化学机械抛光液、半导体结构及其制备方法与流程

1.本技术实施例涉及半导体技术领域，特别是涉及一种化学机械抛光液、一种化学机械抛光设备、半导体设备及其制备方法。


背景技术：

2.随着半导体工业的发展，电子器件尺寸逐渐缩小，要求晶圆表面的平整度达到纳米级。传统的平坦化技术仅仅能够实现局部平坦化，当最小特征尺寸达到0.25微米以下时，必须进行全局平坦化。常见的平坦化技术包括热流法、旋转玻璃法、回蚀法、电子环绕共振法、选择沉积法、低压等离子增强cvd、沉积
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腐蚀
‑
沉积法等都属于局部平坦化工艺，不能做到全局平坦化。化学机械抛光工艺(cmp工艺)是一种典型的全局平坦化工艺，使用一种含研磨料和化学物质的混合物和抛光垫对硅晶圆或其他衬底材料进行平滑处理，从而达到全局平坦化的目的。
3.典型的多晶硅(poly)化学机械抛光工艺(cmp工艺)中，使用碱性二氧化硅抛光液进行平坦化，在平坦化处理并清洗去除颗粒后多晶硅表面会有颗粒的残留，并且，由于机械力的作用，在平坦化过程中多晶硅的表面会出现划伤，颗粒和划伤的出现会影响半导体器件的良率。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种化学机械抛光液、化学机械研磨设备、半导体结构及其制备方法，可以优化化学机械抛光工艺对多晶硅表面的平坦化，达到减少多晶硅表面颗粒和划伤的目的。
5.一种化学机械抛光液，用于对多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层，包括：二氧化硅研磨颗粒、过氧基化合物、去离子水；
6.其中，所述过氧基化合物的体积百分比不小于3％且不大于10％。
7.在其中一个实施例中，所述过氧基化合物包括过氧化氢。
8.在其中一个实施例中，所述化学机械抛光液为碱性抛光液。
9.在其中一个实施例中，所述化学机械抛光液的ph值不小于9且不大于11。
10.在其中一个实施例中，化学机械抛光液还包括氢氧化钾。
11.在其中一个实施例中，所述二氧化硅研磨颗粒的粒径大于0且小于150纳米。在其中一个实施例中，所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比不小于5％且不大于10％。
12.一种化学机械研磨设备，所述化学机械研磨设备采用如上述任一项所述的化学机械抛光液进行化学机械研磨。
13.一种半导体结构的制备方法，包括：
14.提供多晶硅结构；
15.采用如上述任一项所述的化学机械抛光液对所述多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层。
16.在其中一个实施例中，所述多晶硅结构包括多晶硅基底。
17.在其中一个实施例中，所述提供多晶硅结构包括：
18.提供基底；
19.于所述基底的上表面形成介质层，并于所述介质层内形成凹槽；
20.于所述介质层的上表面形成多晶硅膜层，所述多晶硅膜层覆盖所述介质层的上表面，且填满所述凹槽；
21.其中，所述多晶硅层的上表面高于所述介质层的上表面。
22.在其中一个实施例中，所述介质层包括氮化物层、氧化物层。
23.在其中一个实施例中，对所述多晶硅结构进行减薄处理之后还包括：
24.使用dhf清洗液对减薄处理后的所述多晶硅结构进行清洗。
25.一种半导体结构，所述半导体结构采用如上述任一项所述的半导体结构的制备方法而得到。
26.在其中一个实施例中，所述半导体结构包括互补金属氧化物半导体器件、动态随机存取存储器件及金属氧化物半导体场效应晶体管中的一种。
27.上述化学机械抛光液及化学机械研磨设备中，化学机械抛光液用于对多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层，该化学机械抛光液包括二氧化硅研磨颗粒、过氧化基化合物和去离子水，其中，过氧基化合物的体积百分比不小于3％且不大于10％。在化学机械抛光对多晶硅结构进行减薄的过程中，与化学机械抛光液接触的多晶硅被过氧基化合物氧化成二氧化硅，降低了化学机械抛光液的接触角度，在去除表面活性剂的同时达到多晶硅结构表面活化的目的，提高研磨的效果，并且提高了化学机械研磨之后的清洗效果，降低了生产成本；同时，过氧基化合物可以降低化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力，从而减少多晶硅结构表面的划伤，进而得到表面颗粒及划伤较少的多晶硅层。
