CN104073169B

CN104073169B - 一种用于化合物半导体的化学机械抛光剂

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Publication number: CN104073169B
Application number: CN201410254178.9A
Authority: CN
Inventors: 徐兰兰; 张学锋
Original assignee: DAQING JIACHANG JINGNENG INFORMATION MATERIALS Co Ltd
Current assignee: DAQING JIACHANG JINGNENG INFORMATION MATERIALS Co Ltd
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: CN104073169A

Abstract

本发明提出一种用于化合物半导体的化学机械抛光剂。该抛光剂包括下列组分，氧化剂亚溴酸盐1 wt.%～5 wt.%；碱土金属氢氧化物0.3 wt.% ～1wt.%，PH值在9.5～10.5之间； SiO₂15 g/L～25g/L，粒径在30～80nm之间；非离子表面活性剂甲基环硅氧烷0.05～0.1g/L，余量为水。本发明抛光剂化学性质稳定、环保、安全；同时可获得无缺陷晶片表面，有效提高抛光效率。

Description

一种用于化合物半导体的化学机械抛光剂

技术领域

本发明涉及半导体器件制造工艺，具体涉及一种用于化合物半导体的化学机械抛光剂。

背景技术

化合物半导体材料是半导体材料的一个重要分支，其家族主要成员有GaAs，InP，CdTe、InTe等。化合物半导体各元素之间成键力不同，在晶体结构上表现出一定的极性，因而不同晶向上其腐蚀特性不同；他们的莫氏硬度在4.0以下（不同制备方法有所不同），属于软脆材料；室温性质稳定，不易被非氧化性酸侵蚀，易被氧化剂氧化。化合物半导体的理化特性对抛光剂的选择具有很大的参考意义。

化学机械抛光剂一般由去离子水、磨粒颗粒、氧化剂、PH值调剂及其他添加剂组成。化学机械抛光液按照腐蚀介质可分为酸性抛光液和碱性抛光液两大类。目前化合物半导体所使用的化学机械抛光液主要有：1）溴（Br₂）与甲醇（CH₃OH）的混合溶液：溴是强氧化剂，与化合物半导体反应生成金属溴盐，溶于甲醇溶液中，在轻微机械作用下对材料表面进行抛光处理，达到表面加工的目的；其混合溶液易挥发，气味强烈，且溴蒸汽有毒，对人体产生较大伤害，因而作业环境比较苛刻；化学反应进程不易控制；此外，一些特定的溴化合物被认为是有可能破坏臭氧层的或是具有生物累积性的，不利于环境保护；2）次氯酸盐体系：利用次氯酸根离子的氧化作用与砷化镓发生反应生成氧化膜，氧化膜经过化学溶解及机械作用进行去除，达到高精度表面加工的目的。其抛光液组成复杂，极不稳定；水溶液具有强氧化性，受热受光快速分解，寿命短；产生的Cl₂有可能引起中毒；在环保及人身安全方面有很大的不足。3）酸性抛光液：由H₂O₂、去离子水、HCl或H₂SO₄等强酸按一定比例组成，H₂O₂起到氧化作用，硫酸等提供酸性环境对化合物半导体进行化学机械加工。但双氧水本身不稳定，易分解，抛光液性质不稳定；酸性抛光液一般腐蚀性大，对抛光设备要求高。

按照不同抛光工艺要求，化学机械抛光剂又分为粗抛抛光剂，精抛抛光剂等。粗抛抛光剂除含有氧化剂溶液外，通常加入一定比例的磨粒颗粒，磨粒颗粒的作用主要是去除晶片表面经化学反应后形成的钝化膜，提高抛光效率，磨粒的种类、大小、硬度、分散性常是磨粒选择的主要因素，常用的磨料有胶体硅、SiO₂、Al₂O₃，及CeO₂等；但磨粒颗粒的引入会增加晶片表面划伤的几率，影响抛光表面质量，化合物半导体由于硬度很低，通常选用不带磨粒的精抛抛光剂进行精抛光。半导体晶圆的抛光加工，抛光液的选择多是基于硅晶圆发展起来的，但由于化合物半导体不同于硅半导体的结构特性与化学特性，因而寻找专门的抛光液对其晶片进行CMP加工是非常必要的。

现有的化合物半导体用化学机械抛光液存在的主要缺点：1. 溴（Br）和甲醇（CH₃OH）的混合溶液易挥发，气味强烈，且溴蒸汽有毒，对人体产生较大伤害，因而作业环境比较苛刻；溴是强氧化剂，反应速度及进程不易控制；此外，一些特定的溴化合物被认为是有可能破坏臭氧层的或是具有生物累积性的，不利于环境保护；2.次氯酸盐体系抛光液极不稳定，抛光液组成复杂；其水溶液具有强氧化性，受热受光快速分解，寿命短；产生的Cl₂有可能引起中毒；在环保及人身安全方面有很大的不足。3.双氧水+强酸体系溶液抛光液性质不稳定，双氧水易分解，影响抛光效率及质量；酸性抛光液一般腐蚀性大，对抛光设备要求高。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提供一种用于化合物半导体的化学机械抛光剂，本发明抛光剂化学性质稳定、环保、安全；同时可获得无缺陷晶片表面，有效提高抛光效率。

