研磨抛光液对CMP研磨抛光工艺的影响 毕业设计(论文).doc

毕业设计（论文）报告毕业设计（论文）报告 题 目 研磨抛光液对研磨抛光液对 cmpcmp 研磨抛光工研磨抛光工 艺的影响艺的影响 2013 年 4 月 i 研磨抛光液对研磨抛光液对 cmpcmp 研磨抛光工艺的影响研磨抛光工艺的影响 摘要：摘要：半导体科学在现代科学技术中占有极其重要的地位。它广泛应用于国民 经济的各个领域中，它的发展推动着人类社会的进步和物质文化生活水平的提 高，由其兴起的半导体产业越来越受到各国的重视，自 20 世纪以来取得了长足 的发展。本文主要采用了文献研究法和调查法，通过查找互联网和书籍文献， 及在从事半导体产业的工厂中的实习，获得了大量的资料。本文主要研究半导 体产业的相关知识，说明半导体产业在国内国外目前的发展历史并讨论半导体 产业的发展应用。随着半导体技术愈加精细化，晶圆尺寸由 6 英寸（150mm） ， 8 英寸（200mm） ，12 英寸（300mm） ，甚至未来的 18 英寸（450mm）从而越来越 大，在半导体领域中化学机械抛光(cmp)占有着越来越重要的作用，本文在分析 cmp 工艺的基础上，及初步了解与分析了 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。本文是在前人研究的基础上，进 行深入了解，希望从而对半导体产业向前发展起到一定的积极作用。 关键词：关键词：半导体，化学机械抛光，抛光液 ii grinding and polishing liquids influence on the cmp polishing process abstract：semiconductor science occupies an extremely important position in modern science and technology. it is widely used in various fields of national economy, its development promotes the progress of human society and the improvement of material and cultural life, by the rise of the semiconductor industry is more and more brought to the attention of the countries, since the 20th century has been a rapid development. this paper mainly adopts literature research and survey method, literature through search the internet and books, and practice in factory is engaged in the semiconductor industry, won a huge mass of data. in this paper, we study relevant knowledge of the semiconductor industry, the development history of semiconductor industry at home and abroad at present and discuss the development and application of semiconductor industry. with increasingly sophisticated semiconductor technology, wafer size from 6 inches (150 mm), 8 inches (200 mm), 12 inches (300 mm), and even the future of 18 inches (450 mm) and so more and more big ，in the field of the semiconductor chemical mechanical polishing (cmp) plays a more important role in the future, in this