一種研磨液、制備研磨液的方法和化學機械研磨方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種研磨液，包括(Fe3N)SiO2顆粒和溶劑，所述(Fe3N)SiO2顆粒的含量為所述研磨液總重的5重量％至35重量％。本發(fā)明還提供了制備研磨液的方法，包括：制備(Fe3N)SiO2顆粒的步驟；和將所述(Fe3N)SiO2顆粒與溶劑混合而制備(Fe3N)SiO2溶液的步驟。本發(fā)明還提供了使用本發(fā)明的研磨液進行化學機械研磨的方法。本發(fā)明的研磨液因含有單分散性的磁性(Fe3N)SiO2顆粒，與傳統(tǒng)的研磨液相比，在磁場中的黏度急劇增加，從而有效地減少了在存儲或運輸?shù)倪^程中產(chǎn)生的沉淀，確保了CMP工藝的穩(wěn)定性，減少了晶圓的刮痕問題或粗糙缺陷。
【專利說明】
一種研磨液、制備研磨液的方法和化學機械研磨方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及半導體器件的化學機械研磨領域，具體地，本發(fā)明涉及一種研磨液、制 備研磨液的方法和化學機械研磨方法。
【背景技術】
[0002] 研磨液廣泛用于CMP工藝，以對晶圓進行化學機械研磨、改善晶圓表面的平整度。 但目前的研磨液大多是多分散性研磨液，含有非磁性的固體顆粒如Si02S A1 203等。這些 多分散性研磨液是不穩(wěn)定的，固體顆粒容易隨著時間或溫度的變化而凝聚、沉淀，特別是如 果在研磨液的存儲或運輸過程中不慎將其放入到不合適的冷藏庫，由于現(xiàn)有的分散性研磨 液非常不穩(wěn)定，適用的溫度窗口比較窄，將會導致嚴重的凝聚和沉淀，如圖1中的研磨液沉 淀實驗結果所示。一旦研磨液中的固體顆粒發(fā)生凝聚和沉淀，則在CMP工藝中容易使晶圓 產(chǎn)生刮痕問題或粗糙缺陷，例如圖2所示的晶圓的裂紋。
[0003] 盡管使用超聲波、攪拌、溫度控制等措施可以防止研磨液中的固體顆粒的凝聚，但 由于凝聚過程中的一些微變化經(jīng)常是不可見的，所以有時仍然不能避免研磨液中固體顆粒 的凝聚。
[0004] 因此，亟需提供一種不易發(fā)生固體顆粒凝聚或沉淀的研磨液，以確保CMP工藝的 穩(wěn)定性、減少晶圓的刮痕問題或粗糙缺陷。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有的多分散性研磨液不穩(wěn)定、固體顆粒容易凝聚、沉淀的問題，本發(fā)明提供 了一種新的研磨液，該新的研磨液含有磁性研磨顆粒（Fe3N) Si02，在磁場中該研磨液的黏度 急劇地增加，從而有效地減少了研磨液在存儲和運輸過程中的沉淀，減少了因非磁性研磨 顆粒的凝聚和沉淀所造成的晶圓的刮痕問題或粗糙缺陷。
[0006] 本發(fā)明的第一方面提供了一種研磨液，包括（Fe3N) Si02顆粒和溶劑，所述（Fe 3N) Si02顆粒的含量為所述研磨液總重的5重量％至35重量％。
[0007] 可選地，所述（Fe3N) Si02顆粒的平均粒徑為450nm-550nm，所述（Fe 3N) Si02顆粒 中的Fe3N核的平均粒徑為80nm-250nm，所述（Fe3N) 3丨02顆粒的飽和磁化強度為180KA/ m-320KA/m，且所述研磨液在磁場中的黏度大于80Pa · s。
[0008] 可選地，所述溶劑為水或乙醇。
[0009] 可選地，所述研磨液進一步包括氧化劑、防沉劑、表面活性劑和/或pH緩沖劑。
[0010] 可選地，所述氧化劑為H202或過硫酸銨，且所述氧化劑的含量為所述研磨液總重 的1重量％至10重量％。
[0011] 可選地，所述防沉劑為PEG或聚酰胺樹脂，且所述防沉劑的含量為所述研磨液總 重的0.5重量％至2重量％。
[0012] 可選地，所述表面活性劑為TweeruSpan或0P，且所述表面活性劑的含量為所述研 磨液總重的0. 1重量％至1重量％。
[0013] 可選地，所述pH緩沖劑為檸檬酸銨或乙酸銨，且所述pH緩沖劑的含量為所述研磨 液總重的1重量％至5重量％。
[0014] 本發(fā)明的第二方面提供了一種制備研磨液的方法，包括：
[0015] 1)制備（Fe3N)Si02顆粒的步驟；和
[0016] 2)將所述（Fe3N) 5102顆粒與溶劑混合而制備（Fe 3N) Si02溶液的步驟。
