一种氧化铈晶体的制备方法及其CMP抛光应用

摘要

本发明的目的是提供一种氧化铈晶体的制备方法，该方法首先通过两步沉淀制备碳酸铈，进一步高温焙烧所得碳酸铈得到氧化铈，制备的氧化铈颗粒具有均一的颗粒尺寸，通过机械力易于将氧化铈颗粒分散于液相；以该分散氧化铈为磨料的CMP抛光液，在STI抛光应用中显示出优良的平坦化抛光效率。

权利要求

1.一种氧化铈晶体的制备方法，该制备方法包括：步骤一：向添加有机添加剂的铈源水溶液中添加碱性沉淀剂，沉淀得到氢氧化铈；

步骤二：向步骤一中的沉淀混合物中鼓泡加入二氧化碳，沉淀得到碱式碳酸铈；

步骤三：收集步骤二中的所述碱式碳酸铈，高温焙烧所述碱式碳酸铈，获得氧化铈晶体。

2.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤一中，所述铈源水溶液可以为硝酸铈、氯化铈、醋酸铈中一种或多种水溶液。

3.如权利要求1所述的制备方法，其中，以铈离子计，所述铈源水溶液的摩尔浓度为

0.05M～1.0M。

4.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述碱性沉淀剂为氨水或氢氧化钠中一种或多种。

5.如权利要求1所述的制备方法，其中，在所述步骤一中，所述有机添加剂为高分子聚合物。

6.如权利要求5所述的制备方法，其中，所述高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇或聚乙烯醇中一种或多种。

7.如权利要求1所述的制备方法，其中，在所述步骤一中，所述有机添加剂平均分子量为1000-10000。

8.如权利要求1所述的制备方法，其中，在所述步骤一中，所述铈源与有机添加剂的摩尔比为1.0:1.0～10.0:1.0。

9.如权利要求1所述的制备方法，其中，在所述步骤一中，温度范围为20℃-60℃，沉淀终点pH为8.5-12.0。

10.如权利要求1所述的制备方法，其中，在所述步骤二中，温度范围为80℃-100℃，反应终点pH为6.5-8.5。

11.如权利要求1所述的制备方法，在所述步骤三中，焙烧温度为400-900℃，焙烧时间为0.5-10小时。

12.一种抛光液，包括如权利要求1-11任一项制备得到的氧化铈晶体。

说明书

一种氧化铈晶体的制备方法及其CMP抛光应用

技术领域

[0001] 本发明公开了氧化铈晶体的制备方法，尤其涉及一种应用于STI抛光浆料中的氧化铈研磨颗粒的制备方法。

背景技术

[0002] 氧化铈是近年来广受关注的一种化学机械抛光磨料，这主要是由于其对二氧化硅的高抛光活性，并且在较低的固含量下即可达到高的抛光效果。因此，以氧化铈为磨料的化学机械抛光液在性能和成本上相比于传统的氧化硅或氧化铝材料具有更大的应用前景和市场优势。

[0003] 目前，氧化铈作为磨料应用于浅沟槽隔离(STI)工艺抛光研究已有大量报道，如专利201310495424.5报道了一种用于浅沟槽隔离(STI)工艺的化学机械抛光(CMP)组合物，组合物以氧化铈为磨料，抛光要求达到高的氧化硅/氮化硅抛光选择比；专利200510069987.3报道了一种化学机械抛光浆料及抛光基板的方法，所涉及抛光薄膜为氧化硅层，要求对氧化硅具有高的抛光速率和低的缺陷产生，对氮化硅显示低的抛光速率，从而达到高的氧化硅/氮化硅抛光选择比。以上报道专利均通过选取合适的化学添加剂实现抛光液的抛光要求。但是，当以氧化铈作为磨料，其自身的颗粒特性对抛光效果的影响至关重要。如在STI抛光应用中，有文献报道氧化铈颗粒尺寸、形貌特征对抛光过程中缺陷的产生和抛光速率选择比均有着重要影响。目前，基于STI抛光应用需求的氧化铈磨料特性控制合成相关研究报道较少。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种氧化铈晶体的制备方法，该方法首先通过两步沉淀制备碳酸铈，进一步高温焙烧所得碳酸铈得到氧化铈，制备的氧化铈颗粒具有均一的颗粒尺寸，通过机械力易于将氧化铈颗粒分散于液相；以该分散氧化铈为磨料的CMP抛光液，在STI抛光应用中显示出优良的平坦化抛光效率。

