化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)硅片表面質(zhì)量影響的研究

楊玉梅，云 娜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十六研究所，天津300220)

集成電路（IC）是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展最主要的高新技術(shù)之一。目前，以半導(dǎo)體集成電路為基礎(chǔ)的電子信息產(chǎn)品已成為世界第一大支柱產(chǎn)業(yè)，世界工業(yè)發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增長(zhǎng)部分的65%都與IC工業(yè)相關(guān)[1]。作為半導(dǎo)體材料加工的卓越代表方法之一，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是目前被認(rèn)可并且廣泛使用的方法，同時(shí)也是唯一的可在整個(gè)硅圓晶片上實(shí)現(xiàn)全面平坦化的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量表面、低表面粗糙度[2]。

在微電子工業(yè)領(lǐng)域，IC 的發(fā)展離不開(kāi)晶體完整、高精度、高表面質(zhì)量的硅晶片，全球90%以上的IC 都要采用硅片，是信息技術(shù)的基礎(chǔ)材料，是固態(tài)電子發(fā)展的載體[3]。因此拋光硅片的表面質(zhì)量直接影響著器件的性能、集成度、可靠性以及成品率[4]。

但是目前關(guān)于單晶硅化學(xué)機(jī)械拋光的研究主要集中在工藝機(jī)理方面，關(guān)于單晶硅表面粗糙度的定義及其對(duì)粒子缺陷的影響研究甚少[5-8]。而單晶硅表面粗糙度的好壞直接影響到后續(xù)表面質(zhì)量的測(cè)量，同時(shí)化學(xué)機(jī)械拋光精拋的一些重要工藝參數(shù)（壓力、相對(duì)轉(zhuǎn)速、拋光液流量等）對(duì)硅片表面微粗糙度也會(huì)產(chǎn)生很大的影響[9-10]。因此，本研究首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析硅片表面粗糙度與粒子缺陷的聯(lián)系，然后通過(guò)精拋不同參數(shù)下硅片表面質(zhì)量的研究，以期改善化學(xué)機(jī)械拋光下硅片的表面質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)硅片均采用直拉法P-〈111〉型，直徑為100 mm，電阻率為40～45 Ω·cm，Haze 值約為12×10-6的單晶硅片，首先采用掃描電鏡SSX-550觀察硅片表面粒子缺陷類型并觀察硅片表面微粗糙度對(duì)粒子缺陷測(cè)量的影響；然后通過(guò)單一變量法改變精拋過(guò)程中拋光壓力及拋光液流量等來(lái)研究其對(duì)硅片表面微粗糙度的影響。實(shí)驗(yàn)中精拋過(guò)程主要工藝參數(shù)如表1所示，且硅片表面缺陷經(jīng)RCA 標(biāo)準(zhǔn)清洗（清洗流程如表2所示）后統(tǒng)一由WM-7S wafer surface analyzer 設(shè)備檢測(cè)，其中表面粗糙度統(tǒng)一由SSIS 中的Haze 值來(lái)表示，Haze 值越大，硅片表面越粗糙。

表1 化學(xué)機(jī)械拋光參數(shù)

表2 RCA 標(biāo)準(zhǔn)清洗流程

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果討論

2.1 微粗糙度對(duì)硅片表面粒子缺陷測(cè)量的影響

目前應(yīng)用最廣泛的硅片表面粒子缺陷測(cè)量系統(tǒng)是SSIS，在SSIS 中，硅片表面的細(xì)微刮傷、坑洞及顆粒等經(jīng)過(guò)光散射后形成不同的散射信號(hào)被SSIS 系統(tǒng)收集并轉(zhuǎn)化為類似的表面形貌特征。其顯示出來(lái)的各種缺陷稱為光點(diǎn)缺陷，當(dāng)幾個(gè)光點(diǎn)缺陷密集的聚集在一起時(shí)，這樣通過(guò)光學(xué)原理模擬出來(lái)的形貌特征具有不確定性，SSIS 會(huì)將其認(rèn)定為整體形貌特征。而沒(méi)有判定為光點(diǎn)缺陷及整體形貌的散射信號(hào)會(huì)被視為背景信號(hào)，即Haze 值。