[0017] 可選地，所述方法進一步包括向所述（Fe3N) Si02溶液中添加 pH緩沖劑、防沉劑、表 面活性劑和/或氧化劑的步驟。
[0018] 可選地，所述制備$63吣3102顆粒的步驟包括：
[0019] 1)制備Fe3N核的步驟；和
[0020] 2)進行使Si02殼包覆所述Fe 3N核而生長的步驟。
[0021] 可選地，所述Fe3N通過？以0))5與NH3的氨化熱解反應而制成。
[0022] 可選地，所述氨化熱解反應過程中，所述Fe (C0)5的添加速率為0. 5mL/min-lmL/ min，所述順3的添加速率為4mL/min-6mL/min，反應溫度為150°C _250°C。
[0023] 可選地，所述進行使Si02殼包覆所述Fe 3N核而生長的步驟是通過使用TEOS、NH3和水經(jīng)由溶膠凝膠法而完成。
[0024] 可選地，所述TE0S的添加速率為0. 25mL/min-lmL/min、所述NH3的添加速率為 2mL/min-3mL/min，所述水的添加速率為 0· 5mL/min-2mL/min，反應溫度為 20°C _70°C。
[0025] 可選地，所述向（Fe3N) Si02溶液中添加 pH緩沖劑、防沉劑、表面活性劑和氧化劑的 步驟包括：
[0026] 1)將所述（Fe3N) Si02溶液與所述pH緩沖劑混合、攪拌直到混合均勻；
[0027] 2)然后再依次添加所述防沉劑和所述表面活性劑；以及
[0028] 3)最后添加所述氧化劑并攪拌30min。
[0029] 可選地，所述溶劑為水或乙醇。
[0030] 本發(fā)明的第三方面提供了一種化學機械研磨方法，在所述方法中，使用本發(fā)明提 供的研磨液。
[0031] 本發(fā)明的研磨液因含有單分散性的磁性研磨顆粒（Fe3N) Si02，與傳統(tǒng)的研磨液相 比，在磁場中的黏度急劇增加，從而有效地減少了在存儲或運輸?shù)倪^程中產(chǎn)生的沉淀，確保 了 CMP工藝的穩(wěn)定性，減少了晶圓的刮痕問題或粗糙缺陷。
【附圖說明】
[0032] 圖1為現(xiàn)有的研磨液沉淀實驗結果。
[0033] 圖2示出了使用現(xiàn)有的研磨液時所導致的晶圓的裂紋。
[0034] 圖3示出了本發(fā)明的磁性研磨顆粒（Fe3N) SiOj^結構。
[0035] 圖4為本發(fā)明的磁性研磨液在沒有附加磁場時的示意圖。
[0036] 圖5為本發(fā)明的磁性研磨液在磁場中時的示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 在下文的描述中，給出了大量具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然 而，對于本領域技術人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細節(jié)而得以 實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進 行描述。
[0038] 由于目前的研磨液大多含有多分散性、非磁性研磨顆粒如Si02S A1 203等，因此在 存儲或運輸過程中非常不穩(wěn)定，研磨顆粒容易隨著時間或溫度的變化而凝聚和沉淀，從而 在CMP工藝中容易使晶圓產(chǎn)生刮痕問題或粗糙缺陷，為此本發(fā)明提供了一種包含磁性研磨 顆粒（Fe3N)Si02的研磨液。
[0039] 本發(fā)明的研磨液，主要包括磁性研磨顆粒（Fe3N)Si〇jP溶劑。
[0040] 具體地，所述溶劑可以為水或乙醇，所述磁性研磨顆粒（Fe3N)Si02具有以510 2殼 包覆磁性核Fe3N的核殼式結構，如圖3所示，亦即，（Fe3N) 3102顆?？梢酝ㄟ^以SiO 2殼包覆 磁性核Fe3N而形成。為了確保在CMP工藝中的研磨效果，所述（Fe3N) 3102顆粒應具有適宜 的大小和含量，以避免顆粒太小或太少研磨效率低、或顆粒太大容易在晶圓上產(chǎn)生刮痕等 問題，因此本發(fā)明中所述（Fe3N) SiO.粒的平均粒徑可以為450nm-550nm，所述（Fe 3N) Si02顆粒的含量可以為所述研磨液總重的5重量％至35重量％。此外，為了確保所述（Fe3N) 3;102顆粒在磁場中具有一定的磁性，所述（Fe 3N) Si02顆粒的磁性核Fe 3N的平均粒徑可以為 80nm-250nm〇
