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金凯驰300mm硅片化学机械抛光技术
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发布时间:2007-10-29
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300mm硅片化学机械抛光技术分析(山东黄金集团金凯驰纳米科技有限责任公司 赵国武13325126835)
1 引言
半导体产业是现代电子工业的核心,而半导体产业的基础是硅材料工业。虽然有各种各样新型的半导体材料不断出现,但90%以上的半导体器件和电路,尤其是超大规模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质的硅单晶抛光片和外延片上的[1]。
目前,超大规模集成电路制造技术已经发展到了0.12μm和300mm时代,特征线宽为0.1μm的技术也正在走向市场。随着特征线宽的进一步微小化,对硅片表面的平坦化程度提出了更高的要求,CMP被公认为是ULSI阶段最好的材料全局平坦化方法,该方法既可以获得较完美的表面,又可以得到较高的抛光速率,已经基本取代了传统的热流法、旋转式玻璃法、回蚀法、电子环绕共振法、等离子增强CVD、淀积-腐蚀-淀积等技术。
传统的对基底硅材料的CMP为单面抛光,但是随着超大规模集成电路的不断发展,单面抛光已经不能满足更小线宽的要求,故在对用于线宽为0.09~0.13μm工艺的300mm硅片的加工中需进行双面化学机械抛光,这也是未来大直径硅片加工的发展趋势。
2 传统的化学机械抛光
1965年Walsh和Herzog首次提出了化学机械抛光技术,之后逐渐被应用。在半导体行业,CMP最早应用于集成电路的基底硅材料的抛光中,其后被逐步应用于集成电路的前半制程中(集成电路的制造过程共分为4个阶段:单晶硅片制造-前半制程-硅片测试-后半制程) [2],主要用于层间介质,绝缘体,导体,镶嵌金属W、Al、Cu,多晶硅,硅氧化物沟道等的平面化中。
抛光时,旋转的工件以一定的压力施于随工作台一起旋转的抛光垫上,而由亚微米或纳米磨料和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动,并在工件表面产生化学反应,工件表面形成的化学反应物由磨料的机械摩擦作用去除。在化学成膜与机械去膜的交替过程中,通过化学与机械的共同作用从工件表面去除极薄的一层材料,最终实现超精密表面加工。两个过程的快慢综合和一致性影响着工件的抛光速度和抛光质量。抛光速度主要由这两个过程中速度较慢的过程所控制。因此,要实现高效率、高质量的抛光,必须使化学作用过程与机械作用过程进行良好的匹配。如果化学腐蚀作用大于机械磨削作用则在抛光面表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹;如果机械磨削作用大于化学腐蚀作用则在抛光表面产生高损伤层和划道[2-3]。
基底硅抛光片质量的优劣,对器件与集成电路的电学性能和成品率有着极其重要的影响,这主要是由于光刻机的焦深变得越来越短,硅基底或薄膜层上极其微小的高度差异都会使IC的布线图形发生变形、扭曲、错位,结果导致绝缘层的绝缘能力达不到要求,或金属连线错乱而出现废品。
评价硅抛光片质量的参数主要有:硅片全局平整度(TIR或GBIR);硅片局部平整度(STIR);硅片表面微粗糙度;硅片表面的颗粒数(LPD)以及硅片表面的金属沾污情况等。对于用于线宽为 0.09~0.13μm工艺的300mm硅片来说,一般要求:硅片的全局平整度(GBIR)<2μm;硅片的局部平整度(SFQR:25mm×32mm)<85nm;硅片表面的颗粒数≤100个(≥0.12μm)。显然传统的单面抛光已不能满足该需要。
3 双面化学机械抛光
双面化学机械抛光(D )是在原有的单面化学机械抛光( )的基础上发展起来的,基本原理与单面化学机械抛光相同,只是需要将传统的化学机械抛光中的硅片夹持装置用另一个倒置的承载抛光垫的工作台所取代,基本原理如图2所示。现阶段,日本的 eedfam公司、德国Peter Wolters公司等都可以提供用于批量生产300mm硅片的抛光设备。
在整个加工过程中,硅片的背面与正面同时在进行化学机械抛光,抛光后硅片的正面与背面同时为镜面,这将会获得比传统的单面化学机械抛光更优的硅片整体以及局部平整度,同时也有利于硅片表面沾污的控制,具体分析如下。
3.1 硅片平整度
在传统的单面化学机械抛光中,根据贴片工艺的不同可以分为两大类:有蜡抛光(使用蜡把硅片固定在陶瓷板上进行抛光)与无蜡抛光(使用模板装片法、真空吸片法等方法将硅片固定,然后进行抛光)。抛光之后,在对硅片检测时关注的平整度(Flatne )方面的参数为TIR与STIR,而这两个参数都是以硅片的背表面为参考平面,即认为硅片的背面为理想的平面,但实际的硅片背表面是高低不平的,故需引入另一个参数:纳米形貌(nanotopography)来表征硅片的几何特性 。
