TWI406917B - 用於最後拋光矽晶圓之漿體組成物以及使用該組成物最後拋光矽晶圓之方法 - Google Patents

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Description

用於最後拋光矽晶圓之漿體組成物以及使用該組成物最後拋光矽晶圓之方法 發明領域
本發明係關於使用於最後拋光矽晶圓之漿體組成物。較特別係,本發明關於一用於最後拋光矽晶圓之漿體組成物,其可減少經拋光晶圓表面之微粗糙度(microroughness)或霧狀(其係由細微顆粒群之光漫反射的結果),也可減少形成於矽晶圓表面之具有一大於約50 nm之尺寸的局部光散射(LLS)缺陷之數目。
發明背景
化學機械拋光(CMP),其係用於製造矽晶圓的最後步驟,係被執行以移除物理性的表面缺陷,諸如微刮損,且減少矽晶圓之表面微粗糙度,因此使得該晶圓之表面柔軟。已經過CMP步驟之晶圓可具有幾乎沒有缺陷之鏡面表面。在近年中,限制由於微刮損而被偵測的局部光散射(LLS)缺陷尺寸以及其它形成於晶圓表面之缺陷的規定已經係越來越嚴格的。
具有大於80 nm或65 nm之尺寸的LLS缺陷已被限制。關於具有尺寸為50 nm或30 nm狀態之缺陷的規定係現在被實施的。為了遵守這樣的被增強的規定,對於一可有效移除缺陷之漿體組成物係有需求的。
矽晶圓被使用作為用於半導體製造的基材。矽晶圓係經由一連串之製程,諸如單晶成長、切片、研磨、蝕刻、拋光以及清潔。拋光係用於移除在先前步驟中所形成的表面缺陷以及次表面之損壞,包括刮損、分裂、微粒變形、表面微粗糙度、表面地形缺陷等,之步驟以形成具有鏡面表面之不具缺陷之晶圓。
用於晶圓之化學機械拋光(CMP)之程序涉及一些步驟,亦即一用於移除深度表面刮損之初級拋光步驟,其需要一高拋光速率,以及一用於移除在該初級拋光步驟後所剩餘之微刮損以及用於減低該等晶圓之表面微粗糙度成為幾個()埃之狀態以達到該等晶圓的晶面表面之次級拋光(鏡面拋光)步驟。亦即,最後拋光步驟必須被執行以減低晶之表面微粗糙度以使達到幾個()埃之狀態,降低霧狀且減少殘餘細微顆粒以及金屬離子之量以達最低可能性之程度(幾個ppm)。
這些拋光步驟需要使用一柔軟或堅硬之胺甲酸酯拋光墊以及一除了一拋光機以及去離子水之外的漿體組成物。
該拋光墊係負責機械拋光,且該漿體組成物協助該拋光墊之機械拋光且扮演一化學拋光之角色。
一相當大之在拋光墊以及漿體組成物之表現上的改善係被需要以生產高品質之大直徑晶圓。
特別係,考慮到大直徑(300 mm)晶圓之加工的特性,有一增加之對於可達到實質上無缺陷表面之漿體組成物的發展之需求。
漿體組成物被使用來化學地以及物理地促進CMP製程之最後的拋光。一般漿體組成物典型地包括一磨料、pH調節劑以及去離子水。為了較佳之拋光品質,漿體組成物可進一步包括一有機或無機添加物。
單分散二氧化矽係主要被使用作為一磨料,以及一鹼類(alkali base),諸如氫氧化鉀或氫氧化鈉,或一非金屬非有機或有機鹼係通常被使用作為pH調節劑。除了這些組份,額外之功能性添加物可被使用以達到強化的拋光功效。例如,一作為非離子性表面活性劑或一拋光加速劑之胺可被額外地使用以增加拋光速率,改善經拋光表面之清潔的程度以及加強磨料顆粒之分散性。依據CMP製程之處理特性來選擇漿體組成物係普遍的。
發給Trednnick,et al. 之U.S.專利案No.3,715,842揭露用於抑制二氧化矽之聚集以及沉澱以減少刮損之形成的方法。根據此方法。用於矽晶圓之最後拋光之漿體組成物係藉由下列步驟來被製備:分散經沉澱之於晶圓中具有100 nm或更小之尺寸的二氧化矽顆粒,添加氨至該分散液以調整Ph到7或更高,以及根據該漿體組成物之總重量,添加一以重量計0.05至2.5%之量的選自於甲基纖維素(MC),甲基乙基纖維素(MEC),乙基纖維素(EC),氫氧基乙基纖維素(HEC)以及氫氧基丙基纖維素(HPC)之水溶性纖維素。