28.上述半导体结构及其制备方法中，使用包括二氧化硅研磨颗粒、过氧化基化合物和去离子水的化学机械抛光液对多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层，化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比不小于3％且不大于10％。在化学机械抛光对多晶硅结构进行减薄处理的过程中，与化学机械抛光液接触的多晶硅被过氧基化合物氧化成二氧化硅，降低了化学机械抛光液的接触角度，在不使用表面活性剂的同时达到多晶硅结构表面活化的目的，提高研磨的效果，并且提高了化学机械研磨之后的清洗效果，降低了生产成本；同时，过氧基化合物可以降低化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力，从而减少多晶硅结构表面的划伤，进而得到表面颗粒及划伤较少的多晶硅层，从而达到提高半导体结构的良率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为一实施例中化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力与化学机械抛光液中过氧基化合物百分比的示意图；
31.图2为图1对应的使用过氧基化合物百分比不同的化学机械抛光液获取的各多晶硅层的表面的示意图；
32.图3为一实施例中多晶硅结构的接触角度随过氧化氢百分比的变化示意图；
33.图4为一实施例中半导体结构的制备方法的流程示意图；
34.图5为一实施例中提供多晶硅结构的流程示意图；
35.图6为一实施例中形成凹槽后半导体结构的剖面示意图；
36.图7为一实施例中形成多晶硅膜层后半导体结构的剖面示意图；
37.图8为一实施例中减薄处理后半导体结构的剖面示意图；
38.图9为一实施例中形成多晶硅层后半导体结构的剖面示意图。
39.附图标记说明：
40.100、多晶硅结构；102、基底；104、介质层；106、凹槽；108、多晶硅膜层；110、多晶硅层；112、二氧化硅层；114、颗粒。
具体实施方式
41.为了便于理解本技术实施例，下面将参照相关附图对本技术实施例进行更全面的描述。附图中给出了本技术实施例的首选实施例。但是，本技术实施例可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本技术实施例的公开内容更加透彻全面。
42.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术实施例的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术实施例。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
43.在本技术实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，仅是为了便于描述本技术实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术实施例的限制。
44.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本技术的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
45.化学机械抛光工艺(cmp工艺)是一种典型的全局平坦化工艺，多晶硅为疏水性材料，在对多晶硅进行化学机械抛光时，需要使用包含非离子表面活性剂的化学机械抛光液对多晶硅的表面进行活化处理，从而降低多晶硅表面的粗糙度，减小化学机械抛光工艺过程中多晶硅的损伤，得到表面相对平整的多晶硅；在化学机械抛光工艺之后清洗去除多晶硅表面的粒子时，需要使用包含表面活性剂的清洗液来降低多晶硅表面的接触角，增加多晶硅表面与清洗液中去离子水的接触面积，即将多晶硅的表面由疏水性改为亲水性，以使清洗剂中的去离子水能更好的清除多晶硅表面的粒子。其次，在化学机械抛光过程中，由于机械力的作用，多晶硅的表面会产生刮伤，化学机械抛光过程中产生的粒子会进入这些刮
伤中，后续使用清洗液对多晶硅表面进行清洗后，得到减薄后的多晶硅表面存在刮伤，且刮伤内会有粒子残留，从而影响半导体结构的良率。
46.本技术提供一种化学机械抛光液，用于对多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层，包括：二氧化硅研磨颗粒、过氧基化合物、去离子水；其中，过氧基化合物的体积百分比不小于3％且不大于10％。