paper, based on the analysis of the cmp process, and preliminary understanding and analysis of the cmp polishing fluid is important role in the process of semiconductor chips, summarized the composition and chemical properties of the polishing fluid (oxidant, abrasive and ph value, etc.) and physical properties (velocity, viscosity, and temperature) on the polishing effect. this article is on the basis of predecessors research, in-depth understanding, i hope it play a positive role to the semiconductor industry development. keywords: semiconductor, chemical mechanical polishing, polishing liquid iii 目录目录 前言1 第一章 半导体技术的简介3 1.1 半导体的概述 .3 1.1.1 半导体的概述.3 1.1.2 半导体的制作流程.4 1.2 半导体产业的发展现状 .7 第二章 半导体化学机械抛光(cmp)10 2.1 半导体 cmp 的发展历史 .10 2.2 半导体 cmp 工艺技术 .11 2.3 半导体 cmp 优点与缺点.13 2.3.1 半导体 cmp 优点13 2.3.2 半导体 cmp 的缺点.14 第三章 研磨抛光液对抛光效果的影响15 3.1 半导体 cmp 抛光液的介绍 .15 3.2 研磨抛光液对抛光效果的影响17 3.2.1 抛光液的化学性能及对抛光效果的影响.17 3.3.2 抛光液的物理性能及对抛光效果的影响.19 总结与体会22 致谢23 参考文献24 1 前言前言 自从有人类以来，已经过了上百万年的岁月。社会的进步可以用当时人类 使用的器物来代表，从远古的石器时代、到铜器，再进步到铁器时代。在 20 世 纪初期，一种相对新的材料，称为硅的单晶体，曾被用于将无线电通信信号从 交流转换为直流。包含这种材料的“半导体”一词最初在德国采用。然而，真 正要发展成为半导体技术需要全世界物理学家和化学家的参与研究。在半导体 特性能被完全解释之前，为了理解电子行为的量子理论，这些研究工作延续了 几十年直到第二次世界大战。 二战后，贝尔实验室的科学家们致力于研究固态硅和锗半导体晶体。领导 这项研究的科学家感到需要替换真空管，且可以用固态半导体材料代替真空管。 1947 年 12 月 16 日诞生了固态晶体管，发明者是威廉肖克利，约翰巴丁和 沃尔特布拉顿。晶体管的名字取自“跨导”和“变阻器”两词，提供了与真 空管同样的电功能，但具有固态的显著优点：尺寸小、无真空、可靠、重量轻、 最小的发热以及低功耗。这一发现推动了以固体材料和技术为基础的现代半导 体产业。现在，以硅为原料的电子组件产值，已经远远超过了以钢铁为原料的 产值，这说明，人类的历史已经进入了一个新的时代，就是硅的时代。硅所代 表的正是半导体组件，包括存储元件、微 处理机、逻辑组件、光电组件与侦测 器等等在内，电视、电话、计算机、电冰箱、汽车，这些半导体组件无时无刻 不在为我们服务。硅是地壳中最常见的元素，许多石头的主要成分都是二氧化 硅，然而，经过数百道制程做出的集成电路，其价值可达上万美金；把石头变 芯片的过程可谓点石成金，也是近代科学的奇迹！在日本，有人把半导体比喻 为工业社会的稻米，是近代社会一日不可或缺的。科学的说法是，半导体材料 是一类具有半导体性能、可用来制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电 子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信 息产业的发展。在国防上，惟有扎实的电子工业基础，才有强大的国防能力， 1991 年的波斯湾战争，美国把新一代电子武器发挥得淋漓尽致。