發給Payne,et al. 之U.S.專利案Nos.4,169,337,4,462,188以及4,588,421揭露用於增加拋光速率之漿體組成物。該漿體組成物係藉由混合具有4至100 nm之尺寸的顆粒以及以重量計2至4%之胺(例如:氨基乙基乙醇胺或乙二胺)或以重量計2至4%之四級銨鹽(例如:四甲基氯化銨或四甲基氫氧化氨(TMAH))。
發給Sasaki,et al. 之U.S.專利案No.5,352,277係關於一漿體,其可包括含有以重量計20 to 50%之具有5至500 nm尺寸的二氧化矽之膠質氧化矽。該漿體也可包括20 ppm至1000 ppm之水溶性聚合物以及20 ppm至1000 ppm之由選自於Na、K及NH4 之陽離子以及選自於Cl、F、NO3 及ClO4 之陰離子所構成之水溶性鹽。該漿體被使用完成一微粗糙度低於5 nm的柔軟表面。
由Inoue,et al. 所提申之U.S.專利公開號No.2001-0003672係關於一次級或最後拋光組成物。該組成物可包括具有一20至300 nm之平均顆粒大小以作為磨料的二氧化矽。許多具體例也可包括以重量計0.001至0.3%之TMAH作為一鹼。此專利公告案提到具有1.3 x 1 06 之分子量之羥乙基纖維素(HEC)的添加導致晶圓表面之親水性的改善。
發給Miyashita,et al. 之U.S.專利案No.6,354,913係關於用於拋光單結晶矽或多晶體矽薄膜之表面。該漿體組成物可包括一水溶性纖維素,諸如羥乙基纖維素(HEC)。該漿體組成物也可包括一pH調節劑,包括一胺,諸如三乙醇胺,選擇性地與一額外之不包含一鹼金屬之鹼劑結合,例如氨以及一具有相對高之蒸氣壓的胺。重要地,該係一主要污染來源的水溶性纖維素係藉由離子交換處理來純化以降低金屬雜質之含量。
然而,這些拋光漿體組成物在於一般範圍中,且沒有特別地暗示除了被增加之拋光速率外有關亮點缺陷(LPDs)、霧狀以及微粗糙度之改善的表現。
發明概要
本發明可提供一最理想之漿體組成物,其使用一具有最佳顆粒直徑之磨料顆粒以減少被拋光之晶圓表面的微粗糙度以及霧狀(其係由細微顆粒群之光漫反射造成的結果)且以減少具有大於約50 nm之大小的LLS之數目,其係在半導體製造工業中所將發佈的標準規格,藉此改善用於拋光矽晶圓之製程的產量。
根據本發明,有一用於矽晶圓之最後拋光的漿體組成物被提供,該漿體組成物包括去離子水、磨料顆粒、一pH調節劑、一水溶性調稠劑、一乙炔界面活性劑以及一雜環胺。
在本發明之一具體例中,該乙炔界面活性劑可選自於由式1及2所分別表示地乙炔醇及乙炔二醇:R1 R2 (OH)CC≡CH (1)其中R1 以及R2 各自獨立地係(OCH2 CH2 )n OCH2 CH3 (其中n係來自0至10);且R1 R2 (OH)CC≡CC(OH)R1 R2 (2)其中R1 以及R2 各自獨立地係(OCH2 CH2 )n OCH2 CH3 (其中n係來自0至10)。
於本發明之另一具體例中,該乙炔界面活性劑可係一式2之乙炔二醇:R1 R2 (OH)CC≡CC(OH)R1 R2 (2)其中R1 以及R2 各自獨立地係(OCH2 CH2 )n OCH2 CH3 (其中n係來自0至10)。
本發明之另一具體例中,該乙炔界面活性劑可根據該漿體組成物之總重以重量計約0.00001至約0.008%之量被使用,該漿體組成物在使用於該矽晶圓拋光之前被稀釋。
在本發明之另一具體例中,該乙炔界面活性劑可根據該漿體組成物之總重以重量計約0.00003至約0.003%之量被使用,該漿體組成物在使用於該矽晶圓拋光之前被稀釋。
