CN101870852B - 一种大尺寸硅片用化学机械抛光液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种大尺寸硅片用化学机械抛光液及其制备方法，主要应用于大尺寸半导体硅衬底片的超精密加工，能够获得纳米级超光滑表面。所述抛光液的组份和含量的重量百分比如下：二氧化硅磨料5～50；pH值调节剂1～10；表面活性剂0.01～5；助清洗剂0.01～0.05；螯合剂0.01～2：去离子水余量；所述二氧化硅以硅溶胶的状态加入。按上述组份和含量制成抛光液，在合适的抛光工艺条件下，获得了高质量的抛光表面，满足了半导体工业对硅衬底片表面质量和去除速率的要求，且本发明具有成本低、易清洗以及低腐蚀性等优点，具备很好的应用前景。

Description

一种大尺寸硅片用化学机械抛光液及其制备方法

技术领域

本发明涉及化学机械抛光技术领域，特别是一种大尺寸硅片用化学机械抛光液及其制备方法。所述大尺寸硅片是指规格为8英寸或8英寸以上的硅单晶衬底片，所述抛光液用于大尺寸硅单晶衬底片表面的超精密加工。

背景技术

随着集成电路制备技术的进步和工艺的发展，一方面，为了增大芯片产量，降低单位制造成本，要求硅衬底片的直径不断增大；另一方面，为了提高IC的集成度，要求特征线宽越来越细。目前，超大规模集成电路制造技术已经发展到了90nm和300mm时代，65nm的特征线宽技术也正在走向市场，而且45nm或更小线宽的制程也在研发当中，摩尔定律亦将持续指引着半导体制备工艺技术向更快，更小的趋势发展。

US 2009/7534277公开了一种硅片用精抛液配方，主要组成为2～10％的硅溶胶，平均粒径为30～80nm，0.5～1.5％氨水，0.2～1％羟基乙醇纤维素聚合物，0.03～0.5％脂肪醇聚氧乙烯醚非离子表面活性剂，0.01～1％季胺盐，其他为去离子水。但是没有明确抛光液pH值、最终的抛光液去除率和抛光后表面质量。

US 2008/0127573公开了一种用于硅晶圆精密抛光用配方，其中包括pH值调节剂，水溶性增稠剂，表面活性剂，杂环胺等添加剂，通过调节成分配比和磨料粒径能够显著减少硅片表面局部光散射缺陷、极大的降低雾缺陷和硅片表面的显微粗糙度。但是没有明确抛光液中各成分的浓度、各成分在抛光过程中的作用以及抛光去除率和抛光后的表面质量。

US.2001/0003672公开了一种硅片用精抛液组成，包括平均粒径20～300nm的二氧化硅磨料，质量分数0.001～0.3％的有机碱，四甲基强氧化铵(TMAH)，还有另外一种羟乙基纤维素(HEC)，分子量为1.3×10⁶，能够改善晶圆表面亲水性，有利于降低后续的清洗难度。但没有明确抛光液pH值、抛光液去除速率和抛光后表面质量。

US 4,169,337、US 4,462,188和US 4,588,421公开了一种硅片用抛光液配方，主要包括4～100nm混合物磨料颗粒，质量分数2～4％的混合有机胺(乙基乙醇胺，乙二胺，四甲基氢氧化铵等)，能够提高抛光速率。但没有明确混合颗粒的成分，抛光液pH值，以及各组分的作用和最终的抛光速率和表面质量。

现在12英寸大直径硅单晶衬底片已成为IC制造的主流技术，仅中国内地正在建或拟建的300mm FAB代工厂就有8条线，200mm的FAB厂众多，其对抛光液的需求很大，大尺寸硅片的单位制造成本增加，其良率的高低对成本起到关键作用，所以工艺的优化和抛光液性能的稳定变的异常关键。尤其是后道芯片制程，如W插塞层，大马士革Cu布线层，STI(浅沟槽隔离层)，ILD(层间介质层)，low-k层等材料用抛光液，产品质量要求高，要求抛光液选择性好，去除率稳定，但是这一领域的市场主要被美国的CABOT和DUPONT，日本的FUJIMI等国外公司掌控，并且各家公司对抛光液制备技术进行了严密的保护。虽然国内近几年来也出现了数家抛光液的研发及生产企业，但总体来说，还没有一家公司的产品能够取代进口产品，在国内市场占有一席之地。因此立足于满足国内半导体行业需求，紧跟CMP领域的前瞻课题，开发拥有自主知识产权的新产品，满足不同客户和不同技术水平要求的抛光液，对我国发展半导体高新技术企业，摆脱对进口产品的依赖，具有重要的战略意义。

