CN102031064A - 具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，按照重量百分比包括下列组分：二氧化硅磨料25-40wt%，酸式盐0.1-0.6wt%，pH调节剂0.1-3.0wt%，碱性螯合剂0.01-0.8wt%，余量为水，本发明具有如下技术效果：1)选用科学合理的缓冲体系，不盲目提高抛光液的pH，抛光过程中PH值变化幅度小，抛光后，硅片表面质量较好，没有表面划伤以及其他缺陷；2)在配制抛光液时，增加自主研发的螯合剂后可增加抛光液的抛光速率并提高了抛光液的缓冲能力，使得循环使用过程中PH值仅下降0.2-0.25；3)抛光液配制工艺简单，易操作，适于工业生产；可降低抛光液的使用成本。

Description

具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液

技术领域

本发明涉及一种化学机械抛光液，尤其涉及一种对集成电路硅衬底用具有特殊缓冲体系的化学机械抛光液。

背景技术

目前，硅晶片作为半导体基体广泛应用于半导体行业中，半导体芯片大部分都是硅晶片。为了满足光刻工艺的平坦化要求，化学机械抛光(CMP)技术逐渐发展与成熟，最早出现于20世纪80年代中期。CMP技术已经发展成为以化学机械抛光机为主体，集在线检测、终点检测、清洗、甩干等技术于一体的化学机械平坦技术，是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物。随着200nm向300nm乃至更大直径的过渡，生产效率的提高、成本的降低、衬底全局平坦化所必需的是CMP技术的更快发展。

CMP技术的现状是随着IC器件的进一步高密度化、微细化和高速化，所使用的介质材料和金属种类越来越多，如高介质材料和金属种类越来越多。为了晶圆片表面的平坦化，必须对介质和金属进行化学机械抛光，对于0.25微米以下的集成电路，需要进行10次以上的化学机械抛光。

抛光是硅晶片切片后，对经过研磨工序后对硅晶圆表面进行化学机械磨削作用，是硅片加工技术中必要的基本工序。CMP是化学作用和机械作用的相互结合的一种方法。其基本原理是硅片表面与抛光液中碱的化学腐蚀反应可生成可溶性的硅酸盐，通过细而软、带有负电荷的二氧化硅胶粒的吸附作用，同时，与抛光布之间的机械摩擦作用及时去除反应物。

目前现有的抛光液存在的主要问题是材料去除率较低、循环使用寿命短，而循环使用寿命短的主要表现则为在经长时间抛光后抛光液的PH值下降很快。有些制造商为了达到高去除率的目的而盲目地直接提高抛光液的pH值，虽然使得抛光速率有了一定的提高，但是造成的结果是硅晶片表面存在较多的腐蚀坑，化学作用过强，导致表面质量下降，对于晶圆的下一步工序产生了较大的影响。并且，有些抛光液不能稀释使用，随着抛光时间的增长，抛光液的pH会出现明显的下降趋势。另外，在现有技术的报道中，可循环使用的抛光液，在循环使用10次后，pH值下降0.3-0.4。许多制造商采用较大粒径的硅溶胶作为抛光液的磨料，导致了抛光损伤层的增加和表面划伤的增加。并且，这也将导致抛光液本身的成本相对较高，不能满足集成电路平坦化的要求。

因此，如何能够开发出抛光液成本较低、抛光速率较高、循环使用寿命长、抛光后晶圆表面质量较好，并能够满足集成电路平坦化要求的抛光液，是目前CMP技术中急待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液。

本发明的具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，按照重量百分比包括下列组分：二氧化硅磨料25-40wt％，酸式盐0.1-0.6wt％，pH调节剂0.1-3.0wt％，碱性螯合剂0.01-0.8wt％，余量为水，

其中，

所说的二氧化硅磨料采用粒径60-80nm，浓度为40-50wt％的二氧化硅溶胶；

所说的酸式盐为有机酸式盐或无机酸式盐；

所说的pH调节剂为有机胺或无机碱；

所说的碱性螯合剂按照重量百分比包括下列组分：四甲基氢氧化铵15wt％，纯水10wt％，羟乙基乙二胺48wt％，二乙烯三胺10wt％，乙醇胺15wt％，EDTA-2Na 2wt％。

优选地，

所说的有机酸式盐选自乙醇钠、聚丙烯酸钠、直链十二烷基苯磺酸钠或柠檬酸钠；

所说的无机酸式盐为碳酸氢钠、四硼酸钠或磷酸氢二钠；

所说的有机胺选自羟乙基乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、乙醇胺和AMP-95中的一种或几种；

