CN103659468B - 一种减少单晶硅晶圆抛光片化学灼伤的有蜡抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供一种减少单晶硅晶圆抛光片化学灼伤的有蜡抛光方法，所述抛光方法包括清洗抛光用具、上载抛光机抛光和清洗抛光后的掺杂硅晶圆片三个工序，本发明创造在现有抛光技术中的清洗抛光液桶的工序的基础上增加有必要的中和过程,同时改进了抛光过程中的工艺参数，使得抛光过程中抛光机械作用强度和化学作用良好匹配，从而减少硅晶圆抛光面的化学灼伤，达到抛光面化学灼伤≤0.1％的目的，得到了具有完美抛光片表面的硅晶圆片。

Description

一种减少单晶硅晶圆抛光片化学灼伤的有蜡抛光方法
技术领域
本发明创造涉及半导体抛光工艺领域，具体是一种减少单晶硅晶圆抛光片化学灼伤的有蜡抛光方法。
背景技术
表面状况是硅抛光片关键的指标，直接关系到最终器件产品的良率，在加工过程中每一道工序都要按技术条件要求进行，在合理的化学机械作用匹配下进行抛光。合格的硅抛光片表面平整度要求高，表面颗粒度要求严格，表面状况应达到完美，不容许有灼伤、橘皮等表面缺陷的存在。所以在抛光过程中，要对化学机械作用进行良好的匹配并要求易于控制，并且抛光垫、液的质量匹配才能生产出完美的硅抛光片。因此采用不同的工艺方法对于硅抛光片的表面状况有着很大影响，所以完美硅抛光片的有蜡抛光工艺有着不断改进和完善的空间。
化学机械抛光(CMP)是目前最普遍的获得半导体材料表面平整技术。它是机械摩擦和化学腐蚀相结合的工艺，兼顾了两者的优点，可以获得比较完美的晶体表面。表面状况是硅抛光片关键的指标，直接关系到最终器件产品的良率，在加工过程中每一道工序都要按技术条件要求进行，在合理的化学机械作用匹配下进行抛光。合格的硅抛光片表面平整度要求高，表面颗粒度要求严格，表面状况应达到完美，不容许有灼伤、橘皮等表面缺陷的存在。所以在抛光过程中，要对化学机械作用进行良好的匹配并要求易于控制，并且抛光垫、液的质量匹配才能生产出完美的硅抛光片。因此采用不同的工艺方法对于硅抛光片的表面状况有着很大影响，所以完美硅抛光片的有蜡抛光工艺有着不断改进和完善的空间。
近年来随着半导体行业的飞速发展，对半导体硅晶圆片的要求越来越高，减少硅片抛光面化学灼伤率能直接提高硅晶圆片性能，减少产品生产成本。影响硅晶圆片性能的因素很多，硅抛光片表面产生化学灼伤的情况是一个重要因素，产生化学灼伤主要有两种可能性：一种是纯粹化学作用产生即碱腐蚀抛光片后，由于抛光液碱性过强(抛光液浓度)造成的化学灼伤；另一种是由于机械作用过剩而产生的化学灼伤。其中，化学灼伤是影响硅晶圆片性能的一个主要因素。
发明内容
本发明创造的目的是针对现有抛光工艺技术存在的问题通过对抛光液桶的清洁循环系统和抛光工艺的具体参数值两方面的改进得出一种减少单晶硅晶圆抛光片化学灼伤的有蜡抛光方法。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：
一种减少单晶硅晶圆抛光片化学灼伤的有蜡抛光方法，所述抛光方法包括清洗抛光用具、上载抛光机抛光和清洗抛光后的硅片三个工序，其中所述清洗抛光用具工序包括清洗抛光系统中的抛光盘和抛光液桶，具体操作步骤是：
(1)先用质量分数为10-20％的KOH溶液循环并刷洗抛光盘，循环时间为2-8h，抛光盘刷洗频率为每小时刷洗300-600秒，然后使用醋酸溶液进行循环并刷洗抛光盘，酸液的质量分数为2-6％，抛光盘刷洗频率为每半小时刷洗80-120秒，循环时间由循环液的pH控制，直至pH≤7为止；
