本發(fā)明涉及芯片制造,特別是涉及化學(xué)機(jī)械拋光組合物及其在化學(xué)機(jī)械拋光中的應(yīng)用。
背景技術(shù):
1、碳化硅(sic)是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,憑借其卓越的物理和化學(xué)性質(zhì)而在現(xiàn)代電子行業(yè)中占據(jù)重要地位。sic是一種環(huán)境友好的半導(dǎo)體材料,相對(duì)于硅,sic的生產(chǎn)和制造過(guò)程中不僅能夠減少對(duì)地球資源的依賴(lài),還能降低環(huán)境污染與碳排放,sic的高熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高飽和電子遷移率等特性,使其成為制造高性能功率器件和射頻(rf)器件的理想材料。這些優(yōu)異的特性使得sic器件能夠在極端環(huán)境下(如高溫、高壓、高頻)穩(wěn)定工作,廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子、航空航天、光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)、可再生能源系統(tǒng)等多個(gè)高科技領(lǐng)域。因此,生產(chǎn)出高質(zhì)量、大尺寸的sic晶圓對(duì)于促進(jìn)上述領(lǐng)域的技術(shù)革新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有至關(guān)重要的意義。
2、化學(xué)機(jī)械拋光(chemical?mechanical?polishing,?cmp)是一種將化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨完美結(jié)合的表面平坦化技術(shù)。其核心在于化學(xué)與機(jī)械作用的協(xié)同效應(yīng),通過(guò)拋光頭將晶圓緊壓在高速旋轉(zhuǎn)的拋光墊上,利用拋光墊表面的微絨毛和微小顆粒與晶圓表面產(chǎn)生摩擦,去除化學(xué)作用形成的氧化層,露出新表面,新表面又被化學(xué)氧化后再次被機(jī)械研磨,如此循環(huán),最終將晶圓表面粗糙度降至納米級(jí)。cmp技術(shù)最早于1965年由monsanto公司提出,最初用于獲取高質(zhì)量的玻璃表面。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,cmp技術(shù)在80年代中期開(kāi)始得到大力探索,以滿(mǎn)足增大集成電路密度、只在較小器件結(jié)構(gòu)和多層金屬全局平坦化的需要。由于晶體生長(zhǎng)和切割等工藝導(dǎo)致晶圓表面不平整,cmp技術(shù)可以將其打磨平整,為光刻、刻蝕等后續(xù)工藝提供理想起始平面。平坦的晶圓表面有助于光刻膠均勻涂布,保證光刻圖形的分辨率和準(zhǔn)確性,因此,作為半導(dǎo)體制造過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),cmp技術(shù)主要用于實(shí)現(xiàn)晶圓表面的超平坦化。cmp技術(shù)結(jié)合了化學(xué)作用和機(jī)械作用,通過(guò)拋光液中的化學(xué)試劑與晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),軟化或蝕刻表面材料,隨后通過(guò)拋光墊上的機(jī)械摩擦,將這些材料有效去除。這一過(guò)程能夠有效減少晶圓表面的粗糙度,提高表面的平整度,從而提升器件的性能和可靠性。
3、對(duì)于8英寸sic晶圓的cmp工藝,目前市場(chǎng)上主要采用粗拋液和精拋液兩種不同的拋光液配方,其中粗拋液的配方主要為酸性kmno4溶液加上亞微米級(jí)別的α-al2o3磨料,這種組合可以在較短的時(shí)間內(nèi)去除晶圓表面的較大缺陷,但存在拋光效果不穩(wěn)定、環(huán)境污染、設(shè)備腐蝕、磨料團(tuán)聚等問(wèn)題;而精拋液則采用釩酸與納米硅溶膠的組合,旨在進(jìn)一步提高晶圓表面的光潔度和平整度,以滿(mǎn)足更高精度的要求。然而,這一工藝流程復(fù)雜,涉及多次拋光,不僅降低了生產(chǎn)效率,增加了制造成本,還可能因多次拋光引入更多表面缺陷,影響成品率。
4、為了確保晶圓表面的質(zhì)量,特別是為了保護(hù)后續(xù)將要進(jìn)行外延膜生長(zhǎng)的硅面(si-face),目前采用的單片拋光工藝包括以下三個(gè)步驟:第一步:硅面粗拋。首先對(duì)晶圓的硅面進(jìn)行粗拋處理,去除較大的表面缺陷,為后續(xù)步驟做好準(zhǔn)備。第二步:碳面粗拋。然后對(duì)晶圓的碳面(c-face)進(jìn)行粗拋處理,以確保雙面的均勻性和一致性,防止在后續(xù)的加工中因表面不平而導(dǎo)致的問(wèn)題。第三步:硅面精拋。最后再次對(duì)硅面進(jìn)行精拋處理,以達(dá)到最終的表面質(zhì)量要求,確保表面光潔度和平整度符合標(biāo)準(zhǔn)。
5、但是現(xiàn)有技術(shù)方案仍存在以下問(wèn)題與不足:
6、1)kmno4的不穩(wěn)定性及其危害
