硅片表面平坦度的优化方法与流程

1.本发明涉及一种平坦度的优化方法，具体是一种硅片表面平坦度的优化方法，属于硅片生产工艺技术领域。


背景技术：

2.硅片主要用于集成电路的衬底，其主要制作过程包括单晶生长、滚磨、切片、倒角、研磨、腐蚀、背面处理、抛光、清洗、检测与包装等工艺，其中，最终抛光即利用化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)是影响硅片平坦度最关键最重要的一个工艺。
3.最终抛光是指用化学和机械同时作用去除材料表面沾污及损伤层，使其获得镜面表面的一种工艺。通常采用抛光垫对硅片表面进行机械抛光，同时加入抛光液进行化学和机械抛光，进一步减少硅片表面存在的各种金属离子等杂质污染，确保硅片表面有极高的表面纳米形貌，一般最终抛光的去除加工量约为0.3-1um。在硅片抛光过程中，除了常规的加工参数，如抛光时间、抛光压力、大盘和抛光头转速外，抛光液的成分及使用方法对硅片的平坦度也尤为重要。现有的抛光工艺中所采用的抛光液成分及使用方法加工出的硅片其sfqr平均值(部位平坦度指标参数平均值)和esfqr平均值(边缘部位平坦度指标参数平均值)均比较高，sfqr-mean的波动范围一般在23nm-50nm之间，esfqr-mean的波动范围一般在40nm-70nm之间，导致整个硅片表面平坦度不佳，严重影响了硅片的质量，参见图1，因此，如何优化硅片表面平坦度成为目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种硅片表面平坦度的优化方法，使生产出来的硅片表面更加平整，提高硅片的质量。
5.为达到以上目的，本发明提供一种硅片表面平坦度的优化方法，包括利用抛光液对硅片进行化学机械抛光处理的过程，该过程包括以下三个阶段：
6.1)粗抛阶段：该阶段分为五个步骤进行，各步骤抛光时间、抛光液成分、抛光液成分体积比和抛光液流量设定如下：
7.s1抛光时间为5s-12s，抛光液成分为粗抛液a和碱性化学剂d，其中，粗抛液a和碱性化学剂d体积比为1:(22-35)，该抛光液流量为0.8-1l/min；
8.s2抛光时间为23s-35s，抛光液成分为粗抛液a和碱性化学剂d，其中，粗抛液a和碱性化学剂d体积比为1:(22-35)，该抛光液流量为0.5-0.7l/min；
9.s3抛光时间为58-73s，抛光液成分为中抛液b和超纯水，其中，中抛液和超纯水的体积比为1:(6-9)，该抛光液流量为0.5-0.7l/min；
10.s4抛光时间为23s-42s，抛光液成分为中抛液b和超纯水，其中，中抛液b和超纯水的体积比为1:(7-12)，该抛光液流量为0.5-0.7l/min；
11.s5抛光时间为8s-16s，抛光液成分为中抛液b和超纯水，其中，中抛液b和超纯水的体积比为1:(10-17)，该抛光液流量为0.5-0.7l/min。
12.2)中抛阶段：该阶段抛光液采用体积比为1:(17-23)的精抛液c和超纯水；
13.3)精抛阶段：该阶段抛光液采用体积比为1:(20-30)的精抛液c和超纯水；
14.所述粗抛液a由体积比为1:(7-9)的二氧化硅胶体和水组成，其中，二氧化硅胶体粒径为50nm-70nm；所述中抛液b由体积比为1:(9-11)的二氧化硅胶体和水组成，其中，二氧化硅胶体粒径为30nm-50nm；所述精抛液c由体积比为1:(11-13)的二氧化硅胶体和水组成，其中，二氧化硅胶体粒径为30nm-40nm，所述碱性化学剂d采用纯度为1％-5％的koh溶液。