[0041 ] 具體地，所述（Fe3N) 5102顆粒的飽和磁化強度為180KA/m-320KA/m，以確保所述研 磨液在磁場中具有較高的黏度。
[0042] 具體地，本發(fā)明的所述研磨液在磁場中的黏度大于80Pa · s，優(yōu)選大于lOOPa · s， 更優(yōu)選大于130Pa · s，進一步優(yōu)選大于150Pa · s，從而確保了所述研磨液中的研磨顆粒在 磁場中不易發(fā)生凝聚和沉淀。
[0043] 本發(fā)明中以磁性研磨顆粒例如單分散性、具有Si02殼的（Fe 3N) Si02代替了傳統(tǒng)研 磨液中的Si02SAl 203等多分散性、非磁性研磨顆粒，由此得到的研磨液與傳統(tǒng)的研磨液相 比，在磁場中的黏度急劇增加，從而有效地減少了研磨液在存儲或運輸?shù)倪^程中產(chǎn)生的沉 淀，確保了 CMP工藝的穩(wěn)定性，減少了刮痕問題或粗糙缺陷。此外，本發(fā)明的研磨液的磁性 是可逆的，當所述研磨液不在磁場中時，所述研磨液具有與現(xiàn)有的研磨液相當?shù)恼ｐざ龋?所述磁性研磨顆粒在研磨液中的分散情形與現(xiàn)有的研磨液一樣，如圖4所示。但當所述研 磨液在磁場中時，由于磁場的作用，所述磁性研磨顆粒均勾、規(guī)則地分散于研磨液中，如圖5 所示。
[0044] 可選地，所述研磨液還可以進一步包括氧化劑、防沉劑、表面活性劑和/或pH緩沖 劑等各種添加劑。
[0045] 為了將晶圓表面上的金屬轉化成氧化物，從而使晶圓容易被研磨，所述研磨液可 以進一步包括氧化劑，具體地，所述氧化劑可以是H202或過硫酸銨等，所述氧化劑的含量可 以為所述研磨液總重的1重量％至10重量％。
[0046] 為了進一步防止所述磁性研磨液中產(chǎn)生沉淀，所述研磨液可以進一步包括防沉 劑，以形成空間網(wǎng)狀結構，避免研磨顆粒的沉淀。具體地，所述防沉劑可以是PEG(聚乙二 醇）或聚酰胺樹脂等，所述防沉劑的含量可以為所述研磨液總重的〇. 5重量％至2重量％。
[0047] 為了防止研磨顆粒凝聚，所述研磨液可以進一步包括表面活性劑，以修飾 (modify)Si-OH鍵，從而防止研磨顆粒的凝聚，示例性地，所述表面活性劑可以是吐溫 (Tween)、Span或0P等，所述表面活性劑的含量可以為所述研磨液總重的0. 1重量％至1重 量％。
[0048] 此外，為了進一步確保所述研磨液中的每一種組分的良好性能，所述研磨液可以 進一步包括pH緩沖劑，以調整研磨液的pH條件，示例性地，所述pH緩沖劑可以是檸檬酸銨 或乙酸銨等，所述pH緩沖劑的含量可以為所述研磨液總重的1重量％至5重量％。
[0049] 對于獲得本發(fā)明的研磨液的方法沒有特別限定，只要能夠獲得上述含有磁性研磨 顆粒（Fe3N)Si02、在磁場中具有急劇增加的黏度、不易發(fā)生研磨顆粒的凝聚和沉淀的研磨液 即可。
[0050] 示例性地，本發(fā)明還提供了制備研磨液的方法。根據(jù)本發(fā)明的制備研磨液的方法， 首先需要制備磁性研磨顆粒（Fe3N)Si02。具體地，可以通過先制備磁性核Fe3N，然后再進行 使Si02殼包覆所述磁性核Fe 3N而生長的步驟來制備所述磁性研磨顆粒（Fe3N)Si02。
[0051] 獲得Fe3N的方法沒有特別限定，具體地，在本發(fā)明的實施例1-3中，F(xiàn)e 3N是通過 Fe (C0) 5與NH 3先在氨化爐中進行氨化、然后再在熱解爐中進行熱解的氨化熱解反應而制 成，其中，F(xiàn)e (C0) 5與NH 3氨化熱解制備Fe 3N的反應方程式如下：
[0052]
[0053]
[0054] 為確保獲得所需粒徑和飽和磁化強度的磁性研磨顆粒（Fe3N)Si02，所述磁性核 Fe3N的平均粒徑可以控制在80nm-250nm，具體地，在Fe (C0) 5與NH 3的氨化熱解反應中，可 以通過精確地控制反應溫度和原料的添加速度來控制磁性核Fe3N的大小和飽和磁化強度。 示例性地，在Fe (0))5與NH 3的氨化熱解反應中，反應溫度可以控制在150°C _250°C，所述 ?6(03)5的添加速率可以為0· 5mL/min-lmL/min，所述順3添加速率可以為4mL/min_6mL/ min，反應時間可以為2h_4h。
