化學機械拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀及進展

董 偉

(廣東技術(shù)師范學院天河學院，廣東廣州510540)

化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP)是提供超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造過程中全面平坦化的一種新技術(shù)，其概念最早是由美國的Monsanto于1965 年提出［1］。

該技術(shù)最初是用于獲取高質(zhì)量的玻璃表面，如二戰(zhàn)中德國曾用此技術(shù)制造軍事顯微鏡等。1991年，美國IBM公司首次將化學機械拋光技術(shù)成功應(yīng)用到64 MB動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)的生產(chǎn)中［2］，這標志著CMP廣泛應(yīng)用的開始。之后各種邏輯和存儲器的生產(chǎn)以不同的發(fā)展規(guī)模走向CMP，促進了該技術(shù)各項研究和應(yīng)用的發(fā)展。CMP將納米粒子的研磨作用與氧化劑的化學作用有機地結(jié)合起來，滿足了特征尺寸在0.35 μm以下的全局平面化要求。目前，化學機械拋光技術(shù)已成為幾乎公認為唯一的納米級全局平面化技術(shù)［3－4］。

1 機理研究

CMP技術(shù)的基本原理是:將拋光片工件(Wafer)以待加工表面朝下的方式在一定的壓力下壓向拋光墊，在拋光墊和工件中間存在拋光液(由納米級顆粒、化學氧化劑、液體等組成的混合液)流動的條件下，借助于拋光墊和拋光件的相對運動，在磨粒的機械磨削及氧化劑的化學腐蝕作用下來完成對工件表面的材料去除，并獲得光潔的表面［5－6］。一個完整的CMP工藝常包括拋光、清洗、檢測、工藝控制及廢物處理等過程。圖1是CMP示意圖。

針對化學機械拋光加工過程中的磨損機理和材料去除機制，國內(nèi)外大量的學者進行了研究，歸納起來，主要有以下幾種建模方法:

(1)CMP接觸模型(如圖2所示)

此類模型通過接觸力學分析，考慮加工工件和拋光墊的幾何形狀與變形量，忽略拋光液流動效應(yīng)以及其對拋光墊加工的影響。

Cook以力學的觀點來解析CMP拋光過程，內(nèi)容包括了拋光顆粒的機械性質(zhì)以及化學反應(yīng)等［7］。Sivaram、Warnock等人也在此模型基礎(chǔ)上開展了一系列研究，雖然有一定的合理性，但并未完全揭示CMP過程中的磨損機理。

(2)流體理論模型

此類模型考慮純流體經(jīng)過兩個光滑表面并分析剪切應(yīng)力對材料去除率的影響，忽略拋光顆粒與粗糙表面的事實。主要有Runnels等人提出的模型［8］。

(3)潤滑理論模型

此類模型以純流體經(jīng)光滑表面的雷諾方程式(Reynolds Equation)模擬研磨狀態(tài)，其中以Sundararejan［9］、趙志恒、張朝輝等人結(jié)合質(zhì)量傳遞提出的二維模型最具代表性。

2 CMP設(shè)備

2.1 拋光機

拋光機基本組成如圖1，被加工晶片固定在夾具上，并通過施加一定的拋光載荷，晶片被壓在拋光墊上。拋光墊和夾具分別繞各自的軸旋轉(zhuǎn)，通過一個自動拋光液注入系統(tǒng)保證拋光墊濕潤程度均勻，隨著拋光墊旋轉(zhuǎn)，拋光液被帶入晶片和墊光墊之間的加工區(qū)域，完成整修化學機械拋光過程。

目前，CMP拋光機正在由單頭、雙頭拋光機向多頭拋光機發(fā)展，結(jié)構(gòu)逐步由旋轉(zhuǎn)運動結(jié)構(gòu)向軌道拋光方法和線性拋光方面發(fā)展。圖3為某型號拋光機。

