CN111378369B - 一种化学机械抛光液及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种化学机械抛光液，包括二氧化硅研磨颗粒、硅抛光速率促进剂、pH调节剂、循环使用处理剂和水。本发明的抛光液通过在抛光液中添加循环使用处理剂，降低在循环使用过程中的副产物产生速率，延长了抛光垫颜色保持不变的时间，提高了抛光过程的稳定性，从而使抛光垫的循环使用寿命提高，添加处理剂还可以解决抛光液在反复使用过程中硅的去除速率明显下降的问题，延长抛光液的使用时间，从而大大降低了生产成本，并且提高了硅抛光产品的良率。

Description

一种化学机械抛光液及其应用

技术领域

本发明涉及化学机械抛光领域，尤其涉及一种化学机械抛光液及其应用。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，以及大规模集成电路互连层的不断增加，导电层和绝缘介质层的平坦化技术变得尤为关键。二十世纪80年代，由IBM公司首创的化学机械抛光(CMP)技术被认为是目前全局平坦化的最有效的方法。

化学机械抛光(CMP)由化学作用、机械作用以及这两种作用结合而成。它通常由一个带有抛光垫的研磨台，及一个用于承载芯片的研磨头组成。其中研磨头固定住芯片，然后将芯片的正面压在抛光垫上。当进行化学机械抛光时，研磨头在抛光垫上线性移动或是沿着与研磨台一样的运动方向旋转。与此同时，含有研磨颗粒的浆液被滴到抛光垫上，并因离心作用平铺在抛光垫上。芯片表面在机械和化学的双重作用下实现全局平坦化。

目前，化学机械抛光液(CMP)所用的研磨颗粒通常采用纳米二氧化硅，包括硅溶胶和气相二氧化硅。它们在水中可以均匀分散，不沉降，在抛光过程中，纳米氧化硅提供研磨的机械力。

除了机械力之外，许多化学物质可以进一步加速硅的抛光去除速率。特别地，从降低抛光副产物沉淀的角度，抛光促进剂优选自身是碱性的物质，例如哌嗪、单乙醇胺或二乙烯三胺。如果使用硅抛光促进剂，浓度通常为质量百分比0.1-20％。

化学机械抛光过程中主要耗材为抛光垫和抛光液。生产厂家一般根据抛光液的性质将抛光液稀释若干倍后循环使用，并根据抛光后硅晶片的去除速率和表面质量更换抛光液。这样可以减少抛光液的使用量，很大程度上降低成本。然而，抛光液在循环使用过程中随着有效成分抛光促进剂的消耗，会产生大量的抛光产物及有害离子，并在抛光液中积累。这些累积物不断沉积在抛光垫上，会堵塞抛光垫的毛孔，严重时会结成块状覆盖在抛光垫的表面，使抛光垫的颜色发生变化，从而使抛光后的硅晶片表面变形，甚至产生刮伤、腐蚀、降低产品良率等一系列问题。而且，变色快的抛光垫，其使用寿命较短，导致生产过程中，抛光垫需要频繁更换，成本高。此外，沉积在抛光垫表面的金属离子会吸附于抛光后的硅晶片表面，给后续的清洗带来困难。

因此，需要一种化学机械抛光液，能够在循环使用过程中减少抛光副产物和有害离子的产生，从而延长抛光垫保持颜色不变的时间和使用寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种化学机械抛光液，通过使用循环使用处理剂，减少了抛光副产物和有害离子的产生，从而延长了抛光过程中抛光垫颜色保持不变的时间和使用寿命，同时通过添加使用循环处理剂解决了抛光液在反复使用过程中硅的去除速率明显下降的问题，延长抛光液的使用时间，降低了生产成本。

具体地，本发明提供了一种化学机械抛光液，包括二氧化硅研磨颗粒、硅抛光速率促进剂、pH调节剂、循环使用处理剂和水。

优选地，所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比含量为0.1％-40％。

优选地，所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比含量为15％-30％。

优选地，所述硅抛光速率促进剂包括哌嗪、单乙醇胺和二乙烯三胺中的一种或多种。

优选地，所述循环使用处理剂包括氨基三甲叉膦酸、羟基乙叉二膦酸、乙二胺四亚甲基磷酸铵、乙二胺四亚甲基磷酸、二乙烯五亚甲基膦酸、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、多元醇磷酸酯、2-羟基磷酸基乙酸、乙二胺四甲叉膦酸、多氨基多醚基甲叉膦酸、聚丙烯酸钠、丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚、聚环氧琥珀酸钠、聚天冬氨酸钠、丙烯酸-马来酸共聚物、丙三醇、乙醇、丙酮、异丙醇中的一种或多种。

优选地，所述循环使用处理剂的质量百分比含量为0.1％-2.0％。

优选地，所述pH调节剂包括KOH、硝酸、四甲基氢氧化铵中的一种或多种。

优选地，所述化学机械抛光液的pH值为10.0-12.0。

本发明的另一方面，在于提供一种上述化学机械抛光液在循环抛光中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1)通过在抛光液中添加循环使用处理剂，降低在循环使用过程中的副产物产生速率，延长了抛光垫在循环抛光过程中的颜色保持不变的时间，从而延长了抛光垫的使用时间，减少了抛光垫的更换频率；降低了生产成本2)本发明的抛光液在循环抛光开始较长时间后，对硅的抛光速率下降少，循环使用寿命高，并且抛光过程的稳定性高，抛光产品的质量高；3)本发明的抛光液可以进行高度浓缩，存储运输成本低。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐述本发明的优点，但本发明的保护范围不仅仅局限于下述实施例。

