CN107243783B - 化学机械研磨方法、设备及清洗液 - Google Patents

化学机械研磨方法、设备及清洗液 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种化学机械研磨方法，包括：进行研磨步骤，先导入酸性研磨液在一晶圆表面上，酸性研磨液包含固含量(solid content)小于2.5wt％的研磨颗粒，在化学机械研磨过程中，晶圆表面带有负电荷，酸性研磨液在特定酸碱值范围内，使研磨颗粒具有正电荷，而形成相互吸引；及进行第一清洗步骤，利用阴离子表面活性剂对晶圆表面进行清洗，以将残留在晶圆表面上研磨颗粒的外围电荷改变为负电荷，并且晶圆表面维持负电荷，其中，特定酸碱值范围为pH值小于6，包括端点值。有效去除残留的研磨颗粒，同时减小晶圆表面的刮痕率，提高产品良率。本发明还公开了一种化学机械研磨设备，以及一种使用于化学机械研磨方法的清洗液，具有上述效果。

Description

化学机械研磨方法、设备及清洗液
技术领域
本发明属于化学机械研磨技术领域，具体的涉及一种化学机械研磨方法，及一种化学机械研磨设备和一种使用于化学机械研磨方法的清洗液。
背景技术
目前，CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械研磨)应用于晶圆的抛光，是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化技术，随着半导体器件加工尺寸的不断微细化，以及金属互连的金属层间介质的增加，必然导致晶圆表面严重的不平整，因此，CMP工艺的重要性日益突出。
化学机械研磨中，研磨抛光液简称研磨液，是CMP的关键要素之一，其性能直接影响抛光后表面的质量。研磨液一般由超细固体粒子研磨颗粒(如纳米级的SiO2、Al2O3粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成，研磨颗粒提供研磨作用，化学氧化剂提供腐蚀溶解作用。
通常使用9<PH<11的碱性研磨液，碱性研磨液容易清洗，为了提高研磨率，碱性研磨液的固含量大约为13％～16％，由于高的固含量，在研磨后导致晶圆表面产生刮痕，表面平坦化效果较差。
因此，如何减小晶圆化学机械研磨后晶圆表面的刮痕率，同时有效清理残留在晶圆表面的研磨液是本领域技术人员急需要解决的技术问题。
在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例希望提供一种化学机械研磨方法，以至少解决现有技术中存在的问题。
本发明实施例的技术方案是这样实现的，根据本发明的一个实施例，一种化学机械研磨方法，包括：
进行研磨步骤，先导入酸性研磨液在一晶圆表面上，所述酸性研磨液包含固含量(solid content)小于2.5wt％的研磨颗粒，在化学机械研磨过程中，所述晶圆表面带有负电荷，所述酸性研磨液在特定酸碱值范围内，使所述研磨颗粒具有正电荷，而形成相互吸引；及
进行第一清洗步骤，利用阴离子表面活性剂对所述晶圆表面进行清洗，以将残留在所述晶圆表面上所述研磨颗粒的外围电荷改变为负电荷，并且所述晶圆表面维持负电荷；
其中，所述特定酸碱值范围为pH值小于6，包括端点值。
优选的，在上述化学机械研磨方法中，还包括：进行第二清洗步骤，利用氢氟酸溶液对所述阴离子表面活性剂清洗后的所述晶圆表面再次清洗。
优选的，在上述化学机械研磨方法中，所述阴离子表面活性剂的质量分数范围为2wt％～10wt％，包括端点值；利用所述阴离子表面活性剂对所述晶圆表面进行清洗的流速范围为400～600ml/min，包括端点值；利用所述阴离子表面活性剂对所述晶圆表面进行清洗的清洗时间范围为40～80s，包括端点值。
