CN113941952B - 一种半导体晶圆的双面抛光工艺 - Google Patents

一种半导体晶圆的双面抛光工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体材料加工领域，具体公开了一种半导体晶圆的双面抛光工艺，由以下步骤组成：S1：将半导体晶圆装载于载体盘的切口中，并置于覆盖有上抛光垫的上抛光盘与覆盖有下抛光垫的下抛光盘之间；S2：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第一抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；S3：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第二抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光S4：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应超纯水，去除所述晶圆、上抛光垫及下抛光垫上的第二抛光液；还公开了抛光液组成。所述工艺可以在晶圆表面形成聚合物薄膜，改善晶圆表面的局域光散射体品质及粗糙度品质。

Description

一种半导体晶圆的双面抛光工艺
技术领域
本发明属于半导体材料加工领域，具体公开了一种半导体晶圆的双面抛光工艺。
背景技术
晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。随着集成电路(Integrated circuit,IC)制造技术的不断发展，芯片特征尺寸越来越小，互连层数越来越多，晶圆直径也不断增大。要实现多层布线，晶圆表面必须具有极高的平整度、光滑度和洁净度，而化学机械抛光(Chemicalmechanical polishing,CMP)是目前最有效的晶圆平坦化技术，它与光刻、刻蚀、离子注入、PVD/CVD一起被称为IC制造最核心的五大关键技术。
CMP装备主要由抛光头、抛光盘、修整器、抛光液输送系统等部分组成，而抛光头及其压力控制系统是其中最关键、最复杂的部件，是CMP技术实现纳米级平坦化的基础和核心。目前国外最先进的300mm晶圆抛光头采用气压方式加载，具有分区压力、真空吸附、浮动保持环及自适应等功能，十分复杂。随着特征尺寸不断减小和晶圆直径不断增加，对CMP表面质量的要求也越来越高，传统的单区压力抛光头已无法满足要求。如果抛光头能够将晶圆分成多个区域进行加载，通过改变施加压力的大小就可以控制不同区域的材料去除率。当前国际上高端300mm晶圆CMP装备的抛光头通常具有三个压力分区。此外，在45nm技术节点及以下，目前的CMP装备(抛光压力>6.985kPa)极易造成Low-k材料的断裂、划伤以及Low-k介质/铜界面剥离等问题，超低压力CMP(<3.448kPa)将是未来CMP装备和技术的主要发展方向。目前晶圆抛光工艺主要的问题是抛光时间长，抛光液价格昂贵，抛光效果不理想。
发明内容
针对上述情况，本发明公开了一种半导体晶圆的双面抛光工艺。
本发明的技术方案如下：
一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述抛光工艺属于化学机械抛光法，由以下步骤组成：
S1：将半导体晶圆装载于载体盘的切口中，并置于覆盖有上抛光垫的上抛光盘与覆盖有下抛光垫的下抛光盘之间；
S2：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第一抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速100-200rpm，抛光压力范围是0.01～0.03daN/cm2，抛光时长为10～20min；
S3：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第二抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速200-400rpm，抛光压力范围是0.2～0.4daN/cm2，抛光时长为3～6min；
S4：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应超纯水，去除所述晶圆、上抛光垫及下抛光垫上的第二抛光液；
所述步骤S2中的第一抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000021
所述步骤S3中的第二抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000022
Figure BDA0003331791580000031
进一步的，上述一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述氧化剂选自H2O2、重铬酸钾、过硫酸铵中的一种或者多种。
进一步的，上述一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述氧化剂为H2O2：重铬酸钾：过硫酸铵的摩尔比为1:2:2。
进一步的，上述一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述表面活性剂选自三羧酸酯、月桂酰谷氨酸、壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或者多种。
进一步的，上述一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述表面活性剂选为三羧酸酯：月桂酰谷氨酸：壬基酚聚氧乙烯醚的摩尔比为1:2:1。
进一步的，上述一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述磨料为人造金刚石微粒和氧化铬微粒的混合物，所述人造金刚石微粒平均直径50-100微米，所述氧化铬微粒的平均直径为150-250微米。
进一步的，上述一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述人造金刚石微粒和氧化铬微粒的质量比为2：1。
进一步的，上述一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述无机酸为盐酸，所述无机碱为氢氧化钠。
进一步的，上述一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述聚乳酸的平均分子量为150000。
进一步的，上述一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述抛光工艺属于化学机械抛光法，由以下步骤组成：