综上所述，对于开发大尺寸硅片用高效抛光液，满足现代半导体行业要求的高去除率和低损伤等要求，满足国内半导体行业要求。本发明正是鉴于此需求，通过一系列硅单晶片抛光实验，确定了最佳的大直径硅单晶片抛光液配方。

发明内容

本发明的目的是提供一种大尺寸硅片用化学机械抛光液及其制备方法，以满足现代半导体工业对硅单晶衬底片表面抛光的质量要求和去除速率要求，具有成本低、易清洗以及低腐蚀性的优点。所述大尺寸硅片是指规格为8英寸或8英寸以上的硅单晶衬底片，所述抛光液用于大尺寸硅单晶衬底片表面超精密加工。

本发明的技术方案是：

一种大尺寸硅片用化学机械抛光液，其特征在于，所述抛光液的组份和含量的重量百分比如下：二氧化硅磨料5～50；pH值调节剂1～10；表面活性剂0.01～5；助清洗剂0.01～0.05；螯合剂0.01～2；去离子水余量；所述二氧化硅以硅溶胶的状态加入。

所述硅溶胶是指磨料粒径为30～150nm，磨料固含量为1～50％的二氧化硅溶胶，所述二氧化硅溶胶的pH值为10.5±0.5。

所述pH值调节剂包括无机碱pH值调节剂和有机碱pH值调节剂，无机碱pH值调节剂和有机碱pH值调节剂的比例为1∶1～1∶8。

所述无机碱pH值调节剂是浓度为40％的KOH溶液，所述有机碱pH值调节剂是片状无水哌嗪晶体。

所述有机碱pH值调节剂是有机胺碱，所述有机胺碱是指乙二胺、哌嗪、三乙胺、氢氧化四甲基胺和氢氧化四乙基胺中的一种或两种以上的组合。

所述表面活性剂为非离子表面活性剂，所述非离子表面活性剂是指醚醇类活性剂。

所述醚醇类活性剂为乙二醇，聚乙二醇，脂肪醇聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚或阴离子聚丙烯酸盐。

所述螯合剂为有机含氮化合物，所述有机含氮化合物是指哌嗪、乙二胺、三乙醇胺、氢氧化四乙基胺中的一种或两种以上的组合。

所述助清洗剂为异丙醇。

大尺寸硅片用化学机械抛光液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取一定量去离子水，向其中加入有机碱pH值调节剂，配制质量分数为1～10％的溶液；

(2)在搅拌的条件下，向上述溶液中加入0.01～5％的非离子表面活性剂；

(3)在搅拌的条件下，向其中加入0.01～0.05％的助清洗剂；

(4)在搅拌的条件下，向其中加入0.01～2％螯合剂和0.01～0.03％无机碱pH值调节剂；

(5)在搅伴的条件下，向其中加入粒径30～150nm，浓度1～50％，pH＝10.5±0.5的硅溶胶，最后得到pH值为11.50±0.20的大尺寸硅片用化学机械抛光液。

本发明的技术效果：

1.选用纳米二氧化硅溶胶作为抛光液磨料，其特征是pH范围10～11，粒径30～150nm，硬度低，分散度小，提高了抛光表面的一致性，能够达到高去除速率、高平整、低损伤。

2.选用复合碱做pH值调节剂，包括无机碱KOH和有机胺碱，KOH能够增强抛光液的化学作用，有机胺碱能够很好的保持溶液的pH值稳定，确保化学作用的一致稳定，从而实现抛光速率的稳定，同时还能起到络合剂的作用，有助于抛光产物从晶体表面脱离，提高了抛光效率。