优选的，在上述化学机械研磨方法中，所述氢氟酸溶液中氢氟酸溶质与溶剂的体积比范围为1:50～1:100，包括端点值；利用所述氢氟酸溶液再次清洗所述晶圆表面的流速范围为400～600ml/min，包括端点值；利用所述氢氟酸溶液再次清洗所述晶圆表面的清洗时间范围为40～80s，包括端点值。
优选的，在上述化学机械研磨方法中，所述酸性研磨液内含所述研磨颗粒的固含量范围为0.5wt％～2.0wt％，包括端点值。
优选的，在上述化学机械研磨方法中，所述酸性研磨液对所述晶圆表面进行化学机械研磨的研磨压力范围为3～4psi，研磨时间范围为60～90s，研磨液流速范围为200～350ml/min，研磨速率范围为2000～4000A/min，包括端点值。
优选的，在上述化学机械研磨方法中，所述特定酸碱值范围为pH值为3-5，包括端点值。
本发明还提供了一种化学机械研磨设备，包括：
研磨平台，用于安装一研磨垫；
工件固定装置，设置于所述研磨平台上，用于固定一晶圆并使所述晶圆表面带有负电荷并往所述研磨垫施加压力；
研磨液导入装置，设置于所述研磨平台上，用于提供酸性研磨液在所述晶圆表面上；
第一清洗装置，设置于所述研磨平台上，用于提供阴离子表面活性剂在所述晶圆表面上，对在研磨后的所述晶圆表面进行清洗。
优选的，在上述化学机械研磨设备中，还包括第二清洗装置，设置于所述研磨平台上，用于提供氢氟酸溶液在所述晶圆表面上，对第一清洗步骤后的所述晶圆表面再次清洗。
优选的，在上述化学机械研磨设备中，所述工件固定装置包括研磨头装置，用以提供研磨压力，使所述酸性研磨液对所述晶圆表面的研磨压力范围为3～4psi、研磨时间范围为60～90s、研磨速率范围为2000～4000A/min，包括端点值；所述研磨液导入装置提供的研磨液流速范围为200～350ml/min。
本发明还提供了一种使用于化学机械研磨方法的清洗液，包含阴离子表面活性剂，当对一晶圆表面进行清洗，所述阴离子表面活性剂将残留在所述晶圆表面上酸性研磨液的研磨颗粒的外围电荷改变为负电荷，所述阴离子表面活性剂的类型可选自于羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐和磷酸酯盐所构成群组的其中之一，并且所述阴离子表面活性剂在水中解离后生成亲水性阴离子，将带正电的研磨颗粒包覆。
优选的，在上述使用于化学机械研磨方法的清洗液中，所述亲水性阴离子包含脂肪醇硫酸基离子。
优选的，在上述使用于化学机械研磨方法的清洗液中，所述阴离子表面活性剂的质量分数范围为2wt％～10wt％。
本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：酸性研磨液对晶圆表面进行化学机械研磨之后，对残留在晶圆表面酸性研磨液进行清洗，在清洗过程中加入阴离子表面活性剂，阴离子将酸性研磨液中带正电的研磨颗粒的包覆，将原本是正电荷的研磨颗粒转成带负电荷的研磨颗粒，从而使得带负电荷的研磨颗粒与带负电荷的晶圆表面相互排斥，达到有效去除残留的研磨颗粒的效果，同时也能够减小晶圆化学机械研磨后晶圆表面的刮痕率，提高了产品良率。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。
图1为本发明实施例提供的化学机械研磨方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的对晶圆表面进行化学机械研磨示意图；
图3为本发明实施例提供的化学机械研磨之后对晶圆的清洗示意图；
图4为本发明实施例提供的化学机械研磨设备示意图。
附图标记
1-晶圆 2-研磨颗粒 3-亲水性阴离子；
