CN108059921A - 一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦方法，包括如下步骤：(A)将SiO2磨料、多羟多胺FA/O螯合剂、FA/O非离子表面活性剂、二氧化锡、有机酸、氟化物、氨水混合配成抛光液；(B)在化学机械平坦化过程中，将上述抛光液采用输液管输送到抛光垫表面，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置，抛光即可。本发明实施例的方法通过选择特定配制的抛光液以及特定结构的输液管来优化整个操作过程，使得采用本发明的方法处理后的晶圆表面形貌更加平整，整个操作步骤可操作性更强，晶圆本身的机械抛光效果更加优异，可达到控制合理的表面去除率，晶圆表面粗糙度明显下降，以及提高抛光效率的效果，值得广泛推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及制作芯片的CMP设备加工领域，具体而言，涉及一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法。
背景技术
CMP，即Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光。CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光浆料、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。CMP技术的概念是1965年由Monsanto首次提出。该技术最初是用于获取高质量的玻璃表面，如军用望远镜等。1988年IBM开始将CMP技术运用于4MDRAM的制造中，而自从1991年IBM将CMP成功应用到64MDRAM的生产中以后，CMP技术在世界各地迅速发展起来。区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法，CMP通过化学的和机械的综合作用，从而避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。它利用了磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光。
可见，化学机械平坦化是半导体制程中实现多种材料全局平坦化的关键工艺，平坦化后晶圆表面平整度、均匀性及缺陷数量是评价化学机械平坦化制程优劣的关键指标，其工艺过程参数及影响因素众多(包括抛光时间、抛光头压力、抛光头及抛光盘转速、抛光液组分流量及落点、抛光垫表面特性及形貌等)，相互作用机理复杂。如果工艺过程中的某些参数控制不合理，可能会对晶圆本身的机械抛光效果有一定的影响。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法，通过选择特定配制的抛光液以及特定结构的输液管来优化整个操作过程，使得采用本发明的方法处理后的晶圆表面形貌更加平整，整个操作步骤可操作性更强，晶圆本身的机械抛光效果更加优异，可达到控制合理的表面去除率，晶圆表面粗糙度明显下降，以及提高抛光效率的效果，值得广泛推广应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法，包括如下步骤：
(A)将SiO2磨料、多羟多胺FA/O螯合剂、FA/O非离子表面活性剂、二氧化锡、有机酸、氟化物、氨水混合配成抛光液；
(B)在化学机械平坦化过程中，将上述抛光液采用输液管输送到抛光垫表面，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置，抛光即可。
现有技术中，CMP，即Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光。CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光浆料、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。CMP技术的概念是1965年由Monsanto首次提出。该技术最初是用于获取高质量的玻璃表面，如军用望远镜等。1988年IBM开始将CMP技术运用于4MDRAM的制造中，而自从1991年IBM将CMP成功应用到64MDRAM的生产中以后，CMP技术在世界各地迅速发展起来。区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法，CMP通过化学的和机械的综合作用，从而避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。它利用了磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光。