所说的无机碱为NaOH或KOH。

本发明的具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，pH值为10.8-12.5之间，磨料粒径为60-80nm，在抛光液连续循环使用12次后，pH值下降值为0.2-0.25之间。抛光液经以30倍去离子水高稀释比稀释后，抛光速率仍可为1μm/min。

本发明的具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液的成分的选择基于下列理由：

首先，选用中等粒径硅溶胶作为磨料，该粒径范围的硅溶胶能够有效保证抛光后硅片的较好的表面质量，但这只是保证硅片较好表面质量的一个方面。

然后，所加入PH调节剂，能够将抛光液中多余的OH^-贮存，使抛光液的pH值不至于过高，避免了抛光初始时由于PH值过大对硅片造成的腐蚀；且加入自主研发的碱性螯合剂后，一方面可有效的降低抛光液中金属离子含量，另一方面可提供一小部分有机胺的作用，起到辅助增加抛光液缓冲能力的作用，增强了抛光液储存OH^-的能力，使得由本方法配制的抛光液在循环使用12次后，PH值下降范围为0.2-0.25。这较小的PH值下降范围可无形之中增加了抛光液的使用寿命，降低抛光液的使用成本。

最后，在抛光液中加入一定量的酸式盐后，可使抛光后的产物更为迅速的离开硅晶片的表面，对硅晶片的抛光速率有一定的促进作用，另外，经高倍显微镜观察得到加入一定量的酸式盐后，可进一步降低硅晶片表面粗糙度。

本发明具有如下技术效果：

1)选用科学合理的缓冲体系，不盲目提高抛光液的pH，抛光过程中PH值变化幅度小，抛光后，硅片表面质量较好，没有表面划伤以及其他缺陷；

2)在配制抛光液时，增加自主研发的螯合剂后可增加抛光液的抛光速率并提高了抛光液的缓冲能力，使得循环使用过程中PH值仅下降0.2-0.25；

3)抛光液配制工艺简单，易操作，适于工业生产；可降低抛光液的使用成本。

具体实施方式

下面结合具体实施方式来对本发明作进一步地详细说明。

实施例1

配置100g具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，组分和重量百分比如下：

配置方法：

取粒径为65nm 40wt％二氧化硅溶胶62.5g，加入5wt％的氢氧化钠水溶液、乙醇胺、二乙烯三胺、AMP-95、碱性螯合剂和柠檬酸钠，混合搅拌而成，所配抛光液的PH为11.60。

在使用该抛光液时，先把所配制的抛光液和去离子水的配比为1∶15，对检查合格后的硅片进行抛光实验，将抛光硅片粘贴在兰州瑞德大型单面抛光机的抛光盘上，将粘有硅片的抛光盘固定在机器抛头上，将抛光压力控制在1.8kPa左右，控制上抛光盘转速为60rpm，抛光液流量为200ml/min，

实验效果分析：利用上述抛光液，与去离子水按1∶15稀释，在上述条件下，以恒定速率抛光硅片40分钟。抛光液循环使用次数为12次，PH值下降0.2。通过500倍显微镜检测硅片表面，测量结果无划伤，测量抛光前后的硅片厚度，除以抛光时间，得到去除速率大小为1.18μm/min。而将上述配置抛光液中所添加物质碱性螯合剂换成是0.2gEDTA-2Na后，抛光速率则明显偏低，仅为0.98μm/min，且在循环使用12次后，PH下降0.5。

实施例2：

配置100g具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，组分和重量如下：

配置方法：

取粒径为60nm 40wt％二氧化硅溶胶90g，加入5wt％的氢氧化钾水溶液、四甲基氢氧化铵、羟乙基乙二胺、AMP-95、碱性螯合剂和乙醇钠，混合搅拌而成，所配抛光液的PH为11.52。

在使用该抛光液时，先把所配制的抛光液和去离子水的配比为1∶20，对检查合格后的硅片进行抛光实验，将抛光硅片粘贴在兰州瑞德大型单面抛光机的抛光盘上，将粘有硅片的抛光盘固定在机器抛头上，将抛光压力控制在1.8kPa左右，控制上抛光盘转速为60rpm，抛光液流量为200ml/min，

