CN1116372C - 半导体基片用的抛光剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抛光剂，它包括一种溶液和该溶液中悬浮的抛光砂粒。这种抛光剂的特点在于，抛光砂粒子主要由一种玻璃转化温度为TG的基质组成，并且抛光砂粒含有一种掺杂剂。而且该掺杂剂浓度的确定应使掺杂后的物质的玻璃转化温度TG’低于未掺杂基质的玻璃转化温度TG。这种抛光剂可应用于无微擦痕地磨平半导体基片或涂于其上的涂层。

Description

半导体基片用的抛光剂
本发明涉及一种抛光剂，它包括溶液和悬浮在该溶液中的抛光砂粒，还涉及该抛光剂半导体基片磨平方面的应用。
一种在低于0.5μm技术中应用的磨平方法是化学-机械抛光法(CMP)。这种方法或者理解为化学辅助的机械抛光或者理解为机械作用辅助的化湿法蚀刻。该抛光剂除了含有抛光砂粒(磨料)外，还含有活性化学添加剂。化学添加剂有利于选择性地磨蚀半导体片上的确定层，它取决于被磨蚀的层的材质，抛光砂粒由二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)或氧化铈(Ce2O3)组成。
已表明，利用较硬抛光砂粒加工较软的层时可能产生微擦痕。为解决这个问题，已知是采用较软状态的组成物质来改变抛光砂粒的硬度。
例如氧化铝(Al2O3)具有硬的六角形α-相(金刚砂)和软的正方形γ-相(矾土)。二氧化硅(SiO2)甚至具有八种不同的变体：石英、方英石、鳞石英、柯石英、超石英、热液石英、黑方石英和纤维状二氧化硅。所有这些物质各自有确定的硬度和密度。所采用的抛光砂粒的硬度变化可能性受可用的变体的选择所限制。这就不可能有连续的性能谱。因此，磨光方法与被磨平材料的硬度和性能间的适应只能是受限的。
本发明的目的在于提出一类抛光剂，以便克服现有技术的缺点，特别是该抛光剂应在尽可能高的磨蚀速度下避免产生微擦痕。
达到此目的的措施是，抛光砂粒主要由一种玻璃转化温度TG，的物质组成，该抛光砂粒含一种掺杂剂，其中该掺杂剂的浓度这样确定，应使掺杂过的物质的玻璃转化温度TG’低于未掺杂的基质的玻璃转化温度TG。
本发明同样考虑，通过有目的的添加一种或几种材料，使组成抛光砂粒的物质发生变化即使其玻璃转化温度降低。其结果使该物质变软。
对于直径为50-500nm范围内的磨料粒子而言，诸如硬度一类的微观量不再具有重大应用价值。但仍然表明，与磨光过程有关的硬度是玻璃转化温度的单调函数。
掺杂剂的添加量尤宜加以限制，以便避免基质的相转变。在这种情况下，掺杂剂的添加量只使基质的结构发生细微变化，而不致发生相转变。
掺杂材料的添加将削弱远距排列从而削弱晶体结构。通过变化掺杂剂的浓度的方式可以准确确定抛光砂粒的硬度。为了使其变软不要求玻璃状态发生转变。
既然为了达到软化抛光砂粒的目的不要求玻璃状态发生转变，则玻璃转化温度形成一个准则，根据这个准则可得到合适的软的组成。这里的玻璃转化温度系指理想的玻璃转化温度，即是这样一种温度，在这个温度下在无限慢的冷却过程中实现玻璃状态的转变。从热力学上这种温度TG的特征在于，在这种温度下熵S玻璃(T)大于熵S晶体(T)。这样，为了达到软化，采用的适宜措施不取决于玻璃转化，而是以上述方式改性的晶体结构。
在某种浓度下会产生分相的危险(粉化)或者产生反转的粘度的危险(即以体系B掺杂的体系A转变成以体系A掺杂的体系B)，这种浓度构成掺杂材料的添加上限。
为了达到使抛光性能发生有技术意义的变化，宜这样确定掺杂材料的浓度，即与未掺杂的物质相比，其玻璃转化温度至少降低约10％。
抛光砂粒的基质宜为金属或两性金属的氧化物。基质尤宜由已知的抛光砂粒材料如SiO2、Al2O3或Ce2O3等组成。已知的这类物质的磨蚀行为相当于它们在抛光剂中所含的化添加剂的组合作用。由于掺杂剂，例如至少是B、P、As、Sb、Si、Al组中一种元素的加入，除弱化外其晶体结构还仍保持，则在由被处理层、溶剂和其中所含的添加物组成的整个体系中交换作用仅发生这种程度的变化，即通过抛光砂粒的软化防止了微擦痕的生成。磨平抛光过程的其余参数的匹配可以避免。这样勿需开发一种全新的抛光方法。因此，对相应配制的抛光剂在化学-机械抛光方法中具有很高的应用潜力。
通过与工艺相关的物理和化学的边界条件，选择适当的物质作磨料的基质是受限的。添加一种或几种掺杂剂可使磨料的硬度与被抛光的基片相适应，而不需更换磨料。
本发明提供的抛光剂可用来无擦痕地磨平半导体基片或涂复于其上的涂层。
将本抛光剂用于磨平半导体基片的方法中的如下构思是有利的，即基质的硬度为在未掺杂状态应用时会在半导体基片上的涂层或在半导体基片本身上产生微擦痕；但所选择的掺杂剂的浓度足够高，以致在掺杂状态下，在涂层或半导体基片上不会产生任何擦痕。
在这种具体应用中抛光剂的硬度可准确地与被加工的半导体基片的硬度和稳定性相适应。
本发明的另一些优点和特点由从属权利要求及基于附图的优选实例给出。
图1表示玻璃转化温度和熔点之间的关系，以及
图2表示抛光砂粒的熔点和硬度之间的关系。
图1所示的玻璃转化温度和熔点之间的关系列于下表1：
  玻璃转化温度[K]    熔点[K]
    S      246     342
    Se      318     490
   As2Te3      379     633
    ZnCl2      380     590
   As2Se3      468     633
    As2S3      478     573
    B2O3      530     793
    BeF2      598     821
    GeSe      695     980
    GeS2      765     1073
    GeO2      853     1388
    SiO2     1453     2003
从图1可知对于所列的物质其熔点随玻璃转化温度单调上升。
图2表示莫氏刻痕硬度与熔点的关系，其值由下表2给出：
    熔点[K] 莫氏硬度(刻痕硬度)
    KCl      770     2，2
    NaCl      800     2，5
    NaF      992     3，2
    BaO     1925     3，3
    SrO     2430     3，9
    CaO     2570     4，5
    MgO     2642     6，5
图2所示的熔点和刻痕硬度之间的关系表明刻痕硬度随熔点单调上升。
由此得出硬度随玻璃转化温度的升高单调上升。
从PSG(磷硅酸盐玻璃)和BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)的例子得出，添加掺杂剂使玻璃转化温度降低，结果列于表3：
               组成   玻璃转化温度
  质量％B2O3    质量％P2O5
    PSG     800
   BPSG-A     11，9     4，2     645
    BSG     18，9     515
    PSG     7，5     750
    PSG     6，9     725
适合作抛光剂的胶体体系的制备将以下面以SiO2作粒基质的例子加以说明。当然，这种方法同样可用其它基质和其它掺杂剂来实施。
可通过不同的方法制备带有一种掺杂剂的胶体SiO2。
在一种热解方法中，SiCl4/AlCl3-混合物在氢氧焰中反应，并水解得到的反应产物。在过程中产生的混合氧化物情况下，以氧化铝Al2O3作为掺杂剂料引入基质氧化物二氧化硅SiO2的基本结构中。另外的掺杂剂如硼或磷的引入可相应地通过SiCl4与BCl3或PCl5的反应进行。
制备胶体SiO2的另一种可能性是水玻璃的脱碱，这个过程中原硅酸分子冷凝以形成直径为50-500nm的球形SiO2聚集体。如果在这个冷凝过程中，掺杂剂以一种化合物的形式如(NH4)2HPO4或H3PO4按相应比例和pH值加入时，掺杂剂同样能引入基质氧化物的基本结构中。

