST材料抛光速率最高，但也平均也只达到2000埃/分钟，GST的抛光效率无法满足现有需求。金属钨是半导体生产过程中常用的导电材料，因此在实际抛光过程中，常会遇到钨和相变材料同时抛光的情况，目前抛光相变材料或钨一般使用过氧化氢为氧化剂，如中国专利CN101372606A中公开了一种硫系化合物相变材料氧化铈化学机械抛光液配方，配方中氧化剂可以选用的就有双氧水和氰化钾。但是单纯的双氧水对钨和相变材料进行抛光的抛光速度很低，通常需要加入催化剂。美国专利US5958288公开了将硝酸铁用做催化剂，过氧化氢用做氧化剂，进行钨化学机械抛光的方法；美国专利US5980775和US6068787在US5958288基础上，加入有机酸做稳定剂。上述专利技术一定程度上改善了过氧化氢的分解速率，但是同时抛光相变材料和钨的情况下，上述专利技术并未提及是否具有较高的抛光速度。实际测试中它们对相变材料的抛光速度不高。因此，针对半导体芯片生产过程中同时抛光相变材料和钨的化学机械抛光工艺，仍需要有高抛光速率的抛光方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的同时对相变材料和钨的化学机械抛光方法，可以解决现有技术中对同时含相变材料和钨的基材抛光速率不足的问题。 为了实现上述的目的，本发明同时抛光相变材料和钨的化学机械抛光方法，其特征在于包括以下顺序步骤步骤I :配制含有研磨剂、氧化剂、含铁离子物质的抛光液；步骤2 :将需要对相变材料和钨同时抛光的基材置于抛光垫上，将步骤I中配制的抛光液对相变材料和钨同时进行抛光；其中所述氧化剂包括单过硫化物，并优选为单过硫酸氢盐及其复合盐。本发明中，化学机械抛光方法的一种优选实施方式，所述氧化剂包括单过硫酸氢盐、硫酸氢盐和硫酸盐组成的组合物，所述盐可以是钾盐、钠盐、铵盐等。本发明中，化学机械抛光方法的进一步优选实施方式，所述氧化剂为单过硫酸氢钾、硫酸氢钾和硫酸钾组成的组合物；在使用过程中，单过硫酸氢钾、硫酸氢钾、硫酸钾用量的摩尔比优选为2 5 : I 3 : I 3，最佳摩尔比例为2 : I : I。优选地，所述氧化剂的用量占抛光液的质量百分比为O. 05 15wt%，并进一步优选氧化剂的用量占抛光液的质量百分比为I 5wt%。本发明同时抛光相变材料和钨的化学机械抛光方法中所提到的研磨剂可以是二氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化铁、氮化硅和氧化钛中的一种或多种混合物。研磨剂占抛光液的质量百分比控制在O. 05 25wt%。本发明同时抛光相变材料和钨的化学机械抛光方法中所提到的抛光液中过含铁离子物质选用含铁离子无机盐和/或含铁离子有机盐。含有铁离子的物质是指在抛光液中，能够电离出铁离子的物质。含铁离子物质优选为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁和/或醋酸铁等，最佳选择为硝酸铁。根据本发明所述化学机械抛光方法的一种优选实施方式，含铁离子的物质浓度控制在40ppm 3000ppm的范围，优选的浓度控制在50ppm 2000ppm范围。本发明同时抛光相变材料和钨的化学机械抛光方法中所提到的化学机械抛光液的pH值控制在O. 5 4，最佳的pH值为1.5。在上述的化学抛光的过程中，抛光条件优选为研磨压力设定在3 6psi，研磨台转速控制在60-120转/分钟，研磨头自转转速80-200转/分钟，抛光液滴加速度80 200
晕升/分钟。本发明提供的技术方法解决了在常规对相变材料和钨抛光过程中抛光速度不高的问题，相对于过氧化氢作为氧化剂，本发明使用单过硫化物为氧化剂出乎意料地得到了明显提高的抛光速率，使得对于以硅为基片的芯片可以快速有效的完成抛光的过程，并且获得的抛光表面损伤低、没有残留的抛光液，可以满足制备相变材料存储器中化学抛光工艺的要求。
具体实施例方式以下通过具体的实施例对本发明进行详细描述，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。按照下列实施例中所列组分，去离子水混合均匀后用pH调节剂(硝酸或硫酸)调 到所需PH值，即可制得化学机械抛光液。实施例I研磨剂选用二氧化硅，其用量占整个抛光液的质量百分比为5 %，氧化剂选用2KHS05 ^KHSO4 ^K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为I %，抛光液中硝酸铁的浓度控制在lOOOppm，pH值用硝酸调整到I. 5。将需要对相变材料和钨同时抛光的基材置于抛光垫上进行化学机械抛光，抛光条件抛光机台为Logitech (英国)1PM52型,polytex抛光垫,4cmX 4cm正方形晶圆(Wafer),研磨压力4psi,研磨台转速90转/分钟,研磨头自转转速140转/分钟,抛光液滴加速度140ml/分钟，并根据需要加入络合剂、表面活性剂等组分。实施例2研磨剂选用二氧化硅，其用量占整个抛光液的质量百分比为5 %，氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在3000ppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例3研磨剂选用二氧化娃，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%,氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为0. I%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在50ppm，pH值用硝酸调整到L 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例4研磨剂选用二氧化娃，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%,氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为10%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在2000ppm，pH值用硝酸调整到I. 5。将需要对相变材料和钨同时抛光的基材置于抛光垫上进行化学机械抛光，抛光条件抛光机台为Logitech (英国)1PM52型,polytex抛光垫,4cmX 4cm正方形晶圆(Wafer),研磨压力3psi,研磨台转速60转/分钟,研磨头自转转速80转/分钟,抛光液滴加速度80ml/分钟，并根据需要加入络合剂、表面活性剂等组分。