本发明的技术方案是：该用于化合物半导体的化学机械抛光剂，包括下列组分，氧化剂亚溴酸盐1 wt.%～5 wt.%；碱土金属氢氧化物0.3 wt.% ～1wt.%，PH值在9.5～10.5之间； SiO₂15 g/L～25g/L，粒径在30～80nm之间；非离子表面活性剂甲基环硅氧烷0.05～0.1g/L，余量为水。

上述方案中氧化剂亚溴酸盐优选为亚溴酸钠含量优选为3wt.%；碱土金属氢氧化物优选为氢氧化钠含量优选为0.7wt.%，PH值10； SiO₂含量优选为20/L；非离子表面活性剂甲基环硅氧烷含量优选为0.08g/L。甲基环硅氧烷分子式[(CH₃)₂SiO]_n，n=3,4,5,6,7。

本发明具有如下有益效果：本发明化学机械抛光剂即亚溴酸盐体系，有效提高抛光液稳定性；专门用于化合物半导体的抛光剂，有效提高抛光效率及抛光质量；降低作业环境及设备要求，有效降低抛光加工成本，提高抛光溶剂的环保性能及安全性。体系配方相对简单，易操作，技术难度不高，可有效降低抛光液的制备成本。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

本发明选用亚溴酸盐作为本体系抛光液的氧化剂，添加碱土金属氢氧化物溶液作为PH值调节剂及化学溶解剂，添加表面活性剂，磨粒选择SiO₂，非离子表面活性剂对其分散性具有良好的正向作用。

亚溴酸盐选择亚溴酸钠，碱土金属氢氧化物选择NaOH，化合物半导体选择GaAs，以此为例说明此抛光液体系的作用过程。

1）选择亚溴酸钠作为氧化剂，浓度为1 wt.% ～5 wt.%，优选3 wt.%；同时添加NaOH，浓度为0.3 wt.% ～1wt.%，优选0.7 wt.%；体系PH值在9.5～10.5之间，优选10，其反应过程为：首先，Ga元素和As元素均被NaBrO₂溶液氧化，产生Ga₂O₃ 和As₂O₅，随后As₂O₅立即与溶液中的氢氧化钠发生反应生成Na₃AsO₄，同时，Ga₂O₃与碱金属氢氧化物反应生成Ga(OH)₃，化学反应方程式如（1）～（3）所示。

2GaAs +4NaBrO₂ +4NaBr→Ga₂O₃ + As₂O₅ + 8NaBr （1）

As₂O₅ + 6NaOH → 2Na₃AsO₄ + 3H₂O （2）

Ga₂O₃ +6OH^-→ 2Ga(OH)₃+ 3O₂ ^- （3）

2）选择SiO₂作为研磨颗粒，粒径在30～80nm之间，颗粒浓度在15～25g/L，优选浓度20g/L. SiO₂溶胶直接加入到亚溴酸钠混合溶液中，这样做的好处无需过多考虑颗粒分散性的影响，粒径大小及浓度的合适选择可在有效提高抛光效率的同时又保证获得高质量的抛光表面。SiO₂磨粒的力学作用有利于氧化膜的去除，利于化学反应的持续进行。氧化膜的生成，氧化膜的化学溶解及力学去除，两者的平衡交替进行可获得高精度、无缺陷的抛光表面。

3）将非离子表面活性剂甲基环硅氧烷加入到亚溴酸盐抛光液体系中，可有效提高反应界面的活性，使氧化膜易于从砷化镓表面剥离去除，同时，有利于SiO₂颗粒在溶液中的分散，减小颗粒团聚的几率，保证抛光液的高效性。甲基环硅氧烷少量添加即可，浓度在0.05~0.1g/L之间，优选0.08g/L。

将氧化剂亚溴酸钠、氢氧化钠、SiO₂、非离子表面活性剂甲基环硅氧烷及水按照优选浓度进行配比后得到的抛光液，对晶片进行抛光，抛光后的晶片进行实验，选择旋转型抛光机进行试验，抛光压力为6.5KPa，抛光盘转速为60r/min，其余抛光配置与目前现行工艺一致。结果如下：1、材料去除率有了大幅提高，去除速度达5~10μm/min；

2、材料表面光洁度改善显著，表面粗糙度在5 Å以下；抛光后晶片表面质量明显提高，划伤损伤缺陷状况有一定改善，晶片一次抛光成品率达90%。

Claims

1.一种用于化合物半导体的化学机械抛光剂，包括下列组分，氧化剂亚溴酸盐1wt.％～5wt.％；氢氧化钠0.3wt.％～1wt.％，pH值在9.5～10.5之间；SiO₂15g/L～25g/L，粒径在30～80nm之间；非离子表面活性剂甲基环硅氧烷0.05～0.1g/L，余量为水。

2.根据权利要求1所述的用于化合物半导体的化学机械抛光剂，氧化剂亚溴酸钠3wt.％；氢氧化钠含量为0.7wt.％，pH值10；SiO₂20g/L；非离子表面活性剂甲基环硅氧烷0.08g/L。