CN102533123B - 用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液，由如下重量百分比的组分组成：酸性pH调制剂0.2-5％，哌啶类氮氧自由基0.01-5％，表面活性剂0.1-15％，研磨颗粒0.5-20％和余量的水。本发明的抛光液可以在酸性条件下显著改变氮化硅的去除速率，调节二氧化硅与氮化硅的选择比，并具有配制工艺简单、抛光精度高等优点。

Description

用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液

技术领域

本发明涉及一种化学机械抛光液，特别是一种适用于在半导体浅沟槽隔离(STI)的CMP工艺中用来对半导体晶片上的二氧化硅和氮化硅进行化学机械抛光的抛光液。

背景技术

化学机械抛光技术(Chemical Mechanical Polishing，CMP)是化学作用和机械作用相结合的技术，它借助CMP抛光液中超微研磨粒子的机械研磨作用以及抛光液的化学腐蚀作用，能够在硅晶圆片上形成高度平整的表面。CMP技术综合了化学抛光和机械抛光的优势。单纯的化学抛光，抛光速率较快，表面光洁度高、损伤低、完美性好，但其表面平整度、平行度较差，抛光一致性也较差；单纯机械抛光一致性好，表面平整度高，但表面光洁度差，损伤层深。应用CMP技术既可以得到高的抛光速率，又能获得完美的表面，其平整度比其他方法高出多个数量级。用这种方法可以真正实现整个硅晶圆片表面平面化，而且具有加工方法简单、加工成本低等优点。

浅沟槽隔离技术(shallow trench isolations，STI)是一种应用广泛的半导体制造技术，它包含一系列复杂的单步工艺。首先在硅衬底上形成Si₃N₄和缓冲SiO₂图形，作为沟槽腐蚀的掩模。接下来在Si衬底上腐蚀出具有一定深度和侧墙角度的沟槽，然后生长一薄层SiO₂以圆滑沟槽的顶角和去掉刻蚀过程中在硅表面引入的损伤。氧化之后是沟槽填充及退火，然后使用CMP工艺对硅片表面进行平坦化，Si₃N₄作为CMP的阻挡层。在此如果选用选择比低的抛光液，则Si₃N₄的去除量较大，容易形成过抛，并导致氧化区域膜厚度的改变。这里的选择比是指二氧化硅与氮化硅去除速率的比值。

专利文献CN200580009957.1公开了一种用于浅沟槽隔离的化学机械抛光液，该抛光液包含由去离子水、研磨颗粒和分散剂组成的含水磨料溶液以及由羧酸高分子化合物、含氮有机环化合物和胺基化合物组成的含水添加剂溶液。使用该抛光液的二氧化硅与氮化硅的选择比为25∶1～58∶1。其优先实施例中使用了KOH做为pH调节剂，这就在浆液中引入了金属离子，不利于抛光过程中的杂质离子控制及后清洗。

专利文献US6984588公开了一种化学机械抛光液，该抛光液包含以含有四价铈的复合盐为氧化剂，二氧化硅为研磨颗粒，控制pH范围为3～11。使用该浆料的二氧化硅和氮化硅的选择比为30∶1～150∶1，达到了很高的选择比，但是其pH范围过小，仅在pH值为4～5的时候达到高的选择比。

专利文献WO2007135794A1公开了一种化学机械抛光液，该抛光液包含以氧化铈和PMMA组成的复合粒子和一种平坦化剂。使用该抛光液的二氧化硅和氮化硅的选择比为20∶1～60∶1，选择比较高，但其抛光精度不够，易产生划伤。

由以上可见，目前用于在半导体浅沟槽隔离(STI)的CMP工艺中的化学机械抛光液，存在着易引入金属离子，适用范围窄，抛光精度低等缺点。因此，需要开发一种同时具备高选择比，不含金属离子，适用范围广，抛光精度高等优点的新型化学机械抛光液。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液，以克服现有技术存在的上述缺陷，满足半导体制造的浅沟槽隔离的CMP工艺日益严格的要求。

本发明所述的化学机械抛光液，由如下重量百分比的组分组成：

酸性pH调制剂0.2-5％，哌啶类氮氧自由基0.01-5％，表面活性剂0.1-15％，研磨颗粒0.5-20％和余量的水；

pH值为2～5；

研磨颗粒的中位粒径为100～400nm；

本发明所述的中位粒径为研磨颗粒的累积粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。

所述酸性pH调制剂选自硝酸、硫酸、盐酸、硝酸铵或丙酸中的一种或几种，优选硝酸铵；

所述的哌啶类氮氧自由基选自2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基、4-羟基哌啶醇氧自由基或4-氧-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基中的一种或几种；优选2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基。哌啶类氮氧自由基在本发明的抛光液中，能与表面活性剂产生协同作用，显著降低氮化硅的去除速率，而不降低二氧化硅的去除速率，从而达到提高选择性的目的。

