CN115216273A - 研磨颗粒及其制备方法、抛光液、清洗系统 - Google Patents

研磨颗粒及其制备方法、抛光液、清洗系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种研磨颗粒及其制备方法、抛光液、清洗系统，包括颗粒核和包裹所述颗粒核的第一壳体；其中，所述研磨颗粒还包括研磨层，所述研磨层包裹在所述第一壳体外表面上，所述研磨层的材料包括纳米氧化铈颗粒。本申请的研磨颗粒，包括两个壳体，研磨层采用研磨效果更好的氧化铈，可以降低研磨颗粒对晶圆表面的损伤，同时颗粒核采用磁性材料，方便研磨颗粒的回收。

Description

研磨颗粒及其制备方法、抛光液、清洗系统
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种晶圆研磨颗粒及其制备方法、抛光液、清洗系统。
背景技术
在由晶圆制造出半导体组件的过程中，可利用许多半导体制程设备与工具，这些制程机台里，通常会有一种用于研磨晶圆以得到平坦表面的设备，平坦的表面对于半导体器件的制备十分重要，全面性平坦化制程可藉由化学机械研磨(ChemicalMechanicalPolishing，简称CMP)技术得以实现，此制程在现代半导体器件中已广泛应用。
化学机械研磨中，除去研磨垫，研磨抛光液也是CMP的关键要素之一，其性能直接影响抛光后晶圆表面的质量。因此，提高研磨抛光液中提供研磨作用的研磨颗粒的性能很重要。
发明内容
鉴于上述问题，本申请的目的在于提供一种晶圆研磨颗粒及其制备方法、抛光液、清洗系统，以使研磨颗粒得以回收利用，降低成本，进一步地，抛光液及清洗系统还可减少CMP工艺对晶圆造成的损伤，实现更好的清洗效果。
根据本申请的一方面，提供一种研磨颗粒，包括颗粒核和包裹所述颗粒核的第一壳体；其中，所述研磨颗粒还包括研磨层，所述研磨层包裹在所述第一壳体外表面上，所述研磨层的材料包括纳米氧化铈颗粒。
可选地，所述研磨颗粒为球形或椭球形。
可选地，所述研磨层通过混合键形成于第一壳体表面。
可选地，所述颗粒核包括Fe3O4。
可选地，所述颗粒核采用共沉淀法制成。
可选地，所述第一壳体包括SiO2。
可选地，采用水热合成法形成包裹所述颗粒核的所述第一壳体。
可选地，所述颗粒核包括磁性材料，使所述研磨颗粒可通过磁力回收。
根据本申请的另一方面，提供一种研磨颗粒的制备方法，包括：采用共沉淀法形成颗粒核；采用水热合成法在所述颗粒核的表面形成第一壳体；将所述第一壳体包裹的所述颗粒核分散在承载液中；加入磨料源，在所述第一壳体表面形成研磨层，其中，所述研磨层的材料包括纳米氧化铈颗粒。
根据本申请的又一方面，提供一种晶圆抛光液，包括：去离子水；以及如前述所述的研磨颗粒。
可选地，还包括：抑制剂，表面活性剂、催化剂和稳定剂。
根据本申请的再一方面，提供一种清洗系统，包括：超声波清洗装置，包含装有清洗液的腔体及超声波发生器；刷洗装置，与所述超声波清洗装置连接，包含喷淋头和清洗刷；其中，所述超声波清洗装置和所述刷洗装置中均设置有用于产生磁场的磁力装置，通过控制所述磁力装置以回收颗粒核包括磁性材料的研磨颗粒。
可选地，所述磁力装置的磁场方向与所述晶圆的表面垂直。
可选地，还包括：干燥装置，与所述刷洗装置连接，用于对晶圆进行烘干。
本申请实施例提供的研磨颗粒及其制备方法、抛光液、清洗系统，其研磨颗粒的颗粒核包括磁性材料，使得抛光液中的研磨颗粒得以通过磁力实现回收利用，由于研磨颗粒采用内核与两层外壳的三层构造，在正常使用时磨损研磨颗粒的外壳，可通过定期对回收的研磨颗粒进行外壳生成的工艺，即可实现磨损外壳的修补，使研磨颗粒可实现长期的回收利用。
进一步地，研磨颗粒的研磨层采用纳米氧化铈颗粒形成，由于纳米氧化铈颗粒具有较小的棱角，从而研磨颗粒可以结合氧化铈的优势，在提高研磨速率的同时降低表面刮伤缺陷。