47.图1为一实施例中化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力与化学机械抛光液中过氧基化合物百分比的示意图。图2为图1对应的使用过氧基化合物百分比不同的化学机械抛光液获取的各多晶硅层的表面的示意图。具体地，该化学机械抛光液用于研磨去除一定厚度的多晶硅结构之后，得到表面平整的多晶硅层，通过使用本技术中的化学机械抛光液对多晶硅结构进行化学机械研磨处理，去除了多晶硅结构表面不平整的部分及超过预设厚度的多晶硅，预设厚度指的是需要保留的多晶硅结构的厚度，即需要得到的多晶硅层的厚度，在实际应用中，可以根据需要设置预设厚度的值。化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力与多晶硅结构表面的划伤的数量成正比，化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力越大则后续得到的多晶硅层表面的划伤的数目越多，通过过氧基化合物可以降低化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力，从而减少多晶硅结构表面的划伤，进而避免颗粒残留在划伤中，从而得到表面颗粒和划伤较少的多晶硅层，达到提高具有该多晶硅层的半导体器件的良率的目的。如图1所示，分别示出了化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比分别为0vol％、1vol％、3vol％、10vol％时，化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力随时间的变化关系，从图中可以看出，当过氧化基化合物的体积百分比大于或等于3％时，化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力明显降低，且随过氧化基化合物的百分比的增加而降低，如图2所示，分别为化学机械抛光之前、化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比为0vol％、化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比为1vol％、化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比为3vol％、化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比为7vol％化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比为10vol％时，多晶硅层表面的示意图(多晶硅层表面颗粒和划伤的整体示意图)，从图示中可以看出，化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比越高，得到的多晶硅层的表面的划伤和颗粒越少，研磨效果越好，从而消除多晶硅层表面损伤对半导体器件的良率的影响。
48.上述化学机械抛光液中，化学机械抛光液用于对多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层，该化学机械抛光液包括二氧化硅研磨颗粒、过氧化基化合物和去离子水，其中，过氧基化合物的体积百分比不小于3％且不大于10％。在化学机械抛光对多晶硅结构进行减薄的过程中，与化学机械抛光液接触的多晶硅被过氧基化合物氧化成二氧化硅，降低了化学机械抛光液的接触角度，在去除表面活性剂的同时达到多晶硅结构表面活化的目的，提高研磨的效果，并且提高了化学机械研磨之后的清洗效果，降低了生产成本；同时，过氧基化合物可以降低化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力，从而减少多晶硅结构表面的划伤。
49.在其中一个实施例中，所述过氧基化合物可以包括但不仅限于过氧化氢，例如过氧基化合物为过氧化月尿、过氧甲酸或过氧乙酸。
50.在其中一个实施例中，所述化学机械抛光液可以包括但不仅限于碱性抛光液。
51.在其中一个实施例中，所述化学机械抛光液的ph值不小于9且不大于11。
52.在其中一个实施例中，化学机械抛光液还包括氢氧化钾。