[0055] 具體地，表1中列出了在本發(fā)明的三個實施例中，F(xiàn)e (CO) 5、NH3的添加速率、反應溫 度、反應時間以及所得到的Fe3N的平均粒徑。
[0056] 表 1
[0057]
[0058] 制備好所需尺寸的磁性核Fe3N后即可進行使Si02殼包覆所述磁性核Fe 3N而生長 的步驟，該步驟中可以采用常規(guī)的獲得核-殼式單分散二氧化硅磁性顆粒的方法進行，示 例性地，可以通過使用TEOS、NH3和水經(jīng)由溶膠凝膠法而完成，具體地，在本發(fā)明的實施例 1-3中，將制備好的適當量的磁性核Fe3N分散于水中，然后再通入NH3、TE0S和水。其中由 TE0S、NH#P水制備Si02的方程式如下：
[0059]
[0060] 為了得到所需粒徑和飽和磁化強度的磁性研磨顆粒（Fe3N) Si02，仍需要精確地控 制原料的添加速率和反應溫度，其中，所述TE0S的添加速率為0. 25mL/min-lmL/min、所述 順3的添加速率為2mL/min-3mL/min，所述水的添加速率為0. 5mL/min-2mL/min，反應溫度為 20°C -70°C，反應時間為 2h-8h。
[0061] 具體地，表2中列出了在本發(fā)明的三個實施例中，TE0S、NH#P水的添加速率、反應 溫度、反應時間以及最終得到的（Fe3N)Si02的平均粒徑。
[0062] 表 2
[0063]
[0064] 將所述磁性研磨顆粒（Fe3N) Si02制備好后即可與溶劑混合而制備（Fe 3N) 5102溶 液，具體地所述溶劑可以為水或乙醇。
[0065] 為了獲得更穩(wěn)定和性能更好研磨液，所述方法進一步包括向所述磁性研磨顆粒溶 液中添加 pH緩沖劑、防沉劑、表面活性劑和/或氧化劑的步驟。
[0066] 示例性地，所述氧化劑可以為H202或過硫酸銨，所述防沉劑可以為PEG或聚酰胺樹 月旨，所述表面活性劑可以為Tween、Span或0P，所述pH緩沖劑可以為檸檬酸銨或乙酸銨。
[0067] 具體地，在本發(fā)明的實施例1-3中，首先向混合好的（Fe3N) Si02溶液中添加以研磨 液總重計為2重量％的檸檬酸銨，攪拌直到混合均勻；然后，依次添加以研磨液總重計為1 重量％的聚酰胺樹脂和以研磨液總重計為0. 5重量％的Span，攪拌混合均勻；最后再添加 以研磨液總重計為1. 0重量％的H202，并攪拌約30分鐘，從而進一步得到含有pH緩沖劑、 防沉劑、表面活性劑和氧化劑的研磨液。
[0068] 表3中列出了實施例1-3中最終得到的研磨液的各種參數(shù)
[0069] 表 3
[0070]
[0071] 由表3可知，由本發(fā)明的制備方法所得到的研磨液具有磁性、在磁場中的黏度急 劇地增加、且具有更寬的溫度窗口，因此所述研磨液是非常穩(wěn)定的，不容易發(fā)生研磨顆粒的 凝聚和沉淀，從而確保了 CMP工藝的穩(wěn)定性，減少了晶圓的刮痕問題或粗糙缺陷。此外，由 本發(fā)明的方法得到的研磨液的磁性是可逆的，如表中所示，當所述研磨液不在磁場中時，所 述研磨液具有與現(xiàn)有的研磨液相當?shù)恼ｐざ取?br>[0072] 本發(fā)明還提供了一種化學機械研磨方法，由于在該方法中，除了使用本發(fā)明的具 有磁性的研磨液之外，其它均與常規(guī)的化學機械研磨方法相同，因此在此對該方法不作贅 述。
[0073] 本發(fā)明已經(jīng)通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于 舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人 員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據(jù)本發(fā)明的教導還可以做出更多種的 變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護的范圍以內。本發(fā)明的保護范圍由 附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。
【主權項】