因此，我們?nèi)∫黄?jīng)化學(xué)機(jī)械拋光后的硅片進(jìn)行粒子缺陷測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，尺寸在0.15 μm 到0.3 μm之間的粒子數(shù)量為68 個(gè)，而大于0.3 μm 的粒子僅為9 個(gè)。這就表明光點(diǎn)缺陷粒子主要集中在0.15 μm 到0.3 μm 之間，為了找出造成0.15 μm到0.3 μm 之間粒子數(shù)過(guò)多的原因，我們對(duì)該硅片進(jìn)行了SEM 掃描分析，局部放大圖如圖2所示。從圖2中我們可以看出粒子主要是由拋光布?xì)埩?、劃痕、坑洞及粗糙表面造成。同時(shí)根據(jù)標(biāo)尺可以判斷出各種缺陷造成粒子的大?。簞澓墼斐傻牧Ｗ映叽邕h(yuǎn)大于1 μm；拋光布?xì)埩舸笥? μm；硅片表面坑洞大于0.3 μm；粗糙表面介于0.15 到0.3 μm 之間。因此，我們可以肯定造成粒子數(shù)量過(guò)大的原因在于粗糙的硅片表面。

圖1 硅片的粒子缺陷測(cè)量

可見(jiàn)，SSIS 在整個(gè)硅片表面缺陷測(cè)量過(guò)程中，收集硅片表面產(chǎn)生的各種散射信號(hào)，然后依據(jù)已有設(shè)定將其分為粒子、整體形貌以及Haze 值。即硅片表面粒子缺陷和硅片表面粗糙度是由散射光信號(hào)強(qiáng)度來(lái)區(qū)分的，這兩者之間并不完全絕對(duì)，當(dāng)改變粒子缺陷的最小尺寸及相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，粒子缺陷和硅片表面微粗糙度是會(huì)發(fā)生相對(duì)改變的。

圖2 硅片中光點(diǎn)缺陷粒子的SEM 圖

2.2 化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)硅片表面微粗糙度的影響

硅片表面的微粗糙度對(duì)于硅片表面粒子尤其是小顆粒粒子的測(cè)量有著非常重要的影響。改善硅片表面的微粗糙度，能有效地減少因硅片表面粗糙而在檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生的粒子缺陷，從而控制缺陷數(shù)量?；瘜W(xué)機(jī)械拋光是目前最主要能夠改善硅片表面微粗糙度的方法之一，而精拋?zhàn)鳛樽詈笠坏罀伖夤ば蛴殖闪酥刂兄亍?/p>

2.2.1 拋光壓力變化對(duì)硅片表面質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)中，保持其他參數(shù)不變，只改動(dòng)精拋過(guò)程中 的 壓 力，分 別 設(shè) 置 為15.0、17.5、20.0、22.5、25.0、27.5、30.0，32.5，35.0 kPa。每種壓力狀態(tài)下取5 片硅片進(jìn)行拋光，然后進(jìn)行統(tǒng)一的RCA 標(biāo)準(zhǔn)清洗，最后進(jìn)行Haze 值測(cè)量，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 硅片在不同拋光壓力下的Haze 值

由圖3可以看出，硅片表面微粗糙度隨著壓力的增加分為兩個(gè)階段，第一階段：改善階段，即當(dāng)壓力為15～25 kPa 時(shí)，硅片表面Haze 隨著壓力的增加而減小；第二階段：穩(wěn)定階段，即當(dāng)壓力為25～35 kPa 時(shí)，硅片表面Haze 隨著壓力的增加而不改變。

根據(jù)普萊斯頓方程R=K×P×V 可知，機(jī)械拋光速率與壓力成正比。當(dāng)壓力過(guò)低時(shí)（15～25 kPa時(shí)），化學(xué)拋光占主導(dǎo)地位，此時(shí)硅片軟表面層生成較快而無(wú)法被機(jī)械拋光及時(shí)去除，導(dǎo)致過(guò)度腐蝕，從而產(chǎn)生腐蝕坑及橘皮狀波紋，提高了硅片表面的微粗糙度，硅片表面變得粗糙不平，Haze 值較大。隨著壓力的增加，硅片表面微粗糙度得以改善，Haze 值逐漸降低。而當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)（25～35 kPa），機(jī)械拋光占主導(dǎo)地位，硅片軟表面層無(wú)法及時(shí)生成即被機(jī)械拋光去除，導(dǎo)致機(jī)械拋光直接作用在硅片表面，通過(guò)前文分析已知不會(huì)導(dǎo)致硅片Haze 值增加，但是會(huì)造成硅片表面的機(jī)械磨損。

2.2.2 拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速變化對(duì)硅片表面質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)中，保持其他參數(shù)不變，只改動(dòng)拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速，分別設(shè)置為40、60、80、100、120 和140 r/min。每種轉(zhuǎn)數(shù)狀態(tài)下取5 片硅片進(jìn)行拋光，然后進(jìn)行統(tǒng)一的RCA 標(biāo)準(zhǔn)清洗，最后進(jìn)行Haze 值測(cè)量，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 硅片在不同拋光轉(zhuǎn)速下的Haze 值