(2)先用水循环清洗抛光液桶25-40min，然后用质量分数为10％的KOH溶液循环清洗2-3h，之后用质量分数为2％-6％的醋酸溶液循环清洗并测试pH值，当pH≤7时停止循环并用水循环清洗两次，每次5-8min。
所述上载抛光机抛光工序的操作是先将需进行抛光的硅片进行两次粗抛光，抛光压力均为2.0-4.0bar，抛光时间均为8-12min，中心盘转速均为35-46rpm，抛光温度均为30-38℃，掺杂硅晶圆片去除量均为0.8-1.2μm，然后将粗抛后的掺杂硅晶圆片进行中抛光，中抛压力为1.5-2.5bar，抛光时间为4-6min，去除量为1.5-3μm，中抛光之后进行精抛光，精抛压力为0.5-1.5bar，抛光时间为4-6min，去除量为1μm；所述清洗抛光后的硅片工序是采用兆声清洗机清洗清洗抛光后的硅晶圆片，使硅片清洁度达到>0.2μm的颗粒数≤20个且>0.3μm的颗粒数≤5个。
所述清洗抛光用具工序的操作步骤：
(1)先用质量分数为15％的KOH溶液循环并刷洗抛光盘，循环时间为4h，抛光盘刷洗频率为每小时刷洗400秒，然后使用醋酸溶液进行循环并刷洗抛光盘，酸液的质量分数为5％，抛光盘刷洗频率为每半小时刷洗100秒，循环时间由循环液的pH控制，直至pH≤7为止；
(2)先用水循环清洗抛光液桶30min，然后用质量分数为10％的KOH溶液循环清洗2.5h，之后用质量分数为5％的醋酸溶液循环清洗并测试pH值，当pH≤7时停止循环并用水循环清洗两次，每次5min。
优选地，所述上载抛光机抛光工序的操作是先将需进行抛光的硅片进行两次粗抛光，第一次粗抛光工艺条件是抛光压力为2.5-4bar，抛光时间是8-12min，中心盘转速45±1rpm，抛光温度为30-35℃，硅片去除量为10-12μm，第二个粗抛光过程的抛光压力为2-3.5bar，抛光时间为8-12min，中心盘转速40±1rpm，抛光温度为30-35℃，硅片去除量为8-10μm，中抛压力为1.5-2.5bar，抛光时间为4-6min，硅片去除量为1.5-3.0μm，中抛之后进行精抛光，精抛压力为0.5-1.5bar，抛光时间为4-6min，硅片去除量为1.0μm。
更优选地，所述抛光方法的操作步骤是：首先清洗抛光用具，其操作步骤是先用质量分数为15％的KOH溶液循环并刷洗抛光盘，循环时间为4h，抛光盘刷洗频率为每小时刷洗400秒，然后使用醋酸溶液进行循环并刷洗抛光盘，酸液的质量分数为5％，抛光盘刷洗频率为每半小时刷洗100秒，循环时间由循环液的pH控制，直至pH≤7为止；然后先用水循环清洗抛光液桶30min，之后用质量分数为10％的KOH溶液循环清洗2.5h，之后用质量分数为5％的醋酸溶液循环清洗并测试pH值，当pH≤7时停止循环并用水循环清洗两次，每次5min；
清洗完之后上载抛光机进入抛光工序，所述上载抛光机抛光工序具体操作是先将需进行抛光的硅片进行两次粗抛光，第一次粗抛光工艺条件是抛光压力为2.5-4bar，抛光时间是8-12min，中心盘转速45±1rpm，抛光温度为30-35℃，硅片去除量为10-12μm，第二个粗抛光过程的抛光压力为2-3.5bar，抛光时间为8-12min，中心盘转速40±1rpm，抛光温度为30-35℃，硅片去除量为8-10μm，中抛压力为1.5-2.5bar，抛光时间为4-6min，硅片去除量为1.5-3.0μm，中抛之后进行精抛光，精抛压力为0.5-1.5bar，抛光时间为4-6min，硅片去除量为1.0μm；
抛光完之后进入清洗抛光后的硅片工序，所述清洗抛光后的硅片工序是采用兆声清洗机清洗清洗抛光后的硅晶圆片，使硅片清洁度达到>0.2μm的颗粒数≤20个且>0.3μm的颗粒数≤5个。
