專利名稱：硅單晶襯底材料表面粗糙度的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)機械拋光方法，特別涉及一種硅單晶襯底材料表面粗糙度的控制方法。
背景技術(shù)：
目前，硅單晶是IC的主要襯底材料，隨著IC的集成度不斷提高，特征尺寸不斷減小，對硅片表面的完美性要求越來越高。因為拋光片表面的顆粒和金屬雜質(zhì)沾污會嚴(yán)重影響到擊穿特性、界面態(tài)和少子壽命，特別是對表面效應(yīng)型的MOS大規(guī)模集成電路影響更大，所以對拋光片表面的平整度、缺陷、粗糙度、金屬雜質(zhì)沾污和顆粒有著極其嚴(yán)格的要求和控制。如生產(chǎn)64M線寬為0.35μm的DRAM器件，要求拋光硅片表面的重金屬雜質(zhì)沾污全部小于5×1010atoms/cm2，拋光硅片表面大于0.2μm的顆?？倲?shù)小于20個/片。
硅晶片的拋光方式是采用化學(xué)機械拋光(Chemical mechanicalpolishing)，簡稱CMP。通常硅晶片的拋光可分為一次拋光或分為粗拋、精拋兩個步驟。粗拋的目的是將研磨造成的損傷層和畸變層高效率的去除，并達(dá)到一定的平整度，對粗拋的要求是在保證平整度的情況下，實現(xiàn)高效率、高速率；而精拋的主要任務(wù)是去除粗拋過程存在的損傷層，實現(xiàn)表面低粗糙度，且在強聚光照垂射下，無霧出現(xiàn)。精拋是硅片加工的最后一個環(huán)節(jié)，精拋結(jié)果的好壞直接影響到器件的電特性。
目前CMP技術(shù)應(yīng)用廠家如日本不二見株式會社、美國Cabot、Rodel等公司，他們的拋光檢測設(shè)備、拋光液的分散性、流動性都很好，但也存在一些問題精拋中由于溫度較低，化學(xué)反應(yīng)慢致使拋光速率變慢，所以這些公司采用較大粒徑磨料(50-70nm)提高精拋光過程中的機械作用，以此提高拋光速率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。但是這種方法也同時產(chǎn)生了拋光霧缺陷、表面劃傷、殘余顆粒吸附難于清洗及金屬離子沾污等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，為解決現(xiàn)有硅單晶襯底材料拋光過程中存在的襯底片表面粗糙度高的問題，提供一種化學(xué)作用強、粗糙度低、無劃傷，且成本低的硅單晶襯底材料表面粗糙度的控制方法。
為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明所采用的實施方式如下一種硅單晶襯底材料表面粗糙度的控制方法，其特征是在同一臺拋光機上使用二步拋光法，實施步驟如下(1)第一步使用粗拋液進(jìn)行拋光a.將粒徑為15-100nm、濃度為30-50％的SiO2磨料用去離子水稀釋；b.用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)整上述溶液，使pH值在9-13.5范圍內(nèi)；c.在調(diào)整完pH值后，邊攪拌邊加入0.5-1.5％的醚醇類活性劑；d.使用上述粗拋液在流量100-200ml/min，溫度30-40℃，轉(zhuǎn)速40-120rpm，壓力0.10-0.20MPa的拋光工藝條件下，在拋光機上對硅單晶襯底材料進(jìn)行拋光10-20min；(2)第二步使用精拋液進(jìn)行拋光a.選用粒徑為15-25nm、濃度為30-50％的SiO2磨料用去離子水稀釋；b.用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)整上述溶液，使pH值在9-12范圍內(nèi)；c.在調(diào)整完pH值后，邊攪拌邊加入0.5-1.5％的FA/O表面活性劑；d.使用上述精拋液在流量800-1000ml/min，溫度20-30℃，轉(zhuǎn)速30-60rpm，壓力0.05-0.10Mpa的拋光工藝條件下，在拋光機上對硅單晶襯底材料進(jìn)行拋光4-7min。
所述的pH調(diào)節(jié)劑為胺堿，采用乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)作為拋光液pH調(diào)節(jié)劑，可起到緩沖劑的作用，又可生成大分子產(chǎn)物且溶于水，同時對多種金屬離子起螯合作用，使反應(yīng)產(chǎn)物在小的機械作用下即可脫離加工材料表面，同時還能起到絡(luò)合及螯合作用。
所述的醚醇類活性劑選擇加入FA/O表面活性劑、OII-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、OII-10((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、JFC的一種或一種以上。表面活性劑可降低表面張力，提高凹凸選擇比，又能起到滲透和潤滑作用，既能增強了輸運過程，又能達(dá)到高平整高光潔的表面。
