CN114686113A - 一种化学机械抛光液及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种用于含碳材料的抛光液及其使用方法。所述化学机械抛光液，包含磨料、氧化剂和无机酸及其盐类，该抛光液在维持较高的含碳材料去除速率的同时，有效减少了抛光垫表面的抛光副产物残留，显著提升了抛光垫表面清洁程度，延长了抛光垫的使用寿命，降低了抛光后晶圆表面的缺陷。
Description
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使用方法。
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相同的运动方向旋转。与此同时，含有研磨剂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。
碳化硅、无定形碳等含碳材料作为新一代宽带隙半导体材料，具有宽带隙、高热导率、高临界击穿电场、高电子饱和迁移速率、高化学稳定性等特点，在高温、高频、大功率、高密度集成电子器件等方面具有巨大的应用潜力。然而含碳材料在常温下非常稳定，不易发生化学反应，对机械力研磨的耐受性很好，因此常用的化学机械抛光液在抛光含碳材料时，难以获得较高的抛光速度。
通常需要用氧化剂将含碳材料氧化后去除。常用的氧化剂为双氧水，但双氧水的氧化能力较弱，无法获得理想的去除速率。CN102464944A在抛光液中添加高锰酸、锰酸及其盐类等强氧化剂来提高含碳材料的化学机械抛光速率。在使用高锰酸、锰酸及其盐类作为氧化剂对含碳材料抛光过程中，由于高锰酸、锰酸等氧化剂被还原后会不可避免地生成颜色较深的副产物，而且容易沉积在抛光垫的表面和孔洞中，从而造成抛光副产物在抛光垫上的聚集，影响抛光垫寿命，而且导致抛光后的表面缺陷增加。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种抛光液及其使用方法，通过在抛光液中加入无机酸及其盐类，在较少影响去除速率的情况下，使得抛光过程副产物可以直接和无机酸及其盐类发生反应，形成可溶性的锰络合物，从而避免抛光过程的副产物在抛光垫上沉积，延长了抛光垫的使用寿命，同时降低了抛光后晶圆表面的缺陷。
具体的，本发明中的化学机械抛光液包含一种化学机械抛光液，包含磨料、氧化剂、无机酸及其盐类和水。
所述无机酸选自氢溴酸、氢碘酸、氢碲酸、硼酸、过硼酸、偏硼酸、溴酸、碘酸、铬酸、锰酸、砷酸、钨酸、钼酸、硒酸、碲酸、铅酸、偏铝酸、偏亚砷酸、磷酸、次磷酸、焦磷酸中的一种或多种；所述盐类选自钾盐、钠盐或铵盐中的一种或多种。
所述氧化剂为高锰酸钾。
所述磨料选自二氧化锰、三氧化二铝、二氧化铈、二氧化钛单组分磨料以及表面包覆二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铈、二氧化钛的复合磨料中一种或多种。
本发明中，所述磨料的质量百分比含量为0.1-10％。
本发明中，所述磨料的粒径范围为50-500nm。
本发明中，所述氧化剂的质量百分比含量为0.01-1％。
本发明中，所述无机酸及其盐类的质量百分比含量为0.01-2％。
本发明中，所述无机酸及其盐类的质量百分比含量为0.1-0.5％。
本发明中，所述化学机械抛光液的pH值为2-6。
本发明的抛光液可以将除氧化剂以外的组分浓缩配置，使用前用去离子水稀释并加入氧化剂至本发明的浓度范围。
另一方面，本发明提供了一种本发明中化学机械抛光液的使用方法，包括：将本发明的化学机械抛光液用于含碳材料的化学机械抛光。
与现有技术相比较，本发明的优势在于：在所述化学机械抛光液中加入无机酸及其盐类，减少了抛光副产物在抛光垫表面的残留，同时降低了抛光后晶圆表面的缺陷。
具体实施方式
下面结合具体实施例，详细阐述本发明的优势。
根据表1中所给配方，配置本申请对比例1-4与实施例1-50的抛光液，随后将一定浓度的氧化剂溶液、无机酸及其盐类与磨料混合均匀，用水补足质量百分比至100％，使用KOH或HNO3将抛光液调节至所需pH值即可。
表1对比例1-4和实施例1-50的抛光液成分、含量及其pH
效果实施例1
采用对比例1-4和实施例42-50的抛光液，按照下述条件对空片无定形碳进行抛光。具体抛光条件：抛光机台为Reflexion LK，抛光垫IC1010抛光垫，300mm晶圆，研磨压力2.5psi，研磨盘转速93转/分钟，研磨头转速87转/分钟，抛光液流速为300ml/min，抛光时间为1min。测得对比例1-4和实施例42-50的抛光效果数据记于表2。
表2对比例1-4和实施例42-50的抛光效果数据
其中抛光垫表面清洁程度按以下方式进行描述：
++++抛光垫表面有严重污染；+++抛光垫表面有明显污染；++抛光垫表面有少量污染；+抛光垫表面无明显污染。
由表2可见，与对比例相比，本发明实施例的抛光液具有较高的无定形碳去除速率。对比例1-3的抛光液含有单组分的磨料，对比例4抛光液选用了复合磨料和高锰酸钾作为氧化剂，具有一定的无定形碳的去除速率，但抛光后抛光垫表面清洁程度较差。与对比例2、3和4的抛光液相比，实施例42、44和45的抛光液添加了无机酸及其盐类，其无定形碳的去除速率略有降低，但能够有效减少抛光垫表面的抛光副产物残留，显著改善了抛光垫表面清洁程度。