於本發明之另一具體例中,該雜環胺可選自於由哌啶、1-乙基哌啶、1-(2-胺基乙基)哌啶、哌、1-乙基哌、1-胺基乙基哌、1-氫氧基乙基哌、2-吡咯酮(2-pyrrolidinone)以及其混合物所構成之組群。
於本發明之另一具體例中,該雜環胺可根據該漿體組成物之總重以重量計約0.0001至約0.5%之量被使用,該漿體組成物在使用於該矽晶圓拋光之前被稀釋。
於本發明之另一具體例中,該雜環胺可根據該漿體組成物之總重以重量計約0.001至約0.3%之量被使用,該漿體組成物在使用於該矽晶圓拋光之前被稀釋。
在本發明之另一具體例中,該磨料顆粒可係膠質氧化矽顆粒。
在本發明之另一具體例中,該磨料顆粒可具有一約10至約70 nm的平均主要顆粒直徑。
在本發明之另一具體例中,該磨料顆粒可具有一約20至約30 nm之平均主要顆粒直徑。
在本發明之另一具體例中,該磨料顆粒可根據該漿體組成物之總重以重量計約0.01至約10%之量被使用,該漿體組成物在使用於該矽晶圓拋光之前被稀釋。
在本發明之另一具體例中,該磨料顆粒可根據該漿體組成物之總重以重量計約0.05至約7%之量被使用,該漿體組成物在使用於該矽晶圓拋光之前被稀釋。
在本發明之另一具體例中,該漿體組成物可具有一約9.5至約11之pH值。
在本發明之另一具體例中,該pH調節劑可係氨。
在本發明之另一具體例中,該水溶性調稠劑可係一具有親水基團之聚合物。
在本發明之另一具體例中,該水溶性調稠劑可係選自於聚乙烯醇、聚乙烯聚咯烷酮(polyvinylpolypyrrolidone)、聚氧乙烯、氫氧基乙基纖維素、氫氧基丙基纖維素以及其混合物所構成地組群。
在本發明之另一具體例中,該纖維素化合物可具有約300,000至約8,000,000之平均分子重量。
在本發明之另一具體例中,該水溶性調稠劑可可根據該漿體組成物之總重以重量計約0.001至約0.5%之量被使用,該漿體組成物在使用於該矽晶圓拋光之前被稀釋。
在本發明之再另一具體例中,該漿體組成物可具有約0.1至約50 cP之黏性,根據本發明,有一使用該漿體組成物而用於矽晶圓之最後拋光的方法被提供。
較佳實施例之詳細說明
本發明現在將在下面之接下來的本發明之詳細敘述中被較徹底地敘述,其中,本發明之一些但不是全部的具體例被敘述。確實,本發明可被以許多不同之形式具體化且不應該被理解為被限制成在此所提出的具體例;當然,這些具體例被提供以使得此揭露將滿足可實施之法定的要求。
本發明係關於一用於矽晶圓之最後拋光之漿體組成物。該漿體組成物可包括去離子水、磨料顆粒、一pH調節劑、一水溶性調稠劑一乙炔界面活性劑以及一雜環胺。
任何磨料顆粒可被使用於本發明中若其可藉由一發煙或溶凝膠過程被製得。適合之磨料顆粒的實施例包括二氧化矽(SiO2 ),其包括膠質氧化矽顆粒,氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鈰(CeO2 )、氧化鋯(ZrO2 )及氧化鈦(TiO2 ),及其混合物。該等磨料顆粒可具有約10至約70 nm之平均主要顆粒直徑,例如約20至約30 nm,為了降低機械拋光之作用以及達到改善的表面狀態。如果該等磨料顆粒之平均主要顆粒直徑矽小於約10 nm,顯著的機械拋光作用典型地不會被達到,其可造成關於拋光速率之問題,且由於在拋過程中之諸如矽氧烷化合物之拋光殘餘物有該磨料顆粒可聚集且被沈澱的可能性。同時,若該等磨料顆粒之平均組要顆粒直徑超過約70 nm,則有次表面損害可能發生而造成霧狀值增加的風險。
該等磨料顆粒可以依據在使用於矽晶圓拋光之前會被稀釋之漿體組成物的總重以重量計約0.01至約10%之量被使用,例如以重量計約0.05至約7%之量。