S1：将半导体晶圆装载于载体盘的切口中，并置于覆盖有上抛光垫的上抛光盘与覆盖有下抛光垫的下抛光盘之间；
S2：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第一抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速100-200rpm，抛光压力范围是0.01～0.03daN/cm2，抛光时长为10～20min；
S3：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第二抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速200-400rpm，抛光压力范围是0.2～0.4daN/cm2，抛光时长为3～6min；
S4：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应超纯水，去除所述晶圆、上抛光垫及下抛光垫上的第二抛光液；
所述步骤S2中的第一抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000041
所述步骤S3中的第二抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000042
Figure BDA0003331791580000051
所述氧化剂为H2O2：重铬酸钾：过硫酸铵的摩尔比为1:2:2；
所述表面活性剂选为三羧酸酯：月桂酰谷氨酸：壬基酚聚氧乙烯醚的摩尔比为1:2:1；
所述磨料为人造金刚石微粒和氧化铬微粒的混合物，所述人造金刚石微粒平均直径50-100微米，所述氧化铬微粒的平均直径为150-250微米；所述人造金刚石微粒和氧化铬微粒的质量比为2：1；
所述无机酸为盐酸，所述无机碱为氢氧化钠；
所述聚乳酸的平均分子量为150000。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明公开了一种半导体晶圆的双面抛光工艺，属于化学机械抛光法，改进了抛光中的转速、压力、抛光时间等参数，并使用了两种抛光液，并改进了抛光液的组成，所述抛光液原料易得，成本低，结合工艺改进，使得最终晶圆的抛光效果好，可以在晶圆表面形成聚合物薄膜，改善晶圆表面的局域光散射体品质及粗糙度品质。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中使用的试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市场渠道购获得的常规试剂产品。
实施例1
一种半导体晶圆的双面抛光工艺，其特征在于，所述抛光工艺属于化学机械抛光法，由以下步骤组成：
S1：将半导体晶圆装载于载体盘的切口中，并置于覆盖有上抛光垫的上抛光盘与覆盖有下抛光垫的下抛光盘之间；
S2：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第一抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速100rpm，抛光压力范围是0.01daN/cm2，抛光时长为10min；
S3：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第二抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速200rpm，抛光压力是0.2daN/cm2，抛光时长为3min；
S4：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应超纯水，去除所述晶圆、上抛光垫及下抛光垫上的第二抛光液；
所述步骤S2中的第一抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000061
所述步骤S3中的第二抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000062
Figure BDA0003331791580000071
所述氧化剂为H2O2；
所述表面活性剂选为三羧酸酯；
所述磨料为人造金刚石微粒和氧化铬微粒的混合物，所述人造金刚石微粒平均直径50微米，所述氧化铬微粒的平均直径为150微米；所述人造金刚石微粒和氧化铬微粒的质量比为2：1；
所述无机酸为盐酸，所述无机碱为氢氧化钠；
所述聚乳酸的平均分子量为150000。
实施例2
一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述抛光工艺属于化学机械抛光法，由以下步骤组成：
S1：将半导体晶圆装载于载体盘的切口中，并置于覆盖有上抛光垫的上抛光盘与覆盖有下抛光垫的下抛光盘之间；
S2：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第一抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速150rpm，抛光压力范围是0.02daN/cm2，抛光时长为15min；
S3：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第二抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速300rpm，抛光压力是0.3daN/cm2，抛光时长为4.5min；
S4：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应超纯水，去除所述晶圆、上抛光垫及下抛光垫上的第二抛光液；
所述步骤S2中的第一抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000072
Figure BDA0003331791580000081
所述步骤S3中的第二抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000082
所述氧化剂为重铬酸钾；
所述表面活性剂选为月桂酰谷氨酸；
所述磨料为人造金刚石微粒和氧化铬微粒的混合物，所述人造金刚石微粒平均直径75微米，所述氧化铬微粒的平均直径为200微米；所述人造金刚石微粒和氧化铬微粒的质量比为2：1；
所述无机酸为盐酸，所述无机碱为氢氧化钠；
所述聚乳酸的平均分子量为150000。
实施例3
一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述抛光工艺属于化学机械抛光法，由以下步骤组成：
