CN102559065A

CN102559065A - 一种硅片化学机械抛光浆料配方

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Publication number: CN102559065A
Application number: CN2011104305683A
Authority: CN
Inventors: 李永绣; 项神佑; 李静; 李东平; 周雪珍; 刘艳珠; 周新木
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种硅片化学机械抛光浆料配方，由二氧化钛磨料、添加剂、分散剂、pH调节剂及纯水组成；各种组分的质量百分比为：二氧化钛磨料为0.1%～5%，其粒径控制在3000nm以下；分散剂为0%～1.0%，添加剂为0.005%～0.3%,调节浆料pH值的调节剂为0%～1.5%；其余为纯水；浆料pH值为10.0～12.5，最佳值为11.5～12.0之间。本发明的抛光浆料配方及其配制方法简单方便，价格低廉，对硅片表面抛光的速度快、精度高。

Description

一种硅片化学机械抛光浆料配方

技术领域

本发明涉及一种抛光浆料的配方，特别适用于硅片化学机械抛光。

背景技术

化学机械抛光（CMP）是目前最重要的全局平坦化技术，也是超大规模集成电路制造（ULSI）工艺中的全局平坦化的唯一技术。硅片是集成电路及发光二极管的主要衬底材料，其表面粗糙度是影响集成电路刻蚀线宽和薄膜生长的重要因素之一。随着集成电路集成度的不断提高，特征尺寸的不断减小，对硅片的加工精度和表面质量的要求越来越高。因此，高质、高效抛光浆料的配制就是全局平坦化技术的重点和关键。

化学机械抛光工艺是利用抛光（浆料）液的化学作用和外加压力的机械作用，在抛光垫上对硅片进行抛光。在化学和机械的协同作用下，获得高的切削速度和高质量的抛光硅片，因此抛光液在化学机械抛光中起着重要作用。

抛光浆料的组成主要包括抛光磨料、水和添加剂。一般认为，抛光粉（或称磨料）是制备抛光浆料液的关键材料。性能优良、分散性好、硬度适中的磨料粒子是配制高效抛光液的基础。目前．国际上硅抛光技术广泛采用的磨料为SiO₂,其次为氧化铈。由于SiO₂磨料的硬度与硅晶片的硬度相当，容易使硅晶片表面产生划痕，影响硅片质量。采用CeO₂磨料可以取得更高抛光效率和选择性，但随着国家对稀土资源的调控，CeO₂磨料的价格翻了几番，抛光成本大幅度增加，使相关企业面临前所未有的压力。本发明旨在开发一类以二氧化钛为磨料的抛光浆料，通过添加剂来提高其抛光速率，以弥补上述存在的问题和不足。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种抛光速度快，抛光质量高和后清洗方便且成本低的抛光（浆料）液配方。

本发明的技术解决方案是以二氧化钛为磨料，并添加合适的添加剂来提高其对硅片的抛光速度，提高抛光硅片的表面质量。

本发明所述的抛光浆料由二氧化钛磨料、添加剂、分散剂、pH调节剂及纯水组成；各种组分的质量百分比为：二氧化钛磨料（最好为锐钛矿型二氧化钛）为0.1%～5%，最佳值在0.5%～4%，其粒径控制在3000nm以下，最好在100～1500nm之间；添加剂为单乙醇胺和二乙醇胺中的一种或其混合物，其质量百分含量为0.005%～0.3%，最佳值为0.02～0.055%之间；分散剂为偏磷酸钠、聚乙二醇和聚乙烯醇一种或多种，其质量百分含量为0%～1.0%，其中0%含量意味着也可以不加除单乙醇胺和二乙醇胺外的任何其他分散剂；用于调节浆料pH值的调节剂是NaOH、单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种及其组合，其质量百分比含量为0%～1.5%；其余为纯水；浆料pH值为10.0～12.5，最佳值为11.5～12.0之间。

本发明所述的抛光磨料为市售二氧化钛，最好为锐钛矿型。虽然粒径有点大，但锐钛矿型二氧化钛磨料粒子的硬度比CeO₂磨料粒子的硬度还要小，所以对硅片不会造成划伤；另外，TiO₂磨料无毒，来源广，价格不高，作业条件好，安全可靠。