11-工件固定装置 12-研磨液导入装置 13-第一清洗装置 14-第二清洗装置 15-研磨平台 16-研磨垫 17-研磨头装置。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
在一种具体实施方式中，提供一种化学机械研磨方法，下面结合图1所示的方法流程以及图2和图3所示的对晶圆表面进行化学机械研磨以及清洗示意图来具体介绍，该化学机械研磨方法包括：
步骤S1：进行研磨步骤，先导入酸性研磨液在一晶圆1表面上，酸性研磨液包含固含量(solid content)小于2.5wt％的研磨颗粒2，在化学机械研磨过程中，晶圆1表面带有负电荷，酸性研磨液在特定酸碱值范围内，使研磨颗粒2具有正电荷，，而形成相互吸引，其中，所述特定酸碱值范围为pH值小于6，包括端点值。在一实施例中，所述晶圆表面被磨除的物质为氧化物(oxide)。
通常情况下，酸性研磨液主要包含有去离子水以及研磨颗粒2，研磨颗粒2包括硅系研磨颗粒、铈系研磨颗粒，硅系研磨颗粒包括二氧化硅、氮化硅等，铈系研磨颗粒包括二氧化铈、氢氧化铈、硝酸铵铈等，用酸性研磨液对晶圆1表面进行化学机械研磨，具有可溶性好、酸性范围内氧化剂较多、研磨速率高、研磨后晶圆1表面刮痕较少等优点，本实施方式中，提供的酸性研磨液包含固含量(solid content)小于2.5wt％的研磨颗粒2。所述研磨颗粒2具体为二氧化硅。
酸性研磨液中还可包含高分子分散剂，高分子分散剂可以为聚氧乙烯(polyethylene glycol)、两性聚电介质(polyam pholyte)及壬酸钾(potassiumnonanoicacid)中的一种，高分子分散剂的含量最好为0.0001至10wt％。
本实施方式中，提供的酸性研磨液在特定酸碱值范围内，特定酸碱值范围为pH值小于6，包括端点值，使研磨颗粒2具有正电荷，具体研磨液的流速、粘性以及温度不做具体限定，根据不同的需要进行适应性调整，均在保护范围内。此外，具体的研磨过程为现有技术，在此不再赘述。
步骤S2：进行第一清洗步骤，利用阴离子表面活性剂对晶圆1表面进行清洗，以将残留在晶圆1表面上研磨颗粒2的外围电荷改变为负电荷，并且晶圆1表面维持负电荷。
其中，阴离子表面活性剂是表面活性剂的一类，其类型可选自于羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐和磷酸酯盐所构成群组的其中之一，具体可为月桂基硫酸三乙醇胺、月桂基硫酸铵、聚氧化乙烯烷基醚硫酸三乙醇胺等。上述阴离子表面活性剂均能够在水中解离后，生成亲水性阴离子3，将带正电的研磨颗粒2如SiO2研磨颗粒包覆，与带负电荷的晶圆1表面相互排斥，达到去除残留的酸性研磨液的效果。如作为一种阴离子表面活性剂的脂肪醇硫酸钠在水分子的包围下，即解离为[ROSO2-O-]-和Na+两部分，带负电荷的[ROSO2-O-]-与带正电的研磨顆粒SiO2结合后使得研磨颗粒2表面带有负电荷，进而使得带有负电荷的研磨颗粒2与带负电荷的晶圆1表面相互排斥，达到既有效去除残留的研磨颗粒2、又减少晶圆1表面划痕的效果。
需要指出的是，本发明实施例包括但不限于上述所举的阴离子表面活性剂。
在上述化学机械研磨方法的基础上，还包括：
步骤S3：进行第二清洗步骤，利用氢氟酸溶液对阴离子表面活性剂清洗后的晶圆1表面再次清洗。
为了获得洁净的晶圆1表面，利用稀释后的氢氟酸即氢氟酸溶液对其再次进行清洗，去掉晶圆1表面的无机残余物等杂质。
进一步的，在上述化学机械研磨方法中，阴离子表面活性剂的质量分数范围为2wt％～10wt％，包括端点值；利用阴离子表面活性剂对晶圆1表面进行清洗的流速范围为400～600ml/min，包括端点值；利用阴离子表面活性剂对晶圆1表面进行清洗的清洗时间范围为40～80s，包括端点值。