纳米形貌反映的是硅片在自由状态下(不加任何外力)正表面的平整情况。由此可知,纳米形貌表征的是与平整度完全不同的参数。例如,虽然硅片的正表面有突起和凹下的地方,但只要硅片的背表面与正表面相平行,则TIR与STIR将较小,而纳米形貌会较大。平整度与纳米形貌的对比情况见。
而双面化学机械抛光在有效控制平整度的同时也可以有效地控制纳米形貌,这主要是因为在双面抛光过程中硅片整体可视为完全处于自由状态,且同时对硅片的正反两面进行加工,双面化学机械抛光过程中硅片的形貌如图5所示。故要得到各个几何参数都优的300mm硅片,必须采用硅片运动轨迹为行星运动轨迹的双面化学机械抛光 。
3.2 硅片表面沾污
在传统的单面化学机械抛光中,抛光后硅片的背表面为腐蚀面(酸腐蚀或碱腐蚀),该种表面与抛光表面相比有较大的表面粗糙度,各种沾污极易附着,在后续的清洗中又较难去除(尤其是附着在腐蚀坑中的沾污)。但是,硅片在传递及长距离的运输过程中,附着在硅片背面的部分沾污又可能从硅片的背面脱离,然后落在硅片的正面,进而影响集成电路与器件的成品率。该种现象对于线宽为0.09~0.13μm工艺的加工来说影响将是致命的,而双面化学机械抛光可以有效地避免该问题的出现。
4 双面化学机械抛光分析
化学机械抛光是化学反应与机械磨削共同作用的一个过程,要想获得质量好的抛光片,必须使这两个作用在整个抛光过程中保持平衡。与化学反应有关的参数有:抛光温度、抛光液pH值等;与机械作用有关的参数有:抛光压力、抛光转速、磨料的粒度与浓度、抛光布等[8-9]。另外硅片的晶向、电阻率等本身对抛光质量也有一定程度的影响,具体分析如下。
4.1 化学作用影响因素
抛光温度是影响硅片抛光速率与质量的一个重要参数。随着抛光温度的增加,抛光液的化学反应能力将会成指数关系的相应增加,同时也会引起抛光液的快速挥发,这样将导致硅片表面腐蚀严重、去除不均匀,从而使得抛光质量下降。但抛光温度过低又会使化学反应速度降低,进而使得机械作用大于化学作用,硅片机械损伤严重。通常抛光温度会控制在38~50℃(粗抛)20~35℃(中抛与精抛)。另外,抛光压力的增加、抛光转速的增加、抛光液流量的减小等也会使得抛光温度升高。
在化学机械抛光中,随着抛光液pH值的增加,化学反应能力将相应增强,进而使得抛光速度增加,但当pH值达到某一值之后,硅片的表面将会由疏水性变为亲水性,同时抛光速度显著下降。通常抛光液的pH值控制在10.5左右(此时抛光速度最快)。同时可以在抛光液中加入多胺有机弱碱进行pH值的调节,因为该类碱可以起到缓冲的作用,使得整个抛光过程中抛光液pH值保持稳定。
4.2 机械作用影响因素
抛光压力与抛光转速对抛光速度和抛光表面质量影响很大,通常随着抛光压力与抛光转速的增加,机械作用将增强,抛光速度也将增加。但使用过高的抛光压力与转速将会导致硅片抛光速度不均匀、抛光温度升高且不易控制,从而使得出现划伤的几率大大增加,抛光质量下降。另外,在精抛过程中,抛光压力过高也会使得抛光布储存抛光液的能力下降,进而导致硅片划伤[10]。
抛光液粒度的增加,将使抛光速度增加,但粒度的增加又会使硅片表面产生划道和缺陷的可能性大大增加。目前使用的抛光液粒度一般为10~ 100nm;磨料的浓度对抛光质量也有重要影响,在一定范围内,随着浓度的增加,抛光速度将会增加,且平整度也趋于更好。但当磨料浓度超过某一值时,材料去除率将停止增加,这种现象称为材料去除饱和。
抛光布在整个抛光过程中起着重要的作用,它除了可以使抛光液有效地均匀分布外,还要能够提供新补充进来的抛光液,并能顺利地将反应后的抛光液及产物排出。硬度是表征抛光布性能的一个重要参数,使用硬的抛光布(粗抛与中抛中通常使用硬度为70~90(Asker C)的抛光布)可获得较好的整体与局部平整度,而软的抛光布(精抛布)可获得较好的表面质量与活性。抛光布的多孔性和表面粗糙度是影响抛光液传输效率的重要参数,随着使用时间的增长,抛光布表面会变得光滑,孔隙将会被堵塞而减少,抛光速度将下降,此时必须对其进行修正,使其尽量恢复原样。
4.3 硅片自身影响因素
硅片抛光的速度与质量还受到硅片本身性质的影响,不同晶向,不同电阻率(不同掺杂浓度)的硅片即使使用相同的抛光工艺,抛光的去除速度也会有一定的差异,相同条件下,(100)面的抛光速度明显快于(111)面,主要原因为硅的解理面是(111)面。另外,掺杂浓度高(低电阻率)的硅片的硬度会较掺杂浓度低(高电阻率)的硅片大,故抛光速度将相应的较低。
5 结束语
金凯驰纳米金刚石抛光液是采用前苏联军工技术生产的高科技抛光产品,主要用于半导体、激光和非线性晶体、高温超导体底板等产品的抛光。纯度99%以上,颗粒直径4-6纳米的球形纳米金刚石可提高抛光效率,有效保证抛光质量。
主要成分及指标
水基抛光液:92%的蒸馏水 8%的纳米金刚石 PH 2-12
油基抛光液:95%的油 5%的纳米金刚石 PH 2-12
表面抛光性能
金凯驰纳米金刚石抛光液的独特性能使抛光达到镜面水平。
*纯度级别 – 0-1纳米
*表面洁净度:接近于“0”级
*表面不光滑处高度 k, = 2-10 nm (0,2 — 2,5 nm)
*抛光速度:提高3-8倍
*抛光镜面无划痕、斜面、小坑、裂纹、蚀刻及其它缺陷
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