CN102120928B - 化学机械研磨剂及化学机械研磨方法 - Google Patents

Abstract

一种化学机械研磨剂，所述化学机械研磨剂包括：亲水基表面活性剂、氧化剂、固体颗粒和水。本发明提供的化学机械研磨剂中包括亲水基表面活性剂材料，所述亲水基表面活性剂材料可以降低化学机械研磨剂和疏水性薄膜间的表面张力，使化学机械研磨剂和疏水性薄膜更紧密贴合，减少多晶硅或硼磷硅玻璃等的疏水性薄膜表面的残留物或颗粒等的缺陷，改善化学机械研磨的效果。

Description

化学机械研磨剂及化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种化学机械研磨剂及化学机械研磨方法。

背景技术

在半导体制造中，化学机械研磨(CMP)技术可以实现整个晶圆的平坦化，成为芯片制造工艺中重要的步骤之一。

在化学机械研磨中，化学机械研磨剂(Slurry)是化学机械研磨技术的关键要素之一，其性能直接影响抛光后表面的质量。设计化学机械研磨剂时，希望能达到去除速率高、平面度好、膜厚均匀、无残留、缺陷少等效果。

在公开号为CN1884410的中国专利申请中，公开了一种化学机械研磨剂的组成，所述化学机械研磨剂是一种水溶胶，其PH值为2～4。所述化学机械研磨剂包括磨料、反应剂和去离子水；其中，磨料的重量百分比浓度为10～40％；反应剂的重量百分比浓度为0.5～5％；其余为去离子水。所述磨料粒径为10～100nm。抛光液中反应剂选自磷酸或磷酸盐。所述化学机械研磨剂去除率高，表面无划痕和腐蚀坑等缺陷，抛光样品表面质量好，并且成本低、无污染。但是所述化学机械研磨剂主要用于对单晶氧化镁基片进行抛光，对于疏水性的薄膜，例如多晶硅，硼磷硅玻璃等薄膜则不具有优秀的化学机械研磨效果。

由于多晶硅或硼磷硅玻璃是疏水性薄膜，所以化学机械研磨剂在多晶硅或硼磷硅玻璃的薄膜表面具有较大的表面张力，难以紧密贴合，导致化学机械研磨效果差。参考图1，示出了现有技术中化学机械研磨后多晶硅表面示意图。在现有技术的化学机械研磨后，多晶硅表面还具有残留物101，通常通过增加研磨步骤来消除所述残留物101，但过度研磨很容易在薄膜表面留下凹陷。参考图2，示出了现有技术中化学机械研磨后硼磷硅玻璃的表面示意图。在现有技术的化学机械研磨后，硼磷硅玻璃表面附着颗粒201杂质，通常通过添加缓冲剂的步骤来去除所述颗粒201，但是这种方法由于成本较高不适于批量生产。

发明内容

本发明解决的是提供一种化学机械研磨剂，减少疏水性薄膜的表面缺陷。

为解决上述问题，本发明提供一种化学机械研磨剂，所述化学机械研磨剂包括：亲水基表面活性剂、氧化剂、固体颗粒和水。

可选的，所述亲水基表面活性剂的重量百分比浓度是：1％-5％。

可选的，所述亲水基表面活性剂的材料是硅氧烷、羧酸、酯化物或氨盐。

可选的，所述硅氧烷是氨基硅氧烷，所述氨基硅氧烷在所述化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是1％-1.5％。

可选的，所述羧酸是酰胺醚羧酸，在所述化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是4.5％-5％。

可选的，所述酯化物是多元醇酯，在所述化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是2.7％-3.2％。

可选的，所述固体颗粒在化学机械研磨剂中的重量百分比浓度浓度是2％-30％。

可选的，所述化学机械研磨剂是碱性的。

可选的，所述化学机械研磨剂对疏水性薄膜和研磨停止层研磨速率的比值低于5∶1。

相应地，本发明还提供一种使用所述化学机械研磨剂的化学机械研磨方法。

与现有技术相比，上述方案具有以下优点：所述化学机械研磨剂中包括亲水基表面活性剂材料，所述亲水基表面活性剂材料可以降低化学机械研磨剂和疏水性薄膜间的表面张力，使化学机械研磨剂和疏水性薄膜更紧密贴合，从而减少疏水性薄膜表面上的残留物和颗粒等缺陷，改善化学机械研磨的效果。

