（机械电子工程专业论文）二氧化硅介质层cmp抛光液配方研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 随着集成电路( i c ) 产业的飞速发展，【c 特征尺寸不断缩小，硅片尺寸不断增大， i c 工艺变得越来越复杂和精细。这对芯片内部层间介质的表面质量提出了更高的要求， 要求介质层表面必须进行全局平坦化，而传统的抛光工艺已不能满足要求。化学机械抛 光( c m p ) 是目前唯- - f l 够实现芯片全局平面化的实用技术和核心技术，正广泛地应用 于i c 制造中。然而，由于其工艺的复杂性，人们对c m p 机理以及抛光液的作用仍缺乏 深入的认识，许多方面还需要进行深入地研究。在c m p 过程中，抛光液对被加工表面 具有化学腐蚀和机械研磨的双重作用，对抛光效果产生重要影响，但目前仍存在诸如金 属离子污染、分散性差、材料去除率低等问题。 本论文以二氧化硅介质层c m p 抛光液配方为研究方向，在介绍、分析抛光液的材 料去除原理和特点以及总结前人研究成果的基础上，以提高抛光液的材料去除率、降低 抛光液中金属离子含量和改善抛光液分散性为目标，进行了抛光液配方选择和优化方面 的理论和试验研究，找到了较好的抛光液成分和配方，研制出了性能良好的抛光液。 本文首先通过对抛光机理的研究，找到了影响抛光质量的主要因素，并针对这些因 素制定了抛光液成分选择和配方优化的试验方案。然后，讨论了抛光液各成分的作用原 理，以u n i p o l l 5 0 2 型研磨抛光机为试验平台，进行了抛光液成分选择的单因素试验， 通过试验选出了较适合二氧化硅介质层抛光的无机碱、有机碱、纳米磨料、表面活性剂 以及添加剂等主要成分。接着，以单因素试验选出的主要成分为基础，又进行了配方优 化和p h 值性能优化试验，研究了抛光液各成分含量和p h 值对抛光效果的影响规律， 得到了抛光效率较高，性能良好的抛光液。 研究成果为提高抛光液的抛光质量、材料去除率以及改善抛光液性能，提供了系统 的研究方法和丰富的试验结论，对进一步完善超大规模集成电路层间介质的平坦化技术 具有重要指导意义。 关键词：化学机械抛光；抛光液；二氧化硅；层问介质 郭权锋：二氧化硅介质层c m p 抛光液配方研究 s t u d y0 1 1c m ps l u r r yp r e s c r i p t i o no fs i 0 2i l d a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p i n go ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i to c ) i n d u s t r y ，t h ed i m e n s i o no fs i l i c o n w a f e rt r e n d st ob el a g e ra n dt h ei cf e a t u r es i z eb e c o m e ss m a l l e ra n ds m a l l e r a tt h es a m e t i m e ，t h ei cp r o c e s sb e c o m e sm o r ec o m p l e xa n ds o p h i s t i c a t e t h a tm e a n st h es u r f a c e p r e c i s i o no ft h ei n t e r - l e v e ld i e l e c t r i c ( i l d ) m u s tb ei m p r o v e d f o rt h i sr e a s o n ，t h es u r f a c e p l a n a r i z a t i o no fi l ds h o u l db ec o m p l e t e b u tt h et r a d i t i o n a lp o l i s h i n gt e c h n i c sc a n n o tm e e t t h er e q u e s t t h ec h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( c m p ) t e c h n i ci sn o wp u b l i c l yc o n s i d e r e dt h e b e s ta n dm o s te f f e c t i v ep l a n a r i z a t i o nt e c h n i c t h ec m ps l u r r yh a sb o t ht h ec h e m i c a le r o s i o n e f f e c t sa n dt h em e c h a n i c a lg r i n d i n ge f f e c t so i lt h es u r f a c eb e i n gp r o c e s s e d b u tf o rt h e c o m p l e x i t yo ft h ec m pt e c h n i c ，t h ec m pm e c h a n i s ma n dt h ef u n c t i o no ft h ec m ps l u r r yi s s t i l lu n k n o w na n di s a s k i n gf o rf u r t h e rr e s e a r c h b e s i d e s ，t h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m st h a t r e s t r i c tt h ei m p r o v e m e n to ft h ec m pt e c h n i c ，s u c ha s - m e t a li o n sc o n t a m i n a t i o n ，l o wd i s p e r s a l q u a l i t ya n dl o