[0005] 本发明的一方面在于提供一种氧化铈晶体的制备方法，该制备方法包括：

[0006] 步骤一：向添加有机添加剂的铈源水溶液中添加碱性沉淀剂，沉淀得到氢氧化铈；

[0007] 步骤二：向步骤一中的沉淀混合物中鼓泡加入二氧化碳，沉淀得到碱式碳酸铈；

[0008] 步骤三：收集步骤二中的所述碱式碳酸铈，高温焙烧所述碱式碳酸铈，获得氧化铈晶体。

[0009] 在前述步骤一中，铈源水溶液可以为硝酸铈、氯化铈、醋酸铈中一种或多种水溶液。铈源水溶液(以铈离子计)的摩尔浓度为0.05M～1.0M在范围之间。

[0010] 在前述步骤一中，所述碱性沉淀剂无特殊限定，可以为氨水或氢氧化钠中一种或多种，对碱性沉淀剂浓度无特殊要求，其摩尔浓度优选地在0.01M-1.0M范围之间。

[0011] 在前述步骤一中，所述有机添加剂可以为高分子聚合物，如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)或聚乙烯醇(PVA)中一种或多种，优选为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，所述有机添加剂平均分子量为1000-10000。且有机添加剂的浓度需满足铈源与有机添加剂的摩尔比为1.0:1.0～10.0:1.0。

[0012] 在前述步骤一中，沉淀反应温度无特殊要求，优选温度范围为20℃-60℃，沉淀终点pH为8.5-12.0，反应结束后保温搅拌30分钟。

[0013] 在前述步骤二中，温度范围为80℃-100℃，反应终点pH为6.5-8.5，反应结束后，继续保温搅拌0.5-10小时。

[0014] 优选地，将步骤二中获得的研磨颗粒经纯水洗涤3次后，进行焙烧。焙烧温度为400-900℃，焙烧时间为0.5-10小时，得到氧化铈晶体。

[0015] 优选地，对所合成氧化铈晶体进一步经分散处理，所述分散处理过程无特殊限定，可以是机械研磨如球磨、气流粉碎等，分散过程中可以添加有机分散剂，所述有机分散剂可以为聚丙烯酸及其盐类。

[0016] 本发明的另一方面，还在于提供一种抛光液，其包括了以上方法所制备得到的氧化铈晶体，抛光液的配方可为本领域的常规配方，属于本领域技术人员的常规知识。

[0017] 本发明所合成氧化铈晶体可应用于STI抛光领域，可以达到较高的TEOS抛光速率和TEOS/SiN抛光选择比。

具体实施方式

[0018] 下面通过具体实施例进一步阐述本发明的优点，但本发明的保护范围不仅仅局限于下述实施例。

[0019] 本发明所用试剂及原料均市售可得。

[0020] 实施例1

[0021] 在室温条件下，首先将0.05mol PVP(平均分子量为10000)溶于1L去离子水中，称取0.05mol硝酸铈溶解于上述PVP水溶液，在搅拌条件下向上述混合溶液中添加浓度为0.05M氨水，得到沉淀浑浊液，沉淀反应过程温度为20℃；通过检测混浊液pH值控制沉淀终点，到沉淀pH达到8.5时，停止添加氨水，继续搅拌30分钟；将上述沉淀混合液加热升温至100℃，并向沉淀混合液中鼓泡加入二氧化碳气体，同时搅拌混合液，当混合液pH达到
6.5时，停止鼓泡，继续保温搅拌10小时水热晶化反应，将所得沉淀物经纯水洗涤3次后、过滤得到滤饼烘干后得到碳酸铈粉体；所得碳酸铈粉体进一步在400℃静态空气中焙烧10小时，冷却后得到氧化铈粉体；通过添加0.01％聚丙烯酸作为分散剂，对所得氧化铈粉体进行球磨分散处理，通过控制球磨分散时间，得到可应用于STI抛光的氧化铈磨料。