本发明的有益效果是：本发明通过一些添加剂的使用，大大改善了二氧化钛颗粒表面性质，提高了磨料在水溶液中的悬浮稳定性，进而明显提高抛光速率、对单晶硅片不产生表面缺陷、并降低表面粗糙度，从而实现对硅片的高效超高精度化学机械抛光，保证硅片表面的质量。本发明的抛光液为碱性，抛光后清洗方便，磨料粒子为非常便宜的锐钛矿型二氧化钛，使成本大大降低。

附图说明

图1：所用二氧化钛磨料的扫描电镜图。其粒径大部分小于1000纳米，颗粒分散性良好。

图2：所用二氧化钛磨料的XRD衍射图，表明其晶相为锐钛矿型。

图3：采用锐钛矿型二氧化钛磨料抛光单晶硅片材料的去除速率（MRR）与浆料pH值之间的关系，证明硅片抛光的最佳pH值范围在11～12之间的碱性区域。

图4：在最佳起始pH值（11.5）和二氧化钛固含量(0.5%)的条件下，浆料中添加不同量的单乙醇胺对抛光单晶硅片的切削速度（MRR值）的影响。表明单乙醇胺的加入可以大大提高二氧化钛抛光单晶硅片的切削速度，其添加量在0.02～0.055%范围内处于最佳效果范围。

图5: 在二氧化钛固含量0.5%，pH为11.5的条件下，不同的添加剂对抛光切削速度(MRR值)的影响。证明单乙醇胺的效果最好，二乙醇胺次之，三乙醇胺不能提高MRR值。

图6: 在二氧化钛固含量0.5%，单乙醇胺0.035%条件下，不同pH值对抛光切削速度(MRR值)的影响。证明单乙醇胺的加入，最佳的pH值扩展到12。而且，在较宽的pH值范围都有较高的MRR值。

图7：在添加0.035%单乙醇胺的条件下，浆料中二氧化钛固含量对抛光切削速度（MRR值）的影响。证明单乙醇胺的加入，可以使抛光速度大大提高，而且在0.5～2.0%范围内均保持有高的抛光切削速度，其适合浓度范围更宽。

图8：实施例6抛光后单晶硅片表面的SEM图，未观察到明显的划痕。

图9：实施例6的单晶硅片抛光后表面AFM图。其表面粗糙度为0.00028nm，证明其表面非常平整。

具体实施方式

实施例1：采用从市场上购买的二氧化钛来配制抛光浆料，其电镜照片和XRD衍射图分别如图1、2所示。其颗粒粒度范围为：100～1500nm，晶相为锐钛矿型二氧化钛。所配浆料的固含量为0.1%，采用氢氧化钠溶液调节浆料到不同的pH，用电动搅拌器搅拌10分钟左右，即得到所需抛光浆料。将所得浆料分别用于单晶硅片的抛光。抛光实验采用UNIPOL-802型抛光机，抛光压力0.09Kg/cm²,抛光盘转速128rpm,浆料流速12000ml/min，采用SartoriusCP225D精密电子天平（精度0.01mg）对硅片抛光前后称重，计算其反映抛光切削速率的材料去除速率(MRR值)。将所得MRR值对浆料pH值作图，如图3。证明硅片抛光与浆料pH值关系密切，从10以后的增加幅度加大，到11.5时达到最高，随后又下降。因此，其最佳pH值范围在10～12之间,最佳值为11.5。

实施例2:按实施例1类似的方法,固定浆料中二氧化钛固含量为0.5%,pH值11.5,添加不同量的单乙醇胺,分别测定其MRR值。将所测MRR值对单乙醇胺加量作图，见图4。证明少量单乙醇胺的加入对于提高切削速度非常有效。但超过一定浓度后又下降，在加量0.02%到0.055%之间均有很高的切削速度。

实施例3: 按实施例1类似的方法,固定浆料中二氧化钛固含量为0.5%,pH值11.5,分别添加相同物质的量的单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺，即n_MEA=n_DEA=n_TEA,质量百分比分别为0.035%、0.0602%、0.0855%,分别用于单晶硅片的抛光,测定其MRR值, 并对不同添加剂作图,如图5。证明单乙醇胺的效果最好，二乙醇胺次之，三乙醇胺不能提高MRR值。

