一种用于相变材料GeSbTe的化学机械抛光液的制作方法

本发明涉及一种化学机械抛光液，尤其涉及一种用于相变材料GeSbTe的化学机械抛光液，属于化学机械抛光液领域。

背景技术：

相变存储器因具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，而被认为是当前最具竞争力的新一代非挥发性存储器。

目前最成熟的相变存储材料为GeSbTe材料。为实现高密度存储，需将GeSbTe材料沉积在由电介质材料（通常为二氧化硅）定义的纳米孔中，然后通过化学机械抛光（CMP）的方法，将纳米孔上方的相变材料进行去除。为保证CMP工艺的成功实施，除需优化工艺参数外，一个很重要因素即为选择合适的抛光液。用于相变材料GeSbTe，理想的CMP工艺的抛光液需要满足的要求是：1、相变材料抛光速率需要足够高，以保证高的加工效率；2、底层介质材料二氧化硅抛光速率足够低（亦即高的相变材料/底层介质材料抛光选择比），以实现低二氧化硅损失，从而保证抛光后仍为后续工艺保留足够宽的工艺窗口；3、抛光后晶圆表面的缺陷（如蝶形坑、腐蚀坑、划痕以及不同版图密度处的均匀性等）需足够低，以提高最终芯片的成品率；4、抛光后，不改变相变材料的组分，以保证相变材料的性质在抛光前后不发生变化。

因相变材料GeSbTe为质软多元合金，各元素化学活性差异大，选用常规的金属抛光液时，通常会存在GeSbTe抛光速率低（≤150nm/min）、GeSbTe/SiO₂抛光选择比不高（≤10:1）以及GeSbTe腐蚀坑等问题。

本发明人经广泛研究发现，提供一种可显著改善GeSbTe抛光性能的化学机械抛光液。此抛光液包含氨型纳米二氧化硅磨料、氧化剂、水溶性聚合物表面保护剂、氨基酸类有机添加剂和水性介质。通过本发明提供的用于相变材料GeSbTe的化学机械抛光液，在满足GeSbTe高效率去除（200nm/min）的同时，实现GeSbTe/SiO₂高去除选择比（4000:1），且无抛光腐蚀缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有化学机械抛光液针对相变材料GeSbTe抛光存在抛光速率低、GeSbTe/SiO₂抛光选择比不高以及存在GeSbTe腐蚀坑的技术缺陷，提出了一种用于相变材料GeSbTe的化学机械抛光液。

一种用于相变材料GeSbTe的化学机械抛光液，其特征在于：包含氨型纳米二氧化硅磨料、氧化剂、水溶性聚合物表面保护剂、氨基酸类有机添加剂和水性介质；

其中，氨型纳米二氧化硅磨料的重量百分含量以抛光液的总重量为基准计为0.1~5wt.%，优选0.5~3wt.%；

氧化剂的重量百分含量以抛光液的总重量为基准计为0.01~5wt.%，优选0.5~3wt.%；

水溶性聚合物表面保护剂的重量百分含量以抛光液的总重量为基准计为0.0001~0.1wt.%，优选0.0001~0.05wt.%；

氨基酸类有机添加剂的重量百分含量以抛光液的总重量为基准计为0.0001~0.5wt.%，优选0.01~0.5wt.%；

其余为水性介质。

其进一步的技术方案为，所述氧化剂选用双氧水、过硫酸铵、高锰酸钾、高碘酸中的一种。

其进一步的技术方案为，所述水溶性聚合物表面保护剂选用聚天冬氨酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、黄原胶、瓜尔胶、阿拉伯胶中的一种或几种。

其进一步的技术方案为，所述氨基酸类有机添加剂选自脯氨酸、精氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、甘氨酸中的一种或几种。

其进一步的技术方案为，所述水性介质由去离子水和pH调节剂组成。

其进一步的技术方案为，所述氨型纳米二氧化硅磨料的粒径范围为1~500nm，优选5~150nm。

其进一步的技术方案为，所述化学机械抛光液的pH值范围为4~6。

本发明提供的一种用于相变材料GeSbTe的化学机械抛光液，与现有化学机械抛光液相比，具有如下有益效果：

1、本发明选用的纳米磨料为氨型纳米二氧化硅磨料。纳米磨料在抛光过程中，可通过抛光薄膜-抛光颗粒-抛光垫的三体接触，实现对薄膜材料的机械去除。选用氨型纳米二氧化硅磨料，可保证GeSbTe的高效去除，其次，因其具有高纯度（低金属含量）的特点，可避免抛光后GeSbTe表面的金属残留影响相变存储单元电性能；