可见，化学机械平坦化是半导体制程中实现多种材料全局平坦化的关键工艺，平坦化后晶圆表面平整度、均匀性及缺陷数量是评价化学机械平坦化制程优劣的关键指标，其工艺过程参数及影响因素众多(包括抛光时间、抛光头压力、抛光头及抛光盘转速、抛光液组分流量及落点、抛光垫表面特性及形貌等)，相互作用机理复杂。如果工艺过程中的某些参数控制不合理，可能会对晶圆本身的机械抛光效果有一定的影响。
本发明为了解决以上技术问题，提供了一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法，现有技术的CMP抛光液一般是以高纯硅粉为原料，广泛用于多种材料纳米级的高平坦化抛光。本发明的方法中将抛光液的成分进行了合理的选择配伍，SiO2磨料、多羟多胺FA/O螯合剂、FA/O非离子表面活性剂这三种物质互相配伍添加后，可以使得抛光研磨液的粘度比较低，pH值比较适宜，没有颗粒感质地比较均一，彻底提高了抛光效果。
抛光液中其他成分的添加对本身提高化学抛光速率是很有帮助的，对于在晶圆表面附着难以去除的离子以及磨料颗粒，具有很强的针对去除作用，防止因为这些杂质吸附在基材表面，从而形成太多的表面污染，也克服了现有技术中由于增加磨料含量或提高pH值所造成表面损伤或颗粒残留等缺陷的形成，该机械抛光液不需要控制在太过碱性的环境中，偏酸性的环境可以防止过多的抛光磨料与基材表面发生化学作用，更利于提升抛光效果，抛光液的pH最好控制在4-6之间。
为了进一步优化配比，抛光液中的各个组分的配比更优为，以质量份数计，SiO2磨料5-10份、多羟多胺FA/O螯合剂3-4份、FA/O非离子表面活性剂2-3份、二氧化锡5-10份、有机酸15-20份、氟化物4-6份、氨水8-10份。
最优地，以质量份数计，SiO2磨料7份、多羟多胺FA/O螯合剂3份、FA/O非离子表面活性剂3份、二氧化锡7份、有机酸16份、氟化物5份、氨水9份。
优选地，步骤(A)中，在所述抛光液中添加为所述抛光液质量的0.15-0.3wt％的双氧水，添加了双氧水后可提高抛光液的稳定性，也有间接提升抛光效果的作用。
此外，为了使得制备得到的抛光液质地更加均匀，对组分的粒度最好有一定的限制，SiO2磨料的目粒度控制在400目以上，优选为600-800目。
优选地，所述步骤(A)中，所述二氧化锡的目粒度控制在300目以上，优选为400-500目之间。
优选地，所述有机酸系选自草酸、2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸、2-羟基膦醯基乙酸、氨基三亚甲基膦酸及酒石酸中的一种或多种；
优选地，所述氟化物选自氟化氢、氟化铵、氟矽酸铵及氟硼酸铵中的一种或多种。
优选地，所述步骤(B)中，所述输液管上沿径向设置有用于流所述抛光液的孔道。
优选地，所述步骤(B)中，所述孔道沿径向均匀分布。
一般的抛光液是由一个确定位置的落点流到抛光垫上，在离心力的作用下分布到抛光垫上并作用于抛光工作中，此种方法会造成抛光垫上沿径向分布的抛光液的流量及组分的微量不均，影响晶圆的表面形貌。将抛光液的输液管沿径向分布后，这样抛光液由单点落入的方式改为沿输液管的整个晶圆直径长度的线条状流入，
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法，通过选择特定配制的抛光液以及特定结构的输液管来优化整个操作过程，使得采用本发明的方法处理后的晶圆表面形貌更加平整，整个操作步骤可操作性更强，晶圆本身的机械抛光效果更加优异，可达到控制合理的表面去除率，晶圆表面粗糙度明显下降，以及提高抛光效率的效果，值得广泛推广应用；
(2)本发明通过对现有技术中的化学机械平坦化方法中的关键操作步骤进行优化后，使得平坦化处理后的晶圆表面平整度更高，也更有利于下游产业的进一步应用，扩大了晶圆本身的应用范围，有利于创造更广阔的经济效益，提高了晶圆本身的附加值，此外整个操作过程绿色环保，无三废产生，符合国家安全环保的相关要求。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法：
1)配制抛光液：将SiO2磨料(粒径为400目)取5g、多羟多胺FA/O螯合剂取4g、FA/O非离子表面活性剂2g、二氧化锡5g、草酸20g、氟化氢6g、氨水10g、去离子水267g进行混合，搅拌均匀后即可制得用于化学机械平坦抛光的抛光液，抛光液的pH控制在4；
2)将抛光液采用输液管输送到抛光垫的表面，输液管的流量为100ml/min，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置。
实施例2
一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法：
1)配制抛光液：将SiO2磨料(粒径为600目)取10g、多羟多胺FA/O螯合剂取3g、FA/O非离子表面活性剂3g、二氧化锡(粒径为400目)10g、2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸15g、氟矽酸铵4g、氨水8g、去离子水300g进行混合，搅拌均匀后即可制得用于化学机械平坦抛光的抛光液，抛光液的pH控制在6，再在抛光液中添加0.15wt％的双氧水；