wm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，e t c i nt h i sp a p e r , t h es u b j e do fc m ps l u r r yp r e s c r i p t i o nf o rs i 0 2i l di ss t u d i e d f o r r e d u c i n gm e t a li o n sc o n t e n t ，i m p r o v i n gm a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n dd i s p e r s a l ，t h ec h o i c eo f s l u r r yp r e s c r i p t i o na n do p t i m i z a t i o ni ss t u d i e dt h r o u g hm a n yo ft h e o r i e sa n de x p e r i m e n t s m e a n w h i l e ，t h em a t e r i a lr e m o v a lp r i n c i p l ea n da c q u i r e dp r o d u c t i o n so fs l u r r yh a sa l s ob e e n d i s c u s s e d a tl a s t ，t h ei n g r e d i e n ta n dp r e s c r i p t i o no fs l u r r yi sf o u n d ，a n dt h es l u r r yi sm a d e w i t l lw e l lp r o p e r t i e s f i r s t l v ，t h ec m pm e c h a n i s mh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp 印e 1 t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e c m p q u a l i t ym o s th a v eb e e nf o u n d a tt h es a m et i m e ，t h ep r o j e c t so fs e l e c t i n gi n g r e d i e n t s a n do p t i m i z i n gp r e s c r i p t i o nh a v eb e e ne s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，t h ef u n c t i o no fm a i ni n g r e d i e n t s o fs l u r r yh a sb e e na n a l y z e d t h es m 百ef a c t o re x p e r i m e n t so fe v e r yi n g r e d i e n t so fs l u r r yh a v e b e e nc a r r i e do u to nt h eu n i p o l l 5 0 2l a p p i n g p o l i s h i n gm a c h i n e m e a n w h i l e ，t h ei n o r g a n i c a l k a l i ，t h eo r g a n i ca l k a l i ，t h en a n o m e t e ra b r a s i v e ，t h es u r f a c t a n ta n dt h ea d d i t i v eh a v eb e e n s e l e c t e d ，w h i c hi s f i tc m po fs i 0 2i l d b a s i n go i lt h e s es e l e c t e di n g r e d i e n t so t h e r e x p e r i m e n t sh a sb e e nc a r r i e do u tt oi m p r o v et h ep r e s c r i p t i o na n dt of i n dt h ea p p r o p r i a t ep h v a l u e ak i n do fh i g hq u a l i t ys l u r r yh a sb e e nd e v e l o p e dt h r o u g ht h es t u d y i n go ft h e m e c h a n i s mo fw h i c ht h eq u a n t i t yo fv a r i o u ss l u r r yi n g r e d i e n t sa n dt h ep hv a l u ea f f e c tt h e p o l i s h i n ge f f e c t t h ep a p e rp r o v i d e sak i n do fs y s t e m i cr e s e a r c h i n gm e t h o d sa n dag r o u po fu s e f u l e x p e r i m e n t a ls t a t i s t i c sf o ri m p r o v i n gt h ep o l i s h i n gq u a l i t y o ft h es l u r r y ，i n c r e a s i n gt h e 大连理工大学硕士研究生学位论文 m a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n do p t i m i z i n gt h es l u r r yc a p a b i l i t y i th a ss i g n i f i c a n tv a l u e si nt h e r e f o r mo f l dp l a n a r i z a t i o nt e c h n i q u ef o ru l t r al a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ( u l s i ) k e yw o r d s c m p ：s l u r r y ；s i o z ；i l d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 7 7 芦瓠f 妄 。