專利名稱：適用于半導(dǎo)體化學(xué)機(jī)械拋光的金屬氧化物漿料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于半導(dǎo)體器件的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的金屬氧化物漿料的制備方法，更具體地說，涉及金屬氧化物漿料的分散室中兩個輔助增壓泵的使用，該兩個增壓泵使作用于分散室的壓力保持恒定，從而使金屬氧化物漿料幾乎不含有大顆粒。
為了在由高度集成和多層結(jié)構(gòu)而日益微型化的半導(dǎo)體器件的制造中更好地獲得平板印刷，目前在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)磨玻璃(SOG)或內(nèi)腐蝕技術(shù)不適用的導(dǎo)體平面化的領(lǐng)域，必須使用CMP方法。在CMP方法中，與彈性底盤連接的基材通常浸沒在金屬氧化物漿料中，所述彈性底盤緊貼著基材并旋轉(zhuǎn)以使?jié){料顆粒經(jīng)過基材表面，而將基材表面打磨并去掉一部分物質(zhì)。
用于CMP方法的金屬氧化物漿料必須具有優(yōu)良的分散體穩(wěn)定性，高拋光速率和高純度，以及在拋光后不應(yīng)留下缺陷，如晶片表面上的微劃痕。如果在CMP方法中出現(xiàn)缺陷，如微劃痕，將會對半導(dǎo)體的性能和生產(chǎn)量產(chǎn)生致命的影響。
上述要求，除要求的高純度外，都與拋光漿料的主要組分金屬氧化物顆粒的尺寸和尺寸分布有關(guān)。例如，從顆粒尺寸方面考慮，尺寸大的金屬氧化物顆粒對拋光速度的作用大，但會使?jié){料分散體的穩(wěn)定性變差，引起顆粒沉淀，因此，要求在使用之前進(jìn)行攪拌。另一方面，當(dāng)金屬氧化物顆粒的尺寸較小時，其分散體穩(wěn)定性好，微劃痕出現(xiàn)的幾率降低。然而，表面磨削速度也會下降。至于尺寸的分布，金屬氧化物的顆粒尺寸最好是均勻的。例如，當(dāng)用顆粒尺寸分布區(qū)域較大的漿料處理后，基材表面的平直度差，且會出現(xiàn)大量的微劃痕。因此，當(dāng)考慮拋光速度、分散體穩(wěn)定性、微劃痕出現(xiàn)率時，用于半導(dǎo)體器件的CMP拋光漿料所含金屬氧化物的顆粒尺寸和尺寸分布最好是在適當(dāng)范圍內(nèi)。
要求的漿料純度也是同樣重要的。如果金屬氧化物漿料含有一些金屬離子，如鈉，他們就會在晶片上擴(kuò)散，破壞半導(dǎo)體的生產(chǎn)。
制備CMP金屬氧化物漿料的常規(guī)方法可以參考美國專利No.5,383,372。在該專利中，金屬氧化物在帶有化學(xué)添加劑如堿性物質(zhì)或氧化劑的混合物中，在含有小球的情況下，使用碾磨機(jī)或球磨機(jī)攪拌。然而，該方法存在著較大問題，即使用小球在混合物中碰撞的分散機(jī)理不能避免所述球的污染，并在顆粒尺寸分布中引起尾料現(xiàn)象，使得生產(chǎn)均勻顆粒尺寸的金屬氧化物漿料變得困難。此外，經(jīng)過一段時間后，球的摩損降低了混合物的分散度，加劇了各批顆粒的尺寸和分布的偏差。因此，很難再獲得同等的拋光能力。
另一種制備CMP金屬氧化物漿料的方法是由德國的IKA揭示的，其中一個轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，并與定子產(chǎn)生碰撞和摩擦。盡管其優(yōu)點超過上述專利，但該方法仍有同樣的問題由于與定子碰撞而引起的腐蝕和經(jīng)過一段時間后分散性下降。
此外，上述方法都只能將研磨顆粒尺寸減少到大約1微米，這些研磨顆粒尺寸太大不能用于CMP。特別是由于這些大的研磨顆?？赡芤鹞澓郏虼瞬荒茏鳛镃MP漿料用于淺溝的隔離(STI)，因為如果在隔離過程中出現(xiàn)劃痕，將會對半導(dǎo)體器件的功能和產(chǎn)量造成致命的損害。
引出本發(fā)明的韓國專利申請No.98-39212公開了一個新穎的方法，該方法將流體在高壓作用下加速，從而在分散室的孔口處引起剪切力、沖撞和空化作用的共同作用，當(dāng)金屬氧化漿料通過所述孔口時被分散。相對于傳統(tǒng)的加工方法，該方法在步驟上更簡化、顆粒尺寸分布和拋光速度更好，但考慮到微劃痕的出現(xiàn)，本發(fā)明仍將對上述方法進(jìn)行改進(jìn)。