[0022] 实施例2

[0023] 在室温条件下，首先将0.1mol PVA(平均分子量为1000)溶于1L去离子水中，分别称取1.0mol醋酸铈溶解于上述PVA水溶液，在搅拌条件下向上述混合溶液中添加浓度为1.0M氨水，得到沉淀浑浊液，沉淀反应过程温度为60℃；通过检测混浊液pH值控制沉淀终点，到沉淀pH达到12.0时，停止添加氨水，继续搅拌30分钟；将上述沉淀混合液加热升温至80℃，并向沉淀混合液中鼓泡加入二氧化碳气体，同时搅拌混合液，当混合液pH达到8.5时，停止鼓泡，继续保温搅拌10小时水热晶化反应，将所得沉淀物经纯水洗涤3次后、过滤得到滤饼烘干后得到碳酸铈粉体；所得碳酸铈粉体进一步在900℃静态空气中焙烧0.5小时，冷却后得到氧化铈粉体；通过添加聚丙烯酸作为分散剂，对所得氧化铈粉体进行球磨分散处理，通过控制球磨分散时间，得到可应用于STI抛光的氧化铈磨料。

[0024] 实施例3

[0025] 在室温条件下，首先将0.25mol PEG(平均分子量为3000)溶于1L去离子水中，称取0.5mol醋酸铈溶解于上述PEG水溶液，在搅拌条件下向上述混合溶液中添加0.5M的氢氧化钠，得到沉淀浑浊液，沉淀反应过程温度为30℃；通过检测混浊液pH值控制沉淀终点，到沉淀pH达到9.5时，停止添加氢氧化钠溶液，继续搅拌30分钟；将上述沉淀混合液加热升温至100℃，并向沉淀混合液中鼓泡加入二氧化碳气体，同时搅拌混合液，当混合液pH达到7.0时，停止鼓泡，继续保温搅拌6.5小时水热晶化反应，将所得沉淀物经纯水洗涤3次后、过滤得到滤饼烘干后得到碳酸铈粉体；所得碳酸铈粉体进一步在600℃静态空气中焙烧4小时，冷却后得到氧化铈粉体；通过添加聚丙烯酸作为分散剂，对所得氧化铈粉体进行球磨分散处理，通过控制球磨分散时间，得到可应用于STI抛光的氧化铈磨料。

[0026] 实施例4

[0027] 在室温条件下，首先将0.25mol PVP(平均分子量为4000)溶于1L去离子水中，称取0.5mol氯化铈溶解于上述PVP水溶液，在搅拌条件下向上述混合溶液中添加0.25M的氢氧化钠，得到沉淀浑浊液，沉淀反应过程温度为60℃；通过检测混浊液pH值控制沉淀终点，到沉淀pH达到10.5时，停止添加氢氧化钠溶液，继续搅拌30分钟；将上述沉淀混合液加热升温至100℃，并向沉淀混合液中鼓泡加入二氧化碳气体，同时搅拌混合液，当混合液pH达到8.0时，停止鼓泡，继续保温搅拌0.5小时水热晶化反应，将所得沉淀物经纯水洗涤3次后、过滤得到滤饼烘干后得到碳酸铈粉体；所得碳酸铈粉体进一步在700℃静态空气中焙烧3小时，冷却后得到氧化铈粉体；通过添加聚丙烯酸作为分散剂，对所得氧化铈粉体进行球磨分散处理，通过控制球磨分散时间，得到可应用于STI抛光的氧化铈磨料。

[0028] 实施例效果

[0029] 分别用上述实施例中1-4制备得到的氧化铈为磨料，通过添加0.5％含量的PAA(分子量为4000)，配置为氧化铈固含量为0.5％，pH为5.0的抛光液浆料，并测试上述实施例对应抛光液的抛光速率和抛光选择比。

[0030] 分别用上述实施例中1-4配制的抛光液对空白晶片进行抛光，抛光条件相同，抛光参数如下：Logitech抛光垫，向下压力3psi，转盘转速/抛光头转速＝60/80rpm，抛光时间60s，化学机械抛浆料流速100mL/min。抛光所用晶圆切片均由市售(例如美国SVTC公司生产的)8英寸镀膜晶圆切片而成。抛光所用的金属薄膜晶圆切片上金属薄膜层厚度由NAPSON公司生产的RT-7O/RG-7B测试仪测得，TEOS和SiN的薄膜厚度由TEOS NANO Matrics公司生产的RT-7O/RG-7B测试仪测得。用抛光前后测得的厚度差值除以抛光耗用时间即得金属薄膜去除速率，抛光时间为1分钟。

[0031] 表1为抛光测试结果，结果表明，所合成氧化铈磨料可以达到较高的TEOS抛光速率和TEOS/SiN抛光选择比，所制备的氧化铈具有良好的STI抛光应用特性。

[0032] 表1 本发明的化学机械抛光液实施例抛光效果

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