本发明创造具有的优点和积极效果是：本发明创造在现有抛光技术中的清洗抛光液桶的工序的基础上增加有必要的中和过程,同时改进了抛光过程中的工艺参数，使得抛光过程中抛光机械作用强度和化学作用良好匹配，从而减少硅晶圆抛光面的化学灼伤，达到抛光面化学灼伤≤0.1％的目的，得到了具有完美抛光片表面的硅晶圆片。
具体实施方式
本发明创造的具体实施步骤包括：
(1)排掉抛光液循环系统中的抛光液，先用质量分数为10-20％的KOH溶液循环并刷洗抛光盘，循环时间为2～8h，抛光盘刷洗频率为每小时刷洗300-600秒，然后使用醋酸溶液进行循环并刷洗抛光盘，酸液的质量分数为2-6％，抛光盘刷洗频率为每半小时刷洗80-120秒，循环时间由循环液的pH控制，直至pH≤7为止。(在清洗抛光盘的同时，可以同时用纯水循环进行冲洗并使用刷子进行刷洗以带走抛光垫表面的残液。)
(2)排空抛光液桶中的抛光残液，使用水枪冲洗、清洁抛光液桶，并清洗抛光液过滤网：先用水循环清洗抛光液桶25～40min(优选30min)；
然后排空循环水，再次注满水配制质量分数为10％的KOH溶液进行循环，循环时间为2～3h，优选2.5h；
之后排空KOH溶液，再次注入配制好的质量分数为2-6％的醋酸溶液(优选质量分数为5％的醋酸溶液)进行循环(也可以在排空KOH溶液后先用水循环清洗两次，每次5min，以便减少抛光液桶中的KOH残留，之后再用2-6％的醋酸溶液进行循环清洗)，循环时间为约为1h，循环后收集抛光液桶中循环液进行pH值测试，当pH≤7时停止循环，目的是为中和抛光液桶中残余的KOH，减少抛光过程中的抛光面化学灼伤，得到完美的抛光表面；
最后排空醋酸溶液循环液，注满水进行纯水循环，循环次数为2次，循环时间为5min～8min/次，优选5min/次，收集循环水进行pH测试，以pH值接近7为优，目的为稀释抛光液桶中残留的醋酸。
(3)上载抛光机进行抛光：首先进行第一次粗抛，抛光压力为2.0-4.0bar(优选2.5-4.0bar)，抛光时间控制在8-12min，中心盘转速35-46rpm(优选45±1rpm)抛光流量控制在3.0L/min，抛光温度控制在30-38℃，硅片去除量为8-12μm(优选10-12μm)。
(4)进行第二个粗抛光过程，2.0-4.0bar(优选2.0-3.5bar)，抛光时间控制在8-12min，中心盘转速为35-46rpm(优选40±1rpm)抛光流量控制在3.0L/min，抛光温度控制在30-38℃，硅片去除量为8-12μm(优选8-10μm)。在实际抛光过程中可以将第二次抛光时的抛光速率下调至40rmp或更小，减小在抛光过程中的机械损伤。
(5)两次粗抛光之后进行中抛光。中抛光压力控制在1.5-2.5bar，抛光时间控制在4-6min，中心盘转速控制在30rpm，抛光流量为3L/min，抛光温度控制在28-32℃，硅片去除率去除量为1.5-3μm。
(6)中抛光之后进行精抛光，精抛压力为0.5-1.5bar，抛光时间为4-6min，中心盘转速为30rpm，抛光温度控制在28-32℃，去除量为1μm。
(7)采用兆声清洗机清洗清洗抛光后的硅晶圆片，使硅片清洁度达到>0.2μm的颗粒数≤20个且>0.3μm的颗粒数≤5个。
另外，本发明创造中所说的循环清洗是指保持一个容器内的液体量不变，不断注入新的液体的同时采出旧的液体，是容器内的液体达到一个动态平衡，以便保持容器内液体的使用寿命。
实施例1
实验材料：6英寸重掺硅晶圆待抛片，电阻率为0.008-0.02Ω·cm2，厚度为625±15μm，数量为192片。
加工设备：有蜡单面抛光系统(包括贴蜡机一台，粗抛机两台，中抛光机一台，精抛光机一台，晶圆下载装置一台，陶瓷盘清洗机一台，PTU陶瓷盘传送装置)，JAC抛光后初清洗机一台，预清洗机一台，CR81硅晶圆抛光片表面颗粒测试仪。