本發(fā)明根據(jù)硅單晶襯底材料的化學(xué)性質(zhì)，選用堿性介質(zhì)，制成SiO2水溶膠作為磨料，粒徑為15-100nm，pH值為9-13.5，并加入FA/O表面活性劑、來制備拋光液。并采用不同拋光工藝條件下的進(jìn)行兩步拋光法進(jìn)行拋光，實現(xiàn)硅單晶襯底材料表面的低粗糙度，以滿足工業(yè)上對硅單晶襯底片CMP精密加工的要求。
本發(fā)明的有益效果是1.選用兩步拋光法，第一步選用粗拋液，實現(xiàn)高去除速率，當(dāng)去除量接近所要求范圍時；第二步在同一臺拋光機上用精拋液在大流量、低溫、低壓力下，實現(xiàn)硅單晶襯底材料表面低粗糙度的控制。
2.選用堿性拋光液，可對設(shè)備無腐蝕，硅溶膠穩(wěn)定性好，解決了酸性拋光液污染重、易凝膠，pH值為堿性時，易生成可溶性的化合物，從而易脫離表面等難題。
3.選用納米級SiO2溶膠作為拋光液磨料，其粒徑小(15-100nm)、均勻可控、濃度高、硬度小(損傷小)、分散度好，能夠達(dá)到高速率、高平整度、低損傷、無污染，消除了現(xiàn)有Al2O3磨料硬度大、易劃傷、易沉淀等諸多弊端；4.選用表面活性劑，增加了高低選擇比，大大降低了表面張力、減小了損傷層、提高了硅片表面的均一性及交換速率，增強了輸運過程，同時表面凹凸差大大降低，從而有效的提高表面的平整度及降低粗糙度。
5.選用有機堿作為拋光液pH調(diào)節(jié)劑，可起到緩沖劑的作用，又可生成大分子產(chǎn)物且溶于水，使反應(yīng)產(chǎn)物在小的機械作用下即可脫離加工表面，同時還能起到絡(luò)合及螯合作用。
6.目前國際上的水平是表面粗糙度控制為0.5nm左右；本發(fā)明方法使表面粗糙度可達(dá)到0.2-0.5nm，效果非常顯著，更加有利于提高器件的電性能。
具體實施例方式
以下結(jié)合較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提供的具體實施方式
詳述如下
實施例1第一步取粒徑15-100nm SiO2溶膠800g，濃度為40％，邊攪拌邊放入2800g去離子水，然后取360g乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)調(diào)整上述溶液pH值為13.5，再加入40gFA/O活性劑，邊攪拌邊倒入上述液體；攪拌均勻后得4000g硅單晶襯底拋光液，然后進(jìn)行化學(xué)機械拋光20min，工藝條件為流量200ml/min、溫度40℃、轉(zhuǎn)速120rpm、壓力0.20MPa，去除速率達(dá)2600nm/min。
第二步取粒徑15-25nm SiO2溶膠800g，濃度為40％，邊攪拌邊放入2860g去離子水，然后取280g乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)調(diào)整上述溶液pH值為12，再加入60gFA/O活性劑，邊攪拌邊倒入上述液體。攪拌均勻后得4000g硅單晶襯底拋光液，然后進(jìn)行化學(xué)機械拋光5min，工藝條件為流量1000ml/min、溫度20℃、轉(zhuǎn)速60rpm、壓力0.10Mpa；達(dá)到的粗糙度為0.3nm，無霧片。
實施例2第一步取粒徑15-100nm SiO2溶膠3600g，濃度為50％，邊攪拌邊放入170g去離子水，然后取210g乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)調(diào)整上述溶液使pH值為10.5，再加入20gFA/O活性劑，邊攪拌邊倒入上述液體。攪拌均勻后得4000g硅單晶襯底拋光液，然后進(jìn)行化學(xué)機械拋光20min，工藝條件為流量100ml/min，溫度30℃、40rpm轉(zhuǎn)速、壓力0.10MPa，達(dá)到的去除速率為1800nm/min。
第二步取粒徑15-25nm SiO2溶膠3600g，濃度為50％，邊攪拌邊放入1200g去離子水，然后取160g乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)調(diào)整上述溶液使pH值為9，再加入40gFA/O活性劑，邊攪拌邊倒入上述液體。攪拌均勻后得5000g硅單晶襯底拋光液，然后進(jìn)行化學(xué)機械拋光7min，工藝條件為流量800ml/min、溫度20℃、轉(zhuǎn)速30rpm、壓力0.05Mpa；達(dá)到的粗糙度為0.5nm，無霧片。