Claims (13)

1.一种含溶液和该溶液中的悬浮抛光砂粒的抛光剂，其特征在于，
-抛光砂粒主要由玻璃转化温度为TG的基质组成，
-抛光砂粒含有一种掺杂剂，
-其中掺杂剂的浓度的确定应使掺杂后的物质的玻璃转化温度TG′低于未掺杂的基质的玻璃转化温度TG。
2.权利要求1的抛光剂，其特征在于，掺杂剂的浓度的确定应使其玻璃转化温度TG′比未掺杂的物质的玻璃转化温度TG至少降低10％。
3.权利要求1的抛光剂，其特征在于，基质为金属或两性金属的氧化物。
4.权利要求3的抛光剂，其特征在于，基质为SiO2、Al2O3或Ce2O3。
5.权利要求1-4的任一项权利要求的抛光剂，其特征在于，掺杂剂至少含有B、P、As、Sb、Si、Al元素中的一种元素。
6.权利要求1-4的任一项权利要求的抛光剂，其特征在于，抛光砂粒的直径为50-500nm。
7.权利要求5的抛光剂，其特征在于，抛光砂粒的直径为50-500nm。
8.权利要求1-4的任一项权利要求的抛光剂在无微擦痕地磨平半导体基片或半导体基片上的涂层方面的应用。
9.权利要求5的抛光剂在无微擦痕地磨平半导体基片或半导体基片上的涂层方面的应用。
10.权利要求6的抛光剂在无微擦痕地磨平半导体基片或半导体基片上的涂层方面的应用。
11.权利要求8的抛光剂应用，其特征在于，其基质的硬度是如此高，即在未掺杂状态使用时会在半导体基片上产生微擦痕，以及如此选择掺杂剂的浓度，即掺杂后不会使半导体基片上产生任何擦痕。
12.权利要求9的抛光剂应用，其特征在于，其基质的硬度是如此高，即在未掺杂状态使用时会在半导体基片上产生微擦痕，以及如此选择掺杂剂的浓度，即掺杂后不会使半导体基片上产生任何擦痕。
13.权利要求10的抛光剂应用，其特征在于，其基质的硬度是如此高，即在未掺杂状态使用时会在半导体基片上产生微擦痕，以及如此选择掺杂剂的浓度，即掺杂后不会使半导体基片上产生任何擦痕。
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