為了得到本發(fā)明，本發(fā)明人在當(dāng)通過高壓作用加速流體通過孔口分散而制備金屬氧化物漿料時，與大顆粒(尺寸大于或等于1微米)的產(chǎn)生相關(guān)的主要參數(shù)上進(jìn)行了反復(fù)深入細(xì)致的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過控制高壓泵的壓力分布曲線可以避免產(chǎn)生大顆粒。
本發(fā)明的目的就是克服在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的問題，并提出一種制備金屬氧化物漿料的方法，該漿料幾乎不包含尺寸為1微米的大顆粒，以便適用于半導(dǎo)體器件的CMP方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于半導(dǎo)體器件化學(xué)機(jī)械拋光的金屬氧化物漿料的制備方法。在該方法中，水中的金屬氧化物漿料在預(yù)定的壓力下通過分散室的孔口進(jìn)行分散，分散室中的兩個增壓泵用于保持作用于分散室的壓力恒定。
本發(fā)明上述和其它目的、特性及其它優(yōu)點將通過下面結(jié)合相應(yīng)的附圖的詳細(xì)描述而更加清楚地得到理解。


圖1為本發(fā)明的適用于半導(dǎo)體器件CMP的金屬氧化物漿料的制備方法的流程示意圖；圖2為使用一個增壓泵的常規(guī)系統(tǒng)壓力曲線；圖3為本發(fā)明使用兩個增壓泵的系統(tǒng)壓力曲線；以及圖4a-4d為在本發(fā)明的分散室中，可獲得的各種不同流體通道的示意圖。
本發(fā)明適用于制備二氧化硅(SiO2)-、二氧化鈰(CeO2)-、氧化鋁(Al2O3)-、或氧化鋯(ZrO2)-基的漿料，該漿料適用于平面化各種結(jié)構(gòu)。在整個CMP方法中，包括淺溝隔離(STI)結(jié)構(gòu)，在一個多層金屬結(jié)構(gòu)中的中間絕緣層，中間金屬絕緣結(jié)構(gòu)，以及由鎢、鋁或銅制的金屬絲結(jié)構(gòu)。
無論漿料如何細(xì)，當(dāng)顆粒本身聚集在一起時，在水溶液中金屬氧化物不可避免地具有顆粒尺寸。實際上，水溶液中的金屬氧化物顆粒尺寸比其原來的狀態(tài)要增加100-10000倍。因此，加大的顆粒必須經(jīng)過分散處理使其顆粒變細(xì)。
參照附圖將更好地理解本發(fā)明的優(yōu)選的具體實施方式
。
圖1為分散本發(fā)明的金屬氧化物漿料的流程示意圖。在預(yù)混合罐1中金屬氧化物與水預(yù)混合后，將漿料以高于每秒幾百米的速度引入分散室3中的孔口內(nèi)。在這方面，漿料的加速由兩個輔助的增壓泵2和2′以及單向閥4控制，以便分散金屬氧化顆粒。壓力的改變對漿料的分散產(chǎn)生明顯的影響，流體間或與微孔口壁間產(chǎn)生的撞擊、剪切力及空化作用都可以引起壓力的改變，以上三個因素單獨或共同作用在漿料上時，會使?jié){料分散。
根據(jù)本發(fā)明的方法，最終得到的金屬氧化物漿料應(yīng)是細(xì)小的，具有均勻和窄的顆粒尺寸分布，其顆粒尺寸范圍為20-510納米。對大于510納米的顆粒，最好是將其返回到預(yù)混合罐1中，以確保最終漿料的質(zhì)量。
如果在金屬氧化物漿料的分散過程中只使用一個增壓泵，作用于分散室的壓力是不均勻的，并且是如圖2所示的脈動的。在脈動壓力作用下，制備的漿料顆粒尺寸不均勻，且顆粒尺寸分布范圍較寬，更壞的情況是產(chǎn)生出大于或等于1微米的大顆粒，這些大顆粒是產(chǎn)生微劃痕的主要因素。相反，本發(fā)明使用兩個增壓泵，可以相互交替進(jìn)行工作，彼此相互補(bǔ)充，使作用于分散室3的壓力保持恒定，如圖3所示。在恒定的壓力下，漿料顆粒尺寸分布范圍較窄，可以防止或降低產(chǎn)生大于或等于1微米的大顆粒。因此，本發(fā)明的方法特別適用于超集成半導(dǎo)體器件的CMP金屬氧化物漿料的制備，因為出現(xiàn)微劃痕會對超集成半導(dǎo)體器件造成致命的損害。
