CMP抛光半导体晶片中抛光液的研究

CMP抛光半导体晶片中抛光液的研究

摘要

本文分析了化学机械抛光(cMP)半导体晶片过程中抛光液的重要作用，总结了抛光液的组成及其化学性能(氧化剂、磨料及pH值等)和物理性能(流速、粘性及温度)对抛光效果的影响规律，研究发现：酸性抛光液常用于抛光金属材料，pH最优值为4，碱性抛光液常用于抛光非金属材料，pH最优值为10一11．5；氧化剂能有效提高金属材料的抛光效率和表面平整度；磨料的种类、浓度及尺寸会影响抛光效果；分散剂有助于保持抛光液的稳定性；抛光初始阶段宜采用较低流速，然后逐渐提高；抛光液的粘性会影响晶片与抛光垫之间的接触模式、抛光液的均布、流动及加工表面的化学反应；抛光液温度的升高有助于提高抛光效率。最后本文指出了抛光液循环使用的重要意义及常用方法。

关键词化学机械抛光；抛光液；抛光效率；表面平整度

l前言

化学机械抛光(CMP)技术是半导体晶片表面加工的关键技术之一，并用于集成电路制造过程的各阶段表面平整化，近年来得到广泛应用。在化学机械抛光过程中，抛光液与晶片之间发生化学反应，在晶片表面形成一层钝化膜，然后由抛光液中的磨料利用机械力将反应产物去除，所以抛光液对抛光效率和加工质量有着重要影响。但目前商业化的抛光液配方处于完全保密状态，主要集中在以下几个公司：Rodel(usA)、CABOT

(usA)及Baikowski(uSA)。本文将介绍抛光过程中抛光液的组成及其化学、物理性能等对抛光效果影响规律的研究成果，以期为抛光液的合理选用及制备提供依据。

2抛光液的组成及其化学性能对抛光效果的影响

2．1 pH值对抛光效果的影响

pH值决定了最基本的抛光加工环境，会对表面膜的形成、材料的去除分解及溶解度、抛光液的粘性等方面造成影响。常用的抛光液分为酸性和碱性两大类。

酸性抛光液具有可溶性好、酸性范围内氧化剂较多、抛光效率高等优点，常用于抛光金属材料，例如铜、钨、铝、钛等。当pH<7时，随着pH值的增大，由于电化学反应、晶片表面氧化及蚀刻作用减弱，机械摩擦作用占据主导地位，导致抛光效率降低，表面刮痕尺寸增大，所以酸性抛光液的pH最优值为4，常通过加入有机酸来控制。酸性抛光液的缺点是腐蚀性大，对抛光设备要求高，选择性不高，所以常向抛光液中添加抗蚀剂BTA提高选择性，但BTA的加入易降低抛光液的稳定性。

碱性抛光液具有腐蚀性小、选择性高等优点，通常用于抛光非金属材料，例如硅、氧化物及光阻材料等。当pH>7时，随着pH值的增大，表面原子、分子之间的结合力减弱，容易被机械去除，抛光效率提高，但表面刮痕尺寸增大；当pH>12．5时，由于晶片表面亲水性增强，抛光效率开始降低，所以碱性抛光液的pH最优值为lO一11．5，常通过向水溶液中加入Na0H、KOH或NH40H来控制。碱性抛光液的致命缺点是不容易找到在弱碱性中氧化势高的氧化剂，导致抛光效率偏低。碱性抛光液的氧化剂主要有Fe(N03)3、K3Fe(CN)6、NH40H和一些有机碱。

2．2氧化剂对抛光效果的影响

金属材料的抛光过程中，为了能够快速地在加工表面形成一层软而脆的氧化膜，便于后续的机械去除，从而提高抛光效率和表面平整度，通常会在抛光液中加人一种或多种氧化剂。

氧化剂种类会对抛光效果产生影响。抛光金属钨时常用的氧化剂有H202、Fe(NO3)3及其混合物。H202氧化性较弱，氧化反应仅仅发生在钨表面颗粒的边缘，只有当氧化产物(W03)溶解后，剩余的硬度较大部分才能暴露出来，参与下一次氧化反应；Fe(N03)3中Fe3+氧化性较强，能在钨表面能够迅速形成硬度小、脆性大且容易去除的氧化层，从而提高了抛光效率和表面质量；当H202和Fe(N03)3混合剂时发生Fenton反应，生成氧化性更强的过氧氢氧自由基(·00H)，氧化层的形成速度进一步加快，所以相对于Fe(NO3)3抛光效率提高大约一倍。