从 1970 年以 来，美国与日本间发生多次贸易摩擦，最后在许多项目上两国都选择了妥协， 但在半导体方面，双方均不肯轻易让步，最后两国政府郑重签订了协议，足见 2 对半导体产业的重视。当今，半导体产业已成为衡量一个国家经济发展、科技 进步和国防实力的重要标志。 中国半导体产业在取得长足进步的同时，产业发展环境也持续向好，中央 政府和许多地区都积极鼓励支持其发展。2009 年 4 月 15 日，国务院出台的 电子信息产业调整和振兴规划 ，对我国半导体产业的发展具有积极作用。半 导体产业是国家经济来源的支柱工业，重视半导体技术，大力发展半导体产业， 是我们科技强国的必经之路。 3 第一章第一章 半导体半导体技术的简介技术的简介 1.11.1 半导体的概述半导体的概述 1.1.11.1.1 半导体的概述半导体的概述 半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。绝大多 数的电子组件都是以硅为基材做成的，因此电子产业又称为半导体产业。半导 体技术最大的应用是集成电路（ic） ，手机、计算机等各种电器与信息产品中， 一定有 ic 存在，它们被用来发挥各种控制功能，把计算机拆开会看到好几块线 路板，板上都有一些大小与形状不同的黑色小方块，周围是金属引脚，这就是 封装好的 ic。如果把包覆的黑色封装除去，可以看到里面灰色的小薄片，这就 是 ic。放大来看，这些 ic 里面布满了小组件，彼此由金属导线连接。这些组 件大都是晶体管，由硅或其氧化物、氮化物与其它相关材料组成。整颗 ic 的功 能决定于这些晶体管的特性与彼此间的连结方式。 半导体技术的演进，除了改善性能与可靠性外，另一重点就是降低成本。 降低成本的方式，除了改良制作方法，包括制作流程与采用的设备外，如果能 在硅芯片的单位面积内产出更多的 ic，成本也会下降。所以半导体技术的一个 非常重要的发展趋势，就是把晶体管微小化。当然组件的微小化会带来性能的 改变，幸运的是，这种演进会使 ic 大部分的特性变好，只有少数变差，而这些 就需要利用其它技术来弥补了。 半导体制程分成很多层，由下而上逐层依蓝图布局叠积而成，每一层各有 不同的材料与功能。随着功能的复杂，结构变得更繁复，技术要求也越来越高。 半导体技术是在同一片芯片或同一批生产过程中，同时制作数百万个到数亿个 组件，而且要求一模一样。因此大量生产可说是半导体工业的最大特色。把组 件做得越小，芯片上能制造出来的 ic 数也就越多。尽管每片芯片的制作成本会 因技术复杂度增加而上升，但是每颗 ic 的成本却会下降。所以价格不但不会因 性能变好或功能变强而上涨，反而是越来越便宜。 半导体制程是一项复杂的制作流程，先进的 ic 所需要的制作程序达一千个 以上的步骤。这些步骤先依不同的功能组合成小的单元，称为单元制程，如蚀 刻、微影与薄膜制程；几个单元制程组成具有特定功能的模块制程，如隔绝制 4 程模块、接触窗制程模块或平坦化制程模块等；最后再组合这些模块制程成为 某种特定 ic 的整合制程。 纳米技术有很多种，基本上可以分成两类，一类是由下而上的方式或称为 自组装的方式，另一类是由上而下所谓的微缩方式。前者以各种材料、化工等 技术为主，后者则以半导体技术为主。 以前我们都称 ic 技术是微电子技术，那是因为晶体管的大小是在微米 （10-6 米）等级。但是半导体技术发展得非常快，每隔两年就会进步一个世代， 尺寸会缩小成原来的一半，这就是有名的摩尔定律（moores law） 。 大约在 15 年前，半导体开始进入次微米，即小于微米的时代，而后是深次 微米，比微米小很多的时代。到了 2001 年，晶体管尺寸甚至已经小于 0.1 微米， 也就是小于 100 纳米。因此现在是纳米电子时代，未来的 ic 大部分会由纳米技 术做成。但是为了达到纳米的要求，半导体制程的改变须从基本步骤做起。每 进步一个世代，制程步骤的要求都会变得更严格、更复杂。 1.1.21.1.2 半导体的制作流程半导体的制作流程 （1）清洗 集成电路芯片生产的清洗包括硅片的清洗和工器具的清洗。由于半导体生 产污染要求非常严格，清洗工艺需要消耗大量的高纯水；且为进行特殊过滤和 纯化广泛使用化学试剂和有机溶剂。 在硅片的加工工艺中，硅片先按各自的要求放入各种药液槽进行表面化学 处理，再送入清洗槽，将其表面粘附的药液清洗干净后进入下一道工序。常用 的清洗方式是将硅片沉浸在液体槽内或使用液体喷雾清洗，同时为有更好的清 洗效果，通常使用超声波激励和擦片措施，一般在有机溶剂清洗后立即采用无 机酸将其氧化去除，最后用超纯水进行清洗，如图 11 所示。 