附图说明

图1是现有技术中化学机械研磨后多晶硅表面示意图；

图2是现有技术中化学机械研磨后硼磷硅玻璃的表面示意图；

图3是以现有技术中的化学机械研磨剂研磨后的多晶硅表面示意图；

图4是以本发明一个实施例的化学机械研磨剂研磨后的多晶硅表面示意图；

图5是化学机械研磨后薄膜表面颗粒杂质的统计数据图。

具体实施方式

设计人发现，使用现有技术中的化学机械研磨剂时，疏水性薄膜的表面会残存残留物和颗粒等缺陷。在化学机械研磨中，如果能减少多晶硅或硼磷硅玻璃等的疏水性薄膜表面的残留物或颗粒等的缺陷，则不需要再增加过度研磨或添加缓冲剂的步骤，避免造成凹陷或成本提高。基于此，设计人为了改善疏水性薄膜在化学机械研磨后的表面特性，设计一种新的化学机械研磨剂。

根据本发明化学机械研磨剂的一种实施方式，其包括：亲水基表面活性剂，氧化剂、固体颗粒和水。其中，所述亲水基表面活性剂材料可以使化学机械研磨剂和疏水性薄膜更紧密贴合，所述固体颗粒提供研磨薄膜表面的作用，所述氧化剂提供腐蚀薄膜表面的作用。所述化学机械研磨剂还可以包括螯合剂等。

下面结合各实施例详细描述本发明。

实施例一

化学机械研磨剂组成如下：亲水基表面活性剂是氨基硅氧烷，所述氨基硅氧烷在所述化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是1％-1.5％，固体颗粒在所述化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是：20％-25％。

所述化学机械研磨剂对疏水性薄膜和研磨停止层研磨速率的比值是3.5∶1-5∶1，即所述化学机械研磨剂对疏水性薄膜选择比是3.5∶1-5∶1。

本实施例中所述亲水基表面活性剂是氨基硅氧烷，其他的硅氧烷，例如乙烯基硅氧烷脂肪醇也适用于本发明。

实施例二

化学机械研磨剂组成如下：亲水基表面活性剂的材料是酰胺醚羧酸，其重量百分比浓度是4.5％-5％，固体颗粒在所述化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是：20％-25％。

所述化学机械研磨剂对疏水性薄膜的选择比是3∶1-3.5∶1。

本实施例中所述亲水基表面活性剂是酰胺醚羧酸，其他的羧酸，例如醇醚羧酸也适用于本发明。

实施例三

化学机械研磨剂组成如下：亲水基表面活性剂的材料是多元醇酯，其重量百分比浓度是2.7％-3.2％，固体颗粒是在所述化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是：20％-25％。

所述化学机械研磨剂对疏水性薄膜的选择比是3∶1-3.5∶1。

本实施例中所述亲水基表面活性剂是多元醇酯，其他的酯化物，例如可聚合硼酸酯也适用于本发明。

此外，所述亲水基表面活性剂还可以是氨盐等其他亲水基表面活性剂。

图3示出了以现有技术的化学机械研磨剂研磨后的多晶硅表面。在扫描电子显微镜下观察，多晶硅表面还有较大的颗粒杂质301。图4示出了以本发明一个实施例的化学机械研磨剂研磨后的多晶硅表面，在扫描电子显微镜下观察与图3相同区域、相同面积的多晶硅表面，则多晶硅表面颗粒杂质401要小得多。

更进一步分析，在以上述各实施例的化学机械研磨剂进行研磨时，化学机械研磨剂与疏水性薄膜在亲水基表面活性剂的作用下紧密贴合，疏水性薄膜表面的Si-O键水化为Si-OH键，其在外界剪切力以及流体力的作用下被剥离，这样在周而复始的作用下，疏水性薄膜表面被研磨，达到工艺的要求。较佳的，化学机械研磨剂是碱性时，可以增加化学机械研磨剂对表面的腐蚀速率，从而提高化学机械研磨效率。