該pH調節劑可被使用以調整該漿體組成物之pH值。該pH調節劑可用於改善該磨料顆粒之儲存穩定性以及給予一氧化粉末至矽晶圓之表面。當二氧化矽顆粒被使用作為磨料顆粒時,該漿體組成物之pH可被調整至約9.5至約11之範圍中。各種有機或無機鹼可被使用來調整該漿體組成物之pH值。被使用於調整該漿體組成物之pH至一所欲pH之範圍的有機或無機鹼的量可根據該鹼之特性變化。氨,一弱鹼,可被使用作為該有機/無機鹼。
該水溶性調稠劑可被使用以加強該磨料顆粒在拋光期間之分散穩定性且用於引發晶圓表面之可濕性。作為該水溶性調稠劑,一具有一親水基團之聚合物可被使用。適合之水溶性調稠劑之實施例包括聚乙烯醇、聚乙烯聚咯烷酮、聚氧乙烯、氫氧基乙基纖維素、氫氧基丙基纖維素,以及其混合物。該等纖維素化合物可具有約300,000至約8,000,000之重量平均分子量。
該水溶性調稠劑可依據在使用於矽晶圓拋光之前會被稀釋之漿體組成物的總重以重量計約0.001至約0.5%之量被使用。此量可使得該漿體組成物之黏度調整至一0.1至約50 cP之範圍內。當該漿體組成物之黏度超過約50 cP,該漿體組成物之拋光速率會降低且該漿體組成物之起泡性會增加,其會造成不佳的可使用性。
該乙炔界面活性劑以及雜環胺可同時被使用以減少形成於晶圓表面的具有大於約50 nm大小的缺陷之數目。
該乙炔界面活性劑可選自於一由式1及2分別表示的乙炔醇以及一乙炔二醇(acetylene glycol):R1 R2 (OH)CC≡CH (1)其中R1 以及R2 各自獨立地係(OCH2 CH2 )n OCH2 CH3 (其中n係來自0至10);且R1 R2 (OH)CC≡CC(OH)R1 R2 (2)其中R1 以及R2 各自獨立地係(OCH2 CH2 )n OCH2 CH3 (其中n係來自0至10)。
一式1或2之乙炔界面活性劑其中m係大於10會具有低溶解度且可造成該漿體組成物發泡性之增加。被預期到係該乙炔界面活性劑將提供下列兩個功效。第一,乙炔界面活性劑之使用可加強該具有好的起泡性以及不佳消泡性(defoamability)的漿體組成物之消泡性以改善該漿體組成物之可使用性。第二,該乙炔界面活性劑可作用以實質上均勻地分布該漿體至親脂性晶圓表面由於其固有的親水性。亦即,該乙炔界面活性劑可大大地改善親脂晶圓表面以及胺甲酸酯拋光墊之親水性,且因此,具有大於約50 nm尺寸的50 nm之數倍可被減少。
該乙炔界面活性劑可依據在使用於矽晶圓拋光之前會被稀釋之漿體組成物的總重以重量計約0.00001至約0.008%之量被使用,例如以重量計約0.0003至約0.003%。當該乙炔界面活性劑以以重量計少於約0.00001%之量被使用,該漿體組成物之消泡性的改善係典型地不被預期的。同時,當該乙炔界面活性劑以以重量計多於約0.008%之量被使用,有LLS缺陷之數目將會增加的可能性。
雜環胺可被使用以控制該漿體組成物之拋光速率。該雜環胺可選自於由哌啶、1-乙基哌啶、1-(2-胺基乙基)哌啶、哌、1-乙基哌、1-胺基乙基哌、1-氫氧基乙基哌、2-吡咯酮(2-pyrrolidinone)以及其混合物所構成之組群。
該雜環胺可依據在使用於矽晶圓拋光之前會被稀釋之漿體組成物的總重以重量計約0.0001至約0.5%之量被使用,例如以重量計約0.001至約0.3%。若該雜環胺被以以重量計大於約0.5%之量以及以重量計小於約0.0001%之量被首用,該漿體組成物之拋光速率可相當地增加,造成諸如霧狀之缺陷數目的增加。
本發明之漿體組成物可係藉由各種技術在使用於矽晶圓之最後拋光之前被均質地混合。此外,具有鏡面表面之無缺陷晶圓可使用本發明之漿體組成物來被製造。
以下,本發明將會參照下列實施例做較詳細的說明。然而,這些實施例係被供用於示例且不欲被理解為作為本發明之範圍的限制。
實施例