15.在该技术方案中粗抛阶段先将粗抛液a和碱性化学剂d混合，粗抛液a中的二氧化硅胶体粒子与硅片表面物理作用，碱性化学剂d与硅原子和二氧化硅产生化学反应，移除了前端制程造成的硅片表面损伤层；再减小粗抛液a和碱性化学剂d的流量，使移除表面损伤层的同时，控制住了硅片整体形貌，使抛光更加均匀，不会波浪式起伏，从而提高了硅片表面的平坦度。粗抛阶段后期不再使用粗抛液a，而是适当添加中抛液b，因中抛液b内的二氧化硅胶体尺寸较小，几乎接触不到硅片边缘，胶粒会直接进入硅片中间，与硅片中间的二氧化硅和硅反应，保护了硅片边缘，使中间移除量大于边缘移除量，优化了硅片边缘的平坦度，防止了边缘踏边太严重，提高了硅片表面整体的平坦度。另外，由于过多的使用碱性化学剂d，与硅原子反应后会过多的腐蚀表面，从而恶化了硅片表面的粗糙度，因此，本发明粗抛阶段后期不使用碱性化学剂d。
16.而中抛和精抛阶段采用含有二氧化硅胶体粒径稍小的精抛液c，主要用于控制硅片表面的颗粒，避免了硅片表面的颗粒过多，减少了硅片表面的颗粒和凹坑，使硅片表面更光滑。
17.优选地，为了进一步避免硅片表面的颗粒和凹坑过多，提高硅片表面的光滑度，所述中抛阶段抛光时间为130s-160s，抛光液的流量为0.5-0.7l/min，抛光过程中温度控制在25℃-30℃。所述精抛阶段抛光时间为130s-160s，抛光液的流量为0.7-1l/min，抛光过程中温度控制在20℃-25℃。
18.优选地，抛光过程中所述粗抛阶段、中抛阶段和精抛阶段抛光机的大盘和抛光头转速均控制在30rpm-70rpm。
19.本发明通过调整每个抛光步骤中的抛光参数，包括抛光时间、抛光液成分以及成分配比、抛光液流量、大盘和抛光头转速对硅片进行抛光，从而优化了硅片表面的平坦度。
附图说明
20.图1是现有方法抛光的硅片表面平坦度3d示意图；
21.图2是本发明硅片、抛光垫、抛光头和抛光液导流管结构示意图；
22.图中：1-抛光液导流管，2-抛光头，3-硅片，4-抛光垫，5-大盘；
23.图3是本发明实施例1至实施例3某一硅片表面平坦度3d示意图；
24.图4是本发明实施例4取样硅片表面sfqr-mean参数箱型图；
25.图5是本发明实施例4取样硅片表面esfqr-mean参数箱型图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步说明。
27.实施例1
28.对12寸硅片3进行抛光，硅片3规格：p《100》,电阻率15-20ω.cm，厚度775微米。
29.本实施例采用型号为micro的单面抛光机对硅片3进行抛光，抛光过程包括粗抛阶段、中抛阶段和精抛阶段，上述三个阶段的抛光参数设置如下：
30.1)粗抛阶段：抛光液采用粗抛液a、中抛液b、碱性化学剂d和超纯水，每次粗抛阶段分5个步骤进行，抛光参数设定如下：
[0031][0032]
所述粗抛液a和中抛液b由二氧化硅胶体和水(去离子水或超纯水)组成，所述粗抛液a中所含二氧化硅胶体和去离子水的体积比为1:7，其中，二氧化硅胶体粒径为50nm，所述中抛液b中所含二氧化硅胶体和去离子水的体积比为1:9，其中，二氧化硅胶体粒径为35nm，所述碱性化学剂d采用纯度为1％的koh溶液；该阶段抛光过程的温度控制在35℃。
[0033]
2)中抛阶段：抛光液采用精抛液c和超纯水，抛光参数设定如下：
[0034]
抛光时间为130s，抛光液采用体积比为1:17的精抛液c和超纯水，该抛光液的流量为0.7l/min，所述精抛液c中所含二氧化硅胶体和去离子水的体积比为1:11，其中，二氧化硅胶体粒径为30nm；此阶段抛光过程的温度控制在25℃，抛光压力为3kpa，大盘5转速为30rpm，抛光头2转速为70rpm；
[0035]
3)精抛阶段：抛光液采用精抛液c和超纯水，抛光参数设定如下：