辅助材料：陶瓷盘，圆盘刷，抛光垫，粗抛光液，中抛光液，精抛光液，纯水，氢氧化钾，醋酸，PFA片篮，下片铲。
中抛工艺与精抛工艺参数与具体实施步骤中(6)(7)中的参数相同，粗抛工序的工艺参数见下表：
通过上述工艺制备的6英寸重掺硅晶圆抛光片的质量参数见表1，原始工艺制备的6英寸重掺硅晶圆抛光片的质量参数见表2。
表16英寸重掺硅晶圆抛光片的质量参数
表2原始工艺制备的6英寸重掺硅晶圆抛光片的的质量参数
通过表1、表2可以看出：采取本工艺流程加工的6英寸重掺硅晶圆抛光片的质量参数达到的质量指标相对于原始工艺加工的6英寸重掺硅晶圆抛光片有所提高。
实施例2
实验材料：6英寸轻掺硅晶圆待抛片，电阻率为2-10Ω·cm2，厚度为510±10μm，数量为192片。
加工设备：有蜡单面抛光系统(包括贴蜡机一台，粗抛机两台，中抛光机一台，精抛光机一台，晶圆下载装置一台，陶瓷盘清洗机一台，PTU陶瓷盘传送装置)，JAC抛光后初清洗机一台，预清洗机一台，CR81硅晶圆抛光片表面颗粒测试仪。
辅助材料：陶瓷盘，圆盘刷，抛光垫，粗抛光液，中抛光液，精抛光液，纯水，氢氧化钾，醋酸，PFA片篮，下片铲。
中抛工艺与精抛工艺参数与具体实施步骤中(6)(7)中的参数相同，粗抛工序的工艺参数见下表：
通过检测得出采取本工艺流程加工的6英寸轻掺硅晶圆待抛片的质量参数达到了质量指标。
实施例3
实验材料：5英寸轻掺硅晶圆待抛片，电阻率为3000-8000Ω·cm2，厚度为400±10μm，数量为192片。
加工设备：有蜡单面抛光系统(包括贴蜡机一台，粗抛机两台，中抛光机一台，精抛光机一台，晶圆下载装置一台，陶瓷盘清洗机一台，PTU陶瓷盘传送装置)，JAC抛光后初清洗机一台，预清洗机一台，CR81硅晶圆抛光片表面颗粒测试仪。
辅助材料：陶瓷盘，圆盘刷，抛光垫，粗抛光液，中抛光液，精抛光液，纯水，氢氧化钾，醋酸，PFA片篮，下片铲。
工艺参数见下表：
通过检测得出采取本工艺流程加工的5英寸轻掺硅晶圆待抛片的质量参数达到了质量指标。
实验结果：使用改进后的方法所得到的硅晶圆抛光片的化学灼伤率由原来的17％降至0％。扫描电子显微镜(SEM)下显示表面光滑平整，粗糙度均匀，局部粗糙度明显变化不可见。
以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种减少单晶硅晶圆抛光片化学灼伤的有蜡抛光方法，所述抛光方法包括清洗抛光用具、上载抛光机抛光和清洗抛光后的硅片三个工序，其特征在于，其中所述清洗抛光用具工序包括清洗抛光系统中的抛光盘和抛光液桶，具体操作步骤是：
(1)先用质量分数为10-20％的KOH溶液循环并刷洗抛光盘，循环时间为2-8h，抛光盘刷洗频率为每小时刷洗300-600秒，然后使用醋酸溶液进行循环并刷洗抛光抛光盘，酸液的质量分数为2-6％，抛光盘刷洗频率为每半小时刷洗80-120秒，循环时间由循环液的pH控制，直至pH≤7为止；
(2)先用水循环清洗抛光液桶25-40min，然后用质量分数为10％的KOH溶液循环清洗2-3h，之后用质量分数为2％-6％的醋酸溶液循环清洗并测试pH值，当pH≤7时停止循环并用水循环清洗两次，每次5-8min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上载抛光机抛光工序的操作是先将需进行抛光的硅片进行两次粗抛光，抛光压力均为2.0-4.0bar，抛光时间均为8-12min，中心盘转速均为35-46rpm，抛光温度均为30-38℃，掺杂硅晶圆片去除量均为0.8-1.2μm，然后将粗抛后的掺杂硅晶圆片进行中抛光，中抛压力为1.5-2.5bar，抛光时间为4-6min，去除量为1.5-3μm，中抛光之后进行精抛光，精抛压力为0.5-1.5bar，抛光时间为4-6min，去除量为1μm；所述清洗抛光后的硅片工序是采用兆声清洗机清洗清洗抛光后的硅晶圆片，使硅片清洁度达到>0.2μm的颗粒数≤20个且>0.3μm的颗粒数≤5个。