一种硅晶片抛光组合物及其制备方法

摘要

本发明公开了化学机械抛光(CMP)领域的一种硅晶片抛光组合物及其制备方法。抛光组合物含有磨料、碱性化合物、水溶性聚合物和去离子水，还包括聚合物桥联剂和摩擦系数调节剂。其中抛光组合物中水溶性聚合物含量为0.001～5wt％；聚合物桥联剂含量为0.001～1wt％；摩擦系数调节剂含量为0.001～0.5wt％；其pH值为8～12。本发明的抛光组合物特别适合于硅晶片抛光，其优势在于可提高聚合物在浆料中的稳定性，调节硅晶片表面与抛光垫之间的摩擦系数，有效的抑制颗粒和聚合物的沉积，减少硅晶片表面的划痕，提高抛光后硅晶片表面质量的均匀性且易于清洗。

权利要求

1.一种用于硅晶片精抛光的抛光组合物，其包括磨料、碱性化合物和水，其特征在于：还包括水溶性聚合物、聚合物桥联剂和摩擦系数调节剂，其中，水溶性聚合物的重量百分含量为0.001～5wt%，聚合物桥联剂的重量百分含量为0.001～1wt%，摩擦系数调节剂的重量百分含量为0.001～0.5wt%；

所述聚合物桥联剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇与聚苯乙烯嵌段共聚物、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚氧化乙烯和环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸铵盐、聚甲基丙烯酸钾盐、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵盐、聚丙烯酸钾盐、聚酰胺酸、聚酰胺酸铵盐、聚酰胺酸钾盐、壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或几种；

所述摩擦系数调节剂为十二烷基苯磺酸、十二烷基磺酸或丁二酸二异辛酯磺酸的一种或几种；

所述碱性化合物为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠、四甲基氢氧化铵、氨水、甲基胺、二甲基胺、三甲基胺、乙基胺、二乙基胺、三乙基胺、异丙醇胺、氨基丙醇、四乙基胺、乙醇胺、二乙基三胺、三乙基四胺、羟乙基乙二胺、六亚甲基二胺、无水哌嗪或六水哌嗪中的一种或几种；

所述抛光组合物按照如下步骤制备得到：

1）按所述比例称取各组分，将磨料分散于去离子水中，并用搅拌器充分搅拌；

2）加入聚合物桥联剂和水溶性聚合物增稠剂，在搅拌器中使其与磨料充分混合；

3）依次加入摩擦系数调节剂和碱性化合物；

4）用孔径为0.5μm以下的滤芯对抛光组合物进行过滤，除去抛光组合物中的大颗粒杂质，所得抛光组合物pH为8～12。

2.根据权利要求1所述的抛光组合物，其特征在于：所述水溶性聚合物为瓜尔胶、黄原胶、海藻酸钠、羧甲基淀粉、醋酸纤维素、羧甲基纤维素、磺酸乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、甲基纤维素、羧乙基甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丁基甲基纤维素、羟乙基纤维素、脂类改性的羟乙基纤维素或脂类改性的羟丙基纤维素中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的抛光组合物，其特征在于：抛光组合物中，碱性化合物的重量百分含量为0.001～10wt%。

4.根据权利要求1所述的抛光组合物，其特征在于：抛光组合物的pH为8～12。

5.根据权利要求1所述的抛光组合物，其特征在于：所述磨料为胶体二氧化硅，磨料粒径为1～100nm，磨料的重量百分含量为0.05～20wt%。

说明书

一种硅晶片抛光组合物及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及化学机械抛光(CMP)领域，特别涉及一种用于硅晶片精抛光的抛光组合物及其制备方法。

背景技术

[0002] 集成电路(IC)是信息产业的技术基础，是推动高新技术发展的核心驱动力。化学机械抛光技术可以有效的兼顾加工表面的全局和局部平整度，在超大规模集成电路制造中，这种技术被广泛地用于加工单晶硅衬底。

[0003] 传统的CMP系统由以下三部分组成：旋转的硅晶片夹持装置、承载抛光垫的工作台、抛光液(浆料)供应系统。抛光时，旋转的工件以一定的压力施于随工作台一起旋转的抛光垫上，抛光液在工件与抛光垫之间流动，并在工件表面产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨料的机械摩擦作用去除。在化学成膜与机械去膜的交替过程中，通过化学与机械的共同作用从工件表面去除极薄的一层材料，最终实现超精密表面加工。

[0004] 通常，在工业中为了实现硅晶片的抛光加工精度，达到集成电路硅晶片要求的技术指标，需进行二步化学机械抛光(CMP)(粗抛光和精抛光)，在对硅晶片表面进行分步化学机械抛光时，每步抛光所使用的抛光液及相应的抛光工艺条件均有所不同，所对应的硅晶片各步所要达到的加工精度也不同。在粗抛光步骤中，除去硅晶片切割和成形残留下的表面损伤层，加工成镜面，最后通过对硅晶片进行“去雾”精抛光，从而最大程度上降低表面粗糙及其他自由微小缺陷。