目前最常见的一种比较经济的氧化剂是H：O2。H2O2虽然能用于多种材料的化学机械抛光，但由于其化学性质不稳定，容易发生分解，从而影响抛光效果。为了增强H2O2的稳定性，通常会向抛光液中添加一些稳定剂，以防止其分解。例如在铜及氮化钛的抛光过程中，通常添加O．5％(重量百分比)的H3P04作为稳定剂，抛光效率显著提高。

氧化剂的浓度会对抛光效果产生影响。在铝抛光过程中，随着氧化剂(H202)浓度的增加，氧化层形成速度加快且被及时去除，抛光效率提高，表面刮痕尺寸减小；但当氧化剂浓度增加到一定值时候，抛光效率反而降低，表面刮痕尺寸增大，其原因是化学反应速度大于机械去除速度，氧化层不能及时被去除，阻碍了氧化反应的进行，机械去除也使得表面容易产生较大尺寸的刮痕，所以氧化剂(H202)浓度应控制在1～3％(体积百分比)。而在铜抛光过程中，抛光液中氧化剂(H2O2)的浓度最好控制在7％以下。

此外，氧化剂的浓度也会影响抛光液中磨粒(特别是金属磨粒)的平均尺寸。随着氧化剂浓度的增加，磨粒的平均尺寸会减小，其原因是磨粒表面经氧化反应形成的氧化层，一部分溶解，另外一部分则被抛光垫去除。

2．3磨料对抛光效果的影响

化学机械抛光过程中磨料的作用是借助于机械力，将晶片表面经化学反应后形成的钝化膜去除，从而达到表面平整化的目的。目前常用的磨料有胶体硅、siO2、Al2O3及ce02等。

磨料的种类决定了磨粒的硬度、尺寸，从而影响抛光效果。抛光铝实验中，相对于Al2O3磨料，胶体si02磨料能获得较好的表面平整度，表面刮痕数量少、尺寸小，其原因是胶体Si02磨粒尺寸小，抛光时磨料嵌入晶片表面的深度较小，并且在优选其它参数的情况下，也能获得很高的抛光效率。

磨料的浓度会影响抛光效果。抛光铝实验中，随着磨料(胶体si02)浓度的提高，单位面积参与磨削的磨粒数目增加，所以抛光效率提高，表面刮痕尺寸缓慢增大或基本保持不变；但磨料浓度过大时，抛光液的粘性增大，流动性降低，影响加工表面氧化层的有效形成，导致抛光效率降低。

磨粒的尺寸也会对抛光效果产生影响，磨粒尺寸越小，表面损伤层厚度小。据统计，在硅片的精抛过程中，每次磨削层的厚度仅为磨粒尺寸的四分之一。为了有效地减小表面粗糙度和损伤层厚度，通常采用小尺寸的胶体硅(15—20nm)来代替粗抛时的胶体硅(50一70nm)；同时通过加强化学反应及提高产物的排除速度来提高抛光效率。

2．4分散剂对抛光效果的影响

理想的抛光液在复杂的化学环境及动态的加工条件下。都应具有足够的稳定性。但实际应用中，抛光液的磨料容易发生聚集(硬聚集)，产生了微量的大尺寸磨料颗粒，导致加工表面受力分布不均匀，粗糙度增大，表面缺陷增多，抛光过程难以控制，同时也影响了后续的表面清洗工作。为了消除硬聚集现象，通常在抛光之前对抛光液进行必要的过滤。但过滤并不能完全消除聚集现象，其原因是在实际抛光过程中，加工参数的波动会导致磨料的瞬时聚集(软聚集)，从而影响加工表面质量。因此，为了消除聚集现象，使磨料悬浮均匀，通常在抛光液(特别是离子浓度大且酸碱度很高的抛光液)中加入适量的分散剂。分散剂可以使磨料颗粒之间产生排斥力，防止磨料聚集。从而保证抛光液的稳定性，减少加工表面缺陷。但随着分散剂的加入，磨料颗粒与加工表面之间会发生交互作用，形成表面活性分子，导致摩擦力减小，抛光效率降低。