[實施例1]具有一20nm之主要顆粒直徑之膠質氧化矽顆粒被稀釋於去離子水中以達到以重量計5%之二氧化矽,且接著以重量計0.5%之氨被加入以調整pH值至10.8。以重量計0.5%之具有一400,000之重量平均分子量的氫氧基丙基纖維素被使用作為一水溶性調稠劑。如表1所示,以重量計0.002%之乙炔二醇(acetylene glycol)以及以重量計0.2%之哌作為雜環胺以製備一漿體組成物。
該漿體組成物被以去離子水稀釋40倍且被用於矽晶圓拋光。該經稀釋漿體被使用以拋光一具有定向之100p-型200m平面晶圓,使用一拋光機(UNIPLA 211),一堅硬之胺甲酸酯拋光墊被接附在該拋光機上。三十個晶圓被每個漿體試樣拋光且該等晶圓之表面被使用一SURFSCAN SP-1(KLA-TENCOR)來分析。
[實施例2]一漿體組成物以如同實施例1中之方式被製備,除了乙基哌被使用以取代哌之外。該漿體組成物之拋光表現藉由如實施例1中所述之相同程序來被評估。
[實施例3]一漿體組成物以如同實施例1中之方式被製備,除了胺基乙基哌被使用以取代哌之外。該漿體組成物之拋光表現藉由如實施例1中所述之相同程序來被評估。
[比較實施例1]一漿體組成物以如同實施例1中之方式被製備,除了具有50 nm之主要顆粒直徑的膠質氧化矽顆粒被使用以取代具有20 nm之主要顆粒直徑的氧化矽乙以外。該漿體組成物之拋光表現藉由如實施例1中所述之相同程序來被評估。
[比較實施例2]一漿體組成物以如同實施例1中之方式被製備,除了沒有乙炔界面活性劑被使用且乙醇胺被使用以取代哌之外。該漿體組成物之拋光表現藉由如實施例1中所述之相同程序來被評估。
[比較實施例3]一漿體組成物以如同實施例1中之方式被製備,除了乙醇胺被使用以取代哌之外。該漿體組成物之拋光表現藉由如實施例1中所述之相同程序來被評估。
[比較實施例4]一漿體組成物以如同實施例1中之方式被製備,除了具有50 nm之主要顆粒直徑的膠質氧化矽顆粒被使用以取代具有20 nm之主要顆粒直徑的氧化矽以外乙醇胺被使用以取代哌之外。該漿體組成物之拋光表現藉由如實施例1中所述之相同程序來被評估。
[比較實施例5]一漿體組成物以如同實施例1中之方式被製備,除了沒有乙炔界面活性劑被使用之外。該漿體組成物之拋光表現藉由如實施例1中所述之相同程序來被評估。
製備於實施例1至3以及比較實施例1至5之該等組成霧以及其拋光表現被顯示於表1中。
如從表1之結果可見,乙炔界面活性劑之使用減少了LLS缺陷之數目且該二氧化矽顆粒之最佳顆粒直徑造成LLS缺陷、霧狀以及表面粗糙度之減少。此外,乙炔界面活性劑以及雜環胺之組合導致LLS缺陷之數目顯著降低。
如同從上面敘述可顯見,本發明之漿體組成物可減少形成於矽晶圓表面上之具有大於約50 nm之尺寸的LLS缺陷之數目,且可減少霧狀以及矽晶圓表面粗糙度。
本發明之具有前面敘述中所呈現教示之優點的許多修飾以及其它具體例將會被本發明相關領域之具有通常知識者所設想到。因此,可被了解地係本發明不係被限制於以被揭露的特定具體例且修飾以及其它具體例係意欲被包括於該所附加之申請專利範圍的範圍內。雖然特定之詞彙在此被使用,其僅以一總稱且描述性的意義被使用而非用於限制的目的,本發明之範圍被界定於申請專利範圍中。

Claims (16)

  1. 一種可用於矽晶圓之最後拋光之漿體組成物,該漿體組成物包含去離子水、磨料顆粒、一pH調整劑、一水溶性調稠劑、一乙炔界面活性劑以及一雜環胺;其中,以在用於矽晶圓之拋光之前會被稀釋的該漿體組成物之總重量為基礎:該磨料顆粒係以以重量計約0.01至約10%之量被使用、該水溶性調稠劑係以以重量計約0.001至約0.5%之量被使用、該乙炔界面活性劑係以以重量計約0.00001至約0.008%之量被使用、而該雜環胺係以以重量計約0.0001至約0.5%之量被使用,其中該雜環胺包含一選自哌啶、1-乙基哌啶、1-(2-胺基乙基)哌啶、哌、1-乙基哌、1-胺基乙基哌、1-氫氧基乙基哌、2-吡咯酮(2-pyrrolidinone)以及其混合物之雜環胺。