7、酸性kmno4雖然在氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的活性,但由于其氧化性會(huì)隨ph值變化而顯著降低,導(dǎo)致拋光效果不穩(wěn)定。此外,kmno4在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物,對(duì)環(huán)境和操作者的健康造成潛在威脅。因此,這種拋光液并不適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。
8、2)設(shè)備壽命的影響
9、kmno4的腐蝕性還會(huì)對(duì)拋光設(shè)備造成損害,縮短設(shè)備的使用壽命。這不僅增加了維護(hù)成本,還可能影響生產(chǎn)效率和晶圓的質(zhì)量。長(zhǎng)期使用kmno4可能會(huì)導(dǎo)致拋光墊和其他關(guān)鍵部件的過(guò)早磨損,從而影響整個(gè)生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性。
10、3)磨料團(tuán)聚問(wèn)題
11、亞微米級(jí)別的α-al2o3磨料在拋光液中容易團(tuán)聚形成絮狀沉淀。這些團(tuán)聚物在拋光過(guò)程中會(huì)對(duì)晶圓表面造成劃傷,嚴(yán)重影響晶圓的成品率和可靠性。團(tuán)聚現(xiàn)象不僅降低了拋光效率,還可能導(dǎo)致晶圓表面出現(xiàn)瑕疵,進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的性能。
12、4)生產(chǎn)效率和成本
13、引入精拋工序雖然能夠提升晶圓表面的質(zhì)量,但也帶來(lái)了生產(chǎn)效率的下降。每增加一個(gè)工序都會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)周期,增加時(shí)間和資源消耗。同時(shí),精拋所需的材料也會(huì)增加制造成本,這對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不利。此外,多次拋光還可能引入更多的表面缺陷,從而進(jìn)一步降低成品率,對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不利。
14、有鑒于此,如何提供一種分散性良好、成本更低、生產(chǎn)效率更高的機(jī)械拋光液磨料成為本行業(yè)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于上述問(wèn)題,本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的磨料團(tuán)聚及kmno4的不穩(wěn)定性及其危害等問(wèn)題,而提供一種分散性好、成本低、生產(chǎn)效率高的納米復(fù)合磨料。該方案將顯著提升sic晶圓在cmp過(guò)程中的拋光效率與表面質(zhì)量,降低制造成本,推動(dòng)半導(dǎo)體制造技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。
2、本發(fā)明的第二目的在于,提供一種所述納米復(fù)合磨料的制備方法。
3、本發(fā)明的第三目的在于,提供一種化學(xué)機(jī)械拋光組合物。
4、本發(fā)明的第四目的在于,提供一種所述化學(xué)機(jī)械拋光組合物的制備方法。
5、為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是:
6、本發(fā)明提供了一種納米復(fù)合磨料,所述納米復(fù)合磨料包括少層石墨包覆的納米級(jí)al2o3磨料,所述納米復(fù)合磨料中c元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于10wt.%。
7、在上述技術(shù)方案中,所述納米復(fù)合磨料中c元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1wt.%-10wt.%。
8、在上述技術(shù)方案中,所述納米復(fù)合磨料中c元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt.%-8wt.%。
9、在上述技術(shù)方案中,所述納米級(jí)al2o3磨料的平均粒徑為50nm-100nm。
10、本發(fā)明的第二方面,提供一種納米復(fù)合磨料的制備方法,包括以下步驟:
11、步驟1,在真空氣氛中,對(duì)有機(jī)鋁鹽進(jìn)行第一次煅燒,以使有機(jī)鋁鹽中的有機(jī)物分解形成納米碳網(wǎng)絡(luò),有機(jī)鋁鹽分解得到的氧化鋁分散于納米碳網(wǎng)絡(luò)中,得到初始形態(tài)的復(fù)合磨料;
12、步驟2,在空氣氛圍中,對(duì)初始形態(tài)的復(fù)合磨料進(jìn)行第二次煅燒,以使納米碳網(wǎng)絡(luò)部分分解,得到所述納米復(fù)合磨料。
13、在上述技術(shù)方案中,所述步驟1中第一次煅燒的溫度為700℃-1000℃,第一次煅燒的時(shí)間為20min-40min。
14、在上述技術(shù)方案中,所述步驟2中第二次煅燒的溫度為450℃-600℃,第二次煅燒的時(shí)間為30min-40min。
15、在上述技術(shù)方案中,所述有機(jī)鋁鹽為乳酸鋁、硬脂酸鋁、檸檬酸鋁或醋酸鋁中的一種或多種。
