CN102766408B - 一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液及其制备方法，属于化学机械抛光（CMP）领域，特别涉及一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液。本发明包括胶体二氧化硅磨粒、抛光促进剂、抛光界面控制剂、表面活性剂、碱性化合物和去离子水；该精抛光组合液的pH值为8～12。本发明能够在低下压力条件下（0.2～0.5psi），实现高去除速率，同时获得低表面粗糙度，提高了抛光后硅晶片表面的精度和质量。本发明的精抛光组合液所用原料易得，无污染，符合环保要求且容易进行大规模工业化生产。

Description

一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液及其制备方法

技术领域

本发明涉及化学机械抛光（CMP）领域，特别涉及一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液及其制备方法。

背景技术

硅晶片是集成电路（IC）的主要衬底，随着集成电路集成度的不断提高，特征尺寸的不断减小，对硅晶片的加工精度和表面质量的要求越来越高。目前，利用化学机械抛光（CMP）技术对硅晶片表面进行平坦化处理，已成为集成电路制造技术进入深亚微米以后技术时代必不可少的工艺步骤之一。

通常，在工业中为了实现硅晶片的抛光加工精度，达到集成电路硅晶片要求的技术指标，需进行二步化学机械抛光（CMP）（粗抛光和精抛光），第一步粗抛光，在此过程中除去硅晶片切割和成形残留下的表面损伤层，加工成镜面；第二步精抛光，通过对硅晶片进行精抛光，进一步降低表面粗糙度、减少表面缺陷、提高表面精度。

在实际生产中，硅晶片的最终精抛光是表面质量的决定性步骤，更好的硅晶片表面及更高效率的去除是新型硅晶片精抛光液不断追求的目标，到目前为止，国内外已相继公开了一批相关专利技术，并取得了一定的进展。

中国专利申请公开号CN101693813A公开了一种硅基精抛液，由高纯硅溶胶、PH调节剂和表面活性剂混合后充分搅拌而成，该抛光液具有配方和制作工艺简单，且具有较高稳定性等特点。

中国专利申请公开号CN1714432A公开了一种用于硅晶片二次抛光的淤浆组合物，由胶态二氧化硅、氨、水合烷基纤维素基聚合物、聚氧乙烯烷基胺醚基非离子表面活性剂、季铵碱和去离子水组成。该抛光液含有低浓度的二氧化硅，能够提高二氧化硅的分散稳定性，从而改善对凹陷的微小划痕的抛光速率。

美国专利申请公开号US2008/0127573A1公开了一种用于硅晶片精抛光的组合物，它含有磨料、pH调节剂、水溶性增稠剂、乙炔表面活性剂、杂环胺和去离子水。该抛光液能够显著的减少抛光后硅晶片表面的LLS缺陷、雾缺陷和粗糙度。

这些处理对缺陷的控制和抛光液稳定性的提高等方面取得了一定效果，但对于新一代更高要求的单晶硅精抛光，以上方法还存在一定局限。本发明的精抛光组合液能够在低下压力的条件下，保证高去除速率的同时，实现低表面粗糙度。

发明内容

本发明针对现在技术存在着的缺陷，提出了一种适用于硅晶片精抛光的精抛光组合液及其制备方法。本发明的精抛光组合液能够在低下压力条件下（低下压力为0.2～0.5psi），实现抛光硅晶片去除速率大和表面粗糙度低。

一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液，其特征在于，该精抛组合液包括胶体二氧化硅磨粒、抛光促进剂、抛光界面控制剂、表面活性剂、碱性化合物和去离子水；该精抛光组合液的pH值为8～12。

本发明的精抛光组合液的组分配比为：

胶体二氧化硅磨粒       2～12wt%；

抛光促进剂        0.002～0.5wt%；

抛光界面控制剂    0.002～0.4wt%；

表面活性剂        0.002～0.4wt%；

碱性化合物            0.2～4wt%；

去离子水余量。

上述的胶体二氧化硅磨粒的粒径为18～80nm。

上述的抛光界面控制剂为二羟基纤维素醚（DHPC）和三羟基纤维素醚(MHBC)其中的一种或两种。

结构式为：

其中，n为≥2的整数，

或者

上述的抛光促进剂为季铵盐或季铵碱。

上述的抛光促进剂为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、三-（2-羟乙基）甲基氢氧化铵、四甲基卤化铵、四乙基卤化铵、四丙基卤化铵、四丁基卤化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵、四丙基溴化铵、四丁基溴化铵中的一种或几种。

上述的表面活性剂为聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂，所述的聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、异构十醇聚氧乙烯醚、异构醇与环氧乙烷缩合物、烷基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、十八胺聚氧乙烯醚、十二胺聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚中的一种或几种。