5 图 11：硅片清洗工艺示意图 工具的清洗基本采用硅片清洗同样的方法。 （2）热氧化 热氧化是在 8001250高温的氧气氛围和惰性携带气体（n2）下使硅片表 面的硅氧化生成二氧化硅膜的过程，产生的二氧化硅用以作为扩散、离子注入 的阻挡层，或介质隔离层。典型的热氧化化学反应为： si + o2 sio2 (3)扩散 扩散是在硅表面掺入纯杂质原子的过程。通常是使用乙硼烷（b2h6）作为 n源和磷烷（ph3）作为 p+源。工艺生产过程中通常分为沉积源和驱赶两步， 典型的化学反应为： 2ph3 2p + 3h2 图 1-2：扩散示意图 (4)离子注入 离子注入也是一种给硅片掺杂的过程。它的基本原理是把掺杂物质（原子） 离子化后，在数千到数百万伏特电压的电场下得到加速，以较高的能量注入到 硅片表面或其它薄膜中。经高温退火后，注入离子活化，起施主或受主的作用。 掺杂区 p/n-si 片 p/n-si 片 阻挡层 废药液清洗排水 1 清洗排水 3清洗排水 2 药液 超纯水超纯水超纯水 药液槽清洗槽清洗槽 废液收集系统废液收集系统 清洗水回收系统清洗水回收系统 废水处理系废水处理系 统统 6 (5)光刻 光刻包括涂胶、曝光、显影等过程。涂胶是通过硅片高速旋转在硅片表面 均匀涂上光刻胶的过程；曝光是使用光刻机，并透过光掩膜版对涂胶的硅片进 行光照，使部分光刻胶得到光照，另外，部分光刻胶得不到光照，从而改变光 刻胶性质；显影是对曝光后的光刻胶进行去除，由于光照后的光刻胶和未被光 照的光刻胶将分别溶于显影液和不溶于显影液，这样就使光刻胶上形成了沟槽。 图 1-3： 光刻示意图 (6)湿法腐蚀和等离子刻蚀 通过光刻显影后，光刻胶下面的材料要被选择性地去除，使用的方法就是 湿法腐蚀或干法刻蚀。湿法腐蚀或干法刻蚀后，要去除上面的光刻胶。 湿法腐蚀是通过化学反应的方法对基材腐蚀的过程，去除不同的物质使用 不同的材料。对不同的对象，典型使用的腐蚀材料为： 腐蚀硅(si) 使用氢氟酸加硝酸（hf + hno3） 腐蚀二氧化硅(sio2) 使用氢氟酸（hf） 腐蚀氮化硅(si3n4) 使用热磷酸（热 h3po4） 干法刻蚀是在等离子气氛中选择性腐蚀基材的过程，刻蚀气氛通常含有 f 等离子体或碳等离子体，因此刻蚀气体通常使用 cf4 类的气体。 (7)化学气相沉积（cvd） cvd 被使用来在硅片上沉积氧化硅、氮化硅和多晶硅等半导体器件材料， 是在 300900的温度下通过化学反应产生以上物质的过程。典型的化学反应 为： sih4 + o2 sio2 + 2 h2o 生长过程中掺磷时加磷烷的反应为： 基片涂胶后基片 显影后基片曝光后基片 光刻胶 7 4 ph3 + 5 o2 2 p2o5 + 6 h2 sih2cl2 +2 n2o sio2 + 2 n2 + 2 hcl 化学气相沉积根据 cvd 反应的气氛和气压可分为低压 cvd（lpcvd） 、常压 cvd（apcvd）和离子增强 cvd（pecvd）等。 （8）金属沉积 在硅基片上沉积金属以作为电路的内引线的方法有蒸发、溅射、cvd 等， 亚微米集成电路生产通常采用溅射的方法。 铝是常用的金属沉积材料，其它的材料包括金、钛、钼、钨、钛钨合金、 钯、铜也在一些器件上采用。 （9）化学机械抛光（cmp） cmp 是类似机械抛光的一种抛光方式，一般用于具有三层或更多层金属的 集成电路芯片制造生产。在已形成图案的芯片上进行化学机械抛光，使之形成 平整平面，以减轻多层结构造成的严重不平的表面形态，满足光刻时对焦深的 要求。 （10）背面减薄（bg） 在芯片的生产过程中，芯片太薄不利于芯片生产。通常在芯片生产结束后， 用细砂轮将芯片的背面进行研削，使芯片减至一定的厚度。 1.21.2 半导体产业的发展现状半导体产业的发展现状 （1）全球半导体产业简况 根据 wsts 统计，2006 年全球半导体市场销售额达 2477 亿美元，比 2005 年增长 8.9%；产量为 5192 亿颗，比 2005 年增长 14.0%；asp(action serve page)为 0.477 美元，比 2005 年下降 4.5%。从全球范围来看，包括计算机、通 信、消费电子在内的 3c 产业是半导体产品的最大应用领域，其后是汽车电子和 工业控制等领域。 美、日、欧、韩以及中国台湾是目前半导体产业领先的国家和地区。