壓力脈動可以通過控制第二個泵的作用時間得到較好地調(diào)整。根據(jù)本發(fā)明，壓力脈動的調(diào)整范圍在預(yù)設(shè)壓力值的±40％內(nèi)，優(yōu)選的調(diào)整范圍為±10％-±20％。例如，當(dāng)壓力脈動偏離出預(yù)設(shè)壓力±40％的范圍時，本發(fā)明要產(chǎn)生的目標(biāo)效果就不能完全達(dá)到。對于特殊用途，可以通過控制壓力脈動在±5％的較窄范圍內(nèi)，使得顆粒尺寸更細(xì)、更均勻。
分散室3的孔口有一個流體通道，其形狀沒有特殊的限制。在本發(fā)明中，適用的流體通道在圖4a-4d中已經(jīng)給出，有Y形、Z形、反S形和 形。
分散室3可以單獨或與另一個或多個分散室共同串聯(lián)在一起使用。
此外，也可以采用一個安裝在分散室之前或之后的輔助分散室，以便提高分散度或保護(hù)主分散室。當(dāng)被分散的物料易于造成堵塞時，不管主分散室上孔口的形狀如何，輔助分散室最好安裝在主分散室之前。另一方面，當(dāng)主分散室的孔口的形狀為Y-形時，輔助分散室最好設(shè)在主分散室之后，以便最大限度地發(fā)揮流體反向碰撞的作用。在補(bǔ)充一個輔助分散室的情況下，其孔口直徑優(yōu)選為主分散室孔口直徑的大約3倍，這樣可以以最佳壓力分布進(jìn)入輔助分散室。輔助分散室上三倍大的孔口直徑可以使兩個分散室間的壓力分布的比值，主分散室∶輔助分散室為9∶1。因此，即使進(jìn)入輔助分散室的壓力不是很大，當(dāng)其孔口直徑的尺寸是主分散室尺寸的3倍時，就能起到足夠的作用。
主分散室和輔助分散室的孔口的材料，常見的包括工程塑料、強(qiáng)化玻璃塑料、碳素鋼、不銹鋼(SUS)、陶瓷、藍(lán)寶石和金剛石。這些孔口可以現(xiàn)場加工或商購。
孔口直徑的尺寸可以根據(jù)壓力的不同任意確定。但考慮到與增壓泵的可相溶性和分散效率，孔口直徑的尺寸優(yōu)選在0.03-0.5毫米范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.05-0.3毫米范圍內(nèi)。例如，如果孔口的直徑尺寸低于0.03毫米，分散室的分散能力非常強(qiáng)，但流速非常差，因此降低了生產(chǎn)量。而如果孔口的直徑大于0.5毫米，產(chǎn)量會增加，但由于孔口的剪切力(τ)減少，其分散能力將受到破壞。從動力學(xué)角度看，剪切力(τ)與流體的速度成正比(τ∝υ)，與孔口的直徑成反比(τ∝1/x)。
在分散室中，可以有一個或多個孔口?？梢愿鶕?jù)其產(chǎn)量按比例增加，最好是根據(jù)分散能力使用多個小直徑孔口，而不采用單一一個的大直徑孔口。
根據(jù)孔口的尺寸和壓力，可以確定分散室的流體速度。當(dāng)孔口的直徑和壓力增加時，流體速度也增加。更具體地說，就是流體速度與孔口直徑的平方和所施加壓力的平方根成正比。根據(jù)這個關(guān)系，可以將孔口的直徑與增壓泵經(jīng)過適當(dāng)組合，得到理想的流體速度。例如，當(dāng)二氧化硅水溶液分散體以18000磅/平方英寸(psi)的壓力通過直徑為0.08毫米的Z-形孔口時，流體的速度大約是550毫升/分鐘。當(dāng)將壓力增加到25000磅/平方英寸時，流體速度增加到大約800毫升/分鐘。
本發(fā)明適用于在高于1000℃，表面積為20-300平方米/克的條件下制備金屬氧化物。為了制備高拋光率的CMP漿料，使用表面積不低于100平方米/克的金屬氧化物顆粒。這樣的金屬氧化物包括德國的Degussa生產(chǎn)的“Aerosil 90G”，“Aerosil 50”，以及日本的Tokuyama生產(chǎn)的“QS09”。這些金屬氧化物可以單獨或共同使用。特別是本發(fā)明對去離子水中加入酸或堿的金屬氧化物懸浮物是有效的，如SiO2、CeO2、ZrO2。
在金屬氧化物的預(yù)混合物中，固含量優(yōu)選在1到50重量％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在5到30重量％范圍內(nèi)。例如，如果固含量低于1重量％，就達(dá)不到本發(fā)明的效果。另一方面，如果固含量大于50重量％，會引起觸變現(xiàn)象，導(dǎo)致粘度快速的增加，使得制造出的漿料不可能用于本發(fā)明。在實施過程中，高固含量的原料要稀釋到優(yōu)選的范圍內(nèi)。通常情況下，最好是根據(jù)拋光的性能和經(jīng)濟(jì)可行性來確定，如SiO2漿料的固含量為10-14重量％，CeO2漿料的固含量為1-5重量％，ZrO2漿料的固含量為4-8重量％。