其中，本实施方式中，表面活性剂的质量分数范围为2wt％～10wt％时，可达到最佳的清洗效果，相对于现有技术使用碱性研磨液的对比下可減少70～90％顆粒残留。需要指出的是，表面活性剂的质量分数范围包括但不限于上述范围，根据实际情况进行适应性调整得到的其他质量分数范围，均在本发明实施例的保护范围内。
本实施方式中，利用阴离子表面活性剂对晶圆1表面进行清洗的流速范围为400～600ml/min，包括端点值。在上述流速范围能够有效去除酸性研磨液中的带正电的研磨颗粒2，需要指出的是，清洗的流速范围包括但不限于上述范围，根据实际情况进行适应性调整得到的其他流速范围，均在本发明实施例的保护范围内。
本实施方式中，利用阴离子表面活性剂对晶圆1表面进行清洗的清洗时间范围为40～80s，包括端点值。在上述清洗时间范围能够有效去除酸性研磨液中的带正电的研磨颗粒2，需要指出的是，清洗时间范围包括但不限于上述范围，根据实际情况进行适应性调整得到的其他清洗时间范围，均在本发明实施例的保护范围内。
在上述化学机械研磨方法的基础上，为了达到更好的清洗效果，氢氟酸溶液中氢氟酸溶质与溶剂的体积比范围为1:50～1:100，包括端点值；利用所述氢氟酸溶液再次清洗晶圆1表面的流速范围为400～600ml/min，包括端点值；利用氢氟酸溶液再次清洗晶圆1表面的清洗时间范围为40～80s，包括端点值。
需要指出的是，氢氟酸溶质与溶剂的体积比、氢氟酸溶液的流速以及清洗时间包括但不限于上述范围，根据实际情况进行适应性调整得到的其他取值范围，均在本发明实施例的保护范围内。
优选的，为了达到更好的研磨效果，酸性研磨液内含研磨颗粒2的固含量范围为0.5wt％～2.0wt％，包括端点值。
进一步的，在上述化学机械研磨方法中，为了得到较好的表面质量，保证了表面平整度以及研磨效率，酸性研磨液对晶圆1表面进行化学机械研磨的研磨压力范围为3～4psi，研磨时间范围为60～90s，研磨液流速范围为200～350ml/min，研磨速率范围为2000～4000A/min，包括端点值。
优选的，所述特定酸碱值范围为pH值为3-5，包括端点值。具体可添加硝酸(nitricacid)在去离子水中，以调整所述酸性研磨液的pH值在预定范围内。
需要指出的是，在利用酸性研磨液对晶圆1进行研磨时，特定酸碱值范围、研磨压力范围、研磨时间范围、研磨液流速范围、研磨速率范围包括但不限于上述范围，根据实际情况做适应性调整得到的其他取值范围，均在本发明实施例的保护范围内。
采用本发明实施例提供的一种化学机械研磨方法，刮痕率改善了80％，凹陷率改善了60％，成本节省了约50％，产率提高了0.5％～1.0％，不仅达到去除残留的酸性研磨液的效果，同时减小晶圆1化学机械研磨后晶圆1表面的刮痕率，提高了产品良率。
在另一种具体的实施方式中，如图4所示，本发明还提供了化学机械研磨设备，包括：
研磨平台15，用于安装一研磨垫16；
工件固定装置11，设置于研磨平台15上，用于固定一晶圆1并使晶圆1表面带有负电荷并往研磨垫16施加压力；
研磨液导入装置12，设置于研磨平台15上，用于提供酸性研磨液在晶圆1表面上；
第一清洗装置13，设置于研磨平台15上，用于提供阴离子表面活性剂在晶圆1表面上，对在研磨后的晶圆1表面进行清洗。
进一步的，在上述化学机械研磨设备基础上，还包括第二清洗装置14，设置于所述研磨平台15上，用于提供氢氟酸溶液在所述晶圆1表面上，对第一清洗步骤后的所述晶圆1表面再次清洗。
