半导体硅片双面超精密化学机械抛光的研究

半导体硅片双面超精密化学机械抛光的研究

摘要：为提高硅晶片双面超精密抛光的抛光速率，在分析双抛工艺过程基础上，采用自制大粒径二氧化硅胶体磨料配制了SIMIT8030一I型新型纳米抛光液，在双垫双抛机台上进行抛光试验。抛光液、抛光前后厚度、平坦性能及粗糙度通过SEM、ADE一9520型晶片表面测试仪、AFM进行了表征。结果表明：与进口抛光液Nac012350相比，SIMIT8030一I型抛光液不仅提高抛光速率40％(14微米／d,时VS 10微米／d,时)；而且表面平坦性TTV和TIR得到改善；表面粗糙度由0．4728nm降至0．2874nm，即提高抛光速率同时显著改善了抛光表面平坦性和粗糙度。

关键词：硅晶片，双面抛光，化学机械抛光，抛光液

引言

集成电路沿着摩尔定律飞速发展至今，特征线宽的日趋减小(90nm工艺已经工业化，65nm工艺测试实验已经完全通过，各大公司正在研发45纳米工艺技术)迫使微电子制造工艺正在挑战极限，其中把超平坦化技术化学机械抛光(CMP)的研究也推向了新的高潮。作为最重要的半导体材料——硅衬底，其表面平整度及粗糙度也随着IC器件的纳米图形化要求越来越高，对于某些器件工艺，单面抛光已无法满足要求。能够提供超平整表面、低粗糙度的双面超精密抛光显得日益重要；此外硅单晶双面抛光片也是传感器、微电子机械系统(MEMS)等特殊器件制作的关键基材之一，应用范围广泛，需求量逐年递增。国外多采用两步工艺进行双面抛光，即先有蜡粘片式单抛，再采用吸附式进行另一面抛光；近年来开始研制双面研磨及双面抛光设备，但进口双面超精密抛光设备价格昂贵，所以目前国内尚无可以批量高精度生产合格硅单晶双面抛光片的厂家，另外采用双面抛光机抛光效率较低也是其难以发展的主要原因。结合国内硅材料的快速发展及纳米IC、MEMS、传感器的广大需求，本研究利用国产双面抛光机进行双面超精密抛光研究，分析进口抛光液试验时效率较低的原因，自制大粒径胶体二氧化硅纳米抛光液，进行了对比实验，对抛光速率，表面平整度、粗糙度等进行研究。

1． 实验部分

[1]抛光液的制备：采用硅粉法和离子交换复合工艺制备了大粒径胶体二氧化硅纳米抛光研磨料；根据低金属离子含量要求，分别通过离子交换和超滤浓缩等工艺进一步纯化；同样pH值调节剂优选无金属离子的有机强碱用于抛光液的pH值调整；按照一定组分比例加入表面活性剂、消泡剂、速率促进剂等配制成高纯的纳米抛光液。

[2]抛光实验：本实验为研究新型双面超精密抛光液，在双面抛光机上分别用进口抛光液Nac012350和自制抛光液SIMIT8030一I型进行抛光实验，抛光过程依次包括四个阶段：轻压、中压、重压和修抛，为保证游轮盘内硅晶片与上下双层抛光垫的紧密接触和防止硅片跑片，分别在开始阶段不断施加压力并短暂维持一定时间，相应地转速也不断提高，压力和转速分别升至设定值，开始重压抛光。抛光一定时间后，停止抛光液供给，用去离子水进行修抛，此阶段压力下降至中压以下，也称水抛。

[3]测试及表征：兰州兰新x一62 318P 3D一1型双面精密抛光机(见图1)；抛光垫为alphal25—3型，断面分析见图2；抛光速率及表面测试仪为ADE一9520；粗糙度采用美国Q—Scope250型原子力显微镜(AFM)；抛光液颗粒度测试采用日立场发射扫描电镜S-4700。

2．结果与讨论

2．1双抛过程分析及新型抛光液磨料表征

硅片双面抛光通常先采用蜡粘单面抛光，之后再进行无蜡背面抛光，这样在抛光过程中至少需要两次清洗，而且涉及粘蜡、去蜡等工艺。抛光之后的表面平整度很大程度上受抛光蜡、粘蜡工艺水平的影响，涂蜡的均匀性对抛光片的平整度、翘曲度有着重要的影响。本研究采用双面抛光机，不仅在抛盘上装有抛光垫，而且在抛头上也装有抛光垫，双垫之间采用游龙盘装载硅晶圆片，抛光液由上盘采用多孔注入方式加至双垫之间。采用双垫双面抛光，避免了粘蜡、去蜡工艺，减少了清洗工序次数，而且改善了抛光片的平整性能。但双垫双抛工艺中，硅晶圆片仅仅被限制于游龙盘的孔内，在孔内受到摩擦力时可以旋转，相应的相对摩擦效果降低，进而降低了去除速率。目前采用此工艺进行双面抛光的研究报道中：速率通常为10微米／小时．影响了抛光效率。