表1为本发明实施例1-17以及对比例1-3的抛光液的成分及含量。按照该表配制实施例和对比例抛光液，将各组分混合均匀，用水补足质量百分比至100％，用KOH、四甲基氢氧化铵或HNO3调节到所需要的pH值，得到本发明各实施例及对比例。

表1中的缩写含义为：ATMP：氨基三甲叉膦酸，HEDP：羟基乙叉二膦酸，EDTMPS：乙二胺四亚甲基磷酸铵，EDTMPA：乙二胺四亚甲基磷酸，DTPMP：二乙烯五亚甲基膦酸，PBTCA：2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸，PAPE：多元醇磷酸酯，HPAA：2-羟基磷酸基乙酸，HDTMPA：乙二胺四甲叉膦酸，PAPEMP：多氨基多醚基甲叉膦酸，PAAS：聚丙烯酸钠，AA/AMPS：丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚，PESA：聚环氧琥珀酸钠，PASP：聚天冬氨酸钠。

表1本发明实施例1-17和对比例1-3的抛光液成分

分别用上述实施例1-17和对比例1-3的化学机械抛光液对硅片进行抛光，抛光条件：抛光机台为CDP，Suba抛光垫，8吋硅晶片(Wafer)，研磨压力4.0psi，研磨台转速50转/分钟，研磨头自转转速50转/分钟，抛光液滴加速度350ml/分钟。

在抛光过程中，将抛光液循环使用，并检测从抛光开始，抛光垫颜色保持不变的时间，以及抛光垫的使用寿命，其结果记录于表2。表2中，循环8小时后Si的抛光速率下降率＝(抛光速率(初始)-抛光速率(8小时后))/抛光速率(初始)。

表2本发明实施例1-17和对比例1-3的抛光液抛光过程中抛光垫颜色保持不变的时间和使用寿命

由表2可知，与对比例相比，本发明实施例1-17的抛光液，在应用于循环抛光过程时，抛光垫颜色保持不变的时间和抛光垫使用寿命均有所增加，同时解决了在循环抛光的过程中硅的去除速率明显下降的问题。对比例1-3的抛光液均含有硅抛光速率促进剂而不含有循环使用处理剂，从而在开始循环抛光之后，很快就会产生抛光副产物。产生的抛光副产物积累在抛光垫表面，导致抛光开始0.5小时后，抛光垫的颜色就开始变黄；抛光垫的使用寿命也仅有33小时。而且，在循环抛光开始8小时后，抛光液对硅的抛光速率与新制的抛光液相比，下降了40％以上，抛光效率大大降低，而且抛光液的循环使用寿命大为缩短。

而本发明实施例1-17，在抛光液中添加循环使用处理剂，可以抑制抛光副产物的产生，使抛光垫在抛光开始后颜色保持不变的时间大大延长，并且延长了抛光垫的使用寿命；而且抛光液在循环抛光开始8小时后，抛光液对硅的抛光速率下降很少参见表2，使用本发明实施例的抛光液进行循环抛光时，抛光垫至少可以保持颜色不变1小时，且抛光垫的寿命至少有36小时，循环抛光开始8小时后，抛光液对硅的抛光速率下降的幅度最多不超过20％。其中，实施例16的抛光液，通过加大抛光速率促进剂和循环使用处理剂的用量，进行循环抛光时，抛光垫可以保持颜色不变6小时，抛光垫的使用寿命可达45小时，且循环抛光开始8小时后，抛光液对硅的抛光速率仅下降9％。

综上所述，本发明的抛光液，通过使用循环使用处理剂，一方面，在循环抛光时，延长了抛光垫在循环抛光过程中的颜色保持不变的时间和使用时间，减少了抛光垫的更换频率；另一方面，抛光液在循环抛光开始较长时间后，对硅的抛光速率下降少，循环使用寿命高，并且提高了抛光过程的稳定性，提高了硅抛光产品的质量。从而使用本发明的化学机械跑抛光液对硅进行循环抛光时，抛光液和抛光垫的用量少，生产成本低，抛光质量高，抛光液可以进行高度浓缩，存储运输成本低。

应当注意的是，本发明中的含量，如果没有特别说明，均为质量百分比含量。

应当理解的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种应用于循环抛光的化学机械抛光液，由二氧化硅研磨颗粒、硅抛光速率促进剂、pH 调节剂、循环使用处理剂和水组成；

所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比含量为0.1%-40%；

所述硅抛光速率促进剂包括哌嗪、单乙醇胺和二乙烯三胺中的一种或多种；

所述循环使用处理剂包括氨基三甲叉膦酸、羟基乙叉二膦酸、乙二胺四亚甲基磷酸铵、乙二胺四亚甲基磷酸、二乙烯五亚甲基膦酸、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、多元醇磷酸酯、2-羟基磷酸基乙酸、乙二胺四甲叉膦酸、多氨基多醚基甲叉膦酸、聚丙烯酸钠、丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚、聚环氧琥珀酸钠、聚天冬氨酸钠、丙烯酸-马来酸共聚物、丙三醇、乙醇、丙酮、异丙醇中的一种或多种，所述循环使用处理剂的质量百分比含量为0.1%-2.0%；

所述pH调节剂包括KOH、硝酸、四甲基氢氧化铵中的一种或多种；

所述化学机械抛光液的pH值为10.0-12.0。

2.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，

所述二氧化硅研磨颗粒的质量百分比含量为15%-30%。

3.一种根据权利要求1-2任一所述的化学机械抛光液在循环抛光中的应用。