实施例4:按实施例1类似的方法,固定二氧化钛和单乙醇胺含量分别为0.5%和0.035%的条件下,调节浆料pH值至不同值,分别用于单晶硅片的抛光,测定其MRR值,并对pH作图,如图6。证明在pH值10到12.5之间均有较高的MRR值，其最佳值在11-12之间。

实施例5: 按实施例1类似的方法,分别固定单乙醇胺含量为0%和0.035%的条件下,改变浆料中二氧化钛的固含量,分别测定它们对硅晶片的抛光MRR值。对比分析结果表明:单乙醇胺的加入，能够大大提高MRR值，而且在二氧化钛含量从0.5%到2.0%的实验范围内都有很好的抛光速率，如图7。

实施例6：根据上述结果,采用磨料为锐钛矿型二氧化钛颗粒,固体含量为0.5%,添加剂单乙醇胺的量为0.035%,pH调节剂为NaOH，pH为11.5,其余为纯水。

按实施例1的方法制备抛光液及进行抛光实验，测定的材料去除速率MRR=114nm/min，表面粗糙度 RMS= 0.00039 nm, Ra = 0.00028 nm。所得抛光样品的SEM照片如图8,其原子力显微镜照片及粗糙度结果如图9所示。证明所得单晶硅片具有很高的表面光洁度。

实施例7：采用锐钛矿型二氧化钛颗粒为磨料，固含量为0.5%；添加剂单乙醇胺含量为0.035%；pH调节剂为三乙醇胺，pH为11.0,其余为纯水。

按实施例1的方法制备抛光液及进行抛光实验，测定的材料去除速率MRR=108nm/min, 表面粗糙度 RMS=0.00046nm, Ra=0.00035 nm。

实施例8：采用锐钛矿型二氧化钛颗粒为磨料,固含量为0.4%；添加剂单乙醇胺含量为0.035%,pH调节剂为NaOH，pH为11.5,其余为纯水。

按实施例1的方法制备抛光液及进行抛光实验，测定的材料去除速率MRR=101nm/min, 表面粗糙度 RMS=0.009nm, Ra=0.004nm。

实施例9：采用锐钛矿型二氧化钛颗粒为磨料,固含量为0.5%；添加剂为单乙醇胺0.035%；pH调节剂为NaOH，pH为10.5,其余为纯水。

按实施例1的方法制备抛光液及进行抛光实验，测定的材料去除速率MRR=106nm/min, 表面粗糙度 RMS=0.00048nm, Ra=0.00037 nm。

实施例10：采用锐钛矿型二氧化钛颗粒为磨料,浓度为0.3%；分散剂为六偏磷酸钠0.2%,添加剂为单乙醇胺0.035%；pH调节剂为NaOH，pH为11.5,其余为纯水。

按实施例1的方法制备抛光液及进行抛光实验，测定的材料去除速率MRR=98nm/min, 表面粗糙度RMS=0.00042nm, Ra=0.00032 nm。

Claims

1.一种硅片化学机械抛光浆料配方，其特征是：

(1）所述抛光浆料由二氧化钛磨料、添加剂、分散剂、pH调节剂及纯水组成；

(2）各种组分的质量百分比为：二氧化钛磨料为0.1%～5%，其粒径控制在3000nm以下；添加剂为0.005%～0.3%；分散剂为0%～1.0%；调节浆料pH值的调节剂为0%～1.5%；其余为纯水；

(3) 浆料pH值为10.0～12.5。

2.根据权利要求1所述的一种硅片化学机械抛光浆料配方，其特征是：所述二氧化钛磨料最好为锐钛矿型二氧化钛，其质量百分比最佳值在0.5%～4%，其粒径最好在100～1500nm之间。

3.根据权利要求1所述的一种硅片化学机械抛光浆料配方，其特征是：所述添加剂是单乙醇胺和二乙醇胺中的一种或其混合物，其质量百分比最佳含量为0.02～0.055%之间。

4.根据权利要求1所述的一种硅片化学机械抛光浆料配方，其特征是：所述分散剂是六偏磷酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种硅片化学机械抛光浆料配方，其特征是：所述pH调节剂是NaOH、单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种及其组合。

6.根据权利要求1所述的一种硅片化学机械抛光浆料配方，其特征是：所述抛光浆料pH最佳值为11.5～12.0之间。