2006 年世界前 25 位的半导体公司全部位于美国、日本、欧洲、韩国。2005 年，美 国和日本分别占有 48%和 23%的市场份额，合计达 71%。韩国和台湾的半导体产 业进步很快。韩国三星已经位列全球第二；台积电(tsmc)的收入在 2007 年上半 8 年有了很大的提高，排名快速升至第 6，成为 2007 年上半年进入前 20 名的唯 一一家台湾公司，这从一个侧面反映了台湾代加工业非常发达。 （2）中国半导体产业简况 中国已经成为全球第一大半导体市场，并且保持较高的增长速度。2006 年， 中国半导体市场规模突破 5800 亿，其中集成电路市场达 4863 亿美元，比 2005 年增长 27.8%，远高于全球市场 8.9%的增速。我国市场已经达到全球市场份额 的四分之一强。在市场增长的同时，我国半导体产业成长迅速。以集成电路产 业为例，2006 年国内生产集成电路 355.6 亿块，同比增长 36.2%。实现收入 1006.3 亿元，同比增长 43.3%。我国半导体产业规模占世界比重还比较低，但 远高于全球总体水平的增长率让我们看到了希望。中国集成电路的应用领域与 国际市场有类似之处。2006 年，3c(计算机、通信、消费电子)占了全部应用市 场的 88.5%，高于全球比例。而汽车电子 1.3%的比例，比起 2005 年的 1.1%有 所提高，仍明显低于全球市场的 8.0%。与此相对应的是，我国汽车市场销量呈 增长态势，汽车电子国产化比例逐步提高。这说明，在汽车电子等领域，我国 集成电路应用仍有较大成长空间 （3）我国在国际半导体产业中所处地位 我国半导体市场进口率高，超过 80%的半导体器件是进口的。国内半导体 产业收入远小于国内市场规模。2006 年国内 ic 市场规模达 5800 亿，而同期国 内 ic 产业收入是 1006.3 亿。我国有多个电子信息产品产量已经位居全球第一， 包括台式机、笔记本电脑、手机、数码相机、电视机、dvd、mp3 等。中国已超 过美国成为世界上最大的集成电路产品应用国。但目前国内企业只能满足不到 20%的集成电路产品需求，其他依赖进口。 中国大陆市场的半导体产品前十名的都是跨国公司。这十家公司平均 21% 的收入来自中国市场。这与中国市场占全球市场规模的比例基本吻合。2006 年 这十家公司在中国的收入总和占到中国大陆半导体市场规模的 34.51%。上述两 组数字从另一个侧面反映出跨国公司占有国内较高市场份额。国内半导体市场 对进口产品依赖性高。 虽然我国半导体进口量非常大，但出口比例也非常高。2005 年国内半导体 产品有 64%出口。这种现象被称为“大进大出” ，主要是由我国半导体产业链的 9 特点造成的。总的来看，我国 ic 进口远远超过出口。据海关统计，2006 年我 国集成电路和微电子组件进口额为 1035 亿美元，出口额为 200 亿美元，逆差巨 大。 由于我国具有劳动力竞争优势，国际半导体企业把技术含量相对较低、劳 动密集型的产业链环节向我国转移。我国半导体产业逐渐成为国际产业链的一 环。产业链调整和转移的结果是，我国半导体产业在低技术、劳动密集型和低 附加值的环节得到了优先发展。2006 年，我国 ic 设计、制造和封装测试业所 占的比重分别是 18.5%、30.7%和 50.8%。一般认为比较合理的比例是 3:4:3。 封装测试在我国先行一步，发展最快，规模也最大，是全球半导体产业向中国 转移比较充分的环节。而处于上游的 ic 设计成为最薄弱的环节。芯片制造业介 于前两者之间，目前跨国公司已经开始把芯片制造逐步向我国转移，中芯国际 等国内企业发展也比较快。 这样的产业结构特点说明，国内的半导体企业多数并未直接面对半导体产 品的用户电子设备制造商和工业、军事设备制造商，甚至多数也没有直接分 享国内市场。更多的是充当国际半导体产业链的一个中间环节，间接服务于国 际国内电子设备市场。这种结构，利润水平偏低，定价能力不强，客户结构对 于企业业绩影响较大。究其原因，还是国内技术水平低，高端核心芯片、关键 设备、材料、ip 等基本依赖进口，相关标准和专利受制于人。国内企业发展也 不够成熟，规模偏小，设计、制造、应用三个环节脱节。 10 第二章第二章 半导体半导体化学机械抛光化学机械抛光(cmp)(cmp) 2.12.1 半导体半导体 cmpcmp 的发展历史的发展历史 cmp 技术早期主要应用于光学镜片的抛光和晶圆的抛光。