进一步的，在上述化学机械研磨设备上，所述工件固定装置11包括研磨头装置17，设置于工件固定装置11上，用以提供研磨压力，使酸性研磨液对晶圆1表面的研磨压力范围为3～4psi、研磨时间范围为60～90s、研磨速率范围为2000～4000A/min，包括端点值；研磨液导入装置12提供的研磨液流速范围为200～350ml/min。
本发明还提供了一种使用于化学机械研磨方法的清洗液，包含阴离子表面活性剂，当对一晶圆表面进行清洗，所述阴离子表面活性剂将残留在所述晶圆表面上酸性研磨液的研磨颗粒的外围电荷改变为负电荷，所述阴离子表面活性剂的类型可选自于羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐和磷酸酯盐所构成群组的其中之一，并且所述阴离子表面活性剂在水中解离后生成亲水性阴离子，将带正电的研磨颗粒包覆。
进一步的，在上述使用于化学机械研磨方法的清洗液中，所述亲水性阴离子包含脂肪醇硫酸基离子。
进一步的，在上述使用于化学机械研磨方法的清洗液中，所述阴离子表面活性剂的质量分数范围为2wt％～10wt％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括：
进行研磨步骤，先导入酸性研磨液在一晶圆表面上，以磨除所述晶圆表面的氧化物，所述酸性研磨液包含固含量小于2.5wt％的研磨颗粒，在化学机械研磨过程中，所述晶圆表面带有负电荷，所述酸性研磨液在特定酸碱值范围内，使所述研磨颗粒具有正电荷，而形成相互吸引，其中所述酸性研磨液对所述晶圆表面进行化学机械研磨的研磨压力范围为3～4psi，研磨时间范围为60～90s，所述酸性研磨液的流速范围为200～350ml/min，所述氧化物的研磨速率范围为2000～4000A/min，包括端点值；及
进行第一清洗步骤，利用阴离子表面活性剂对所述晶圆表面进行清洗，所述阴离子表面活性剂包括脂肪醇硫酸钠，所述脂肪醇硫酸钠在水分子的包围下，解离为亲水性阴离子[ROSO2-O-]-和Na+两部分，带负电荷的所述亲水性阴离子[ROSO2-O-]-与带正电的所述研磨颗粒结合后使得所述研磨颗粒表面带有负电荷，并且所述晶圆表面维持负电荷，以使带负电荷的所述研磨颗粒与带负电荷的所述晶圆表面相互排斥；
其中，所述特定酸碱值范围为pH值小于6，包括端点值，所述阴离子表面活性剂的质量分数范围为2wt％～10wt％，包括端点值，利用所述阴离子表面活性剂对所述晶圆表面进行清洗的流速范围为400～600ml/min，包括端点值，利用所述阴离子表面活性剂对所述晶圆表面进行清洗的清洗时间范围为40～80s，包括端点值。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，还包括：进行第二清洗步骤，利用氢氟酸溶液对所述阴离子表面活性剂清洗后的所述晶圆表面再次清洗。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液中氢氟酸溶质与溶剂的体积比范围为1:50～1:100，包括端点值；利用所述氢氟酸溶液再次清洗所述晶圆表面的流速范围为400～600ml/min，包括端点值；利用所述氢氟酸溶液再次清洗所述晶圆表面的清洗时间范围为40～80s，包括端点值。
4.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述酸性研磨液内含所述研磨颗粒的固含量范围为0.5wt％～2.0wt％，包括端点值。
5.如权利要求1至4任一项所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述特定酸碱值范围为pH值为3-5，包括端点值。
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