因此，本发明提供的化学机械研磨剂中的亲水基表面活性剂材料可以降低化学机械研磨剂和疏水性薄膜间的表面张力，使化学机械研磨剂和疏水性薄膜更紧密贴合，促进化学机械研磨的效果。较佳地，表面活性剂的重量百分比浓度在1％-5％的范围时，研磨效果更好，使疏水性薄膜表面的缺陷明显减少。

设计人还发现，通过增加固态颗粒的重量百分比浓度浓度可以进一步改善化学机械研磨剂的研磨效果。

以下各实施例的化学机械研磨剂采用同样的亲水基表面活性剂，而采用不同重量百分比浓度的固体颗粒，以此体现固体颗粒的重量百分比浓度对研磨效果的影响

实施例四

化学机械研磨剂组成如下：亲水基表面活性剂的材料是氨基硅氧烷，其重量百分比浓度是1％-1.5％，固体颗粒在所述化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是：28％-30％。

所述化学机械研磨剂对疏水性薄膜的选择比是4∶1-4.32∶1。

实施例五

化学机械研磨剂组成如下：亲水基表面活性剂的材料是氨基硅氧烷，其重量百分比浓度是1％-1.5％，固体颗粒是在所述化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是：2％-5％。

所述化学机械研磨剂对疏水性薄膜的选择比是1.5∶1-1.8∶1。

通过增加化学机械研磨剂中固体颗粒的重量百分比浓度，可以增加研磨剂和疏水性薄膜研磨面面积，改善化学机械研磨的效果。但是固体颗粒的浓度太高会导致化学机械研磨剂过于粘稠，流动性差和成本过高。较佳地，固体颗粒重量百分比浓度是：2％-30％。具体地，可以根据不同的工艺要求，调整固体颗粒重量百分比浓度。并且，通常氧化剂含量增大，则可以减少固体颗粒含量。

设计人发现，本发明提供的化学机械研磨剂，在其他工艺参数相同的条件下，对疏水性薄膜有不同的选择比，但所述选择比均小于5∶1。对于疏水性薄膜，进行不同选择比的化学机械研磨后，对薄膜表面进行物理失效分析(PFA)。参考图5，示出了化学机械研磨后薄膜表面颗粒杂质的统计数据。现有技术中对疏水性薄膜进行高选择比(选择比大于10∶1)的化学机械研磨后，薄膜表面100个缺陷中有80个是由颗粒杂质造成的。而本发明提供的化学机械研磨剂在研磨时，对疏水性薄膜具有小于5∶1的低选择比，在研磨之后，薄膜表面100个缺陷中只有5个是由颗粒杂质造成的。由此可见，本发明提供的对疏水性薄膜具有低选择比的化学机械研磨剂可以显著降低颗粒杂质，使原来占据缺陷数量80％的颗粒杂质降低到5％。

综上，本发明提供的化学机械研磨剂包括亲水基表面活性剂，所述亲水基表面活性剂降低化学机械研磨剂和疏水性薄膜间的表面张力，以使化学机械研磨剂和疏水性薄膜更紧密贴合。并且，可选地，还可采用较高浓度的固体颗粒配比，进一步改善化学机械研磨的效果。此外，所述化学机械研磨剂用于研磨疏水性薄膜时，选择比低于5∶1，使疏水性薄膜表面平整、缺陷少，具有优良的表面特性。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种化学机械研磨剂，其特征在于，所述化学机械研磨剂用于对多晶硅或硼磷硅玻璃进行化学机械研磨，所述化学机械研磨剂包括：亲水基表面活性剂、氧化剂、固体颗粒和水；所述亲水基表面活性剂的材料为铵盐；所述化学机械研磨剂使所述多晶硅或硼磷硅玻璃表面的Si-O键水化为Si-OH键。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨剂，其特征在于，所述亲水基表面活性剂的重量百分比浓度是：1%-5%。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨剂，其特征在于，所述固体颗粒在化学机械研磨剂中的重量百分比浓度是2%-30%。

4.如权利要求1所述的化学机械研磨剂，其特征在于，所述化学机械研磨剂是碱性的。

5.如权利要求1所述的化学机械研磨剂，其特征在于，所述化学机械研磨剂对疏水性薄膜和研磨停止层研磨速率的比值低于5:1。

6.一种化学机械研磨方法，其特征在于，使用如权利要求1所述化学机械研磨剂。

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