实施例5研磨剂选用二氧化硅，其用量占整个抛光液的质量百分比为10%，氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在lOOppm，pH值用硝酸调整到O. 5。将需要对相变材料和钨同时抛光的基材置于抛光垫上进行化学机械抛光，抛光条件抛光机台为Logitech (英国)1PM52型,polytex抛光垫,4cmX 4cm正方形晶圆(Wafer),研磨压力6psi,研磨台转速120转/分钟,研磨头自转转速200转/分钟,抛光液滴加速度200ml/分钟，并根据需要加入络合剂、表面活性剂等组分。实施例6研磨剂选用二氧化硅,其用量占整个抛光液的质量百分比为20%，氧化剂选用2KHS05 ^KHSO4 ^K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为I %，抛光液中硝酸铁的浓度控制在40ppm, pH值用硝酸调整到4。 参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例7研磨剂选用二氧化硅,其用量占整个抛光液的质量百分比为O. 1%,氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在lOOOppm，pH值用硫酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例8研磨剂选用氧化铝，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%，氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在500ppm，pH值用硫酸调整到4。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例9研磨剂选用氧化铈，其用量占整个抛光液的质量百分比为3 %，氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在500ppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例10研磨剂选用氧化铁，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%，氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中氯化铁的浓度控制在500ppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例11研磨剂选用氮化娃，其用量占整个抛光液的质量百分比为7%,氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硫酸铁的浓度控制在500ppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例12
研磨剂选用氧化钛，其用量占整个抛光液的质量百分比为10%，氧化剂选用2KHS05 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中醋酸铁的浓度控制在500ppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例13研磨剂选用二氧化娃，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%,氧化剂选用4KHS05 · 2KHS04 · 3K2S04，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在lOOOppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。 实施例14研磨剂选用二氧化娃，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%,氧化剂选用4KHS05 · 3KHS04 · 2K2S04，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在lOOOppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例15研磨剂选用二氧化娃，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%,氧化剂选用2KHS05 · 2KHS04 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在lOOOppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例16研磨剂选用二氧化硅，其用量占整个抛光液的质量百分比为5 %，氧化剂选用KHSO5 · KHSO4 · K2SO4，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在2000ppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。