上述的碱性化合物为，氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠、氨水、氨基丙醇、无水哌嗪或六水哌嗪中的一种或几种。

上述的胶体二氧化硅磨粒为5wt%，抛光界面控制剂二羟基纤维素醚为0.2wt%，抛光促进剂四甲基氢氧化铵为0.04wt%，表面活性剂辛基酚聚氧乙烯醚为0.004wt%，碱性化合物氨水为0.6wt%，去离子水余量。

本发明的一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液及其制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将胶体二氧化硅分散于去离子水中，并用搅拌器充分搅拌；

加入抛光界面控制剂，在搅拌器中使其与胶体二氧化硅磨粒充分混合；

依次加入抛光促进剂、表面活性剂和碱性化合物，并将精抛光组合液pH调节至8～12；

用孔径为0.5μm以下的滤芯对精抛光组合液进行过滤，去除精抛光组合液中的大颗粒杂质。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1）本发明精抛光组合液中的抛光促进剂，能够在低下压力的条件下，实现化学作用与机械作用的良好匹配，保证抛光硅晶片高去除速率的同时，避免抛光雾等缺陷的形成；

2）本发明精抛光组合液中的抛光界面控制剂含有多个羟基，与二氧化硅表面羟基及水分子相互作用形成氢键，从而达到控制抛光磨粒在硅晶片间的机械作用，降低形成硬损伤的机率，提高抛光后表面质量，降低表面粗糙度；

3）本发明的精抛光组合液所用原料易得，无污染，符合环保要求且容易进行大规模工业化生产。

附图说明

图1为本发明精抛光组合液中不含抛光促进剂和抛光界面控制剂，精抛光后硅晶片的原子力显微镜（AFM）照片（比较例3）。

图2为本发明精抛光组合液中含抛光促进剂和抛光界面控制剂，但各组分匹配较差时精抛光后硅晶片的AFM照片（实施例2）。

图3为本发明精抛光组合液中含抛光促进剂和抛光界面控制剂，且各组分匹配较好时精抛光后硅晶片的AFM照片（实施例6）。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的阐述，当然无论如何不应解释为限制本发明的范围。

本发明的一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液，包括胶体二氧化硅磨粒、抛光促进剂、抛光界面控制剂、表面活性剂、碱性化合物和去离子水；该精抛光组合液的pH值为8～12。其中胶体二氧化硅磨粒的重量百分比含量为2～12wt%，抛光促进剂的重量百分比含量为0.002～0.5wt%，抛光界面控制剂的重量百分比含量为0.002～0.4wt%，表面活性剂的重量百分比含量为0.002～0.4wt%，碱性化合物的重量百分比含量为0.2～4wt%，余量为去离子水。

上述的胶体二氧化硅磨粒的粒径为18～80nm。

上述的抛光促进剂为季铵盐或季铵碱，具体为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、三-（2-羟乙基）甲基氢氧化铵、四甲基卤化铵、四乙基卤化铵、四丙基卤化铵、四丁基卤化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵、四丙基溴化铵、四丁基溴化铵中的一种或几种。

上述的抛光界面控制剂为二羟基纤维素醚（DHPC）和三羟基纤维素醚(MHBC)其中的一种或两种。

其结构式为：

其中，n为≥2的整数，

或者

上述的表面活性剂为聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂，具体为脂肪醇聚氧乙烯醚、异构十醇聚氧乙烯醚、异构醇与环氧乙烷缩合物、烷基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、十八胺聚氧乙烯醚、十二胺聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚中的一种或几种。

上述的碱性化合物为，氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠、氨水、氨基丙醇、无水哌嗪或六水哌嗪中的一种或几种。

一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液及其制备方法，该方法包括以下步骤：

分别按照上述的重量百分比，

将胶体二氧化硅分散于去离子水中，并用搅拌器充分搅拌；加入抛光界面控制剂，在搅拌器中使其与胶体二氧化硅磨粒充分混合；

依次加入抛光促进剂、表面活性剂和碱性化合物，并将精抛光组合液pH调节至8～12；

用孔径为0.5μm以下的滤芯对精抛光组合液进行过滤，去除精抛光组合液中的大颗粒杂质。

本发明使用方法：

根据进行抛光后的硅晶片去除速率和表面粗糙度，将本发明精抛光组合液稀释10、20、30、40甚至40倍以上后使用，并在低下压力为0.2～0.5psi的环境下对硅晶片进行精抛光（在美国CETR-BRUKER公司生产的CP-4型化学机械抛光机设定下压力值，这个下压力作用在装载硅晶片的抛光头上）。

