化学机械研磨混合液及研磨方法与流程

本发明属于化学机械研磨技术领域，具体的涉及一种化学机械研磨混合液及化学机械研磨方法。

背景技术：

晶圆制造中，随着制程技术的升级、导线与栅极尺寸的缩小，光刻(lithography)技术对晶圆表面的平坦程度(non-uniformity)的要求越来越高，化学机械研磨(cmp)的作用越来越重要。cmp是利用化学作用和机械作用将晶圆不平整的表面研磨成平坦的表面，并且可以实现全局的平坦化。

化学机械研磨中，研磨液的性能直接影响抛光后表面的质量。研磨液一般由超细固体粒子研磨颗粒(如纳米级的sio2、al2o3粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成，研磨颗粒提供研磨作用。如何减小晶圆化学机械研磨后晶圆表面的刮痕率，一直都是本领域技术人员要解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够减少晶圆表面刮痕的化学机械研磨液，和研磨方法。

本发明一方面提供一种化学机械研磨方法，包括：提供一化学机械研磨装置，所述化学机械研磨装置包括用于安装研磨垫的平台、用于固定晶圆进行研磨且在所述平台上活动的研磨头、用于供给化学机械研磨液的第一供液器、用于供给螯合剂的第二供液器以及用于混合液的第三供液器，其中所述第三供液器具有混合槽，所述第一供液器的供液口和所述第二供液器的供液口连接至所述混合槽，所述第三供液器的供液口对准在所述平台上；安装半导体晶圆于所述研磨头，所述半导体晶圆的表面形成一膜层；进行化学机械研磨制程中预先混合的步骤，将由所述第一供液器提供的化学机械研磨液和由所述第二供液器提供的螯合剂混合形成在所述混合槽中的混合液，所述化学研磨液包括研磨颗粒和水，所述化学机械研磨液具有大于7的ph值并使得在化学研磨制程中所述混合液维持在碱性；以及进行化学机械研磨以平坦化所述膜层的步骤，由所述第三供液器提供的所述混合液导出到所述平台上的研磨垫，由所述研磨头带动所述半导体晶圆在所述研磨垫上进行研磨。

根据本发明一实施方式，所述混合槽位于所述平台上并与所述第三供液器的供液口整合连接为液体混合涂料器。

根据本发明的另一实施方式，所述螯合剂占所述混合液总重量的0.09％-0.12％。

根据本发明的另一实施方式，所述膜层包括氧化硅膜层，所述半导体晶圆具有沟槽，所述膜层填满所述沟槽。

根据本发明的另一实施方式，在进行化学机械研磨以平坦化所述膜层的步骤后，所述膜层具有大于0.12微米宽度的研磨刮痕数量不高于4000。

根据本发明的另一实施方式，所述混合液的ph值为9-12。

根据本发明的另一实施方式，所述混合液以200-300ml/min的流速注入，所述研磨头提供的研磨压力为2-3psi。

根据本发明的另一实施方式，所述半导体晶圆为12寸晶圆。

本发明另一方面提供一种化学机械研磨混合液，包括化学机械研磨液及螯合剂，所述螯合剂占所述混合液总重量的0.09％-0.12％，所述螯合剂包括葡萄糖酸，所述化学机械研磨液包括研磨颗粒和水，所述化学机械研磨液具有大于7的ph值并使得在化学研磨制程中所述混合液维持在碱性。

根据本发明的一实施方式，所述研磨颗粒包括氧化硅颗粒，所述研磨颗粒的平均粒径不大于0.15微米。

本发明的研磨方法将碱性研磨液与螯合剂即用即混，在碱性条件下，螯合剂与研磨液中的金属螯合，从而切断研磨颗粒之间的连接，降低研磨颗粒的聚集，从而降低对晶圆的损伤，采用本发明的研磨方法晶圆表面单位面积内0.12微米的刮痕的数量可以少于4000。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本发明实施例的研磨方法的示意图。

图2是本发明实施例研磨方法的的研磨原理的示意图。

图3是现有研磨方法的研磨原理的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1：第一供液器

2：第二供液器

3：第三供液器

41：平台

42：研磨垫

5：研磨头

6：晶圆

7：研磨颗粒

8：金属离子

9：螯合剂

10：刮痕

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。

如图1和图2所示，本发明实施例的化学机械研磨方法，包括：提供一化学机械研磨装置，化学机械研磨装置包括用于安装研磨垫42的平台41、用于固定晶圆进行研磨且在平台41上活动的研磨头5、用于供给化学机械研磨液的第一供液器1、用于供给螯合剂的第二供液器2以及用于混合液的第三供液器3，其中第三供液器3具有混合槽，第一供液器1的供液口和第二供液器2的供液口连接至混合槽，第三供液器3的供液口对准在平台41上；安装半导体晶圆6于研磨头5，半导体晶圆6的表面形成一膜层；进行化学机械研磨制程中预先混合的步骤，将由第一供液器1提供的化学机械研磨液和由第二供液器2提供的螯合剂混合形成在混合槽中的混合液，化学研磨液包括研磨颗粒和水，化学机械研磨液具有大于7的ph值并使得在化学研磨制程中混合液维持在碱性；以及进行化学机械研磨以平坦化膜层的步骤，由第三供液器3提供的混合液导出到平台上的研磨垫42，由研磨头5带动半导体晶圆6在研磨垫42上进行研磨。