[0005] 在实际生产中，硅晶片的最终精抛光是表面质量的决定性步骤，更好的硅晶片表面及更高效率的去除是新型硅晶片精抛液不断追求的目标，国内外采用了多种方式进行尝试，并取得了一定进展。

[0006] 专利200610014414.5公开了一种由复合磨料、非离子表面活性剂、螯合剂、有机碱和去离子水组成的用于硅晶片的精抛光液，该抛光液具有抛光速率快、无钠离子沾污的特点，抛光后晶片表面无损伤且容易清洗。

[0007] 专利US2008/0127573A1公开了一种用于硅晶片精抛光的组合物，它含有磨料、pH调节剂、水溶性增稠剂、乙炔表面活性剂、杂环胺和去离子水。该抛光液能够显著的减少抛光后硅晶片表面的LLS缺陷、雾缺陷和粗糙度。

[0008] 专利US5352277公开了一种抛光液，它含有胶态二氧化硅、水溶聚合物和水溶盐，该水溶盐由一种选自Na、K和NH4的阳离子和一种选自Cl、F、NO3和ClO4的阴离子构成，可实现低于5nm的低表面粗糙度的软表面。

[0009] 以上方法在控制硅晶片表面缺陷方面取得了一定的效果，但对于更高要求的单晶硅精抛光，以上方法在进一步控制表面缺陷、残留、以及提高晶片表面均匀性和降低摩擦系数方面还存在一定的局限。

发明内容

[0010] 本发明提供了一种可提高聚合物在浆料中的稳定性、降低表面与抛光垫间摩擦系数、抑制颗粒和聚合物的沉积，减少硅晶片表面的划痕，提高精抛光后硅晶片表面质量均匀性的硅晶片抛光组合物。

[0011] 为了实现上述目标，本发明采用了聚合物桥联剂与水溶性聚合物共同作用，使聚合物在浆料中具有极好的稳定性，另外，还加入了摩擦系数调节剂，降低硅晶片和抛光垫之间的摩擦系数。

[0012] 一种用于硅晶片精抛光的抛光组合物，其包括磨料、碱性化合物和水，其特征在于：还包括水溶性聚合物、聚合物桥联剂和摩擦系数调节剂，其中，水溶性聚合物的重量百分含量为0.001～5wt％，聚合物桥联剂的重量百分含量为0.001～1wt％，摩擦系数调节剂的重量百分含量为0.001～0.5wt％。

[0013] 所述水溶性聚合物为瓜尔胶、黄原胶、海藻酸钠、羧甲基淀粉、醋酸纤维素、羧甲基纤维素、磺酸乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、甲基纤维素、羧乙基甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丁基甲基纤维素、羟乙基纤维素、脂类改性的羟乙基纤维素或脂类改性的羟丙基纤维素中的一种或几种。

[0014] 所述聚合物桥联剂为多羟基、多羧基和/或多醚基的聚合物，选自聚乙烯醇、聚乙烯醇与聚苯乙烯嵌段共聚物、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚氧化乙烯和环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸铵盐、聚甲基丙烯酸钾盐、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵盐、聚丙烯酸钾盐、聚酰胺酸、聚酰胺酸铵盐、聚酰胺酸钾盐、壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或几种。

[0015] 所述摩擦系数调节剂为十二烷基苯磺酸、十二烷基磺酸、丁二酸二异辛酯磺酸、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸或脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸的一种或几种。

[0016] 所述碱性化合物为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠、四甲基氢氧化铵、氨水、甲基胺、二甲基胺、三甲基胺、乙基胺、二乙基胺、三乙基胺、异丙醇胺、氨基丙醇、四乙基胺、乙醇胺、二乙基三胺、三乙基四胺、羟乙基乙二胺、六亚甲基二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、无水哌嗪或六水哌嗪中的一种或几种。碱性化合物对硅晶片表面起到腐蚀的作用，可以通过调节碱性化合物的种类及含量调节精抛光去除速率，抛光组合物中，碱性化合物的重量百分含量为0.001～10wt％，将抛光液的最终pH控制在8～12。

[0017] 所述磨料为胶体二氧化硅，磨料粒径为1～100nm，磨料的重量百分含量为0.05～20wt％。

[0018] 本发明提供的一种用于硅晶片精抛光的抛光组合物，其组分及配比为：

[0019]