16、本發(fā)明的第三方面,提供一種化學(xué)機(jī)械拋光組合物,包括氧化劑、所述的納米復(fù)合磨料或通過(guò)所述制備方法制備的納米復(fù)合磨料、懸浮劑、ph調(diào)節(jié)劑和余量的溶劑。
17、在上述技術(shù)方案中,所述化學(xué)機(jī)械拋光組合物包括5wt.%-7wt.%的納米復(fù)合磨料、1wt.%-3wt.%的氧化劑、0.5wt.%-2.5wt.%的ph調(diào)節(jié)劑、0.5wt.%-2wt.%的懸浮劑和余量的溶劑。
18、在上述技術(shù)方案中,所述氧化劑為高鐵酸鉀。
19、在上述技術(shù)方案中,所述化學(xué)機(jī)械拋光組合物的ph不低于10。
20、在上述技術(shù)方案中,所述化學(xué)機(jī)械拋光組合物的ph值為10-12。
21、在上述技術(shù)方案中,所述ph調(diào)節(jié)劑為乙二胺、乙醇胺或甜菜堿中的任意一種。
22、在上述技術(shù)方案中,所述懸浮劑為水合硅酸鎂、聚丙烯酸溶液或脲改性聚氨酯溶液中的任意一種。
23、在上述技術(shù)方案中,所述化學(xué)機(jī)械拋光組合物拋光硅面的去除速率大于4μm/h,拋光碳面的去除速率大于10μm/h。
24、本發(fā)明的第四方面,提供一種化學(xué)機(jī)械拋光組合物的制備方法,將所述的納米復(fù)合磨料或通過(guò)所述制備方法制備的納米復(fù)合磨料與上述技術(shù)方案所述的氧化劑、上述技術(shù)方案所述的懸浮劑在溶劑中混合均勻后,加入上述技術(shù)方案所述的ph調(diào)節(jié)劑調(diào)整ph值,然后分散后得到所述化學(xué)機(jī)械拋光組合物。
25、在上述技術(shù)方案中,所述化學(xué)機(jī)械拋光組合物的ph值為10-12。
26、在上述技術(shù)方案中,所述分散的過(guò)程為球磨分散1h-3h,并進(jìn)行超聲15min-45min。
27、本發(fā)明的第五方面,提供一種所述的化學(xué)機(jī)械拋光組合物或所述制備方法制備的化學(xué)機(jī)械拋光組合物在sic拋光中的應(yīng)用。
28、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:
29、a.本發(fā)明通過(guò)兩步煅燒工藝,制備出的少層石墨包覆的納米級(jí)al2o3磨料,本發(fā)明通過(guò)在磨料界面引入石墨層間范德華力,成功取代了傳統(tǒng)al2o3顆粒間的共價(jià)化學(xué)鍵,其突破性在于,即使在不加入分散劑和硅烷偶聯(lián)劑的條件下,本發(fā)明提供的納米復(fù)合磨料也可實(shí)現(xiàn)磨料在拋光液中的均勻分散,這一特性不僅降低了拋光液的生產(chǎn)成本,并且本發(fā)明中磨料的均勻分散優(yōu)勢(shì)不會(huì)隨拋光液ph值的變化而降低,確保了拋光過(guò)程的一致性和高效性。并且,這種均勻分散的磨料顆粒在拋光過(guò)程中能夠更有效地與晶圓表面接觸,從而在保證粗拋效率的同時(shí),使粗拋后的晶圓表面具有極佳的粗糙度,并有效降低了表面劃傷的風(fēng)險(xiǎn),為后續(xù)的精密加工和器件性能的提升奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
30、b.本發(fā)明成功制備出磨料均勻分散的高鐵酸鉀(k2feo4)+納米級(jí)al2o3的堿性?huà)伖庖?。其中k2feo4在堿性環(huán)境下具有比kmno4具有更高的氧化還原電位,而且更加綠色環(huán)保。k2feo4在堿性條件下的高度穩(wěn)定性,可以彌補(bǔ)kmno4在堿性環(huán)境化學(xué)作用不足的問(wèn)題,為cmp工藝提供了更為穩(wěn)定且環(huán)保的氧化劑選擇;同時(shí),由于磨料的均勻分散,拋光液中的磨料顆粒能夠更充分地與晶圓表面接觸,顯著增強(qiáng)了機(jī)械摩擦作用,從而提升了拋光效率和晶圓表面的平整度。本發(fā)明在化學(xué)與機(jī)械作用的雙重改良,使得sic堿性?huà)伖庖涸诩夹g(shù)上具備了完全取代目前的商用酸性?huà)伖庖旱臐摿Α?/p>
31、c.在相同的拋光壓力條件下,使用本發(fā)明提供的均勻分散的納米級(jí)磨料堿性化學(xué)機(jī)械拋光組合物對(duì)8英寸的sic襯底進(jìn)行拋光,sic襯底的表面粗糙度ra和劃痕總長(zhǎng)度等工藝技術(shù)指標(biāo),均展現(xiàn)出了優(yōu)于目前商用的酸性kmno4體系拋光液的卓越性能,這一成果不僅證明了本發(fā)明拋光液在提升晶圓表面質(zhì)量方面的顯著優(yōu)勢(shì),更為后續(xù)薄膜外延生長(zhǎng)等高精度加工環(huán)節(jié)提供了可靠的技術(shù)保障,為半導(dǎo)體器件的性能提升和可靠性增強(qiáng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
32、綜上所述,本發(fā)明通過(guò)創(chuàng)新性的制備工藝和獨(dú)特的拋光液配方,實(shí)現(xiàn)了cmp技術(shù)的多項(xiàng)突破,不僅提升了拋光效率和晶圓表面質(zhì)量,還降低了生產(chǎn)成本,推動(dòng)了半導(dǎo)體制造技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。