：j：、一 珈互趁 _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。_ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。- _ - _ - _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。- 。- 一 ：! ! ! 年尘月皇三日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 选题意义 随着集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 产业的飞速发展，i c 特征尺寸( f e a t u r es i z e ) 不 断缩小，硅片尺寸不断增大，i c 工艺变得越来越复杂和精细。目前微电子技术已在向将 几十亿个元器件集成在个芯片上的方向发展，这致使芯片的布线多层立体化，如图1 1 所示。根据国际半导体技术发展蓝图预测，2 0 0 8 年业界将开始使用直径为4 5 0 r n m 的硅 片，作为衬底材料的硅单晶片的尺寸也越来越大，而i c 特征尺寸将减小到7 0 r i m ，掩膜 层将增加到7 层【“1 。 p m 0 8 n m o sn p n p j f e t 图1 1i c 上的电子元件 f i 9 1 1t h ee l e c t l o n i ee l e m e n t so t h ei c 然而，要在大直径硅片上实现多层布线结构，刻蚀工艺要求每一层都应具有很高的 全局平整度，即要求对多层布线互连结构中的绝缘体、导体、层间介质( i n t e r l e v e l d i e l e c t r i c , i l d ) 、镶嵌金属r 如w ，c u ) 、硅氧化物、氮化物等进行平坦化( p l a n a r i z a t i o n ) ， 这是实现多层布线的关键【引。同时多层布线结构对硅衬底的平坦化要求也越来越高。许 多平坦化技术都曾在】c 工艺中得到应用，如基于淀积技术的选择淀积、旋涂玻璃 s o g ( s p i n ，o ng l a s s ) 、低压c v d ( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 、等离子增强c v d 、偏压溅射 和属于结构型的溅射后回蚀法( e t c hb a c k ) 、电子环绕共振法( e l e c t z o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e ) 、 热回流法( t h e r m a lr e f l o w ) 、淀积腐蚀一淀积等，如图1 2 所示。但是，这些技术都是属于 局部平坦化技术，不能做到全局平坦化。 目前，已被公认的是，对于特征尺寸在0 ，3 5 1m 以下的器件，必须进行全局平坦化。 当前最好，最有效的平坦化工艺就是化学机械抛光( c m p ) 工艺f 6 _ 引，其抛光液对被加工表 面同时具有机械研磨和化学腐蚀的双重作用。 在c m p 过程中，c m p 的消耗材料占c m p 费用的7 0 左右，并且，c m p 市场还以 每年平均1 9 的速度增长，预计到2 0 0 5 年c m p 材料市场将达到4 5 亿美元，而抛光液 郭权锋：二氧化硅介质层 仔抛光液配方研究 在这些消耗材料中又占了大部分 9 】o 同时平坦化的精度也取决于抛光液的成分，它既影 昀c m p 化学作用过程，又影响c m p 机械作用过程，可见抛光液是影响c m p 全面平坦 化质量的决定性因素之一。因此，c m p 抛光液具有广阔的应用前景和市场前景。 p l a r t a r i z a t i o r tr a n g e ( m i c r o n s ) 图1 2 各种平坦化方法的对比 f i 9 1 ，2t h ec o m p a r i s o no f v a r i o u sp l a n a r i z a t i o nm e m o d s 0 d c m p 的过程分为两个部分，即化学作用阶段和机械作用阶段。化学作用把表面损 伤和表面附着的物质变成可溶物而溶于水，提高抛光的速率。机械作用使化学作用的产 物脱离表面，保证化学作用继续进行，这两个作用周而复始的进行，抛光速率以其中的 最慢速率为准。而其化掌作用和机械作用的强弱是由抛光液的化学成分决定的，因此抛 光液的各项性能对c m p 效果有很大影响。抛光液的各秘性质严重影响被抛光芯片的表 面质量、平坦化能力和抛光速率【10 1 。因此对c m p 抛光液的物理化学性能进行研究，对 推动超大规模集成电路产业的发展将起到重要的作用，在超精密加工领域也有重要的理 论意义和科学价值。 然而，目前国内对这方面的研究工作大部分还处于理论研究阶段，很少能应用于实 际生产。国内大尺寸芯片的超精密加工和光刻加工技术水平与国外有相当大差距，主要 加工设备、外围设备以及加工技术都要依靠国外引进。而且，一些关键技术和设备的引 进往往受制于国外公司。随着芯片集成度越来越高，布线层数越来越多，工艺越来越复 杂，层间介质膜在芯片中大量使用，相应地对层间介质膜的c m p 也越来越多| 6 j 。 大连理工大学硕士研究生学位论文 本课题选定二氧化硅层间介质膜c m p 抛光液物理化学性能的作用为研究对象，通 过大量实验对抛光液内部各个成分及工艺参数进行研究，分析了抛光液对抛光效果、去 除速率的影响。