53.图3为一实施例中多晶硅结构的接触角度随过氧化氢百分比的变化示意图，示例性的，化学机械抛光液的ph值为11，如图3所示，ph值为11的包含二氧化硅的化学机械抛光液以及ph值为11的包含氢氧化钾的化学机械抛光液中，化学抛光液与多晶硅表面的接触角度均随过氧化氢百分比的增加先降低后趋于稳定值，而接触角度的降低可以增加去离子水与多晶硅表面的接触面积达到提高清洗效果的目的。使用典型的表面活性剂对多晶硅表面进行表面活化后，接触角度在38度至49度之间，使用包含去离子水的清洗剂(例如dhf)清洗之后多晶硅表面的颗粒仍具有几千颗，而是用本技术中的化学机械抛光液对多晶硅表面进行化学机械抛光之后多晶硅结构的表面被氧化成二氧化硅，二氧化硅为亲水性材料，接触角度小于5度，而不需要使用表面活性剂对多晶硅结构的表面进行活化，并且接触角度比使用表面活性剂时更小，去离子水对表面的清洗效果更好，此时，只需要使用dhf清洗剂即可将多晶硅结构表面的二氧化硅及颗粒去移除干净，同时得到表面缺陷更少的多晶硅层。
54.在其中一个实施例中，所述二氧化硅研磨颗粒的粒径大于0纳米且小于150纳米，例如，可以为5纳米、10纳米、15纳米、30纳米、50纳米、70纳米、90纳米、100纳米、120纳米、130纳米等。
55.在其中一个实施例中，所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比不小于5％且不大于10％，例如7％、8％、9％。在实际应用中，在不降低减薄后得到的多晶硅层的质量的情况下，可以选择其他研磨颗粒代替二氧化硅研磨颗粒。
56.本技术还提供一种化学机械研磨设备，所述化学机械研磨设备采用如上述任一项所述的化学机械抛光液进行化学机械研磨。
57.上述化学机械研磨设备中，化学机械抛光液用于对多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层，该化学机械抛光液包括二氧化硅研磨颗粒、过氧化基化合物和去离子水，其中，过氧基化合物的体积百分比不小于3％且不大于10％。在化学机械抛光对多晶硅结构进行减薄的过程中，与化学机械抛光液接触的多晶硅被过氧基化合物氧化成二氧化硅，降低了多晶硅结构与化学机械抛光液的接触角度，在不使用表面活性剂的同时达到表面活化的目的，提高研磨的效果，并且提高了化学机械研磨之后的清洗效果，降低了生产成本；同时，过氧基化合物可以降低化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力，从而减少多晶硅结构表面的划伤，进而得到表面颗粒及划伤较少的多晶硅层，从而达到提高半导体结构的良率。
58.图4为一实施例中半导体结构的制备方法的流程示意图，如图4所示，本技术还提供一种半导体结构的制备方法，该制备方法包括：
59.s102，提供多晶硅结构。
60.具体地，提供需要进行表面减薄处理的多晶硅结构，即提供需要整体减薄一定厚度的多晶硅结构。
61.s104，采用如上述任一项所述的化学机械抛光液对多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层。
62.具体地，采用上述任一项所述的化学机械抛光液对多晶硅结构进行减薄处理，去除多晶硅结构表面不平整的部分之后，再整体去除一定厚度的多晶硅结构后，得到由剩余多晶硅结构构成的多晶硅层，该减薄处理是对多晶硅结构整体进行的，多晶硅层比多晶硅
结构的表面平坦，且在厚度方向上存在差异。
63.上述半导体结构的制备方法中，使用包括二氧化硅研磨颗粒、过氧化基化合物和去离子水的化学机械抛光液对多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层，化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比不小于3％且不大于10％。在化学机械抛光对多晶硅结构进行减薄处理的过程中，与化学机械抛光液接触的多晶硅材料被过氧基化合物氧化成二氧化硅，降低了多晶硅结构与化学机械抛光液的接触角度，在去除表面活性剂的同时达到多晶硅结构表面活化的目的，提高了清洗效果，降低了生产成本；同时，过氧基化合物可以降低化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力，从而减少多晶硅结构表面的划伤，进而得到表面颗粒及划伤较少的多晶硅层，从而达到提高半导体结构的良率。
64.在其中一个实施例中，所述多晶硅结构包括多晶硅基底。此时，对多晶硅结构进行减薄处理之后得到的多晶硅层为表面平坦的多晶硅基底。
65.图5为一实施例中提供多晶硅结构的流程示意图，如图5所示，在其中一个实施例中，所述提供多晶硅结构包括：
66.s202，提供基底。
67.具体地，该基底可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s
‑
sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)等，也可以是表面形成有器件结构的衬底，该衬底可以为采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s
