CN113370001A - 一种硅衬底化学机械抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅衬底化学机械抛光方法，其步骤为：使用含磨料粒子的抛光液对抛光垫进行激活处理，激活处理包括预抛光处理，预抛光处理是指使用含磨料粒子的抛光液对抛光垫进行抛光；将待加工工件置于激活处理后的抛光垫上方，使用不含磨料粒子的抛光液对待加工工件的表面进行抛光加工。本发明的硅衬底化学机械抛光方法，大大简化了硅衬底加工工艺步骤，减少了硅溶胶等磨料粒子的使用，降低了研发成本以及生产设备的投入；在保持了相对较高的切削率的情况下，节约了磨料，保护了人员和环境；其相比于现有成熟工艺改动幅度不大，可方便地使用本发明的方法替换现有成熟工艺，极具应用前景。

Description

一种硅衬底化学机械抛光方法
技术领域
本发明属于半导体加工技术领域，涉及一种新型硅衬底化学机械抛光方法，特别涉及一种极大程度简化了工艺且无需磨料即可获取较高切削率的硅衬底表面的加工方法。
背景技术
化学机械抛光是半导体器件制造工艺中的一种重要技术，其使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理，化学机械抛光技术在各种半导体晶片的制造中应用广泛。目前化学机械抛光主要有以下两种途径：1)使用含有磨料粒子如硅溶胶、氧化铝、氧化铈或者复合磨料的抛光液+聚氨酯抛光垫或类似产品进行抛光，但磨料粒子在抛光时必然对其表面质量造成一定影响其中不同粒径大小的磨料粒子造成的影响不同，此外还需对抛光废液进行处理，这一定程度上增加了成本；2)对于不适用含磨料粒子的抛光液的产品，一般采用固结磨料抛光垫+不含磨料粒子的抛光液配合，固结磨料抛光垫是事先把磨料粒子固定入抛光垫中以代替原有抛光液的磨料，但固结磨料抛光垫制作繁琐，前期投入的费用加大，同时在抛光过程中易出现问题，对硅衬底表面造成不可逆的损伤。
因此，开发一种工艺简单、成本低廉且抛光效果好的硅衬底化学机械抛光工艺极具现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有硅衬底化学机械抛光工艺工艺复杂且成本较高的缺陷，提供一种工艺简单、成本低廉且抛光效果好的硅衬底化学机械抛光工艺。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种硅衬底化学机械抛光方法，包括以下步骤：
(1)使用含磨料粒子的抛光液对抛光垫进行激活处理，所述激活处理包括预抛光处理，所述预抛光处理是指使用含磨料粒子的抛光液对抛光垫进行抛光；
(2)将待加工工件置于激活处理后的抛光垫上方，使用不含磨料粒子的抛光液对待加工工件的表面进行抛光加工(具体地，利用抛光机使抛光垫旋转，控制滴液头滴加抛光液，进行待加工工件表面的加工，保持抛光垫活性，只需使抛光垫一直处于湿润状态，后续即可直接使用)，抛光加工时其切削率较高，能够保证其对待加工工件的表面的高效抛光。
本发明的硅衬底化学机械抛光方法，其能够实现在不添加磨粒的情况下进行化学机械抛光，能够避免现有技术抛光步骤繁琐、废液处理费用较大、污染环境及固结磨料抛光垫制作繁琐的缺陷，工艺简单，只需在进行化学机械抛光之前，只需对抛光垫进行激活处理，后续抛光晶片便不需要使用磨粒，大大减小了化学试剂的使用及排放处理，其相比于现有成熟工艺改动幅度不大，可方便地使用本发明的方法替换现有成熟工艺，极具应用前景。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，所述磨料粒子为硅溶胶磨粒、四氮化三硅磨粒和氧化铈磨粒中的一种以上。本发明的保护范围并不仅限于此，此处仅给出部分可用的磨料粒子而已，在实际应用时本领域技术人员可根据实际需求选择合适的磨料粒子。
如上所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，所述磨料粒子的粒径为30～130nm；
所述含磨料粒子的抛光液中磨料粒子的质量百分比为2～40％。本发明的磨料粒子的粒径及含磨料粒子的抛光液中磨料粒子的质量百分比并不仅限于此，其可在一定范围内调整，当调整幅度不易过大，磨料粒子的粒径过大，将增加表面划痕，影响表面质量；磨料粒子的粒径过小达不到预期的抛光效果；含磨料粒子的抛光液中磨料粒子的质量百分比过多造成不必要的资源浪费，成本过高；含磨料粒子的抛光液中磨料粒子的质量百分比过少达不到预期的抛光效果。
如上所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，所述抛光垫为suba 800抛光垫、suba600抛光垫或者阻尼布(市场上一般统称为黑色阻尼布)。本发明的保护范围并不仅限于此，此处仅给出本发明已验证可行的部分抛光垫而已，在实际应用中本领域技术人员可根据实际需求选择合适的抛光垫。
如上所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，所述预抛光处理及抛光加工是使用抛光机进行的，所述抛光机为sainko抛光机。本发明的抛光机并不仅限于此，此处仅给出一种可行的设备型号而已，其他常用的抛光设备只要其可满足抛光条件均可适用于本发明。
如上所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，所述抛光机包括磨盘和抛光头；
在进行预抛光处理及抛光加工时，磨盘和抛光头的转速相同或不同，为20～60rpm。磨盘和抛光头的转速过大，增大晶片的磨损程度，转速过小晶片的材料去除率将会降低，达不到预期的抛光效果。