2.2 拋光液

拋光液是CMP關(guān)鍵因素之一，其作用是在化學機械拋光過程中，與晶片發(fā)生化學反應(yīng)，在其表面產(chǎn)生一層鈍化膜，然后由拋光液中的磨粒利用機械力將反應(yīng)產(chǎn)物去除，從而達到光整加工晶片表面的作用。

拋光液一般由磨粒(Al2O3、SiO2、Ce2O3)、表面活性劑、穩(wěn)定劑、氧化劑和分散劑等組成，拋光液的流速、粘度、溫度、組成、pH值都會對去除速度有影響［10］。拋光用的磨粒如表1所示。其微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表1 拋光常用磨粒種類和成分

由于目前世界市場上商業(yè)化的拋光液完全處于保密狀態(tài)，所以拋光液的循環(huán)利用是現(xiàn)階段CMP研究的一個熱門方向。常用的方法有稀釋拋光液法、混合使用新舊拋光液法及循環(huán)使用法等［10］。

2.3 拋光墊

拋光墊是一種表面有很多毛囊孔的纖維板結(jié)構(gòu)，在CMP過程中，有儲存、運輸拋光液、去除加工殘余物質(zhì)、傳遞機械載荷及維持拋光環(huán)境等功能［11］。

用于CMP的拋光墊必須具有良好的化學穩(wěn)定性(耐腐蝕性)、親水性以及機械力學特性。拋光墊通常可分為硬質(zhì)和軟質(zhì)(彈性、粘彈性)兩種。硬質(zhì)拋光墊可較好地保證工件表面的平面度;軟質(zhì)拋光墊可獲得加工變質(zhì)層和表面粗糙度值都很小的拋光表面［12］。聚酯拋光墊用過一段時間后，會產(chǎn)生“釉化”現(xiàn)象，存儲、運輸磨料的能力降低，再加上冷膠合的影響，材料去除率和工件拋光表面質(zhì)量下降。所以，必須對其進行修整。常用修整器有金剛石砂輪、金剛石筆、砂帶和金屬刷等［13］。

目前主要的研究是拋光墊的材料種類、材料性質(zhì)(如硬度彈性和剪切模量、孔隙的大小和分布、粘彈性)、表面的結(jié)構(gòu)(圖5)和狀態(tài)對拋光性能的影響。拋光墊表面通常被修整得足夠粗糙，為了有利于帶出磨屑而維持孔隙結(jié)構(gòu)［14］。通常，拋光墊材料為聚亞安酯(Polyurethane)。圖6描述了其大致的制造過程。

改進拋光墊材料、提高其拋光性能、延長其使用壽命從而減小加工損耗是CMP拋光墊研究的主要內(nèi)容及方向［15］。

3 CMP工藝參數(shù)

由于CMP是在生產(chǎn)實踐中誕生的一門精密加工技術(shù)，對人類來講，還是一門“黑箱”技術(shù)。影響CMP的工藝參數(shù)很多，學界總的歸納起來，主要包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)2種?！昂谙洹敝械闹虚g變量人們還知之甚少，只能從輸出參數(shù)變化定性判斷。

3.1 輸入?yún)?shù)

CMP過程的輸入?yún)?shù)，在拋光液與拋光墊確定之后，主要表現(xiàn)為以下幾個方面:

3.1.1 溫度

由于CMP過程在某種程度上講是一個能量損耗的過程，溫度在加工過程中當然會上升，從而產(chǎn)生“團聚”現(xiàn)象。溫度變化主要會影響到反應(yīng)速度，但是，如果加工表面溫度發(fā)生急劇變化，同樣也會影響到晶片的機械性能［16］。

H.J.Kimt等［17］發(fā)現(xiàn)溫度使拋光液的 pH 值改變，溫度升高，拋光液的pH值會降低，還發(fā)現(xiàn)它對拋光顆粒尺寸分布有較大的影響。

