霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP工藝研究

李慶忠，李強強，孫蘇磊

(江南大學機械工程學院，無錫 214122)

1 引 言

信息技術(shù)的基礎(chǔ)和核心是微電子技術(shù)[1]。單晶硅、碳化硅、氮化硅和藍寶石等眾多半導(dǎo)體材料被廣泛地應(yīng)用于微電子元器件的制造中[2]。為了保證在微電子元器件制造過程中的產(chǎn)品質(zhì)量，要求前道工序的產(chǎn)品晶圓表面和亞表層沒有損傷和缺陷，形成高質(zhì)量超光滑基材表面[3-4]?；瘜W機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP)是上世紀90年代興起的綜合利用化學氧化、機械摩擦和流體作用進行工件表面材料去除的技術(shù)，主要通過納米磨料磨削作用和漿料的化學腐蝕作用使被研磨的工件表面達到光滑無損傷的平整度要求，是目前廣泛采用的一種全局平坦化技術(shù)[5]。傳統(tǒng)的化學機械拋光技術(shù)在一定的時期內(nèi)滿足了硬脆材料平坦化發(fā)展對超精密平整化技術(shù)發(fā)展的基本要求，但都存在著一定的技術(shù)缺陷，加工質(zhì)量很不容易控制[6]。因此國內(nèi)外科研人員在硬脆材料的超精密平坦化理論和技術(shù)方面進行了大量的研究試驗[7]，結(jié)果表明僅僅改進拋光液中化學物質(zhì)的組分和改變拋光參數(shù)提高機械摩擦作用對無損傷超光滑表面的形成的幫助是遠不夠的[8]。事實上也證明，拋光液中磨料納米顆粒的團聚劃傷以及在拋光過程中基片上過量的拋光液的不均勻腐蝕作用，也正是造成基片表面質(zhì)量不高的主要緣由之一，必須加以控制和改進[9]。

針對傳統(tǒng)化學機械拋光過程中存在的諸多問題如團的聚納米漿料粒子易劃傷拋光表面，拋光墊表面磨粒分布不均勻，被拋光工件表面殘留漿料不易清洗，拋光成本高，漿料廢液難處理、污染環(huán)境等[10]問題，本文通過對國內(nèi)外超精密平坦化加工技術(shù)的研究和發(fā)展趨勢的分析，提出了霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP工藝。霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP工藝，具有成本低、材料去除率高、拋光效果好和綠色環(huán)保等優(yōu)點，深入分析同質(zhì)硬脆晶體CMP微觀去除機制具有重要的理論價值和現(xiàn)實應(yīng)用意義。

2 實 驗

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖 Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP工藝(下面簡稱互拋CMP)摒棄了傳統(tǒng)化學機械拋光中的拋光墊，讓材料相同、表面粗糙度相近的上下兩拋光片相互接觸，在拋光片兩表面之間施加霧化后的特種拋光液，與拋光片表面產(chǎn)生化學反應(yīng)并生成剪切強度較低的均勻覆蓋膜[11]；同時在兩個工件上方施加一定的壓力，拋光頭和拋光盤間的速度差使上下兩片硅片間產(chǎn)生相互運動，上下兩片硅片相互擠壓、磨削去除硅片表面的凸起，被去除的材料一部分被拋光液帶走，另一部分作為磨料繼續(xù)參與下一個循環(huán)的磨削，形成超光滑無損傷超精納米級表面。實驗系統(tǒng)原理圖如圖1所示。讓同種材料的拋光片表面相互接觸，被拋光的硅片既作為被加工件完成表面平坦化，同時也作為與其相互接觸的另一工件的拋光墊對其進行磨削，提高了加工效率；傳統(tǒng)的化學機械拋光拋光墊多是聚氨酯材料有一定的彈性，而霧化施液同質(zhì)互拋CMP中作為互拋的兩個工件都是硬脆材料，可以將拋光頭的壓力全部轉(zhuǎn)化為剪切力將硅片表面材料去除；同時霧化后的拋光液粒在拋光/研拋界面上快速吸附作用和高活性，使拋光液中的化學成分與拋光工件的化學反應(yīng)進行速度和強度遠遠大于傳統(tǒng)CMP的流體施液方式，緩解甚至解決表面粗糙度、表面/亞表面損傷和材料去除率之間的矛盾；此外霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP的特種拋光液中不要加入磨料，不需要使用傳統(tǒng)的拋光墊，大大降低了拋光成本，提高了漿料利用率低，解決了拋光工件表面殘留漿料不易清洗、漿料廢液難處理污染環(huán)境等問題。