2、本发明添加氧化剂。对于金属抛光，一般公认的过程为金属氧化形成质软的水化氧化层，然后氧化层被去除，重新露出新鲜的金属。如此过程循环往复，从而实现抛光过程的连续进行。对于相变材料GeSbTe抛光，氧化剂的存在有提高GeSbTe抛光速率、改善抛光后表面质量、降低GeSbTe表面腐蚀以及调节GeSbTe/SiO₂去除选择比的多重作用；

3、本发明的化学机械抛光液包含水溶性聚合物表面保护剂。金属材料抛光的一大难题，即为控制腐蚀缺陷。对相变材料GeSbTe抛光，因GeSbTe质软、与底层二氧化硅介质层结合力弱以及Ge、Sb、Te的化学活性存在差异，在12英寸图形片抛光时使用常规抛光液均存在明显的抛光腐蚀缺陷问题。选用水溶性聚合物表面保护剂，利用氢键和化学吸附的双重作用，可有效保护GeSbTe表面，从而避免产生抛光腐蚀；

4、本发明的化学机械抛光液包含氨基酸类有机添加剂。GeSbTe材料质软，抛光时抛光压力不宜过大（一般≤2psi）以避免产生划伤、以及造成纳米孔中GeSbTe材料与底层二氧化硅介质脱离剥落。但温和的抛光环境，往往也导致低的GeSbTe抛光速率。选用氨基酸类有机添加剂时，则可以明显改善这一缺陷；

5、本发明的化学机械抛光液的pH值范围为4~6。抛光液pH值范围的选择，对GeSbTe材料抛光尤为重要。pH 2~4以及pH>8时，GeSbTe抛光速率较快，但在图形片抛光时存在明显的抛光腐蚀缺陷；pH 6~8时可避免抛光腐蚀，但抛光速率极其低下。本发明的化学机械抛光液的pH值范围为4~6，可避免抛光腐蚀，并维持一定的GeSbTe抛光速率。

附图说明

图1为对比例1抛光后的GeSbTe图形片SEM截面图。

图2为实施例1抛光后的GeSbTe图形片SEM截面图。

具体实施方式

下面将通过下列实施例进一步加以详细描述，下列实施例仅用来举例说明本发明，而不对本发明的范围作任何限制，任何熟悉此项技术的人员可以轻易实现的修改和变化均包括在本发明及所附权利要求的范围内。

若干实施例的实施前提条件：以Ge₂Sb₂Te₅为例进行GeSbTe抛光测试。

仪器：美国应用材料公司LK Prime^TM12英寸抛光机。

条件：压力(Down Force)：2psi

抛光垫（Pad）：IC1010

抛光时间：90s。

抛光液：见实施例。

抛光结果测试：抛光前后采用分析天平（精度0.1mg）称量Ge₂Sb₂Te₅切片质量，根据Ge₂Sb₂Te₅密度、面积、厚度变化及抛光时间以计算抛光速率；采用扫描电镜观察图形片抛光结果。

对比例1

磨料：2wt.% 50nm 氨型胶体SiO₂

氧化剂种类及含量：1wt.% H₂O₂

表面保护剂种类及含量：500ppm 聚丙烯酸

氨基酸类有机添加剂：1wt.% 赖氨酸

pH值：2.1

抛光测试结果如表1所示。

实施例1

磨料：2wt.% 50nm 氨型胶体SiO₂

氧化剂种类及含量：1wt.% H₂O₂

表面保护剂种类及含量：200ppm 瓜尔胶

氨基酸类有机添加剂：0.5wt.% 半胱氨酸

pH值：4.5

抛光测试结果如表1所示。

表1 对比例1、实施例1的抛光性能对比。

由表1可以看出，使用对比例1时，GeSbTe抛光速率低，仅为91nm/min，GeSbTe/SiO₂抛光选择比为10:1。图1给出了使用对比例1抛光后的GeSbTe图形片SEM截面图。图中可以看出，相变单元纳米孔中的GeSbTe基本被完全腐蚀掉了，仅纳米孔底部剩余少量GeSbTe残留。实施例1采用本发明提供的抛光液，由表1可以看出，使用实施例1时GeSbTe抛光速率可进一步提升至200 nm/min，GeSbTe/SiO2抛光选择比提高到了4000:1。图2也给出了使用实施例1抛光后的GeSbTe图形片SEM截面图。图中可以看出，GeSbTe阵列抛光后表面光洁、平整，没有坑和腐蚀。

整体而言，本发明提供的一种用于相变材料GeSbTe的化学机械抛光液存在以下有益效果：1、抛光速率高，可保证高的加工效率、缩短时间；2、GeSbTe/SiO₂抛光选择比高，可最大程度地保留底层二氧化硅介电材料高度，从而为后续工艺留足够宽的工艺窗口；3、无抛光腐蚀缺陷，可保证最终芯片的成品率。

以上所述的实施例为本发明一种用于相变材料GeSbTe的化学机械抛光液的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。