进一步地，本申请的研磨颗粒第一壳体采用二氧化硅，研磨层采用氧化铈，即使在研磨过程中研磨层被损耗，第一壳体也可以继续研磨，而不会对晶圆表面造成损伤。
进一步地，研磨颗粒的颗粒核采用的磁性材料，在外加磁场作用下具有磁性，在外加磁场移除后不具有磁性，从而本申请的研磨颗粒具备定向研磨的优势，可应用在晶圆边缘的凹陷比较严重的清洗过程中。
进一步地，由于常规的清洗系统对于嵌入晶圆表面或在晶圆表面堆积严重的研磨颗粒难以实现有效的清洁，本申请中的清洗系统中额外加入了可生成磁场的磁力装置，由于研磨颗粒的颗粒核具有磁性，可实现磁力与物理清扫的结合，以提供更强的清扫强度，从而对晶圆进行更彻底的清洗。还可通过控制磁场方向和磁场强度及早的对从晶圆表面脱落的研磨颗粒进行吸附，避免清洗过程中研磨颗粒对晶圆表面造成损伤，提高晶圆的产品良率。
附图说明
通过以下参照附图对本申请实施例的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出研磨抛光液及其中的研磨颗粒的示意图。
图2示出研磨后晶圆的示意图。
图3a至图3e示出本申请的研磨颗粒的制作示意图。
图4示出本申请的清洗系统的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本申请。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
图1示出研磨抛光液及其中的研磨颗粒的示意图。图2示出研磨后晶圆的示意图。
如图1所示，抛光液110中通常都具有超细固体颗粒，以提供研磨作用。CMP主要是在晶圆和研磨台的相对运动中，向研磨垫上供应抛光液110，抛光液110中含有超细固体颗粒(研磨颗粒111)和化学物质，晶圆表面与抛光液110中的化学物质发生化学反应，生成一层相对容易去除的表面层，在研磨头的下压力及抛光液中的研磨颗粒111的作用下，在与研磨垫的相对运动中被机械地磨掉，以实现晶圆表面的平坦化。
在CMP工艺中，用于化学机械研磨抛光液的研磨颗粒111，根据除去对象的膜的种类或特性，而有各式各样的种类。业界常用的有氧化硅(SiO2)、氧化铈(CeO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、复合粒子(SiO2+CeO2)等，根据研磨对象膜而选择性使用研磨颗粒。
但是，一方面现有的研磨颗粒都是一次性使用的，回收使用的工艺并不成熟，成本很高。另一方面，晶圆化学机械研磨后的清洗是业界难题，研磨颗粒比较容易黏附在晶圆表面，如果清洗不净会造成晶圆的缺陷，影响良率。在清洗刷寿命(CMP brush lifetime)末期或者机台保养(Prevention Maintenance，PM)之后，清洗刷夹距可能会发生偏差，表面研磨颗粒难以除净；在晶圆的极端边缘靠近斜面的地方，由于前层带来的凹坑可能会嵌入抛光液中的研磨颗粒，仅靠清洗刷难以清洗掉。
下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。
图3a至图3d示出了本申请的研磨颗粒及抛光液的制作示意图，研磨颗粒310包括颗粒核311，第一壳体312和研磨层313。
颗粒核311例如包括磁性材料，以便在使用过后通过磁力进行回收和再利用，具体地，颗粒核311例如由Fe3O4通过共沉淀法制成，颗粒核311例如为球形或椭球形。
第一壳体312位于颗粒核311的表面，通过水热合成法，如图3b所示，在颗粒核311的外部制备第一壳体312，第一壳体312例如包括二氧化硅，第一壳体312包裹颗粒核311。
研磨层313位于第一壳体312的表面，通过混合键制备，如图3c至图3e所示，在第一壳体312的表面制备研磨层313。在CMP工艺中研磨颗粒310中的研磨层313进行磨损消耗，由于颗粒核311包括磁性材料，可通过磁力在研磨及清洗过程中对研磨颗粒310进行回收实现再利用，在研磨颗粒310循环利用若干次后，可再通过混合键填补壳体312的磨损。