實施例3第一步取粒徑15-100nm SiO2溶膠900g，濃度為30％，邊攪拌邊放入2700g去離子水，然后取360g乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)調(diào)整上述溶液使pH值為12.5，再選擇加入40g FA/O表面活性劑、OII-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、OII-10((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、JFC的一種或一種以上，邊攪拌邊倒入上述液體；攪拌均勻后得4000g硅單晶襯底拋光液，然后進(jìn)行化學(xué)機械拋光10min，工藝條件為流量100ml/min、溫度35℃、轉(zhuǎn)速60rpm、壓力0.10MPa，去除速率達(dá)2000nm/min。
第二步取粒徑15-25nmSiO2溶膠900g，濃度為30％，邊攪拌邊放入2760g去離子水，然后取280g乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)調(diào)整上述溶液使pH值為11.5，再加入60gFA/O活性劑，邊攪拌邊倒入上述液體。攪拌均勻后得4000g硅單晶襯底拋光液，然后進(jìn)行化學(xué)機械拋光4min，工藝條件為流量900ml/min、溫度30℃、轉(zhuǎn)速40rpm、壓力0.10Mpa；達(dá)到的粗糙度為0.25nm，無霧片。
上述參照實施例對硅單晶襯底材料表面粗糙度的控制方法進(jìn)行的詳細(xì)描述，是說明性的而不是限定性的，可按照所限定范圍列舉出若干個實施例，因此在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思下的變化和修改，應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅單晶襯底材料表面粗糙度的控制方法，其特征是在同一臺拋光機上使用二步拋光法，實施步驟如下(1)第一步使用粗拋液進(jìn)行拋光a.將粒徑為15-100nm、濃度為30-50％的SiO2磨料用去離子水稀釋；b.用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)整上述溶液，使pH值在9-13.5范圍內(nèi)；c.在調(diào)整完pH值后，邊攪拌邊加入0.5-1.5％的醚醇類活性劑；d.使用上述粗拋液在流量100-200ml/min，溫度30-40℃，轉(zhuǎn)速40-120rpm，壓力0.10-0.20MPa的拋光工藝條件下，在拋光機上對硅單晶襯底材料進(jìn)行拋光10-20min；(2)第二步使用精拋液進(jìn)行拋光a.選用粒徑為15-25nm、濃度為30-50％的SiO2磨料用去離子水稀釋；b.用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)整上述溶液，使pH值在9-12范圍內(nèi)；c.在調(diào)整完pH值后，邊攪拌邊加入0.5-1.5％的FA/O表面活性劑；d.使用上述精拋液在流量800-1000ml/min，溫度20-30℃，轉(zhuǎn)速30-60rpm，壓力0.05-0.10Mpa的拋光工藝條件下，在拋光機上對硅單晶襯底材料進(jìn)行拋光4-7min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅單晶襯底材料表面粗糙度的控制方法，其特征是所述的pH調(diào)節(jié)劑為胺堿，采用乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅單晶襯底材料表面粗糙度的控制方法，其特征是所述的醚醇類活性劑選擇加入FA/O表面活性劑、OII-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、OII-10((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20(C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、JFC的一種或一種以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅單晶襯底材料表面粗糙度的控制方法，根據(jù)硅單晶襯底材料的化學(xué)性質(zhì)，選用堿性介質(zhì)，采用SiO
文檔編號C09G1/04GK1864926SQ20061001430
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者劉玉嶺, 檀柏梅 申請人:河北工業(yè)大學(xué)