20 世纪 70 年代， 多层金属化技术被引入到集成电路制造工艺中，此技术使芯片的垂直空间得到 有效的利用，并提高了器件的集成度。但这项技术使得硅片表面不平整度加剧， 由此引发的一系列问题（如引起光刻胶厚度不均进而导致光刻受限）严重影响 了大规模集成电路（lsi）的发展。针对这一问题，业界先后开发了多种平坦化 技术，主要有反刻、玻璃回流、旋涂膜层(sod)等，但效果并不理想。80 年代 末，ibm 公司将 cmp 技术进行了发展使之应用于硅片的平坦化，其在表面平坦 化上的效果较传统的平坦化技术有了极大的改善，从而使之成为了大规模集成 电路制造中有关键地位的平坦化技术。 cmp(chemical mechanical polishing )技术的最早出现是在 20 世纪 80 年 代中期，为满足光刻工艺的平坦化要求，由 ibm 公司利用 strasburgh 公司生产 的抛光机在 east fishkill 工厂进行 cmp 工艺开发的。1988 年 ibm 开始将 cmp 工艺用于 4m dram 器件的制造。1990 年 ibm 公司便将其利用 cmp 技术的 4m dram 工艺转让给 micro technology 公司。不久之后，便与 motorola 公司联合 行动，共同进入 pc 机生产领域。 目前，cmp 技术已经发展成以化学机械抛光机为主体，集在线检测、终点 检测、清洗、甩干等技术于一体的化学机械平坦化技术，是集成电路向微细化、 多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物；是硅圆片由 200 mm 向 300 mm 乃至 更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技 术。 半导体工艺对于 cmp 技术的这种依赖主要来自于器件加工尺寸的不断微细 化而出现的多层布线和一些新型介质材料的引入，特别是进入 250 nm 节点以后 的 al 布线和进入 130 nm 节点以后的 cu 布线之后，cmp 工艺的重要性便日显突 出。130 nm 节点的多层金属互连为 7-8 层，90 nm 节点的多层金属互连为 89 层，金属互连的金属层间介质的增加，必然导致晶片表面严重的不平整，以致 无法满足图形曝光的焦深要求，为解决这一矛盾和提高芯片的成品率，要求晶 11 圆表面必须平整、光滑和洁净，cmp 工艺便是目前最有效、最成熟的平坦化技 术。 cmp 技术发展历程可分为 3 个阶段：第一阶段在铜布线工艺之前，主要研 磨对象为钨(w)和氧化物；第二阶段在 1997 年2000 年进入铜双镶嵌工艺之后， 研磨对象从二氧化硅拓展到氟硅酸盐玻璃(fsg),这个阶段对应于从 025m 进 入 013m 节点；第三阶段目前是采用铜互连和低 k（介电常数）介质，研磨 对象主要为铜互连层，层间绝缘膜和浅沟道隔离(sti),这个阶段对应于从 9065 nm 节点。 2.22.2 半导体半导体 cmpcmp 工艺技术工艺技术 化学机械平坦化 （英语：chemical-mechanical planarization, cmp） ，又称 化学机械研磨（chemical-mechanical polishing） ，是半导体器件制造工艺中的一 种技术，使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平 坦化处理。 （1）工艺描述 化学机械平坦化是表面全局平坦化技术中的一种，既可以认为是化学增强 型机械抛光也可以认为是机械增强型湿法化学刻蚀。该工艺使用具有研磨性和 腐蚀性的磨料，并配合使用抛光垫和支撑环。抛光垫的尺寸通常比硅片要大。 抛光垫和硅片被一个可活动的抛光头压在一起，而塑料的支撑环则用于保持硅 片的位置。硅片和抛光垫同时转动（是以相同的方向转），但是它们的中心并 不重合。在这个过程中硅片表面的材料和不规则结构都被除去，从而达到平坦 化的目的。平面化后的硅片表面使得干法刻蚀中的图样的成型更加容易。平滑 的硅片表面还使得使用更小的金属图样成为可能，从而能够提高集成度。 （2）工作机理 化学机械平坦化是在机械抛光的基础上根据所要抛光的表面加入相应的化 学添加剂从而达到增强抛光和选择性抛光的效果。 （3）氧化硅抛光 氧化硅抛光主要被应用于平坦化金属层间淀积的层间介质（ild），其基本 机理是 cook 理论。磨料中的水和氧化硅发生表面水合作用，从而使氧化硅的硬 12 度、机械强度等有效降低，在机械力的作用下将氧化硅去除。