本发明专利技术涉及一种用于半导体器件中高介电常数介电材料钛酸锶钡（ＢａｘＳｒ↓［１－ｘ］ＴｉＯ↓［３］，ＢＳＴ）化学机械抛光（ＣＭＰ）的纳米抛光液。该ＣＭＰ纳米抛光液包含有纳米研磨料、螯合剂、ｐＨ调节剂、表面活性剂、消泡剂、杀菌剂及溶剂等。该抛光液损伤少、易清洗、不腐蚀设备、不污染环境，主要用于新一代高密度存储器（ＤＲＡＭ）电容器介电材料及ＣＭＯＳ场效应管的栅介质－高介电常数介电材料钛酸锶钡的全局平坦化。利用上述纳米抛光液采用化学机械抛光方法平坦化高介电常数介电材料钛酸锶钡，抛光后表面的粗糙度降至０．８ｎｍ以下，抛光速率达２００～３００ｎｍ／ｍｉｎ；抛光后表面全局平坦度高，损伤较少，是制备超高密度动态存储器（ＤＲＡＭ）及ＣＭＯＳ场效应管时高介电材料平坦化的一高效抛光液。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种化学机械抛光(CMP)用纳米抛光液及在下一代半导体器件中高介电常数材料的化学机械抛光中的应用。更确切地说用于下一代半导体器件(超高密度动态存储器(DRAM)和纳米尺寸CMOS场效应管)中高介电常数介质材料钛酸锶钡化学机械抛光用纳米抛光液及器件制备过程的应用，本专利技术属于微电子辅助材料及集成电路加工工艺
技术介绍
存储器和逻辑器件是半导体器件中最重要的组成部分，而介电材料在这两种器件中又属核心；它既可以用作动态随机存储器(DRAM)电容的介质材料以存储信息，也可以作为CMOS场效应管逻辑器件的栅介质。随着集成电路按照摩尔定律的飞速发展，器件的特征尺寸已缩小至90纳米，65nm和45nm工艺正在研发之中。但小尺寸效应使得加工工艺已经发展至接近极限，因此必须通过采用新的材料或提出新的器件模型来解决现存制约发展的因素。对于超高密度的DRAM，要求将数字信息存储在更小的面积内，进而要求在电容器的面积减小的情况下，保持其电容的值。在电容介质厚度不变时，保持同样的电容大小并减少电容面积的唯一方法是提高电容所填充介质的介电常数，即采用高介电常数介质材料。而对于场效应晶体管的栅介质，一般采用SiO2介质。但是随着器件尺寸的纳米化，为了抑制短沟道效应且保证器件有良好的器件特性，要求的栅介质层越来越薄，此时引起了诸多二次效应，如电子的直接隧穿效应；栅介质层的栅电场急剧增加引起的漏电流使原有的基本器件特性恶化，甚至无法正常工作。为此，更小尺寸的场效应晶体管必须采用高介电常数材料作为栅介质替代传统的SiO2，以保证等效厚度不变的条件下，增加介质层的物理厚度，以减少直接隧穿效应和栅介质层承受的电场强度。钛酸锶钡(BST)薄膜作为一种优质高介电材料，通过合理选择Ba/Sr比，能使材料在室温应用温度下处于顺电相，避免了铁电畴开关效应引发的疲劳现象；它还具有相对较低的介电损耗、较小的漏电流，以及高的介电常数，这正好满足了下一代半导体器件对介电材料的要求，BST已被认为是用于开发下一代半导体器件，如超高密度DRAM及纳米尺寸CMOS场效应管的重要介质材料，ITRS预测2007年的65纳米工艺中BST将是高K材料的首选。随着器件特征尺寸的纳米化，IC工艺的光刻曝光分辨率要求越来越高，通过采用较短波长和较大数值孔径曝光系统可以提高分辨率，但同时又导致焦深变浅难题，这就要求曝光表面的高度平坦化，而目前实现晶片表面全局平坦化的唯一技术就是化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)，尤其是对于特征尺寸小于0.25微米的IC工艺，CMP已成为关键工艺技术之一。结合BST在下一代半导体器件中的发展需求及纳米尺寸IC制造工艺对晶片表面的高度平坦化要求，有关BST的CMP研究显得日益重要，成为下一代半导体器件发展的瓶颈。查阅国内外专利及文献，迄今为止有关BST薄膜CMP的报道较少，US5695384公开了一种用于BST工件CMP的盐类抛光液，该专利技术专利提供的抛光液中含有85wt％的水，4wt％的NaCl，4wt％的H2O2及7wt％的胶体二氧化硅，抛光速率约35nm/min。由于抛光液中含有大量Na+，这对于半导体器件工艺危害极大，且抛光速率较低难以满足工业需求。Yong-Jin Seo等报道了有关采用溶胶—凝胶技术制备的BST薄膜的CMP，在文章中作者研究了TiO2作为磨料的抛光液性能，抛光速率可达320nm/min，但表面粗糙度高达1.50nm(Chemical mechanical polishing of Ba0.6Sr0.4TiO3film prepared by sol-gel method，Microelectronic Engineering 75(2004)149-154)。对于目前器件的发展需求及下一代器件的更高要求，晶片表面粗糙度要求小于1.0nm，甚至更小。针对超高密度DRAM及纳米尺寸CMOS场效应管的高K材料BST的CMP，仍需要一种纳米抛光液，实现高效率(抛光速率满足工业需求)、高平坦(表面粗糙度小于1.0nm)、低缺陷的抛光表面。