具体实施例：

将配置后的抛光组合液用于抛光实验，抛光实验参数如下：

抛光机：美国CETR-BRUKER公司生产的CP-4型化学机械抛光实验机，配有1个抛光头，可抛1片硅晶片；

抛光转盘转速：40转/min；

抛光硅单晶片规格：P型<100>，直径100mm，电阻率：0.1～100Ω·cm；

抛光时间：30min；

抛光垫：Politex型聚氨酯发泡固化抛光垫；

抛光液流量：80ml/min；

抛光温度：25°C

抛光速率：抛光去除速率通过抛光前后硅晶片重量的变化计算得到，它可用电子天平测得，抛光速率为抛光去除重量与抛光时间的比值。

抛光后硅晶片表面质量检测：

使用原子力显微镜（AFM）检测抛光后硅晶片的表面粗糙度。实验所采用的AFM为美国布鲁克公司生产的，型号为DIMENSION ICON。，探针半径为10nm，其垂直分辨率为0.01nm，扫描频率为1.5Hz，扫描范围10×10μm²。为避免硅晶片表面存在的附着杂质对实验结果的影响，在实验前将硅晶片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗。

由下述实施例可见（实施例6），在本发明在所述抛光工艺条件下的最佳抛光组合液中各组分含量为：含胶体二氧化硅磨粒5wt%，含抛光界面控制剂二羟基纤维素醚0.2wt%，含抛光促进剂四甲基氢氧化铵0.04wt%，含表面活性剂辛基酚聚氧乙烯醚0.004wt%，含碱性化合物氨水0.6wt%，抛光组合液抛光后的硅晶片表面粗糙度低至0.05nm，去除速率达1.0mg/min。

通过下述实施例列表中本发明的实施例与现有技术（比较例）进行对比，充分说明本发明的抛光组合液是一种性能优良的CMP用抛光材料，适合于硅晶片精抛光。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出相应的调整和改进，这些调整和改进也应视为本发明的保护范围。

实施例列表，下表为各实施例中抛光组合液的组分和含量以及由其进行抛光后的硅晶片表面的粗糙度和抛光速率，并与现有技术情况的比较情况。

Claims (7)

1.一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液，其特征在于，该精抛组合液包括胶体二氧化硅磨粒、抛光促进剂、抛光界面控制剂、表面活性剂、碱性化合物和去离子水；该精抛光组合液的pH值为8～12，所述低下压力为0.2～0.5psi，该精抛光组合液的组分配比为：

所述的抛光界面控制剂为二羟基纤维素醚和三羟基纤维素醚其中的一种或两种，结构式为：

其中，n为≥2的整数，

其中，1≤×≤3或者

其中，1≤×≤5；

所述的抛光促进剂为季铵盐或季铵碱。

2.根据权利要求1所述的精抛光组合液，其特征在于，所述的胶体二氧化硅磨粒的粒径为18～80nm。

3.根据权利要求1所述的精抛光组合液，其特征在于：所述的抛光促进剂为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、三-（2-羟乙基）甲基氢氧化铵、四甲基卤化铵、四乙基卤化铵、四丙基卤化铵、四丁基卤化铵中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的精抛光组合液，其特征在于：所述的表面活性剂为聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂，所述的聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、异构醇与环氧乙烷缩合物、烷基酚聚氧乙烯醚、十八胺聚氧乙烯醚、十二胺聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的精抛光组合液，其特征在于：所述的碱性化合物为，氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠、氨水、氨基丙醇、无水哌嗪或六水哌嗪中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的精抛光组合液，其特征在于：所述的胶体二氧化硅磨粒为5wt%，抛光界面控制剂二羟基纤维素醚为0.2wt%，抛光促进剂四甲基氢氧化铵为0.04wt%，表面活性剂辛基酚聚氧乙烯醚为0.004wt%，碱性化合物氨水为0.6wt%，去离子水余量。

7.一种适用于低下压力的硅晶片精抛光组合液的制备方法，其特征在于，所述低下压力为0.2～0.5psi，该方法包括以下步骤：

按照如权利要求1所述的各组分重量百分比，将胶体二氧化硅分散于去离子水中，并用搅拌器充分搅拌；

加入抛光界面控制剂，在搅拌器中使其与胶体二氧化硅磨粒充分混合；

依次加入抛光促进剂、表面活性剂和碱性化合物，并将精抛光组合液pH调节至8～12；

用孔径为0.5μm以下的滤芯对精抛光组合液进行过滤，去除精抛光组合液中的大颗粒杂质。

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