化学机械研磨装置中，第三供液器3的混合槽位于平台41上并与第三供液器3的供液口整合连接为液体混合涂料器。第一供液器1内的化学机械研磨液，可以是任何碱性研磨液，可以是但不限于市售的碱性研磨液，例如cabotd3586和versumsti2401等。包括研磨颗粒、水和添加剂，研磨液的ph值大于7。

化学机械研磨液中，研磨颗粒可以是任意合适的研磨颗粒，例如二氧化硅、氧化铝、γ氧化铝、二氧化铈、或聚合的颗粒、尖晶石、氧化锌、杂化有机/无机颗粒或它们的混合物。研磨颗粒优选包括氧化硅颗粒。研磨颗粒粒子的平均粒径优选不大于150纳米。研磨颗粒浓度为研磨液总重量的约2至20％，优选为5％至15％。

研磨液中不可避免地还含有金属离子杂质，例如al³⁺、ca²⁺、co²⁺、fe³⁺、fe²⁺、cu²⁺、cu⁺、cr²⁺、cr³⁺、cr⁶⁺、k⁺、mg²⁺、mn²⁺、na⁺、ti²⁺、ti³⁺、ti²⁺、zn²⁺、zr²⁺、zr³⁺、zr⁴⁺等。

第二供液器2内的螯合剂和第一供液器1内的化学机械研磨液在第三供液器3的混合槽内混合。混合液中螯合剂的作用是通过螯合剂分子与金属离子的强结合作用，将金属离子包合到螯合剂内部，变成稳定的，分子量更大的化合物，从而阻止金属离子吸附带负电荷的研磨颗粒形成大颗粒对晶圆造成刮痕。因此，螯合剂是任何与研磨液中金属离子发生螯合反应的螯合剂。螯合剂可以是无机类金属离子螯合剂、有机类金属离子螯合剂、羧酸型、有机多元膦酸和聚羧酸等螯合剂。螯合剂在碱性条件下与金属离子的螯合作用强，在酸性条件下与金属离子的螯合作用弱，因此优选本发明化学机械研磨液为碱性。优选本发明的化学机械研磨液的ph值为9-12。螯合剂的含量为研磨液总重量的0.09％-0.12％。含量低于0.09％时，螯合剂起到的作用有限，不能有效降低刮痕。含量高于0.12％时，会造成螯合剂不必要的浪费。大部分的螯合剂对金属离子有一定的选择性，因此若选择全能型的螯合剂则会将研磨液中的绝大多数金属离子螯合，会发挥螯合剂的最大作用。葡萄糖酸即是这种全能螯合剂。因此，本发明的化学机械研磨液优选的螯合剂是葡萄糖酸。

为了保持混合液中研磨制程中也呈碱性，化学机械研磨液中还可以包括ph值调节剂，以保持研磨制程中研磨液一直是碱性。ph值调节剂可以是二甲基乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等。

化学机械研磨液还可以包括其他添加剂，例如表面活性剂等本领域常用添加剂。

半导体晶圆6的表面可以具有膜层，膜层可以包括氧化硅膜层。半导体晶圆6可以具有沟槽，膜层填满沟槽。半导体晶圆可以是12寸晶圆。

混合液可以以200-300ml/min的流速注入，研磨头提供的研磨压力可以为2-3psi。

采用本发明的研磨方法，螯合剂与金属离子螯合避免研磨颗粒团聚，且研磨颗粒的平均粒径不大于0.15微米，因此在进行化学机械研磨以平坦化膜层的步骤后，12寸晶圆6的表面具有大于0.12微米宽度的研磨刮痕数量不高于4000。

本发明另一实施例也可将将第一供液器1内的化学机械研磨液与螯合剂混合形成化学机械研磨混合液。

图2示出本发明实施例研磨方法的研磨原理示意图。如图2所示，金属离子8与研磨液中的螯合剂9螯合形成更大的化合物，从而剪断与带负电荷的研磨颗粒7之间的连接，减弱研磨颗粒之间的团聚作用，减少对晶圆6的刮伤。

图3示出现有研磨方法的研磨原理示意图。如图3所示，现有的研磨液中含有微量的金属离子8，金属离子8带正电荷，研磨颗粒7表面带负电荷。研磨颗粒7会通过静电吸引作用团聚在金属离子8周围形成大颗粒，因此在研磨过程中容易刮伤晶圆6，产生较大的刮痕10。

而本发明的化学机械研磨方法可大大降低对晶圆6的刮伤，与现有研磨液相比一片12寸晶圆内的刮痕数量可以从5000条降低为3500-4000条，可降低20％-30％的晶圆缺陷，提高晶圆的良率。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。