3.选用非离子表面活性剂，增强了高低选择比，大大降低了表面张力、减少了损伤层，提高了质量传输速率，增强了运输过程，达到高平整、低粗糙度表面。

4.选用有机含氮化合物做为金属离子螯合剂，降低金属离子玷污的危险。

5.加入了一种清洗助剂异丙醇，有助于减少颗粒吸附，降低了后期清洗成本。

6.本发明提供的抛光液为pH值为11.50±0.20的碱性抛光液，对抛光设备无腐蚀，对环境无污染，储存时间长，抛光一致性好。

7.制作工艺简单，制作成本低，能够满足半导体行业对硅单晶片表面质量和去除速率的要求，具备良好的商业开发前景。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在实施例范围之中。

一种大尺寸硅片用化学机械抛光液，抛光液的组份和含量的重量百分比如下：二氧化硅磨料5～50；pH值调节剂1～10；表面活性剂0.01～5；助清洗剂0.01～0.05；螯合剂0.01～2；去离子水余量；所述二氧化硅以硅溶胶的状态加入。

本发明所述的硅溶胶是指磨料粒径为30～150nm，磨料固含量为1～50％的二氧化硅溶胶，所述二氧化硅溶胶的pH值为10.5±0.5。

本发明所述的pH值调节剂包括无机碱pH值调节剂和有机碱pH值调节剂，无机碱pH值调节剂和有机碱PH值调节剂的比例为1∶1～1∶8。

本发明所述的无机碱pH值调节剂是浓度为40％的KOH溶液，有机碱pH值调节剂是片状无水哌嗪晶体。

本发明所述的有机碱pH值调节剂还可以是有机胺碱，有机胺碱是指乙二胺、哌嗪、三乙胺、氢氧化四甲基胺和氢氧化四乙基胺中的一种或两种以上的组合。

本发明所述的表面活性剂为非离子表面活性剂，非离子表面活性剂是指醚醇类活性剂，如乙二醇，聚乙二醇，脂肪醇聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚或阴离子聚丙烯酸盐。

本发明所述的螯合剂为有机含氮化合物，有机含氮化合物是指哌嗪、乙二胺、三乙醇胺、氢氧化四乙基胺中的一种或两种以上的组合。

本发明所述的助清洗剂为硅片清洗技术中常用到的异丙醇(IPA)。

本发明大尺寸硅片用化学机械抛光液的制备方法，包括以下步骤：

(1)取一定量去离子水，向其中加入有机碱pH值调节剂，配制质量分数为1～10％的溶液；

(2)在搅拌的条件下，向上述溶液中加入0.01～5％的非离子表面活性剂；

(3)在搅拌的条件下，向其中加入0.01～0.05％的助清洗剂；

(4)在搅拌的条件下，向其中加入0.01～2％螯合剂和0.01～0.03％无机碱pH值调节剂；

(5)在搅伴的条件下，向其中加入粒径30～150nm，浓度1～50％，pH＝10.5±0.5的硅溶胶，最后得到pH值为11.50±0.20的大尺寸硅片用化学机械抛光液。

实施例1：化学机械抛光液配制

取去离子水2000g，向其中依次加入370g哌嗪，555g乙二醇，4g异丙醇，搅拌均匀，全部溶解后，再加入45g乙二胺和10g40％的KOH溶液，搅拌均匀，最后加入粒径50～80nm，浓度30％的二氧化硅溶胶8400g，搅拌均匀后制的硅单晶衬底抛光液，按1∶9体积比稀释后直接上机实验。

抛光实验：

在AMAT Refelxion LK机台上，对300mm硅片(100)进行试验，抛光垫选用Rhom&HaasIC1010，抛光压力为3psi，抛光盘转速121转/min，抛光液流量300ml/min的条件下，获得了高质量的抛光表面，Ra＝0.683nm(2μm×2μm)，去除速率RR＝1.74μm/min，满足了半导体工业对硅单晶衬底片表面质量和去除速率的要求。

实施例2：化学机械抛光液配制

取去离子水2000g，向其中依次加入370g哌嗪，555g乙二醇，4g异丙醇，搅拌均匀，全部溶解后，再加入45g乙二胺和10g40％的KOH溶液，搅拌均匀，最后加入粒径30～50nm，浓度30％的二氧化硅溶胶8400g，搅拌均匀后制的硅单晶衬底抛光液，按1∶19的体积比稀释后直接上机实验。