S1：将半导体晶圆装载于载体盘的切口中，并置于覆盖有上抛光垫的上抛光盘与覆盖有下抛光垫的下抛光盘之间；
S2：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第一抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速150rpm，抛光压力范围是0.02daN/cm2，抛光时长为15min；
S3：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第二抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速300rpm，抛光压力是0.3daN/cm2，抛光时长为4.5min；
S4：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应超纯水，去除所述晶圆、上抛光垫及下抛光垫上的第二抛光液；
所述步骤S2中的第一抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000091
所述步骤S3中的第二抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000092
所述氧化剂为H2O2：重铬酸钾：过硫酸铵的摩尔比为1:2:2；
所述表面活性剂选为三羧酸酯：月桂酰谷氨酸：壬基酚聚氧乙烯醚的摩尔比为1:2:1；
所述磨料为人造金刚石微粒和氧化铬微粒的混合物，所述人造金刚石微粒平均直径75微米，所述氧化铬微粒的平均直径为200微米；所述人造金刚石微粒和氧化铬微粒的质量比为2：1；
所述无机酸为盐酸，所述无机碱为氢氧化钠；
所述聚乳酸的平均分子量为150000。
实施例4
一种半导体晶圆的双面抛光工艺，所述抛光工艺属于化学机械抛光法，由以下步骤组成：
S1：将半导体晶圆装载于载体盘的切口中，并置于覆盖有上抛光垫的上抛光盘与覆盖有下抛光垫的下抛光盘之间；
S2：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第一抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速200rpm，抛光压力范围是0.03daN/cm2，抛光时长为20min；
S3：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第二抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速400rpm，抛光压力是0.4daN/cm2，抛光时长为6min；
S4：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应超纯水，去除所述晶圆、上抛光垫及下抛光垫上的第二抛光液；
所述步骤S2中的第一抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000101
Figure BDA0003331791580000111
所述步骤S3中的第二抛光液由以下重量份的成分组成：
Figure BDA0003331791580000112
所述氧化剂为H2O2：重铬酸钾：过硫酸铵的摩尔比为1:2:2；
所述表面活性剂选为三羧酸酯：月桂酰谷氨酸：壬基酚聚氧乙烯醚的摩尔比为1:2:1；
所述磨料为人造金刚石微粒和氧化铬微粒的混合物，所述人造金刚石微粒平均直径100微米，所述氧化铬微粒的平均直径为250微米；所述人造金刚石微粒和氧化铬微粒的质量比为2：1；
所述无机酸为盐酸，所述无机碱为氢氧化钠；
所述聚乳酸的平均分子量为150000。
测试例
将实施例1-4的半导体晶圆的双面抛光工艺，与最接近本发明的现有技术CN201610332985.7一种晶圆的双面抛光方法进行对比(对比例)，以对比例为100％，发现使用实施例1-4，特别是实施例3中的双面抛光工艺，可以有效降抛光成本并且降低了晶圆表面的粗糙度。具体结果如表1所示
表1，工艺比较测试
Figure BDA0003331791580000113
Figure BDA0003331791580000121
从上述表1可见，本发明所公开的所述抛光液原料易得，成本低，结合工艺改进，使得最终晶圆的抛光效果好，可以在晶圆表面形成聚合物薄膜，改善晶圆表面的局域光散射体品质及粗糙度品质。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种半导体晶圆的双面抛光工艺，其特征在于，所述抛光工艺属于化学机械抛光法，由以下步骤组成：
S1：将半导体晶圆装载于载体盘的切口中，并置于覆盖有上抛光垫的上抛光盘与覆盖有下抛光垫的下抛光盘之间；
S2：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第一抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速100-200rpm，抛光压力范围是0.01～0.03daN/cm2，抛光时长为10～20min；
S3：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应第二抛光液，对所述晶圆正面及背面进行抛光；抛光转速200-400rpm，抛光压力范围是0.2～0.4daN/cm2，抛光时长为3～6min；
S4：在所述半导体晶圆与所述上抛光垫、下抛光垫之间供应超纯水，去除所述晶圆、上抛光垫及下抛光垫上的第二抛光液；
所述步骤S2中的第一抛光液由以下重量份的成分组成：
超纯水 100份
氧化剂 15-25份
表面活性剂 5-15份
磨料 5-15份
无机酸 5-10份
聚丙酰胺 5-10份
硫酸镁 4-8份
熊果素 4-8份
所述步骤S3中的第二抛光液由以下重量份的成分组成：
超纯水 100份
氧化剂 15-25份
表面活性剂 15-25份
聚乳酸 10-20份
无机碱 5-10份
聚丙酰胺 5-10份
硫酸镁 4-8份
熊果素 4-8份；
所述氧化剂为H2O2：重铬酸钾：过硫酸铵的摩尔比为1:2:2；
所述表面活性剂选为三羧酸酯：月桂酰谷氨酸：壬基酚聚氧乙烯醚的摩尔比为1:2:1；
所述磨料为人造金刚石微粒和氧化铬微粒的混合物，所述人造金刚石微粒平均直径50-100微米，所述氧化铬微粒的平均直径为150-250微米；所述人造金刚石微粒和氧化铬微粒的质量比为2：1；
所述无机酸为盐酸，所述无机碱为氢氧化钠；
所述聚乳酸的平均分子量为150000。
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