Wei Ye等［18］在此基礎(chǔ)上考慮到拋光墊的粗糙度影響，對CMP中溫度的上升進行了計算仿真。

3.1.2 壓力

壓力是作用于被晶界隔開的晶片上的載荷，如果表面粗糙或形貌有缺陷，接觸面積就比幾何面積少，因此壓力增大直至表面光滑，機械磨損速度與壓力成正比。實驗表明，壓力為5～6.5 kPa時的表面損傷較?。?6］。

3.1.3 拋光墊速度和晶片速度

拋光墊速度是指拋光墊相對于晶片的相對平均速度，會影響晶片間反應(yīng)物和化學產(chǎn)物的進入和離開。晶片速度會影響磨料穿過晶片的速度。如果拋光墊與晶片的旋轉(zhuǎn)速度相適應(yīng)，則晶片上每一點的速度都是相同的。

3.2 輸出參數(shù)

3.2.1 去除率

去除率是指單位時間所去除的薄膜厚度，一般符合阿雷尼厄斯(Arrhenius)方程。設(shè)CMP加工過程中的拋光加工速度為nm［19］，則:

式中:R為氣體常數(shù);T0為化學反應(yīng)系統(tǒng)溫度，K;DT為加工中溫度上升值，0＜DT/T0＜1;E0為拋光液與被加工物的固有活性能量，kJ/mol;Ea為磨料微粒機械作用表面變形能量或干摩擦能量;n0為常數(shù)，在E0=Ea時，即機械作用時的加工速度。

由上式可知，拋光加工中溫度越高，磨料的機械作用越強，表面上活性能力越降低，加工效率越增大。

3.2.2 表面質(zhì)量［20－21］

表面質(zhì)量是用來表征連接部分屈服和穩(wěn)定性的期望值的考量指標。粗糙的晶片表面更易于導致低強度和較高的損傷率，而粗糙的金屬表面更易于造成腐蝕和電遷移，所以要提高表面質(zhì)量，減小表面粗糙度值。在CMP過程中，適當?shù)钠胶饣瘜W和機械因素可以減小粗糙度值，獲得較高的面形精度，以此來保證表面質(zhì)量。表面輪廓儀可用于檢測平整度，AFM、STM可用于檢查表面粗糙度，如圖7所示。

3.2.3 表面損傷［20－21］

在CMP過程中，常出現(xiàn)的宏觀缺陷有砂道、劃痕和蝕坑等，如圖8所示。晶片的表面缺陷會降低元器件的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)損傷包括刮傷、薄膜界面分層現(xiàn)象以及雜質(zhì)進入薄膜。當機械磨削占主導作用時，晶片表面會出現(xiàn)損傷層，從氣固界面向材料內(nèi)可分為凸凹層、裂紋層、原材，加工損傷層由凸凹層和裂紋層總厚度來確定。晶片對溫度具有敏感性，也易產(chǎn)生微疇反轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

目前，CMP技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成以化學機械拋光機為主體，集在線檢測、終點檢測、清洗和甩干等技術(shù)于一體的化學機械平坦化技術(shù)，是集成向微細化、多層化、平坦化工藝發(fā)展的產(chǎn)物。

與此同時，也涌現(xiàn)出了不少新技術(shù)，例如:固結(jié)磨料化學機械拋光技術(shù)、電化學機械平坦化技術(shù)、無磨料化學機械拋光技術(shù)、無拋光墊化學機械拋光技術(shù)、無應(yīng)力拋光技術(shù)、接觸平坦化技術(shù)和等離子輔助化學蝕刻平坦化技術(shù)等［22］。

綜上所述，CMP技術(shù)可用于各種高性能和特殊用途的元器件制造，且應(yīng)用領(lǐng)域日益擴展，已成為最為重要的超精細表面全局平面化技術(shù)之一，也是國際競爭的關(guān)鍵技術(shù)，其增長勢頭和發(fā)展前景非?？捎^。深入研究和開發(fā)CMP技術(shù)，并形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料和工藝，將促進我國精密制造產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，提高我國在這一方面的國際地位，同時也將帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

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