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sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)。作为示例，在本实施例中，基底的构成材料选用单晶硅。
68.s204，于所述基底的上表面形成介质层，并于所述介质层内形成凹槽。
69.图6为一实施例中形成凹槽后半导体结构的剖面示意图，如图6所示，具体地，首先，通过本领域技术人员熟知的沉积工艺例如化学气相沉积工艺、原子层沉积工艺等在基底102的上表面形成介质层104，其中，上表面指的是基底102具有器件结构或后续形成器件结构的任一个表面；其次，通过光刻刻蚀工艺在介质层104中形成凹槽106，在实际应用中，可以根据需要设置凹槽106的形状、深度、宽度、长度等，示例性的，凹槽106的为矩形、凹槽106的深度d1小于介质层104的厚度t1。
70.在其中一个实施例中，所述介质层104包括氮化物层、氧化物层，示例性的，介质层104包括氮化硅层、二氧化硅层、氮氧化硅层中的至少一种。
71.s206，于介质层上形成多晶硅膜层。
72.图7为一实施例中形成多晶硅膜层后半导体结构的剖面示意图，如图7所示，于所述介质层104的上表面形成多晶硅膜层108，所述多晶硅膜层108覆盖所述介质层104的上表面，且填满所述凹槽106，得到由基底102、介质层104、多晶硅膜层108构成的多晶硅结构100；其中，所述多晶硅层的上表面高于所述介质层104的上表面。
73.在其中一个实施例中，对所述多晶硅结构100进行减薄处理之后还包括：使用dhf清洗液对减薄处理后的所述多晶硅结构100进行清洗。图8为一实施例中减薄处理后半导体结构的剖面示意图，图9为一实施例中形成多晶硅层后半导体结构的剖面示意图，如图8、图9所示，形成多晶硅膜层108之后，使用上述任一项的化学机械抛光液对多晶结构100进行减薄处理，后得到多晶硅层110、位于多晶硅上表面的二氧化硅层112以及位于二氧化硅层112
上表面的颗粒114，其中，二氧化硅层112是由减薄处理过程中化学机械抛光液中的过氧基化合物氧化多晶硅结构100得到的较薄的氧化层，颗粒114是减薄处理过程中产生的；然后，使用dhf清洗液对减薄处理后的所述多晶硅结构100进行清洗，因二氧化硅层112为亲水性材料，dhf清洗液中的去离子水与二氧化硅层112表面的接触角较小，通过dhf清洗液可以去除颗粒114和二氧化硅层112，而不需要使用表面活性剂对减薄处理后的所述多晶硅结构100进行活化处理，然后得到上表面平坦的多晶硅层110，且多晶硅层110的上表面高于介质层104的上表面。
74.本技术还提供一种半导体结构，所述半导体结构采用如上述任一项所述的半导体结构的制备方法而得到。
75.在其中一个实施例中，所述半导体结构包括互补金属氧化物半导体器件、动态随机存取存储器件及金属氧化物半导体场效应晶体管中的一种。
76.上述半导体结构，使用包括二氧化硅研磨颗粒、过氧化基化合物和去离子水的化学机械抛光液对多晶硅结构进行减薄处理，以获取表面平坦的多晶硅层，化学机械抛光液中过氧基化合物的体积百分比不小于3％且不大于10％。在化学机械抛光对多晶硅结构进行减薄处理的过程中，与化学机械抛光液接触的多晶硅被过氧基化合物氧化成二氧化硅，降低了多晶硅结构与化学机械抛光液的接触角度，在去除表面活性剂的同时达到多晶硅结构表面活化的目的，提高研磨的效果，并且提高了化学机械研磨之后的清洗效果，降低了生产成本；同时，过氧基化合物可以降低化学机械抛光液与多晶硅结构之间的摩擦力，从而减少多晶硅结构表面的划伤，进而得到表面颗粒及划伤较少的多晶硅层，从而达到提高半导体结构的良率。
77.应该理解的是，虽然图4、图5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图4、图5中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
78.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
79.以上所述实施例仅表达了本技术实施例的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术实施例构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术实施例的保护范围。因此，本技术实施例专利的保护范围应以所附权利要求为准。