可以通過下列實施例來更好地理解本發(fā)明，這些實施例不是限制本發(fā)明，而是對本發(fā)明的說明。實施例Ⅰ與圖1所示的制備CMP漿料的流體系統(tǒng)過程一樣。
將表面積為90平方米/克的130克二氧化硅(可商購德國Degussa生產(chǎn)的、商標(biāo)名為Aerosil 90G的產(chǎn)品)，與18克20％的KOH溶液及860克的去離子水在預(yù)混合罐中混合，再使其一次通過帶有兩個增壓泵的分散室，增壓泵以脈動壓力在10％(180磅/平方英寸)范圍內(nèi)來保持18000磅/平方英寸的壓力。用Zetasizer 1000(Malvern)分析器測量通過分散室樣品的顆粒尺寸分布和平均顆粒尺寸，大于或等于1微米的大顆粒用Accusizer 780(PSS)來計數(shù)。其結(jié)果如下表1所示。分散室的構(gòu)成輸送泵Diaphragm 1-100大氣壓增壓泵產(chǎn)生5000-30000磅/平方英寸壓力的兩個泵(由Hydropack生產(chǎn))主分散室G10Z(由Microfluidics生產(chǎn))孔口形狀Z孔口材料金剛石孔口直徑0.087毫米輔助分散室L210Z(由Microfluidics生產(chǎn))孔口形狀Z孔口材料陶瓷孔口直徑0.250毫米分散室排列輔助分散室在主分散室之前實施例Ⅱ-Ⅻ重復(fù)實施例Ⅰ的步驟，所不同的是按下列表1所示，改變預(yù)設(shè)壓力和壓力脈動值。結(jié)果如表1所示。
表1根據(jù)壓力和壓力脈動得到的分散體結(jié)果 實施例ⅫⅠ-ⅩⅦ重復(fù)實施例Ⅰ的步驟，所不同的是按下列表2所示，采用主分散室和輔助分散室，及其排列方式。結(jié)果如表2所示。
表2根據(jù)分散室的排列得到的分散體結(jié)果 實施例ⅩⅧ到ⅪⅩ重復(fù)實施例Ⅰ的步驟，所不同的是用二氧化鈰(CeO2，表面積為30平方米/克)代替二氧化硅，不使用20％KOH溶液、壓力脈動按表3所示。結(jié)果列于表3中。實施例ⅩⅩ到ⅩⅫⅠ重復(fù)實施例Ⅰ的步驟，所不同的是用氧化鋁(Al2O3，表面積為70平方米/克)或氧化鋯(ZrO2，表面積為30平方米/克)代替二氧化硅，壓力脈動按表3所示。結(jié)果列于表3中。
表3根據(jù)不同金屬氧化物得到的分散體結(jié)果 對比例Ⅰ重復(fù)實施例Ⅰ的步驟，在壓力為18000磅/平方英寸采用一個增壓泵。測量的脈動壓力最大值為18000磅/平方英寸，最小值為1000磅/平方英寸。結(jié)果列于表4中。對比例Ⅱ重復(fù)實施例Ⅰ的步驟，所不同的是懸浮二氧化鈰(CeO2，表面積30平方米/克)，不使用20％KOH溶液。結(jié)果列于表4中。對比例Ⅲ和Ⅳ重復(fù)對比例Ⅰ的步驟，所不同的是用氧化鋁(Al2O3，表面積為70平方米/克)或氧化鋯(ZrO2，表面積30平方米/克)代替二氧化硅，結(jié)果列于表4中。
表4
(拋光性能試驗)用Strasbaugh生產(chǎn)的6EC型拋光機(jī)，將上述實施例和對比例中所制備的金屬氧化漿料在下列研磨條件下，將用P-TEOS涂覆的6英寸的晶片進(jìn)行拋光性能的測試試驗。將要拋光的晶片用每一種漿料拋光2分鐘，其拋光速度由被磨損的厚度，去掉的體積決定。在晶片的表面出現(xiàn)的微劃痕數(shù)用Tencor生產(chǎn)的KLA計數(shù)。測試結(jié)果如下表5所示。拋光條件底盤型號IC1000/SubaIV Stacked(Rodel)壓磨板速度90轉(zhuǎn)數(shù)/分主軸速度60轉(zhuǎn)數(shù)/分壓力7磅/平方英寸反壓0磅/平方英寸溫度25℃漿料流速150毫升/分鐘表5 如前所述，在金屬氧化物漿料分散過程中使用兩個增壓泵可以使分散室保持恒定的壓力，其結(jié)果是限制或降低了大顆粒的產(chǎn)生，這些大顆粒是用CMP產(chǎn)生微劃痕的主要因素。因此，根據(jù)本發(fā)明方法制備的金屬氧化物漿料顆粒尺寸分布均勻、范圍窄，表現(xiàn)出了良好的拋光性能，并極大地降低了微劃痕出現(xiàn)的幾率，以至于它們可以適用于超集成半導(dǎo)體器件的CMP，因為當(dāng)微劃痕出現(xiàn)時，會對半導(dǎo)體器件造成致命的損害。