实验效果分析：利用上述抛光液，与去离子水按1∶20稀释，在上述条件下，以恒定速率抛光硅片40分钟。抛光液循环使用次数为12次，PH值下降0.24。通过500倍显微镜检测硅片表面，测量结果无划伤，测量抛光前后的硅片厚度，除以抛光时间，得到去除速率大小为1.22μm/min。而将上述配置抛光液中所添加物质碱性螯合剂换成是0.2g二乙烯三胺后，抛光速率则有小幅偏低，为1.10μm/min。且在循环使用12次后，PH下降0.35。

实施例3：

配置100g具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，组分和重量如下：

配置方法：

取粒径为70nm 50wt％二氧化硅溶胶80g，加入5wt％的氢氧化钠水溶液、乙醇胺、二乙烯三胺、AMP-95、g碱性螯合剂和十二烷基苯磺酸钠，混合搅拌而成，所配抛光液的PH为11.65之间。

在使用该抛光液时，先把所配制的抛光液和去离子水的配比为1∶25，对检查合格后的硅片进行抛光实验，将抛光硅片粘贴在兰州瑞德大型单面抛光机的抛光盘上，将粘有硅片的抛光盘固定在机器抛头上，将抛光压力控制在1.8kPa左右，控制上抛光盘转速为60rpm，抛光液流量为200ml/min；

实验效果分析：利用上述抛光液，与去离子水按1∶25稀释，在上述条件下，以恒定速率抛光硅片40分钟。抛光液循环使用次数为12次，PH值下降0.25。通过500倍显微镜检测硅片表面，测量结果无划伤，测量抛光前后的硅片厚度，除以抛光时间，得到去除速率大小为1.10μm/min。而将上述配置抛光液中所添加物质碱性螯合剂换成是0.2g羟乙基乙二胺后，抛光速率则有小幅偏低，为0.96μm/min，且在循环使用12次后，PH下降0.4。

实施例4：

配置100g具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，组分和重量如下：

配置方法：

取粒径为80nm 40wt％二氧化硅溶胶75g，加入5wt％的氢氧化钾水溶液、羟乙基乙二胺、三乙烯四胺、AMP-95、碱性螯合剂和碳酸氢钠，混合搅拌而成，所配抛光液的PH为11.6之间。

在使用该抛光液时，先把所配制的抛光液和去离子水的配比为1∶25，对检查合格后的硅片进行抛光实验，将抛光硅片粘贴在兰州瑞德大型单面抛光机的抛光盘上，将粘有硅片的抛光盘固定在机器抛头上，将抛光压力控制在1.8kPa左右，控制上抛光盘转速为60rpm，抛光液流量为200ml/min，

实验效果分析：利用上述抛光液，与去离子水按1∶25稀释，在上述条件下，以恒定速率抛光硅片40分钟。抛光液循环使用次数为12次，PH值下降0.2。通过500倍显微镜检测硅片表面，测量结果无划伤，测量抛光前后的硅片厚度，除以抛光时间，得到去除速率大小为1.11μm/min。而将上述配置抛光液中所添加物质碱性螯合剂换成是0.2gFA/O螯合剂后，抛光速率则有小幅偏低，为1.06μm/min，且在循环使用12次后，PH下降0.6。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，其特征在于，按照重量百分比包括下列组分：二氧化硅磨料25-40wt%，酸式盐0.1-0.6wt%，pH调节剂0.1-3.0wt%，碱性螯合剂0.01-0.8wt%，余量为水，

其中，

所说的二氧化硅磨料采用粒径60-80nm，浓度为40-50wt%的二氧化硅溶胶；

所说的酸式盐为有机酸式盐或无机酸式盐；

所说的pH调节剂为有机胺或无机碱；

所说的碱性螯合剂按照重量百分比包括下列组分：四甲基氢氧化铵15wt％，纯水10wt%，羟乙基乙二胺48wt％，二乙烯三胺10wt％，乙醇胺15wt％，EDTA-2Na 2wt％。

2.根据权利要求1所述的具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，其特征在于，所说的有机酸式盐选自乙醇钠、聚丙烯酸钠、直链十二烷基苯磺酸钠或柠檬酸钠。

3.根据权利要求1所述的具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，其特征在于，所说的无机酸式盐为碳酸氢钠、四硼酸钠或磷酸氢二钠。

4.根据权利要求1所述的具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，其特征在于，所说的有机胺选自羟乙基乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、乙醇胺和AMP-95中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的具有特殊缓冲体系的硅片化学机械抛光液，其特征在于，所说的无机碱为NaOH或KOH。