实施例17研磨剂选用二氧化硅，其用量占整个抛光液的质量百分比为5 %，氧化剂选用5KHS05 · 3KHS04 · 3K2S04，其用量占整个抛光液的质量百分比为2%，抛光液中硝酸铁的浓度控制在lOOOppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。对比实施例I研磨剂选用二氧化硅，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%，氧化剂选用双氧水，其用量占整个抛光液的质量百分比为I %，抛光液中硝酸铁的浓度控制在lOOOppm，pH值用硫酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。对比实施例2研磨剂选用二氧化硅，其用量占整个抛光液的质量百分比为5%，氧化剂选用双氧水，其用量占整个抛光液的质量百分比为I %，抛光液中硝酸铁的浓度控制在lOOOppm，pH值用硝酸调整到I. 5。参照实施例I所述方法对相变材料和钨进行同时抛光。
配制完上述的抛光液后，把需抛光的芯片用研磨头固定住，然后将芯片的正面压在抛光垫上。当进行化学机械抛光时，研磨头在抛光垫上线性移动或是沿着与研磨台一样的运动方向旋转。与此同时，把含有研磨剂的抛光液滴到抛光垫上，并因离心作用平铺在抛光垫上，芯片表面在机械和化学的双重作用下从而实现全局平坦化。效果实施例将上面各组实施例组分配制的抛光液应用于抛光时，记录相应的抛光速度和抛光表面情况等必要的数据，并记录于表I中。 表I上述实施例抛光GST和钨效果
权利要求
1.一种同时抛光相变材料和钨的化学机械抛光方法，其特征在于包括以下顺序步骤 步骤I:配制含有研磨剂、氧化剂、含铁离子物质的抛光液； 步骤2 :将需要对相变材料和钨同时抛光的基材置于抛光垫上，将步骤I中配制的抛光液对相变材料和钨同时进行抛光； 其中所述氧化剂包括单过硫酸氢盐的复合盐。
2.如权利要求I所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述研磨剂占抛光液的质量百分比为O. 05 25wt%。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述研磨剂选自二氧化硅、氧化招、氧化铺、氧化铁、氮化娃和氧化钛中的一种或多种。
4.如上述任意一项权利要求所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述氧化剂包括单过硫酸氢盐、硫酸氢盐和硫酸盐组成的组合物。
5.如权利要求4所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述氧化剂包括单过硫酸氢钾、硫酸氢钾和硫酸钾组成的组合物。
6.如权利要求5所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述抛光液中单过硫酸氢钾、硫酸氢钾、硫酸钾用量的摩尔比为2 5 : I 3 : I 3。
7.如权利要求4所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述氧化剂的用量占抛光液的质量百分比为O. 05 15wt%。
8.如权利要求7所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述氧化剂的用量占抛光液的质量百分比为I 5wt%。
9.如权利要求I所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述含铁离子物质选用含铁尚子无机盐和/或含铁尚子有机盐。
10.如权利要求9所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述含铁离子物质为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁和/或醋酸铁。
11.如权利要求10所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述抛光液中含铁离子物质的浓度为40 3000ppm。
12.如权利要求11所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述抛光液中含铁离子物质的浓度为50 2000ppm。
13.如权利要求I所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述抛光液的PH值为O.5 .4。
14.如权利要求I所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述步骤2中，研磨压力控制在3 6psi。
15.如权利要求14所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述步骤2中，研磨台转速为60-120转/分钟，研磨头自转转速为80-200转/分钟。
16.如权利要求15所述的化学机械抛光方法，其特征在于所述步骤2中，抛光液滴加速度为80 200毫升/分钟。
全文摘要
本发明提供一种相变材料(PCM)例如锗、锑和碲(GeSbTe)和钨可同时进行化学机械抛光的方法。将待抛光的相变材料和钨置于抛光垫上，将研磨剂、选用包含单过硫酸氢盐复合盐的氧化剂、含铁离子物质混合调配成抛光液，并在和抛光设备同时应用在相变材料和钨的表面。本发明可以快速有效的完成抛光的过程，获得的抛光表面损伤低且没有残留的抛光液，可以满足制备相变材料存储器中化学抛光工艺的要求。
文档编号C09G1/02GK102820223SQ20111015310
公开日2012年12月12日 申请日期2011年6月8日 优先权日2011年6月8日
发明者王晨, 何华锋 申请人:安集微电子(上海)有限公司