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述清洗抛光用具工序的操作步骤：
(1)先用质量分数为15％的KOH溶液循环并刷洗抛光盘，循环时间为4h，抛光盘刷洗频率为每小时刷洗400秒，然后使用醋酸溶液进行循环并刷洗抛光盘，酸液的质量分数为5％，抛光盘刷洗频率为每半小时刷洗100秒，循环时间由循环液的pH控制，直至pH≤7为止；
(2)先用水循环清洗抛光液桶30min，然后用质量分数为10％的KOH溶液循环清洗2.5h，之后用质量分数为5％的醋酸溶液循环清洗并测试pH值，当pH≤7时停止循环并用水循环清洗两次，每次5min。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述上载抛光机抛光工序的操作是先将需进行抛光的硅片进行两次粗抛光，第一次粗抛光工艺条件是抛光压力为2.5-4bar，抛光时间是8-12min，中心盘转速45±1rpm，抛光温度为30-35℃，硅片去除量为10-12μm，第二个粗抛光过程的抛光压力为2-3.5bar，抛光时间为8-12min，中心盘转速40±1rpm，抛光温度为30-35℃，硅片去除量为8-10μm，中抛压力为1.5-2.5bar，抛光时间为4-6min，硅片去除量为1.5-3.0μm，中抛之后进行精抛光，精抛压力为0.5-1.5bar，抛光时间为4-6min，硅片去除量为1.0μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抛光方法的操作步骤是：首先清洗抛光用具，其操作步骤是先用质量分数为15％的KOH溶液循环并刷洗抛光盘，循环时间为4h，抛光盘刷洗频率为每小时刷洗400秒，然后使用醋酸溶液进行循环并刷洗抛光盘，酸液的质量分数为5％，抛光盘刷洗频率为每半小时刷洗100秒，循环时间由循环液的pH控制，直至pH≤7为止；然后先用水循环清洗抛光液桶30min，之后用质量分数为10％的KOH溶液循环清洗2.5h，之后用质量分数为5％的醋酸溶液循环清洗并测试pH值，当pH≤7时停止循环并用水循环清洗两次，每次5min；
清洗完之后上载抛光机进入抛光工序，所述上载抛光机抛光工序具体操作是先将需进行抛光的硅片进行两次粗抛光，第一次粗抛光工艺条件是抛光压力为2.5-4bar，抛光时间是8-12min，中心盘转速45±1rpm，抛光温度为30-35℃，硅片去除量为10-12μm，第二个粗抛光过程的抛光压力为2-3.5bar，抛光时间为8-12min，中心盘转速40±1rpm，抛光温度为30-35℃，硅片去除量为8-10μm，中抛压力为1.5-2.5bar，抛光时间为4-6min，硅片去除量为1.5-3.0μm，中抛之后进行精抛光，精抛压力为0.5-1.5bar，抛光时间为4-6min，硅片去除量为1.0μm；
抛光完之后进入清洗抛光后的硅片工序，所述清洗抛光后的硅片工序是采用兆声清洗机清洗清洗抛光后的硅晶圆片，使硅片清洁度达到>0.2μm的颗粒数≤20个且>0.3μm的颗粒数≤5个。
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