所述的表面活性剂选自脂肪酸山梨坦、硬脂酸、十八烷基三甲基溴化铵或甜菜碱中的一种或几种；优选十八烷基三甲基溴化铵。

所述的研磨颗粒选自氧化铈，掺杂铝的氧化铈或二氧化硅，优选氧化铈。

本发明中，所有试剂及原料均市售可得。

本发明的用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液的制备方法，为常规的物理混合方法。

本发明的积极进步效果在于：本发明的抛光液可以在酸性条件下显著改变氮化硅的去除速率，调节二氧化硅与氮化硅的选择比，并具有配制工艺简单、抛光精度高等优点。

附图说明

图1～图5为实施例1配方1～5抛光液的粒度分布。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

表1给出了本发明的化学机械抛光液1～5的配方，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各实施例的抛光液，水为余量。

使用珠海欧美克公司的LS-POP(VI)型激光粒度仪分别对抛光液1～5中的研磨颗粒进行粒度测试，所得粒度分布图见图1～5，粒度测试结果为，抛光液1中CeO₂颗粒的中位粒径为103nm，抛光液2中掺杂铝的CeO₂颗粒的中位粒径为392nm，抛光3中SiO₂颗粒的中位粒径为334nm，抛光液4中CeO₂颗粒的中位粒径为215nm，抛光液5中SiO₂颗粒的中位粒径为146nm。

表1本发明的化学机械抛光液1～5

效果实施例1

表2给出了对比抛光液1以及本发明的抛光液6～10的配方及抛光效果数据，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各实施例的抛光液，水为余量。

抛光工艺参数为：抛光机为Buehler Phoenix Beta、抛光垫为IC1000/SUBAIV，下压力2psi、载盘速度100rpm、头速度100rpm，抛光浆料流速200ml/min。结果如表2所示。

表2对比抛光液1以及本发明的抛光液6～10的组成配方及抛光效果

由表2数据可见，与对比抛光液1相比，本发明的抛光液6～10均显著提高二氧化硅的去除速率，并降低了氮化硅的去除速率，从而提高了二氧化硅与氮化硅的选择比。

效果实施例2

表3给出了对比抛光液2～4和抛光液11的配方及抛光效果数据，按表中所给各成分及其含量混合均匀即可得各实施例的抛光液，水为余量。

抛光工艺参数为：抛光机为Buehler Phoenix Beta、抛光垫为politex，下压力1psi、载盘速度100rpm、头速度100rpm，抛光浆料流速200ml/min。结果如表3所示。

表3对比抛光液2～4以及本发明的抛光液11的组成配方及抛光效果

由表3中对比抛光液2～4的数据可见，添加表面活性可以显著提高二氧化硅去除速率，降低氮化硅去除速率，从而达到比较高的选择比，而单独添加哌啶氮氧自由基对抛光效果影响不大。由表3中对比抛光液4和抛光液11的数据可见，添加了哌啶氮氧自由基后，由于其与表面活性剂之间的协同作用，显著降低氮化硅的去除速率，而不降低二氧化硅的去除速率，从而提高了选择比。

Claims (5)

1.用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液，其特征在于，由如下重量百分比的组分组成：酸性pH调制剂0.2-5%，哌啶类氮氧自由基0.01-5%，表面活性剂0.1-15%，研磨颗粒0.5-20%和余量的水；

所述的哌啶类氮氧自由基选自2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基、4-羟基哌啶醇氧自由基或4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基中的一种或几种；

所述的表面活性剂选自脂肪酸山梨坦、硬脂酸、十八烷基三甲基溴化铵或甜菜碱中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液，其特征在于，pH值为2～5。

3.根据权利要求1所述的用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液，其特征在于，研磨颗粒的中位粒径为100～400nm。

4.根据权利要求1～3任一项所述的用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液，其特征在于，所述酸性pH调制剂选自硝酸、硫酸、盐酸、硝酸铵或丙酸中的一种或几种。

5.根据权利要求1～3任一项所述的用于抛光半导体晶片的化学机械抛光液，其特征在于，所述的研磨颗粒选自氧化铈，掺杂铝的氧化铈或二氧化硅。

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