[0036]
抛光时间为130s，抛光液采用体积比为1:20的精抛液c和超纯水，该抛光液的流量为1l/min，所述精抛液c中所含二氧化硅胶体和去离子水的体积比为1:11，其中，二氧化硅胶体粒径为30nm；此阶段抛光过程的温度控制在20℃，抛光压力为3kpa，大盘5转速为30rpm，抛光头2转速为70rpm；
[0037]
抛光时，待抛光硅片3位于抛光垫4与抛光头2之间，抛光液通过抛光液导流管1流入抛光垫4中，从而对硅片3进行抛光，参见图2，为硅片3、抛光垫4、抛光头2和抛光液导流管1结构示意图，硅片3在单面抛光机中依次经过粗抛阶段、中抛阶段和精抛阶段，抛光完成后，将硅片3从抛光机中取出，并对硅片3进行去蜡清洗与最终清洗。
[0038]
随机取8片样品硅片3，对其进行平坦度检测，检测设备为美国kla公司的wafersight2+，检测结果参见表2。
[0039]
实施例2和实施例3
[0040]
实施例2和实施例3与实施例1的区别仅在于抛光阶段各个步骤中的抛光时间、抛光液成分体积比和抛光液流量不同，具体区别参见表1：
[0041]
表1实施例2和实施例3抛光阶段抛光时间、抛光液成分、抛光液成分体积比及抛光液流量
[0042][0043]
随机取8片实施例2的样品硅片3，对其进行平坦度检测，检测设备为美国kla公司的wafersight2+，检测结果参见表2。
[0044]
随机取8片实施例3的样品硅片3，对其进行平坦度检测，检测设备为美国kla公司的wafersight2+，检测结果参见表2。
[0045]
需要说明的是，每个实施例的抛光阶段均是按照设定参数对硅片3进行抛光，其中，每个抛光阶段所采用的抛光液均是先按照设定比例混合后，再按照设定流量通过抛光液导流管1流至抛光垫4上对硅片3进行抛光。
[0046]
表2样品硅片检测结果
[0047][0048]
硅片3的sfqr-mean(硅片3部位平坦度指标参数平均数)和esfqr-mean(硅片3边缘平坦度参数平均数)数值用于反映硅片3的平坦度，sfqr-mean和esfqr-mean的数值越小说明硅片3平坦度越好。由表2可以看出，本发明实施例1至实施例3检测出的硅片3的sfqr-mean和esfqr-mean的数值远小于现有技术生产出的硅片3的sfqr-mean和esfqr-mean数值(sfqr-mean的波动范围一般在23nm-50nm之间，esfqr-mean的波动范围一般在40nm-70nm之间)，因此，通过本发明抛光的硅片3，其表面平坦度更好。另外，参见图3，为实施例1至实施例3某一硅片3表面平坦度3d示意图，通过对比图1与图3，也可明显看出本发明抛光的硅片3表面较为平坦。
[0049]
实施例4
[0050]
为了进一步检测本发明抛光的硅片3表面的平坦度，本实施例采用实施例1、实施例2或实施例3的方法对硅片3进行抛光，并持续23天每天随机取2-3组样品硅片3进行检测，每组样品为8片硅片3，共544片硅片3，检测设备为美国kla公司的wafersight2+，检测结果参见图4和参见图5，从图4中可以看出样品硅片3的sfqr-mean的波动范围在1.8nm-7.0nm之间，从图5中可以看出样品硅片3的esfqr-mean的波动范围在10nm-34nm之间，而现有工艺抛光的硅片3，其sfqr-mean的波动范围一般在23nm-50nm之间，其esfqr-mean的波动范围一般在40nm-70nm之间，而sfqr-mean和esfqr-mean的数值越小说明硅片3平坦度越好，因此，进
一步证明了本发明抛光的硅片3其表面平坦度更好。
[0051]
综上所述，通过本发明对硅片3进行抛光，有效地优化了硅片3表面的平坦度。