2)将抛光液采用输液管输送到抛光垫的表面，输液管的流量为100ml/min，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置，输液管上沿径向均匀设置有用于流所述抛光液的孔道，将抛光液由单点落入的方式改为沿输液管的整个晶圆直径长度的线条状流入进行抛光。
实施例3
一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法：
1)配制抛光液：将SiO2磨料(粒径为800目)取7g、多羟多胺FA/O螯合剂取3g、FA/O非离子表面活性剂3g、二氧化锡(粒径为500目)7g、2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸、氨基三亚甲基膦酸16g、氟矽酸铵5g、氨水9g、去离子水300g进行混合，搅拌均匀后即可制得用于化学机械平坦抛光的抛光液，抛光液的pH控制在6，再在抛光液中添加0.3wt％的双氧水；
2)将抛光液采用输液管输送到抛光垫的表面，输液管的流量为100ml/min，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置，输液管上沿径向均匀设置有用于流所述抛光液的孔道，将抛光液由单点落入的方式改为沿输液管的整个晶圆直径长度的线条状流入进行抛光。
实施例4
一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法：
1)配制抛光液：将SiO2磨料(粒径为700目)取8g、多羟多胺FA/O螯合剂取3g、FA/O非离子表面活性剂3g、二氧化锡(粒径为500目)8g、酒石酸、氨基三亚甲基膦酸17g、氟硼酸铵5g、氨水9g、去离子水300g进行混合，搅拌均匀后即可制得用于化学机械平坦抛光的抛光液，抛光液的pH控制在5，再在抛光液中添加0.2wt％的双氧水；
2)将抛光液采用输液管输送到抛光垫的表面，输液管的流量为100ml/min，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置，输液管上沿径向均匀设置有用于流所述抛光液的孔道，将抛光液由单点落入的方式改为沿输液管的整个晶圆直径长度的线条状流入进行抛光。
实施例5
一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法：
1)配制抛光液：将SiO2磨料(粒径为750目)取7g、多羟多胺FA/O螯合剂取3g、FA/O非离子表面活性剂3g、二氧化锡(粒径为450目)8g、酒石酸、氨基三亚甲基膦酸17g、氟硼酸铵5g、氨水9g、去离子水300g进行混合，搅拌均匀后即可制得用于化学机械平坦抛光的抛光液，抛光液的pH控制在5，再在抛光液中添加0.25wt％的双氧水；
2)将抛光液采用输液管输送到抛光垫的表面，输液管的流量为100ml/min，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置，输液管上沿径向均匀设置有用于流所述抛光液的孔道，将抛光液由单点落入的方式改为沿输液管的整个晶圆直径长度的线条状流入进行抛光。
比较例1
一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法：
1)配制抛光液：将SiO2磨料(粒径为750目)取7g、多羟多胺FA/O螯合剂取3g、FA/O非离子表面活性剂3g、二氧化锡(粒径为450目)8g、去离子水300g进行混合，搅拌均匀后即可制得用于化学机械平坦抛光的抛光液，抛光液的pH控制在5，再在抛光液中添加0.25wt％的双氧水；
2)将抛光液采用输液管输送到抛光垫的表面，输液管的流量为100ml/min，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置，输液管上沿径向均匀设置有用于流所述抛光液的孔道，将抛光液由单点落入的方式改为沿输液管的整个晶圆直径长度的线条状流入进行抛光。
比较例2
一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法：
1)配制抛光液：将SiO2磨料(粒径为750目)取7g、多羟多胺FA/O螯合剂取3g、FA/O非离子表面活性剂3g、去离子水300g进行混合，搅拌均匀后即可制得用于化学机械平坦抛光的抛光液，抛光液的pH控制在5，再在抛光液中添加0.25wt％的双氧水；
2)将抛光液采用输液管输送到抛光垫的表面，输液管的流量为100ml/min，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置，输液管上沿径向均匀设置有用于流所述抛光液的孔道，将抛光液由单点落入的方式改为沿输液管的整个晶圆直径长度的线条状流入进行抛光。
比较例3
一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法：