  2. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該乙炔界面活性劑包含一由式1所表示之乙炔醇R1 R2 (OH)CC≡CH (1)其中R1 以及R2 各自獨立地係(OCH2 CH2 )n OCH2 CH3 ,其中n係來自0至10。
  3. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該乙炔界面活性劑包含由式2所表示之乙炔二醇R1 R2 (OH)CC≡CC(OH)R1 R2 (2)其中R1 以及R2 各自獨立地係(OCH2 CH2 )n OCH2 CH3 ,其中n係來自0至10。
  4. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該乙炔界面活性劑,以在用於矽晶圓之拋光之前會被稀釋的該漿體組成物之總重量為基礎,係以以重量計約0.00003至約0.003%之量被使用。
  5. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該雜環胺,以在用於矽晶圓之拋光之前會被稀釋的該漿體組成物之總重量為基礎,係以以重量計約0.001至約0.3%之量被使用。
  6. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該磨料顆粒包含膠質氧化矽顆粒。
  7. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該磨料顆粒具有約10至約70nm之平均主要顆粒直徑。
  8. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該磨料顆粒具有約20至約30nm之平均主要顆粒直徑。
  9. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該磨料顆粒,以在用於矽晶圓之拋光之前會被稀釋的該漿體組成物之總重量為基礎,係以以重量計約0.05至約7%之量被使用。
  10. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該漿體組成物具有約9.5至約11之pH值。
  11. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該pH調整劑係氨。
  12. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該水溶性調稠劑包含一具有一親水性基團之聚合物。
  13. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該水溶性調稠劑包含一選自於聚乙烯醇、聚乙烯聚咯烷酮(polyvinylpolypyrrolidone)、聚氧乙烯、氫氧基乙基纖維素、氫氧基丙基纖維素以及其混合物之調稠劑。
  14. 如申請專利範圍第13項之漿體組成物,其中該纖維素化合物具有一約300,000至約8,000,000之重量平均分子量。
  15. 如申請專利範圍第1項之漿體組成物,其中該漿體組成物具有一約0.1至約50 cP之黏性。
  16. 一種使用如申請專利範圍第1項之漿體組成物之用於矽晶圓最後拋光的方法,該方法包含:進行矽晶圓之初級拋光步驟以移除該矽晶圓上之表面刮損;以及使用如申請專利範圍第1項之漿體組成物進行次級拋光步驟。
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