抛光实验：

在AMAT Refelxion LK机台上，对300mm硅片(100)进行试验，抛光垫选用Rhom&HaasIC1010，抛光压力为2psi，抛光盘转速121转/min，抛光液流量300ml/min的条件下，获得了高质量的抛光表面，Ra＝0.642nm(2μm×2μm)，去除速率RR＝1.59μm/min，满足了半导体工业对硅单晶衬底片表面质量和去除速率的要求。

实施例3：化学机械抛光液配制

取去离子水2000g，向其中依次加入370g哌嗪，555g乙二醇，4g异丙醇，搅拌均匀，全部溶解后，再加入45g乙二胺和10g40％的KOH溶液，搅拌均匀，最后加入粒径50～80nm，浓度30％的二氧化硅溶胶8400g，搅拌均匀后制的硅单晶衬底抛光液，按1∶24的体积比稀释后直接上机实验。

抛光实验：

在AMAT Refelxion LK机台上，对300mm硅片(100)进行试验，抛光垫选用Rhom&HaasIC1010，抛光压力为3psi，抛光盘转速121转/min，抛光液流量300ml/min的条件下，获得了高质量的抛光表面，Ra＝0.581nm(2μm×2μm)，去除速率RR＝1.42μm/min，满足了半导体工业对硅单晶衬底片表面质量和去除速率的要求。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种大尺寸硅片用化学机械抛光液，其特征在于，所述抛光液的组份和含量的重量百分比如下：二氧化硅磨料5～50；pH值调节剂1～10；表面活性剂0.01～5；助清洗剂0.01～0.05；螯合剂0.01～2；去离子水余量；所述二氧化硅以硅溶胶的状态加入； 

所述硅溶胶是指磨料粒径为30～150nm，磨料固含量为1～50%的二氧化硅溶胶，所述二氧化硅溶胶的pH值为10.5±0.5； 

所述pH值调节剂包括无机碱pH值调节剂和有机碱pH值调节剂，无机碱pH值调节剂和有机碱pH值调节剂的比例为1：1～1：8； 

所述表面活性剂为非离子表面活性剂，所述非离子表面活性剂是指醚醇类活性剂；所述螯合剂为有机含氮化合物；所述助清洗剂为异丙醇；且所述大尺寸硅片用化学机械抛光液的pH值为11.50±0.20。 

2.根据权利要求1所述的大尺寸硅片用化学机械抛光液，其特征在于，所述无机碱pH值调节剂是浓度为40%的KOH溶液，所述有机碱pH值调节剂是片状无水哌嗪晶体。 

3.根据权利要求1所述的大尺寸硅片用化学机械抛光液，其特征在于，所述有机碱pH值调节剂是有机胺碱,所述有机胺碱是指乙二胺、哌嗪、三乙胺、氢氧化四甲基铵和氢氧化四乙基铵中的一种或两种以上的组合。 

4.根据权利要求1所述的大尺寸硅片用化学机械抛光液，其特征在于，所述醚醇类活性剂为乙二醇，聚乙二醇，脂肪醇聚氧乙烯醚或烷基酚聚氧乙烯醚。 

5.根据权利要求1所述的大尺寸硅片用化学机械抛光液，其特征在于，所述有机含氮化合物是指哌嗪、乙二胺、三乙醇胺、氢氧化四乙基铵中的一种或两种以上的组合。 

6.大尺寸硅片用化学机械抛光液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）取一定量去离子水，向其中加入有机碱pH值调节剂，配制质量分数为1～10%的溶液； 

（2）在搅拌的条件下，向上述溶液中加入0.01～5%的非离子表面活性剂；所述非离子表面活性剂是指醚醇类活性剂； 

（3）在搅拌的条件下，向其中加入0.01～0.05%的助清洗剂；所述助清洗剂为异丙醇； 

（4）在搅拌的条件下，向其中加入0.01～2%螯合剂和0.01～0.03%无机碱pH调节剂； 

所述螯合剂为有机含氮化合物； 

（5）在搅拌的条件下，向其中加入粒径30～150nm，浓度1～50%，pH=10.5±0.5的硅溶胶，最后得到pH值为11.50±0.20的大尺寸硅片用化学机械抛光液。