由圖4可以看出，隨著拋光轉(zhuǎn)速的提高，在初始階段，Haze 值越來(lái)越小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到100 r/min以后，Haze 值出現(xiàn)小幅度提高。結(jié)合前文分析不難得到以下結(jié)論：拋光轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，化學(xué)拋光占主導(dǎo)作用，硅片過(guò)度腐蝕導(dǎo)致Haze 值較高。而隨著轉(zhuǎn)速的提高，過(guò)度腐蝕現(xiàn)象得到減弱，硅片表面微粗糙度得到改善，Haze 值不斷降低。當(dāng)拋光轉(zhuǎn)速高于80 r/min 時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，拋光液在拋光布上面的分布不均勻，從而導(dǎo)致硅片局部區(qū)域化學(xué)反應(yīng)過(guò)快，造成局部過(guò)度腐蝕現(xiàn)象，因此導(dǎo)致硅片表面Haze 值升高。

2.2.3 拋光液流量變化對(duì)硅片表面質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)中，保持其他參數(shù)不變，只改動(dòng)拋光液流量參數(shù)，分別設(shè)置為50、100、200、300、400 和500 mL/min。每種流量狀態(tài)下取5 片硅片進(jìn)行拋光，然后進(jìn)行統(tǒng)一的RCA 標(biāo)準(zhǔn)清洗，最后進(jìn)行Haze值測(cè)量，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 硅片在不同拋光液流量下的Haze 值

由圖5可以看出，隨著拋光液流量的逐漸增加，硅片的Haze 越來(lái)越小，且Haze 值越來(lái)越穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)初期由于拋光液流量太小，即使通過(guò)拋光盤(pán)的旋轉(zhuǎn)也無(wú)法均勻分布在拋光布上，因此使得局部區(qū)域甚至出現(xiàn)無(wú)拋光液的現(xiàn)象，導(dǎo)致化學(xué)機(jī)械拋光的不穩(wěn)定，硅片與硅片之間的化學(xué)機(jī)械拋光程度不同，即硅片之間的Haze 值差異較大。然而隨著拋光液流量的增加，拋光液在拋光布上分布趨于均勻，硅片表面的微粗糙度逐漸減小，最終在300 mL/min 時(shí)達(dá)到最優(yōu)，Haze 值降低到0.025×10-6，隨后進(jìn)入穩(wěn)定階段。

綜上，掃描表面檢查系統(tǒng)中的Haze 值與硅片表面微粗糙度有著直接的關(guān)系。由于硅片表面粒子缺陷的測(cè)量方法與硅片表面微粗糙度的測(cè)量方法是一致的，因此過(guò)于粗糙的硅片表面會(huì)引起大量的表面粒子缺陷，所以控制硅片表面微粗糙度即Haze 值在一定情況下可以降低硅片表面的粒子缺陷。此外，化學(xué)機(jī)械拋光是一種雙機(jī)制拋光工藝，因此化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)于Haze 值的影響與兩種機(jī)制在整個(gè)拋光過(guò)程中的比重有關(guān)。當(dāng)化學(xué)拋光保持不變時(shí)，隨著機(jī)械拋光作用逐漸加強(qiáng)，硅片表面Haze 值由大變小達(dá)到最低點(diǎn)并保持不變。最后階段由于機(jī)械拋光作用占主導(dǎo)，硅片表面機(jī)械磨損嚴(yán)重。當(dāng)機(jī)械拋光保持不變時(shí)，隨著化學(xué)拋光逐漸加強(qiáng)，硅片表面Haze 值降至最低點(diǎn)隨后增加。

3 結(jié) 論

（1）硅片表面絕大多數(shù)粒子缺陷的大小分布在0.15～0.3 μm，通過(guò)SEM 分析可知其主要形成原因?yàn)榇植诓黄降墓杵砻?，即硅片表面的微粗糙度?huì)對(duì)粒子缺陷測(cè)量帶來(lái)非常重要的影響。

（2）化學(xué)機(jī)械拋光中化學(xué)拋光與機(jī)械拋光的比重對(duì)硅片表面微粗糙度起重要影響。當(dāng)化學(xué)拋光與機(jī)械拋光達(dá)到平衡時(shí)，能得到最佳的硅片表面質(zhì)量。

（3）精拋參數(shù)為：壓力25 kPa、轉(zhuǎn)速80 r/min、拋光液流量300 mL/min 時(shí)，所獲得的硅片表面質(zhì)量最好，其Haze 值為0.025×10-6。

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