氧化硅的去除速 率主要由 preston 方程表达。 （4）金属抛光 金属抛光与氧化硅抛光机理有一定的区别，采用氧化的方法使金属氧化物 在机械研磨中被去除。图 2-1 cmp 示意图 图 2-1：cmp 示意图 cmp 技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、slurry（抛光液）、抛光 垫、后 cmp 清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。 其中 slurry 和抛光垫为消耗品。praxair 的研发总监黄丕成博士介绍说，一个 完整的 cmp 工艺主要由抛光、后清洗和计量测量等部分组成。抛光机、slurry 13 和抛光垫是 cmp 工艺的 3 大关键要素（图 2-2），其性能和相互匹配决定 cmp 能达到的表面平整水平。 图 2-2：cmp 消耗品 图 2-3：晶圆上的 particles 半导体遵循“干入干出”（进出 foup）的方式,cmp 也不例外，并且 cmp 在 磨结束后晶圆上会有很多的 particles(图 2-3 所示)，所以要后续清洗干燥， 后续清洗干燥可见本人的科技论文。 2.32.3 半导体半导体 cmpcmp 优点与缺点优点与缺点 2.3.12.3.1 半导体半导体 cmpcmp 优点优点 14 图 2-4：cmp 的优点 台阶覆盖：指图形台阶的覆盖。高水平的工艺良品率是生产性能可靠的 芯片并获得收益的关键所在。台阶覆盖的意义在于半导体集成电路器件的性能 可靠性以及生产效率和工艺良品率的提高都有这种大的影响。 2.3.22.3.2 半导体半导体 cmpcmp 的缺点的缺点 15 图 2-5：cmp 缺点 16 第三章研磨抛光液对抛光效果的影响第三章研磨抛光液对抛光效果的影响 3.13.1 半导体半导体 cmpcmp 抛光液的介绍抛光液的介绍 slurry(研磨抛光液)是 cmp 的关键要素之一，其性能直接影响抛光后表面 的质量。研磨抛光液 slurry 一般由超细固体粒子研磨剂(如纳米级 sio2、al2o3 粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。固体粒子提供研 磨作用，化学氧化剂提供腐蚀溶解作用。影响去除速度的因素有：研磨抛光液 slurry 的化学成分、浓度；磨粒的种类、大小、形状及浓度；研磨抛光液 slurry 的粘度、ph 值、流速、流动途径等。研磨抛光液 slurry 的精确混合和 批次之间的一致性对获得硅片与硅片、批与批的重复性是至关重要的，其质量 是避免在抛光过程中产生表面划痕的一个重要因素。图 3-1 所示 图 3-1：晶圆上的 scratch 抛光不同的材料所需的 slurry 组成、ph 值也不尽相同，最早也是最成熟 的是氧化物研磨用 slurry。用于氧化物介质的一种通用 slurry 是含超精细硅 胶颗粒（均匀悬浮）的碱性氢氧化钾（koh）溶液，或氢氧化胺（nh4oh）溶液。 koh 类 slurry 由于其稳定的胶粒悬浮特性，是氧化物 cmp 中应用最广的一种 slurry。k+离子是一种可移动的离子玷污，非常容易被互连氧化层，如硼磷硅 玻璃（bpsg）俘获。nh4oh 类的 slurry 没有可动离子玷污，但它的悬浮特性不 稳定，并且成本较高。此类 slurry 的 ph 值通常为 10-11，其中的水含量对表 面的水合作用和后面的氧化物平坦化至关重要。 在金属钨（w）的 cmp 工艺中，使用的典型 slurry 是硅胶或悬浮 al2o3 粒 子的混合物，溶液的 ph 值在 5.06.5 之间。金属的 cmp 大多选用酸性条件， 17 主要是为了保持较高的材料去除速率。一般来说，硅胶粉末比 al2o3 要软，对 硅片表面不太可能产生擦伤，因而使用更为普遍。w cmp 使用的 slurry 的化学 成分是过氧化氢（h2o2）和硅胶或 al2o3 研磨颗粒的混合物。抛光过程中， h2o2 分解为水和溶于水的 o2，o2 与 w 反应生成氧化钨（wo3）。wo3 比 w 软， 由此就可以将 w 去除了。 目前常用的是二氧化硅抛光液（图 3-2 所示），它的外观呈乳白色或半透 明液体，二氧化硅抛光液是以高纯度硅粉为原料，经特殊工艺生产的一种高纯 度低金属离子型抛光产品。