在该步骤中，例如将第一壳体312包裹的颗粒核311分散在承载液中，其中，承载液可以是各种基本上不会对第一壳体312和颗粒核311产生影响，也基本上不影响后续反应进程的液体。例如，可以使用水(去离子水)等作为承载液。
进一步在承载液中加入阳离子表面活性剂和碱性酸碱度调节液。阳离子表面活性剂用于使得第一壳体312的表面能够带上正电荷，碱性酸碱度调节液则能够使得承载液的酸碱性比较适于磨料源释放磨料粒子。在该实施例中，阳离子表面活性剂的具体成分可以是多样的，例如可以是十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的任意一种或者上述任意多种的混合物。类似的，碱性酸碱度调节液也可以是各种碱性物质，例如氢氧化钠、氢氧化钾等。此外，为了使得加入的碱性酸碱度调节液可以较为容易的除去并控制残留，可以选择使用氨水。
进一步地，在承载液中加入磨料源。该磨料源用于提供形成研磨层313的原料，该磨料源例如为异丙醇铈。承载液的酸碱性比较适宜于异丙醇铈释放纳米氧化铈粒子321。由于纳米氧化铈粒子321表面带有负电荷，会被表面带有正电荷的第一壳体312吸引，吸附到第一壳体表面，从而形成研磨层313。
研磨颗粒310同样例如为球形或椭球形，其粒径例如为10-1000nm。研磨颗粒310中颗粒核311的质量占比不低于总质量的60％。
进一步地，将研磨颗粒310与抑制剂、表面活性剂、催化剂和稳定剂等进行一定比例的混合可形成CMP工艺所需的抛光液，在CMP工艺中，通过研磨垫与抛光液的共同作用，实现对晶圆表面的研磨。
在该实施例中，抑制剂例如为裂缝抑制剂、腐蚀抑制剂等；表面活性剂例如为聚氧乙烯醚，聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的一种或几种的混合物。
图4示出了本申请的清洗系统的示意图，该清洗系统400包括超声波清洗装置410、刷洗装置和干燥装置440，其中，刷洗装置例如包括一级刷洗装置420和二级刷洗装置430，晶圆在经过清洗系统400后可置于承片台450上由机械手取出。为了实现对上述抛光液中的研磨颗粒310进行回收，在超声波清洗装置410、一级刷洗装置420和二级刷洗装置430中设置有用于产生磁场的磁力装置(图中未示出)，通过控制磁力装置的磁场，配合上述清洗系统中的各级清洁装置实现对研磨颗粒310的回收。
进一步地，在各装置中，磁力装置的磁场方向与晶圆表面相垂直，以避免回收过程中对晶圆表面的刮伤，还可通过控制磁场的强度，采用物理清扫加磁力吸附共同处理晶圆上的研磨颗粒310，提升清洁效果及产品良率。
具体地，超声波清洗装置410例如包括一个可容纳整个晶圆的灌满清洗液的腔体以及设置在其中的超声波发生器，将晶圆置入该超声波清洗装置410中，通过超声波发生器带动腔体内的清洗液振动，从而实现对其内晶圆的清洁。超声波清洗装置410中的磁力装置例如设置在晶圆正反面所对的腔体侧壁，通过磁力装置产生磁场将晶圆表面脱落的研磨颗粒310进行吸附，可减小在清洗过程中从晶圆表面脱落的研磨颗粒310对晶圆表面造成损伤。
一级刷洗装置420和二级刷洗装置430的结构相类似，其均包括能喷出清洗液的喷淋头和清洗刷，通过清洗刷与喷出的清洗液共同对晶圆的表面进行刷洗。
进一步地，在一级刷洗装置420和二级刷洗装置430中承载晶圆的部件还可使晶圆进行旋转，以更好的对晶圆的各个区域进行刷洗。清洗刷设置在晶圆的正反两个表面，可同时对晶圆的正反面进行刷洗。类似地，一级刷洗装置420和二级刷洗装置430中设置有磁力装置，通过磁力装置制造磁场，利用磁场对从晶圆上刷洗下的研磨颗粒310进行回收。
干燥装置440例如包括通气管路和晶圆垫片，通过通气管路通入清洁气流对晶圆表面进行吹扫干燥，进一步地，晶圆垫片还可带动晶圆旋转以甩去晶圆表面的清洗液，实现晶圆干燥。