1. 一種研磨液，包括（Fe 3N) Si02顆粒和溶劑，所述（Fe 3N) SiO^粒的含量為所述研磨 液總重的5重量％至35重量％。2. 根據(jù)權利要求1所述的研磨液，其特征在于，所述（Fe 3N)Si02顆粒的平均粒徑為 450nm-550nm，所述（Fe3N) SiOjg粒中的 Fe 3N 核的平均粒徑為 80nm-250nm，所述（Fe3N) Si02 顆粒的飽和磁化強度為180KA/m-320KA/m，且所述研磨液在磁場中的黏度大于80Pa · s。3. 根據(jù)權利要求1所述的研磨液，其特征在于，所述溶劑為水或乙醇。4. 根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的研磨液，其特征在于，所述研磨液進一步包括氧 化劑、防沉劑、表面活性劑和/或pH緩沖劑。5. 根據(jù)權利要求4所述的研磨液，其特征在于，所述氧化劑為Η 202或過硫酸銨，且所述 氧化劑的含量為所述研磨液總重的1重量％至10重量％。6. 根據(jù)權利要求4所述的研磨液，其特征在于，所述防沉劑為PEG或聚酰胺樹脂，且所 述防沉劑的含量為所述研磨液總重的0. 5重量％至2重量％。7. 根據(jù)權利要求4所述的研磨液，其特征在于，所述表面活性劑為Tween、Span或0P， 且所述表面活性劑的含量為所述研磨液總重的〇. 1重量％至1重量％。8. 根據(jù)權利要求4所述的研磨液，其特征在于，所述pH緩沖劑為檸檬酸銨或乙酸銨，且 所述pH緩沖劑的含量為所述研磨液總重的1重量％至5重量％。9. 一種制備研磨液的方法，包括： 1) 制備（Fe3N)Si02顆粒的步驟；和 2) 將所述（Fe3N)SiO^粒與溶劑混合而制備（Fe3N)Si02溶液的步驟。10. 根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括向所述（Fe 3N) Si02 溶液中添加 pH緩沖劑、防沉劑、表面活性劑和/或氧化劑的步驟。11. 根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述制備（Fe 3沁5102顆粒的步驟包括： 1) 制備Fe3N核的步驟；和 2) 進行使Si02殼包覆所述Fe 3N核而生長的步驟。12. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，所述Fe 3N通過Fe (C0) 5與NH 3的氨化熱 解反應而制成。13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，所述氨化熱解反應過程中，所述 Fe(C0)；^tl添加速率為0· 5mL/min-lmL/min，所述順3的添加速率為4mL/min-6mL/min，反應 溫度為 150°C _250°C。14. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，所述進行使SiO 2殼包覆所述Fe 3N核而 生長的步驟是通過使用TEOS、NHjP水經(jīng)由溶膠凝膠法而完成。15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，所述TE0S的添加速率為0. 25mL/ min-lmL/min、所述順3的添加速率為2mL/min-3mL/min，所述水的添加速率為0. 5mL/ min-2mL/min，反應溫度為 20°C -70°C。16. 根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，所述向（Fe 3N) Si02溶液中添加 pH緩沖 劑、防沉劑、表面活性劑和氧化劑的步驟包括： 1) 將所述（Fe3N)Si02溶液與所述pH緩沖劑混合、攪拌直到混合均勻； 2) 然后再依次添加所述防沉劑和所述表面活性劑；以及 3) 最后添加所述氧化劑并攪拌30min。17. 根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述溶劑為水或乙醇。18. -種化學機械研磨方法，其特征在于，在所述方法中，使用權利要求1-8中任一項 所述的研磨液。
【文檔編號】C09K3/14GK105838325SQ201510021240
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月15日
【發(fā)明人】王芬, 王立眾, 楊志強, 譚玉榮
【申請人】中芯國際集成電路制造(上海)有限公司