[0020] 本发明提供一种上述用于硅晶片精抛光的抛光组合物的制备方法，具体步骤为：

[0021] 1)按所述比例称取各组分，将磨料分散于去离子水中，并用搅拌器充分搅拌；

[0022] 2)加入聚合物桥联剂和水溶性聚合物增稠剂，在搅拌器中使其与磨料充分混合；

[0023] 3)依次加入摩擦系数调节剂和碱性化合物；

[0024] 4)用孔径为0.5μm以下的滤芯对抛光组合物进行过滤，以除去抛光组合物中的大颗粒杂质，即获得本发明所述的抛光组合物，其pH为8～12。

[0025] 本发明与现有技术相比有如下优点：

[0026] 1)本发明抛光组合物中的聚合物桥联剂，有增强水溶性聚合物三维网络结构的功能，提高聚合物在浆料中的稳定性，有效的抑制颗粒和聚合物的沉积，减少表面和抛光垫中的残留，有利于抛光后硅晶片和抛光垫的清洗；

[0027] 2)本发明抛光组合物实现了通过添加摩擦系数调节剂直接控制硅晶片表面与抛光垫间的摩擦系数，改善硅晶片在抛光过程中的转动情况，减少硅晶片表面划痕，提高精抛光后硅晶片表面的均匀性；

[0028] 3)本发明的抛光组合物所用原料易得，无污染，符合环保要求且容易进行大规模工业化生产。

[0029] 本发明的抛光组合物特别适合于硅晶片抛光，其优势在于可提高聚合物在浆料中的稳定性，调节硅晶片表面与抛光垫之间的摩擦系数，有效的抑制颗粒和聚合物的沉积，减少硅晶片表面的划痕，提高抛光后硅晶片表面质量的均匀性且易于清洗。

附图说明

[0030] 图1为本发明抛光组合物中未添加聚合物桥联剂和摩擦系数调节剂精抛光后硅晶片的原子力显微镜(AFM)照片(比较例3)。

[0031] 图2为采用本发明实施例1的抛光组合物精抛光后硅晶片的AFM照片，抛光组合物中添加了聚合物桥联剂和摩擦系数调节剂。

[0032] 图3为采用本发明实施例6的抛光组合物精抛光后硅晶片的AFM照片，抛光组合物中添加了聚合物桥联剂和摩擦系数调节剂，且各组分匹配较好。

具体实施方式

[0033] 下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，当然无论如何不应解释为限制本发明的范围。

[0034] 试验实施例

[0035] 将配置后的抛光组合物用于抛光实验，抛光实验参数如下：

[0036] 抛光机：CP-4型化学机械抛光实验机，配有1个抛光头，可抛1片硅晶片；

[0037] 抛光压力：5PSI；

[0038] 抛光转盘转速：40转/min；

[0039] 抛光硅单晶片规格：P型<100>，直径100mm，电阻率：0.1～100Ω·cm；

[0040] 抛光时间：30min；

[0041] 抛光垫：Politex型聚氨酯发泡固化抛光垫；

[0042] 抛光液流量：80ml/min；

[0043] 抛光温度：25℃

[0044] 抛光后硅晶片表面质量检测：

[0045] 使用AFM检测抛光后硅晶片的表面粗糙度。实验所采用的AFM为BrukerDIMENSION2
ICON，探针半径为10nm，其垂直分辨率为0.01nm，扫描频率为1.5Hz，扫描范围10×10μm。
为避免硅晶片表面存在的附着杂质对实验结果的影响，在实验前将硅晶片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗。

[0046] 使用ZYGO New View 7200型轮廓仪对精抛光后硅晶片表面轮廓进行测试，2倍目2
镜，50倍物镜，测试范围为0.07×0.05mm，取测试后硅晶片PV值来比较抛光过程中硅晶片表面的均匀性。

[0047] CP-4型抛光实验机自带有摩擦系数测试系统，可对抛光过程中的摩擦系数直接读取，取各抛光实验过程中最大摩擦系数进行比较。

[0048] 由表中给出的实施例可见，在本发明所述抛光工艺条件下的最佳抛光组合物中各组分含量为：含磨料(SiO2)5wt％，含水溶性聚合物瓜尔胶0.005wt％、甲基纤维素0.1wt％，含聚合物桥联剂聚乙烯醇0.04wt％，含摩擦系数调节剂脂肪醇聚氧乙烯醚0.004wt％，含碱性化合物氨水1.0wt％、羟乙基乙二胺0.4wt％，摩擦系数达0.31，抛光组合物抛光后的硅晶片表面粗糙度低至0.04nm，PV值达0.003μm。

[0049] 本发明的实施例充分说明本发明的抛光组合物是一种性能优良的CMP用抛光材料，适合于硅晶片精抛光。

[0050] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出相应的调整和改进，这些调整和改进也应视为本发明的保护范围。

[0051] 下表为各实施例中抛光组合物的组分和含量，所用的氨水为组合物中的实际含量，可采用20～30％的氨水溶液加入。(使用稀释液中各组分的含量，本发明抛光组合物的浓缩液亦可将稀释液浓缩10、20、30、40甚至40倍以上获得)以及由其进行抛光后的硅晶片表面的粗糙度、表面起伏值和摩擦系数。

[0052]