如上所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，在进行预抛光处理及抛光加工时，抛光液的流量相同或不同，为90～150mL/min，压力相同或不同，为129～239g/cm2。预抛光处理的抛光液流量过大造成不必要的浪费，流量过小达不到预期的抛光效果，损伤表面质量。
如上所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，所述激活处理还包括预抛光处理后的清洗处理。
如上所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，所述清洗处理是指在清洗剂(水，当然其他合适的清洗剂也可适用)的冲洗下使用刷子刷洗抛光垫5～10min，清洗剂不循环使用。在抛光结束后，对抛光垫进行彻底的清洗，此时抛光垫已被激活，后续抛光不需要使用磨粒对硅片进行抛光处理，只需使用在去离子水中添加少量的电解质配制的抛光液便可对硅片进行抛光。
如上所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，所述不含磨料粒子的抛光液为碳酸钾水溶液、碳酸氢钾水溶液或硅酸盐水溶液。
有益效果：
(1)本发明的硅衬底化学机械抛光方法，大大简化了硅衬底加工工艺步骤，减少了硅溶胶等磨料粒子的使用，降低了研发成本以及生产设备的投入；
(2)本发明的硅衬底化学机械抛光方法，在保持了相对较高的切削率的情况下，节约了磨料，保护了人员和环境，仍然得到了较高的硅晶片的化学机械抛光切削速率；
(3)本发明的硅衬底化学机械抛光方法，其相比于现有成熟工艺改动幅度不大，可方便地使用本发明的方法替换现有成熟工艺，极具应用前景。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做进一步阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
一种硅衬底化学机械抛光方法，其步骤如下：
(1)含磨料粒子的抛光液的制备：
称取粒子大小为130nm、固含量为40％的50g的硅溶胶，加入去离子水配制成质量分数为2wt％的硅溶胶抛光液；
(2)将硅衬底置于suba 800抛光垫上方，利用sainko抛光设备使抛光垫旋转，磨盘转速设定50rpm，抛光头转速设定为50rpm，并加入配制好的质量分数为2wt％硅溶胶抛光液，其流量为100ml/min，进行硅衬底表面的预加工，加工压力129g/cm2，抛光时间为10min；
(3)抛光结束，取出硅晶片清洗称量记录，随后对suba 800抛光垫进行彻底的清洗，此时抛光垫已完成了激活处理，处于激活状态，后续抛光便不需要添加磨料；
(4)不含磨料粒子的抛光液的制备：
称取1000g去离子水，向去离子水中加入3.45g碳酸钾试剂，搅拌均匀配制成不含磨料粒子的抛光液；
(5)将待加工硅晶片(与步骤(2)中的硅衬底不同)置于步骤(3)获取的激活状态的suba 800抛光垫上方，利用sainko抛光设备使抛光垫旋转，磨盘转速设定为50rpm，抛光头转速设定为50rpm，并加入上述配制好的不含磨料的抛光液，其流量为100ml/min，进行表面的化学机械抛光，压力为129g/cm2，此时化学机械抛光效率达到138.8nm/min，改变压力到183g/cm2，切削率增加为230.6nm/min；压力为239g/cm2时，切削率为335.4nm/min(切削率会随着压力的增大而增加)。
对比例1
一种硅衬底抛光方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，其没有步骤(1)～(3)，其使用的suba 800抛光垫不是激活状态的suba 800抛光垫，而是激活处理前的suba800抛光垫，对硅衬底进行表面的抛光，压力为129g/cm2，此时化学机械抛光效率达到27nm/min，增大压力对硅衬底的化学机械抛光的切削率并不产生影响。
综合实施例1和对比例1分析可知，抛光垫激活大大提高了化学机械抛光的切削率，在抛光垫激活后，抛光液不使用磨料粒子切削率仍会随着压力的增大而增加。
实施例2
一种硅衬底化学机械抛光方法，其与实施例1基本相同，不同在于，不含磨料粒子的抛光液为1000g浓度为0.025M的3.3模数的硅酸钠水溶液，对硅衬底进行表面的化学机械抛光，压力为129g/cm2，此时化学机械抛光效率达到52.3nm/min，改变压力到183g/cm2，切削率增加为89.3nm/min；压力为239g/cm2时，切削率为128.8nm/min(切削率会随着压力的增大而增加)。
对比例2
一种硅衬底抛光方法，其步骤与实施例2基本相同，不同在于，其没有步骤(1)～(3)，其使用的suba 800抛光垫不是激活状态的suba 800抛光垫，而是激活处理前的suba800抛光垫，对硅衬底进行表面的抛光，在不同压力下抛光，硅晶片均没有切削率。
实施例3
一种硅衬底化学机械抛光方法，其与实施例1基本相同，不同在于，使用黑色阻尼布替换suba 800抛光垫，不含磨料粒子的抛光液为1000g浓度为0.025M的3.3模数的硅酸钾水溶液，对硅衬底进行表面的化学机械抛光，压力为238g/cm2时，切削率为28.3nm/min。
对比例3
一种硅衬底抛光方法，其步骤与实施例3基本相同，不同在于，其没有步骤(1)～(3)，其使用的黑色阻尼布不是激活状态的黑色阻尼布，而是激活处理前的黑色阻尼布，对硅衬底进行表面的抛光，在不同压力下抛光，硅晶片不产生切削率。