3抛光液的物理性能对抛光效果的影响

3．1流速对抛光效果的影响

研究表明，当抛光液的流速较小时，晶片、磨料及抛光垫三者之间的摩擦力增大，温度升高，导致加工表面粗糙度增大，表面平整度降低；当流速较大时，能够使反应产物及时脱离加工表面．还可以降低加工区域的温度，使得加工表面温度相对一致，从而获得较好的表面质量。但抛光液流速过大时，又会破坏加工表面平整度，降低抛光效率。目前很多公司广泛应用的一种方法是抛光开始阶段采用较小的流速，随着加工区域温度的升高，流速逐渐提高至平均值，最后阶段采用较大的流速。

3．2粘性对抛光效果的影响

抛光液的粘性会影响晶片与抛光垫之间的接触模式。接触模式可借助Hersey number来描述。

Hersey number与抛光液的粘性、相对速度及抛光压力有关。在其它参数不变的情况下，当抛光液粘性较小时，Hersey number较小，接触模式属于边界模型，晶片、抛光垫之间形成的流体层薄膜厚度较小，近似与一种完全的固体一固体接触，摩擦系数较大，抛光效率较高；当抛光液粘性较大时，Hersey number达到一定值以后，接触模式属于弹性流体力学模型(固体一液体接触)或流体力学模型(液体一液体接触)，薄膜厚度较大，摩擦系数较小，抛光效率较低。

抛光液的粘性还会影响抛光液的均布、流动及加工表面的化学反应。在氧化物的抛光过程中，随着添加剂的加入，抛光液的粘性增大，抛光效率线性降低，其原因是添加剂阻碍了抛光液的均匀分布和有效流动。在钨的抛光过程中，仅加入少量的添加剂，抛光效率显著降低，继续加入添加剂时，抛光效率基本不变，仍维持在一个很小值，其原因是添加剂阻碍了加工表面氧化层的进一步形成，材料去除主要依靠机械摩擦作用来完成。

3．3温度对抛光效果的影响

随着抛光液温度的升高，化学反应速度加快，抛光效率提高。但温度过高时，化学反应过于剧烈，易造成表面疲劳破损层的厚度增大，从而影响加工表面质量。此外，抛光液的粘性也容易受到温度的影响，随着抛光液温度的升高，抛光液的粘性降低。所以评价抛光液的性能时，应充分考虑温度的影响。

4抛光液的循环使用

虽然化学机械抛光技术在半导体材料精加工方面得到广泛应用，并取得显著成果，但由于某些问题的存在(如成本高等)，限制了该技术的进一步发展。据统计，仅用于购买商业化抛光液的费用就占整个抛光过程成本的50％。而在实际加工过程中，仅很小一部分抛光液的化学及物理性能发生改变，其余部分未能被有效利用。因此，抛光液的合理利用对于降低抛光加工的成本具有重要意义。

目前常用的方法有稀释抛光液法、混合使用新旧抛光液法及循环使用法等。前两种方法虽然在一定程度上降低了成本，但抛光效果不理想；循环使用法是目前最先进、效果最好的一种方法。

Yong—Jin Seo等将使用过的商业化抛光液经过滤后提取的磨料颗粒(硅石)，在600℃的电炉中退火一小时后发现，小尺寸的磨粒增多，且机械性能得到提高；制成抛光液进行氧化物抛光实验发现，抛光效果与商业化抛光液的效果基本一致。

Thomas F．A．Bibby等开发了一个抛光液回收系统。该系统可以修复使用过的商业化抛光液(特别是其化学性能)，经过滤后可重复使用。在输送至抛光盘之前，抛光液的性质(包括pH值、导电性及温度)都通过传感器进行监控，从而有效降低了抛光液的污染。经抛光实验发现，抛光效果与商业化抛光液的效果基本一致，表面平整度甚至略微提高，而抛光液的消耗量仅为原来的20％，很大程度上降低了加工成本。

5 结论

抛光液性能对化学机械抛光的抛光效率和加工质量有重要影响。影响抛光液性能的因素有很多，包括化学因素(pH值、氧化剂、磨料及分散剂)和物理因素(流速、粘性及温度)。抛光垫的循环使用也是化学机械抛光过程中的一个重要环节。因此，抛光液对抛光过程的影响规律研究涉及到许多方面，在优化及制备抛光液时应该综合考虑各因素的影响。

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