2.1 試驗材料

選用φ5.08 mm×1 mm的100型單晶硅研磨腐蝕片為試樣，試驗用水為電阻率為18.24 MΩ的去離子水。試驗用拋光液為自制特種拋光液，其中包含磨料(磨粒粒徑為15～20 nm的SiO2溶膠，其中SiO2磨粒的質(zhì)量分數(shù)為30%)、氧化劑(H2O2)、pH調(diào)節(jié)劑(羥乙基乙二胺)、表面活性劑(聚乙烯吡咯烷酮)，具體成分如表1。

表1 兩種拋光液的各項參數(shù)Table 1 Parameters of two kinds of slurries

拋光基本參數(shù)設(shè)置如表2：拋光盤轉(zhuǎn)速80 r/min，拋光液流量為100 mL/min,拋光時間設(shè)置為8 min。

表2 各組試驗拋光參數(shù)Table 2 Test polishing parameters of each group

2.2 試驗方法

將UL-1502型化學機械拋光機按前文方法改造成霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP設(shè)備，分別采用傳統(tǒng)的化學機械拋光機和改造后的拋光設(shè)備使用上述三種拋光液對硅片進行拋光試驗。試驗S1、S2為使用傳統(tǒng)化學機械拋光機進行拋光；試驗S3、S4和S5為使用改造后的機器進行拋光試驗。拋光前，用精密電子天平(XS205-DU型，精度為0.01 mg)對單晶硅研磨腐蝕片進行稱重，拋光后，使用PS-08 A型超聲清洗機對硅片進行清洗，吹干后稱重。通過公式(1)計算材料去除率[12]。

(1)

式中，VMRR為材料去除率(nm/min)，M0和M1分別為拋光前和拋光后硅片的質(zhì)量(g)，ρ為硅片密度(g/cm3)，S1為硅片表面積(cm2)，t為拋光時間(min)。通過掃面探針顯微鏡(CSPM5000型)觀察硅片的表面形貌，并測量其表面粗糙度，測試時掃描區(qū)域面積為10 μm×10 μm。

3 結(jié)果與討論

3.1 拋光壓力對材料去除率的影響

圖2顯示了五組實驗單晶硅表面材料去除率隨拋光壓力變化的趨勢。圖2(a)顯示了機械作用對硅片材料去除率的影響，當僅用去離子水進行拋光時，采用互拋CMP工藝方法對硅片進行拋光試驗拋光去除率隨著拋光壓力的增大而增大，當拋光壓力為9 psi時材料去除率最大達到了360 nm/min;在去離子水中加入硅溶膠攪拌后使用傳統(tǒng)CMP對硅片進行拋光，在拋光壓力為9 psi時材料去除力達到最大為310 nm/min；結(jié)果表明使用互拋CMP工藝拋光硅片時機械作用明顯比傳統(tǒng)CMP更強。圖2(b)顯示了化學和機械的交互作用對硅片材料去除率的影響，當使用含有全部組分的試驗用標準拋光液對硅片進行拋光時，傳統(tǒng)CMP的材料去除率達到了630 nm/min，而使用互拋CMP工藝對硅片進行拋光，由于互拋CMP工藝比傳統(tǒng)拋光工藝的機械作用更大，所以對硅片的表面材料去除更明顯，材料去除率隨著拋光壓力的增大增大，在拋光壓力為9 psi時達到最大為711 nm/min，高于傳統(tǒng)化學CMP；當拋光液中不含有磨粒只含有必要的化學成分時，使用互拋CMP工藝拋光硅片時材料去除率在拋光壓力在9 psi最高為603 nm/min。

圖2 材料去除率隨著壓力變化曲線 Fig.2 Material removal rate curves with pressure (a)mechanical action;(b)mechanochemistry action

3.2 拋光壓力對硅片表面粗糙度的影響

對S2、S4和S5三組試驗拋光后的硅片表面進行AFM掃描，其表面形貌如圖3所示。由圖3(a)可見，使用傳統(tǒng)化學機械拋光方法對硅片進行拋光后，雖然硅片表面整體比較平坦，但還是存在很多凸起和凹坑；從圖3(c)中可以看出，使用互拋CMP工藝在有磨料的情況下，拋光后的硅片表面也存在一些凸起和凹坑；而圖3(b)是使用互拋CMP工藝拋光液中沒有添加磨料對硅片進行拋光的結(jié)果，被拋光后的硅片表面整體比較光滑，沒有明顯的劃痕和缺陷。分別對三個表面形貌取一典型剖面分析其表面粗糙度，結(jié)果顯示：采用傳統(tǒng)機械化學拋光對硅片進行拋光，拋光后的硅片表面粗糙度為6.8 nm;使用互拋工藝對硅片進行拋光，拋光液中加入磨料的情況下硅片表面粗糙度為7.2 nm，和傳統(tǒng)化學機械拋光結(jié)果相近；當拋光液中不加磨料時，硅片表面粗糙度為3.8 nm，低于傳統(tǒng)化學機械拋光的表面粗糙度。