综合实施例1、对比例1、实施例2、对比例2、实施例3和对比例3分析可知，抛光垫激活大大提高了化学机械抛光的切削率，在抛光垫激活后，抛光液不使用磨料粒子也可以达到较高的切削率，同时切削率会随着压力的增大而增加，而在抛光垫激活前，抛光液不使用磨料粒子，硅片抛光几乎没有切削率，还产生较大的划痕。
对比例4
一种硅衬底抛光方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，步骤(1)中硅溶胶的粒径为150nm，对硅衬底进行表面的化学机械抛光，压力为129g/cm2，此时化学机械抛光效率达到140.2nm/min，改变压力到183g/cm2，切削率增加为228.8nm/min；压力为239g/cm2时，切削率为341.1nm/min。
对比例5
一种硅衬底抛光方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，步骤(1)中硅溶胶的粒径为29nm，对硅衬底进行表面的化学机械抛光，压力为129g/cm2，此时化学机械抛光效率达到78.9nm/min，改变压力到183g/cm2，切削率增加为108.3nm/min；压力为239g/cm2时，切削率为150.2nm/min。
综合实施例1和对比例4～5分析可知，硅溶胶粒径过大并没有明显增大晶片的材料去除率，粒径过小会明显降低晶片材料去除率。
对比例6
一种硅衬底抛光方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，步骤(1)制得的硅溶胶抛光液的质量分数为50wt％，对硅衬底进行表面的化学机械抛光，压力为129g/cm2，此时化学机械抛光效率达到145.3nm/min，改变压力到183g/cm2，切削率增加为246.7nm/min；压力为239g/cm2时，切削率为344.6nm/min。
对比例7
一种硅衬底抛光方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，步骤(1)制得的硅溶胶抛光液的质量分数为0.8wt％，对硅衬底进行表面的化学机械抛光，压力为129g/cm2，此时化学机械抛光效率达到96.2nm/min，改变压力到183g/cm2，切削率增加为123.2nm/min；压力为239g/cm2时，切削率为167.8nm/min。
综合实施例1和对比例6～7分析可知，硅溶胶浓度过大，虽对晶片的材料去除率有影响，但影响不是很大，试剂使用量过大，增加成本费用；硅溶胶浓度过小，会在一定程度上减少晶片的材料去除率。
本发明中，例举的实例的实验条件并不只限于此，抛光压力、磨盘和抛光头转速、抛光液流量并不是确定的数值，上述举例的数值为实验过程中参考的数值，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则上，所作的修改、替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用含磨料粒子的抛光液对抛光垫进行激活处理，所述激活处理包括预抛光处理，所述预抛光处理是指使用含磨料粒子的抛光液对抛光垫进行抛光；
(2)将待加工工件置于激活处理后的抛光垫上方，使用不含磨料粒子的抛光液对待加工工件的表面进行抛光加工。
2.根据权利要求1所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，所述磨料粒子为硅溶胶磨粒、四氮化三硅磨粒和氧化铈磨粒中的一种以上。
3.根据权利要求1所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，所述磨料粒子的粒径为30～130nm；
所述含磨料粒子的抛光液中磨料粒子的质量百分比为2～40％。
4.根据权利要求1所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，所述抛光垫为suba 800、suba600抛光垫或者阻尼布。
5.根据权利要求1所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，所述预抛光处理及抛光加工是使用抛光机进行的，所述抛光机为sainko抛光机。
6.根据权利要求5所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，所述抛光机包括磨盘和抛光头；
在进行预抛光处理及抛光加工时，磨盘和抛光头的转速相同或不同，为20～60rpm。
7.根据权利要求6所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，在进行预抛光处理及抛光加工时，抛光液的流量相同或不同，为90～150mL/min，压力相同或不同，为129～239g/cm2。
8.根据权利要求1所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，所述激活处理还包括预抛光处理后的清洗处理。
9.根据权利要求8所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，所述清洗处理是指在清洗剂的冲洗下使用刷子刷洗抛光垫5～10min，。
10.根据权利要求1所述的一种硅衬底化学机械抛光方法，其特征在于，所述不含磨料粒子的抛光液为碳酸钾水溶液、碳酸氢钾水溶液或硅酸盐水溶液。
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