广泛用于多种材料纳米级的高平坦化抛光 图 3-2：slurry 它的特点具有：（1） 高抛光速率，利用大粒径的胶体二氧化硅粒子达到 高速抛光的目的（可以生产 150 nm）（2）粒度可控，根据不同需要，可生产 不同粒度的产品（10-150 nm）（3）高纯度（cu 含量小于 50 ppb），有效减小 对电子类产品的沾污（4）高平坦度加工，本品抛光利用 sio2 的胶体粒子，不 会对加工件造成物理损伤，达到高平坦化加工 3.23.2研磨抛光液研磨抛光液对抛光效果的影响对抛光效果的影响 3.2.13.2.1抛光液的化学性能及对抛光效果的影响抛光液的化学性能及对抛光效果的影响 （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。 18 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ph7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ph125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10115，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）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，中三价fe离子氧化性 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，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(ooh)，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h2o2。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 19 加05(重量百分比)的h3po4。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(h2o2)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(h2o2) 浓度应控制在13(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。 （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ceo2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sio2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sio2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sio2)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(1520nm)来代替粗抛时 的胶体(5070nm)；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。 （4）分散剂对抛光效果的影响 20 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。 3.3.23.3.2抛光液的物理性能及抛光液的物理性能及对抛光效果的影响对抛光效果的影响 （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。 （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=viscosityvelocitypressure 从上式可知，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-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-液体接 21 触)或流体力学模型(液体-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）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