清洗液为浓度为30％的柠檬酸溶液或去离子水；清洗刷为圆柱状中部空心外表面具有若干凸起的滚筒状刷子，通气管路通入的气流例如为氮气、氦气等，也可预先将气体进行加热后再由通气管路通入进行吹扫干燥，以更快使晶圆干燥。
本申请实施例提供的研磨颗粒、抛光液及清洗系统，其研磨颗粒的颗粒核包括磁性材料，使得抛光液中的研磨颗粒得以通过磁力实现回收利用，由于研磨颗粒采用内核与两层外壳的三层构造，在正常使用时磨损研磨颗粒的外壳，可通过定期对回收的研磨颗粒进行外壳生成的工艺，即可实现磨损外壳的修补，使研磨颗粒可实现长期的回收利用。
进一步地，研磨颗粒的颗粒核采用的磁性材料，在外加磁场作用下具有磁性，在外加磁场移除后不具有磁性，从而本申请的研磨颗粒具备定向研磨的优势，可应用在晶圆边缘的凹陷比较严重的清洗过程中。
进一步地，研磨颗粒的研磨层采用纳米氧化铈颗粒形成，由于纳米氧化铈颗粒具有较小的棱角，从而研磨颗粒可以结合氧化铈的优势，在提高研磨速率的同时降低表面刮伤缺陷。
进一步地，由于常规的清洗系统对于嵌入晶圆表面或在晶圆表面堆积严重的研磨颗粒难以实现有效的清洁，本申请中的清洗系统中额外加入了可生成磁场的磁力装置，由于研磨颗粒的颗粒核具有磁性，可实现磁力与物理清扫的结合，以提供更强的清扫强度，从而对晶圆进行更彻底的清洗。还可通过控制磁场方向和磁场强度及早的对从晶圆表面脱落的研磨颗粒进行吸附，避免清洗过程中研磨颗粒对晶圆表面造成损伤，提高晶圆的产品良率。
在以上的描述中，对于各结构的具体构图、制造等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的结构、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

Claims (14)

1.一种研磨颗粒，其特征在于，包括颗粒核和包裹所述颗粒核的第一壳体；
其中，所述研磨颗粒还包括研磨层，所述研磨层包裹在所述第一壳体外表面上，所述研磨层的材料包括纳米氧化铈颗粒。
2.根据权利要求1所述的研磨颗粒，其特征在于，所述研磨颗粒为球形或椭球形。
3.根据权利要求1所述的研磨颗粒，其特征在于，所述研磨层通过混合键形成于第一壳体表面。
4.根据权利要求1所述的研磨颗粒，其特征在于，所述颗粒核包括Fe3O4。
5.根据权利要求1所述的研磨颗粒，其特征在于，所述颗粒核采用共沉淀法制成。
6.根据权利要求1所述的研磨颗粒，其特征在于，所述第一壳体包括SiO2。
7.根据权利要求1所述的研磨颗粒，其特征在于，采用水热合成法形成包裹所述颗粒核的所述第一壳体。
8.根据权利要求1所述的研磨颗粒，其特征在于，所述颗粒核包括磁性材料，使所述研磨颗粒可通过磁力回收。
9.一种研磨颗粒的制备方法，其特征在于，包括：
采用共沉淀法形成颗粒核；
采用水热合成法在所述颗粒核的表面形成第一壳体；
将所述第一壳体包裹的所述颗粒核分散在承载液中；
加入磨料源，在所述第一壳体表面形成研磨层，
其中，所述研磨层的材料包括纳米氧化铈颗粒。
10.一种晶圆抛光液，其特征在于，包括：去离子水；以及如权利要求1-8中任一项所述的研磨颗粒。
11.根据权利要求10所述的晶圆抛光液，其特征在于，还包括：抑制剂，表面活性剂、催化剂和稳定剂。
12.一种清洗系统，其特征在于，包括：
超声波清洗装置，包含装有清洗液的腔体及超声波发生器；
刷洗装置，与所述超声波清洗装置连接，包含喷淋头和清洗刷；
其中，所述超声波清洗装置和所述刷洗装置中均设置有用于产生磁场的磁力装置，通过控制所述磁力装置以回收颗粒核包括磁性材料的研磨颗粒。
13.根据权利要求12所述的晶圆清洗系统，其特征在于，所述磁力装置的磁场方向与所述晶圆的表面垂直。
14.根据权利要求12所述的晶圆清洗系统，其特征在于，还包括：
干燥装置，与所述刷洗装置连接，用于对晶圆进行烘干。
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