圖3 拋光后硅片的AFM形貌 Fig.3 AFM images of wafer after CMP (a)S2;(b)S4;(c)S5

3.3 結(jié)果分析

通過上述試驗分析，可以得知霧化施液同質(zhì)硬脆晶體CMP工藝的材料去除機理和傳統(tǒng)化學機械CMP相似，是化學作用與機械作用相互促進的復(fù)雜過程[13]，可以把它歸納為化學作用產(chǎn)的行的材料去除、機械作用產(chǎn)生的材料去除及化學機械交互作用產(chǎn)生的材料去除。

在上述實驗中可以看出互拋CMP機械作用遠大于傳統(tǒng)CMP的機械作用，這是因為傳統(tǒng)CMP的機械作用主要是磨粒的磨削作用和拋光墊的切削作用，但是在拋光墊多次使用后，拋光過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)和氧化反應(yīng)的生成物堆積在拋光墊的溝槽或孔洞中，將拋光墊孔洞阻塞填平，產(chǎn)生釉化現(xiàn)象[14]。這會造成拋光墊拋光特性變差，使拋光墊失去保持拋光漿料的能力，材料去除率隨之下降。而互拋CMP沒有使用傳統(tǒng)的拋光墊，利用硅片拋光前表面粗糙度的特點，讓被拋光的兩片硅片相互接觸作為彼此的拋光墊，再施加一定的壓力，同時兩片硅片在拋光盤和拋光頭的帶動下相互運動，從而達到材料去除的結(jié)果。此外，硅片表面被去除的材料一部反被拋光液帶走，另一部分作為拋光液的磨料繼續(xù)參與后續(xù)的磨削，因此互拋CMP的機械作用遠遠大于傳統(tǒng)化學機械CMP。互拋CMP過程中機械作用的增強也促進晶體材料和拋光液之間產(chǎn)生一系列的化學反應(yīng)，在晶體表面生成一層強度小于晶體材料的氧化膜，更容易通過磨料的滑動或滾動被機械磨損去除[15]，因此拋光液的化學腐蝕反過來使拋光過程中的機械作用增強。過量的化學腐蝕、氧化會惡化晶體材料的表面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)化學機械CMP拋光液中含有大量的磨料，磨料的強度大于晶體材料的強度，因此拋光過程中施加在硅片上的強大機械力會在晶體表面留下劃痕。而在同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP過程中，主要的機械作用是上下兩片硅片之間的機械作用，拋光液中不需要添加磨料，因此不會在硅片表面留下劃痕、凹坑。

綜上所述，同質(zhì)硬脆晶體CMP的材料去除和傳統(tǒng)化學機械CMP相似都是硅片表面分子的氧化磨損去除，其具體過程為：拋光液中的氧化劑將硅片表面原子氧化，生成的氧化分子剪切強度較低，相互接觸的兩片硅片在拋光頭的壓力下運動將能量傳遞給鍵能弱化的表面氧化分子，當傳遞的能量大于氧化分子間結(jié)合的鍵能時，被拋工件表面的材料脫離表面一部分被拋光液帶走，另一部分作為磨料參與后續(xù)的拋光過程。

4 結(jié) 論

(1)采用霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP拋光工藝拋光硅片表面粗糙度低，材料去除率高，當拋光壓力達到9 psi時，硅片表面材料去除率為711 nm/min,表面粗糙度Ra為3.8 nm，優(yōu)于傳統(tǒng)化學機械拋光。

(2)霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP拋光液中加入磨粒和不加磨粒對硅片進行拋光，材料去除率相近，無磨料拋光后表面粗糙度更低，因此拋光液為無磨料拋光液，簡化了拋光液成分，節(jié)約了拋光成本，解決了拋光工件表面殘留漿料不易清洗、漿料廢液難處理污染環(huán)境等問題，同時在一定程度上避免了磨料分散性難和因磨料團聚造成拋光件表面劃傷等諸多問題。

(3)同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP的材料去除是物理作用和化學作用相互促進的結(jié)果，拋光液中氧化劑等化學成分的氧化作用將硅片表面原子氧化，生成剪切強度較低的氧化分子，上下兩硅片在拋光頭的壓力下相互運動將能量傳遞給鍵能弱化的表面氧化分子，表現(xiàn)為被拋工件表面的材料被去除，一部分被去除的材料被拋光液帶走，另一部分作為磨料參與后續(xù)的磨削作用。