由此可见，本发明的实施例42-50抛光液通过选择合适的粒径的磨料、氧化剂及无机酸及其盐类，并调节合适的pH值，在保证较高的无定形碳去除速率的同时，减少抛光副产物在抛光垫表面的残留，显著改善了抛光垫的表面清洁程度。
效果实施例2
采用对比例1-4和本发明实施例47-50的抛光液，按照下述条件对空片无定形碳进行抛光并检测表面缺陷数量。具体抛光条件：
抛光条件：抛光机台为Reflexion LK，抛光垫IC1010抛光垫，300mm晶圆，研磨压力2.5psi，研磨盘转速93转/分钟，研磨头转速87转/分钟，抛光液流速为300ml/min，抛光时间为1min。用表面缺陷扫描仪SP2检测抛光后空白晶圆的表面缺陷数，所得的表面缺陷数的结果列于表3。
表3对比例1-4和实施例47-50的抛光后无定形碳表面缺陷数
| 抛光液 | 无定形碳表面缺陷数(>80nm)(颗) |
| 对比例1 | 396 |
| 对比例2 | 419 |
| 对比例3 | 387 |
| 对比例4 | 425 |
| 实施例47 | 63 |
| 实施例48 | 46 |
| 实施例49 | 37 |
| 实施例50 | 59 |
由表3可见，对比例1-4未使用无机酸及其盐类，抛光后无定形碳晶圆表面的缺陷数量350～450颗的范围内，而在本发明中使用无机酸及其盐类的实施例47～50的抛光液对抛光后无定形碳表面缺陷有显著改善，表面缺陷数量减少至30～70颗的范围内，无定形碳表面缺陷数量大幅度降低。
效果实施例3
采用对比例1-4和实施例47-50的抛光液，按照下述条件对空片碳化硅进行抛光。具体抛光条件：抛光机台为Reflexion LK，抛光垫IC1010抛光垫，300mm晶圆，研磨压力2.5psi，研磨盘转速93转/分钟，研磨头转速87转/分钟，抛光液流速为300ml/min，抛光时间为1min。测得对比例1-4和实施例47-50的抛光效果数据记于表4。
表4对比例1-4和实施例47-50的碳化硅抛光效果数据
| 抛光液 | 碳化硅去除速率(A/min) | 抛光垫表面清洁程度 |
| 对比例1 | 220 | +++ |
| 对比例2 | 674 | +++ |
| 对比例3 | 281 | ++++ |
| 对比例4 | 659 | +++ |
| 实施例47 | 802 | ++ |
| 实施例48 | 748 | + |
| 实施例49 | 683 | + |
| 实施例50 | 705 | + |
由表4可见，与未添加无机酸及其盐类的对比例1-4相比，本发明使用无机酸及其盐类的实施例47-50的抛光液，仍有较高的碳化硅的去除速率，同时减少抛光垫表面的抛光垫副产物残留，提高抛光垫表面清洁程度。
综上所述，本发明通过添加无机酸及其盐类，在酸性条件下保证抛光液对含碳材料具有较高的去除速率，减少抛光后抛光垫表面的抛光副产物残留，同时降低抛光后晶圆表面的缺陷。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (11)
1.一种化学机械抛光液，其特征在于，
包含磨料、氧化剂、无机酸及其盐类和水。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述无机酸选自氢溴酸、氢碘酸、氢碲酸、硼酸、过硼酸、偏硼酸、溴酸、碘酸、铬酸、锰酸、砷酸、钨酸、钼酸、硒酸、碲酸、铅酸、偏铝酸、偏亚砷酸、磷酸、次磷酸、焦磷酸中的一种或多种；
所述盐类选自钾盐、钠盐或铵盐中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述氧化剂为高锰酸钾。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述磨料选自二氧化锰、三氧化二铝、二氧化铈、二氧化钛单组分磨料以及表面包覆二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铈、二氧化钛的复合磨料中一种或多种。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述磨料的质量百分比含量为0.1-10％。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述磨料的粒径范围为50-500nm。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述氧化剂的质量百分比含量为0.01-1％。
8.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述无机酸及其盐类的质量百分比含量为0.01-2％。
9.如权利要求8所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述无机酸及其盐类的质量百分比含量为0.1-0.5％。
10.如权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于，
所述化学机械抛光液的pH值为2-6。
11.一种化学机械抛光液的使用方法，其特征在于，
将如权利要求1-10中任一项所述的化学机械抛光液用于含碳材料的化学机械抛光。
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