众所周知，化学机械抛光是机械和化学作用的综合效果，单一的增强机械作用会增大表面损伤，单一的提高化学作用会降低表面平整效果。二者的相互平衡不仅可以保证高抛光速率，而且可以实现高的抛光表面。对于双垫双抛工艺，与单面抛光相比，采用的抛光液相同的情况下，由于硅晶圆片的可滑动性，使得机械摩擦作用有些减弱，从而影响抛光效率。为此适当调整CMP过程中的机械研磨作用及与化学组分的匹配成为本研究提高抛光效率的出发点。

抛光液不仅提供抛光过程中发生化学反应的组分，还包括CMP过程中起机械磨削作用的磨料，为实现高质量的抛光表面，通常研磨料采用硬度适中的、纳米二氧化硅磨料。具有高稳定性的胶体二氧化硅纳米磨料更是在半导体抛光磨料市场中占有绝对地位，但商业胶体二氧化硅多为小粒径产品，如20～30纳米，甚至更小。国外多采用50～70纳米的胶体二氧化硅研磨料配制抛光液，典型产品为Nac012350(平均粒径50纳米左右，二氧化硅浓度为23％)。研究表明研磨料粒径大小及分布对抛光速率及表面有着重要的影响。粒径的增大可有效改善抛光速率，且粒径大小分布导致抛光液中包含有效研磨料和无效研磨料两部分，如图3所示，由于抛光垫的弹性形变及硅晶圆片表面的凹凸形貌，只有平均粒径以上的部分研磨料真正参与了CMP的机械研磨，而小粒径却仅参与了抛光产物的质量传递过程。为此大粒径纳米胶体二氧化硅研磨料成为本研究的首选，采用离子交换一水热法制备了大粒径胶体二氧化硅研磨料，其颗粒大小及分布见图4。从图4可以看出，自制的胶体二氧化硅研磨料平均粒径为90～110纳米，且大小相对较为均匀。

2．2抛光速率及抛光表面的分析

本研究主要针对当前双垫双抛工艺中，抛光速率较低研究新型抛光液，以提高抛光速率并实现高平整表面。试验中与典型的进口抛光液Nac012350进行对比。在同样的抛光工艺条件下(包括压力、转速、抛光液稀释比等条件)，采用10：1稀释的Nac012350抛光液循环使用时，抛光平均速率仅为10微米／d,时，抛光后表面平整度相对较好，TTV和TIR均在2．0微米左右。试验中所用硅晶圆片为20片平均厚度530．0微米的中lOOmm的硅片，抛光时间为90分钟，抛光后由硅片表面测试仪9520测试抛光厚度及表面平整度情况，测试结果如图5所示。图5中上半部分为抛光后厚度情况，抛光后20片硅晶圆片厚度在509．0微米左右，平均去除厚度21．0微米，抛光速率达14．0微米／d,时，与Nac012350抛光液相比，速率提高了40％。就抛光硅片的表面平坦度而言，图5下半部分结果表明，20片硅片双面抛光片的TTV和TIR均小于2．0微米，TTV集中在1．5～1．8微米，TIR集中在1．2～1．7微米，与Nac012350相比，平坦度有了明显改善。总之，自制新型纳米抛光液SIMIT8030--I型用于硅晶圆片双垫双面抛光后不仅提高了抛光速率，而且改善了抛光后表面平坦性。

与Nac012350相比，sIMIT8030一I型抛光液的纳米研磨料粒径相对增大，为考察磨料粒径的增大是否会影响抛光表面的损伤，本研究对两种抛光液抛光硅晶圆片的表面通过AFM进行了粗糙度测试，结果见图6。其中图6(a)是用Nac012350抛光液的抛光表面三维形貌，均方根粗糙度为0．4728nm；而图6(b)是用SIMIT8030--I型抛光液的抛光表面三维形貌，均方根粗糙度被降至为0．2874nm。AFM结果表明自制新型抛光液SIMIT8030--I型，虽然粒径有所增大，但粒径仍在纳米范围内，不仅未影响表面损伤，反而由于机械作用与化学作用的匹配应用使得表面粗糙度有所下降。

3． 结论

为改善硅晶圆片双垫双抛的抛光速率，本研究在分析双抛工艺过程基础上，自制大粒径胶体二氧化硅纳米磨料，并配制新型抛光液SIMIT8030--I型，与进口抛光液Nac012350进行对比试验，得出如下结论：

[1]相同工艺条件下，抛光速率提高了40％(14微米／d,时VS 10微米／d,时)；

[2]表面平坦性TTV和TIR得到改善；

[3]表面粗糙度由0．4728nm降至0．2874nm。

总之，本研究通过试验配制了新型纳米抛光液SIMIT8030--I型，在双垫双面超精密抛光中不仅可以提高抛光速率，且有效改善抛光表面平坦性和粗糙度。

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