技术实现思路
基于目前半导体器件(DRAM和纳米尺寸CMOS场效应管)的快速发展及特征尺寸的不断缩小，且对高介电材料表面平坦要求越来越高，本专利技术针对下一代半导体器件(DRAM和纳米尺寸CMOS场效应管)关键材料——高K(介电常数)的介质材料BST开展CMP研究，提供了BST-CMP的纳米抛光液及利用该抛光液对BST进行化学机械抛光，为下一代高性能、高密度、高可靠性半导体器件的发展提供保障。对于DRAM而言，要想实现超高密度存储，必须采用高K介质材料且更小的特征尺寸工艺；而对于晶体管，随着特征尺寸的纳米化，为了抑制短沟道效应且保证器件有良好的器件特性，栅介质层越来越薄，引起了诸多二次效应，如电子的直接隧穿效应、栅介质层的栅电场急剧增加引起的漏电流使原有的基本器件特性恶化，为此更小尺寸的场效应晶体管必须采用高介电常数材料作为栅介质以替代传统的SiO2，从而可保证在等效厚度不变的条件下，增加介质层的物理厚度，以减少直接隧穿效应和栅介质层承受的电场强度。随着下一代半导体器件特征尺寸越来越小，光刻分辨率要求越来越高，高分辨率的改善引发了焦深变浅的问题，使得对材料表面的平坦度提出了更高的要求。高K材料BST是下一代半导体器件中重要的介质材料，对其平坦化研究的重要性类似于深亚微米IC工艺中Cu互连的CMP。但迄今为止，关于高K材料BST的CMP研究甚少，本专利技术提供了高K材料BST-CMP的纳米抛光液，并利用该抛光液对高K材料BST薄膜CMP。本专利技术涉及到的化学机械抛光纳米抛光液中含有纳米研磨料、氧化剂、螯合剂、表面活性剂、抛光促进剂、消泡剂、杀菌剂、pH调节剂和溶剂。本专利技术提供的CMP纳米抛光液中包括至少一种氧化剂。氧化剂有助于将薄膜材料氧化至相应的氧化物、氢氧化物或离子。所述的氧化剂可选自还原时形成羟基的化合物或价态可降低的高价离子化合物，如过氧化氢、过氧化氢脲、过硫酸铵中任意一种或两种。其中优过氧化氢脲、过硫酸铵或其混合物作为氧化剂。本专利技术提供的纳米抛光液中氧化剂含量可为0.5wt％至15.0wt％；优选氧化剂含量为0.5wt％至10.0wt％；最佳的氧化剂含量为1.0wt％至7.0wt％。若采用过氧化氢脲氧化剂，脲与过氧化氢摩尔比范围为0.50∶1～2∶1。如果过氧化氢脲中含有33.5wt％过氧化氢，66.5wt％脲，则过氧化氢脲的最佳含量相应为3.0wt％至21.0wt％。本专利技术提供的CMP纳米抛光液中包括至少一种螯合剂。螯合剂的作用是与抛光表面的金属离子及抛光液中少量的金属离子形成螯合物，有助于减少抛光表面金属离子的污染及增大抛光产物的体积，使得抛光后清洗容易去除。所述的螯合剂可选自无金属离子的螯合剂，如乙二胺四乙酸铵、柠檬酸铵、羟乙基乙二胺四乙酸铵中任意一种或其中任意两种混合物。优选柠檬酸铵、羟乙基乙二胺四乙酸铵中的一种或其混合物。所述的纳米抛光液中螯合剂的含量可为0.1wt％至10.0wt％；优选螯合剂的含量为0.1wt％至5.0wt％；最佳螯合剂含量为0.3wt％至3.0wt％。本专利技术提供的CMP纳米抛光液中包括至少一本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于高介电常数材料钛酸锶钡化学机械抛光的纳米抛光液，其特征在于纳米抛光液含有： 【１】一种或两种氧化剂，其含量为０．５～１５．０ｗｔ％；所述的氧化剂选自过氧化氢、过氧化氢脲或过硫酸铵中任意一种或其中任意两种混合物； 【２】至少一种螯合剂，其含量为０．１～１０．０ｗｔ％；所述的螯合剂选自乙二胺四乙酸铵、柠檬酸铵或羟乙基乙二胺四乙酸铵中任意一种或其中任意两种混合物； 【３】一种或两种金属氧化物纳米研磨料，其含量为１．０～３０．０ｗｔ％；所述的纳米研磨料选自氧化铝、氧化钛或胶体氧化硅任意一种或任意两种混合物，纳米研磨料的平均粒径小于２００纳米； 【４】一种或两种表面活性剂，其含量为０．０１～２．０ｗｔ％；所述的表面活性剂选自无金属离子的烷基醇聚氧乙烯基醚、烷基三甲基溴化铵、烷基磺酸铵或阴离子聚丙烯酸盐中一种或任意两种混合物； 【５】一种或两种抛光促进剂，其含量为０．５～５．０ｗｔ％；所述的抛光促进剂选自无金属离子的卤化物，氟化铵、氯化铵或溴化铵中一种或任意两种混合物； 【６】一种消泡剂，其含量为２０～２００ｐｐｍ；所述的消泡剂选自聚二甲基硅烷； 【７】一种杀菌剂，其含量为１０～５０ｐｐｍ；所述的杀菌剂选自异构噻唑啉酮； 【８】ｐＨ调节剂调节ｐＨ范围为７～１２，所述的ｐＨ调节剂选自氨水、氢氧化钾、四甲基氢氧化铵或羟基胺中的任意一种或任意两种混合物； 【９】抛光液中余量为作为溶剂的去离子水。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张楷亮，宋志棠，封松林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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