本發(fā)明已經(jīng)通過說明的方式進(jìn)行了描述，應(yīng)該理解的是使用專門術(shù)語是為了說明本質(zhì)，而不是限制。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，可以對本發(fā)明進(jìn)行多種形式的改進(jìn)和變化。因此，應(yīng)該理解，在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)，可以與具體描述不同的方式實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1．一種適用于半導(dǎo)體器件化學(xué)機(jī)械拋光的金屬氧化物漿料的制備方法，該方法包括在預(yù)設(shè)的壓力下，通過分散室孔口將一種金屬氧化物漿料分散在水中的過程，分散室中的兩個增壓泵用于保持作用于分散室的壓力恒定。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在每個增壓泵產(chǎn)生的脈動范圍為預(yù)設(shè)壓力的±40％的脈動壓力下，保持作用于分散室的壓力恒定。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在每個增壓泵產(chǎn)生的脈動范圍為預(yù)設(shè)壓力的±10％-±20％的脈動壓力下，保持作用于分散室的壓力恒定。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在每個增壓泵產(chǎn)生的脈動范圍為預(yù)設(shè)壓力的±5％的脈動壓力下，保持作用于分散室的壓力恒定。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬氧化物選自由二氧化硅(SiO2)、二氧化鈰(CeO2)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)所組成的組中。
6．根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任意一種方法，其中所述金屬氧化物的表面積范圍為20-300平方米/克。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中分散室可以單獨或與另外一個或多個分散室串聯(lián)使用，所述分散室的孔口類型可以是相同或不同的。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在緊靠分散室之前或之后還可以使用輔助分散室。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述輔助分散室有一個孔口，該孔口的直徑是所述分散室孔口直徑尺寸的3倍。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述孔口直徑的范圍為0.03-0.5毫米。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬氧化物顆粒尺寸分布的范圍為20-510納米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于半導(dǎo)體器件化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的金屬氧化物漿料的制備方法。在預(yù)定的壓力下,將水中的金屬氧化物懸浮物通過分散室的孔口分散,同時使用兩個增壓泵使作用于分散室的壓力保持恒定,其結(jié)果限制或降低了大于或等于1微米的大顆粒的產(chǎn)生。金屬氧化物漿料的顆粒尺寸是均勻的,其顆粒尺寸分布范圍窄,顯示了極好的拋光性能,顯著地降低了微劃痕出現(xiàn)的幾率,適用于超集成半導(dǎo)體器件的CMP方法。
文檔編號B24B37/00GK1285384SQ0010558
公開日2001年2月28日 申請日期2000年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月20日
發(fā)明者李吉成, 李在錫, 金碩珍, 張斗遠(yuǎn) 申請人:第一毛織株式會社