1)配制抛光液：将SiO2磨料(粒径为750目)取7g、多羟多胺FA/O螯合剂取3g、FA/O非离子表面活性剂3g、二氧化锡(粒径为450目)8g、酒石酸、氨基三亚甲基膦酸17g、氟硼酸铵5g、氨水9g、去离子水300g进行混合，搅拌均匀后即可制得用于化学机械平坦抛光的抛光液，抛光液的pH控制在5，再在抛光液中添加0.25wt％的双氧水；
2)将抛光液采用输液管输送到抛光垫的表面，输液管的流量为100ml/min，抛光液采用单点落入的方式。
实验例1
将本发明实施例1-5与比较例1-3的化学机械平坦化方法处理后的晶圆的性能进行测定，抛光条件如表1所示，具体结果如下表2所示：
表1抛光条件
| 抛光机类型 | 单面抛光机 |
| 抛光垫 | 陶氏化学生产Dow IC1010 |
| 抛光压力 | 5psi |
| 抛光液流量 | 100ml/min |
| 抛光垫转速 | 102rpm |
| 抛光时间 | 42s |
表2性能测试结果
| 组别 | 抛光速率(rpm) | 表面粗糙度(mm) | 表面形貌 |
| 实施例1 | 100-120 | 0.01-0.02 | 晶圆表面平整 |
| 实施例2 | 100-120 | 0.01-0.02 | 晶圆表面平整 |
| 实施例3 | 100-120 | 0.01-0.02 | 晶圆表面平整 |
| 实施例4 | 100-120 | 0.01-0.02 | 晶圆表面平整 |
| 实施例5 | 100-120 | 0.01-0.02 | 晶圆表面平整 |
| 比较例1 | 80-90 | 1-2 | 晶圆表面稍显粗糙 |
| 比较例2 | 80-90 | 1-2 | 晶圆表面稍显粗糙 |
| 比较例3 | 80-90 | 1-2 | 晶圆表面稍显粗糙 |
从上表1中可以看出，本发明实施例的处理方法处理后的晶圆试样的表面粗糙度普遍都比较低，晶圆表面形貌更加平整，性能优异。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
Claims (10)
1.一种优化晶圆表面形貌的化学机械平坦化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)将SiO2磨料、多羟多胺FA/O螯合剂、FA/O非离子表面活性剂、二氧化锡、有机酸、氟化物、氨水混合配成抛光液；
(B)在化学机械平坦化过程中，将上述抛光液采用输液管输送到抛光垫表面，输液管沿径向指向所述抛光垫的圆心设置，抛光即可。
2.根据权利要求1所述的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述步骤(A)中，以质量份数计，SiO2磨料5-10份、多羟多胺FA/O螯合剂3-4份、FA/O非离子表面活性剂2-3份、二氧化锡5-10份、有机酸15-20份、氟化物4-6份、氨水8-10份。
3.根据权利要求2所述的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述步骤(A)中，以质量份数计，SiO2磨料7份、多羟多胺FA/O螯合剂3份、FA/O非离子表面活性剂3份、二氧化锡7份、有机酸16份、氟化物5份、氨水9份。
4.根据权利要求2所述的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述步骤(A)中，在所述抛光液中添加为所述抛光液质量的0.15-0.3wt％的双氧水。
5.根据权利要求1-4任一项所述的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述步骤(A)中，所述SiO2磨料的目粒度控制在400目以上，优选为600-800目。
6.根据权利要求1-4任一项所述的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述步骤(A)中，所述二氧化锡的目粒度控制在300目以上，优选为400-500目之间。
7.根据权利要求1-4任一项所述的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述步骤(A)中，所述有机酸系选自草酸、2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸、2-羟基膦醯基乙酸、氨基三亚甲基膦酸及酒石酸中的一种或多种；
优选地，所述氟化物选自氟化氢、氟化铵、氟矽酸铵及氟硼酸铵中的一种或多种。
8.根据权利要求1-4任一项所述的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述步骤(A)中，所述抛光液的pH控制在4-6之间。
9.根据权利要求1-4任一项所述的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述步骤(B)中，所述输液管上沿径向设置有用于流所述抛光液的孔道。
10.根据权利要求9所述的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述步骤(B)中，所述孔道沿径向均匀分布。
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