本课题的研究将有助于提高我国集成电路基础材料的超精密加工和微细 加工技术水平。同时，将为我国1 c 制造产业提供拥有自主知识产权的技术，在促进我 国深亚微米集成电路的技术进步，抢占技术制高点，实现我国信息产业的跨越式发展等 方面具有深远的战略意义。 1 2 介质层c 静的研究现状和发展趋势 1 2 1o m p 技术简介 c m p ( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，化学机械抛光) 技术，即使用化学和机械方 法使抛光物表面达到要求的平整度，它有三个操作步骤：抛光、后清洗和测量。抛光装 置如图1 3 所示。 图1 3 化学机搬抛光原理图 f i 9 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec m pp r o c e s s 工作台在电机的带动下以一定的角速度转动，抛光垫粘在工作台上，硅片吸附在背 膜上，背膜在夹持头的带动下，也以一定的角速度转动。同时，机械压力通过夹持头、 背膜和抛光液中的磨料将硅片压在浸满抛光液的抛光垫上。在抛光垫的带动下，夹持头、 背膜和硅片以相对于抛光垫同样的速率沿与抛光垫相同的方向转动。抛光液以一定的速 率流到抛光垫上，在抛光垫的传输和离- 1 1 , 力的作用下均匀的分布到抛光垫上，在硅片和 抛光垫之间形成一层液体薄膜，这层膜起质量传输和传递压力的作用，液体中的化学成 分与硅片产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质( 化学反应过程) ，然后通过机械摩 郭权锋：二氧化硅介质层c m p 抛光液配方研究 擦将这些易溶物从硅片表面去掉，溶入流动的液体中带走( 机械去除过程) ，这两个过程 的结合就可以实现化学机械抛光，使抛光物表面达到平整化的要求。 c m p 技术所采用的设备及消耗品包括：c m p 设备、抛光液、抛光布、后清洗设备、 抛光终点检测设备等。其中抛光液和抛光布是消耗品，其余为抛光及辅助设备。c m p 工艺过程中的关键要素是抛光液、抛光布和抛光机【1 1 】。 1 2 ，2 介质层0 m p 简介 c m p 工艺中应用最广的是i l d 层间介质抛光f 包括：s i 0 2 、b p s g 、p s g 、p o l y m e r s 、 s b n 4o rs i o x n y 、a e r o g e l s ) ，s i 0 2 是最常用的层间介质材料，因此对它的研究也成为目 前研究工作的重点【6 】。因为s i 0 2 介质中硅是最高价四价，且s i 0 2 的化学性质比较稳定， 所以不能利用硅片抛光中采用的氧化还原反应方法。目前常用的方法是以s i 0 2 为磨料 的硅溶胶抛光法和以c e 0 2 为磨料的抛光方法。而s i 0 2 又分为沉积s i 0 2 和气相s i 0 2 两 种，通常来讲它们之间的材料去除率关系是：c e 0 2 沉积s i 0 2 气相s i 。2 ，在相同条件 下，c e 0 2 的抛光速率大约是s i 0 2 的3 倍。一般情况下，沉积s i 0 2 的粒径比较大，而且 有尖锐的棱角，因此它的高去除率归因于它的机械作用。对于c e 0 2 来讲，它的浓度要 小于s i 0 2 ，因此它的高抛光速率不是源于机械作用而是由于化学作用吲。然而，高去除 率并不等于高平整，对于c e 0 2 来说，它不光对较高区域抛光速率较高，而且较低区域 的抛光速率也较高，因此它的高低选择比就比较差。但由于它的高去除率的优点，有一 些介质层的抛光选择c e 0 2 磨料。通常，磨料在抛光液中的质量百分比是1 1 5 【h j 。 对于小粒径磨粒抛光液来说，其磨料在抛光液中的质量百分比是1 0 一3 0 。 二氧化硅层间介质层c m p 可分为两个基本过程。化学反应过程，表面层首先水解 形成水合层，水合层进一步与抛光液中的化学成分作用形成易溶于水的产物；机械作用 过程，反应产物在压力、抛光布磨料的摩擦作用下从表面去除掉，两个反应过程中较慢 的过程决定最终的抛光速率。试验数据表明，后者速率一般低于前者，由它决定抛光的 速率。并且抛光中材料去除速率较高时，表面平整度与完美性均较好。因此如何提高反 应产物去除速率成为提高抛光速率的重点。 目前，有关i l dc m p 技术应用的公司主要集中在日本和欧美地区，如：日本不二 见株式会社，美国c o b a t ，r o d e l 等公司他们的抛光检测设备、抛光液的质量( 分散性、 流动性) 都比较好但是在抛光液研制方面也存在一些问题：对介质膜进行抛光时，这 些公司大多采用大粒径磨料( 1 3 0 r i m 左右) 来提高抛光过程中的机械作用，以此提高抛光 速率，进而提高生产效率。但是这种方法也同时产生了表面划伤严重、抛光液分散性差、 金属离子沾污等问题，已很难满足下一代i c 制造的要求p j 。而在0 3 5 im 以下的i c 产 大连理工大学硕士研究生学位论文 品中，c m p 又是必须使用的技术。如何既提高生产效率又提高抛光质量成为c m p 技术 早目实现规模化应用的关键，也是整个半导体芯片行业亟待解决的问题， 1 23c m p 技术的现状和发展趋势 化学机械抛光( c m p ) 技术，最初是由i b m 公司于8 0 年代中期开发出的新技术， 1 9 8 8 年s e m a t e c h 财团开始将c m p 工艺用于m 的4 md r a m 工艺。几乎所有的半 导体制造技术都是由大学或国防研究实验室开发出，然后这种技术便顺利而迅速地进入 工业化生产。然而，c m p 技术却不同，该技术是由一些主要半导体器件和设备制造厂 家们通力合作开发出的。 c m p 的研究开发工作过去主要集中在美国的s e m a t e c h ，m m 等公司，现在已在 全球范围内展开。如：欧洲联合体j e s s i ，法国研究公司l e t i 和c n e t ，德国f r a u n h o f e r 研究所等都开始了在该领域的研究1 1 3 。日本及亚洲的许多国家和地区也制定了研究开发 计划。从发展趋势来看，研究正从居主导地位的半导体大公司厂家的工艺开发研究室扩 展到设备和材料供应厂家的生产发展研究室。总之，c m p 已经成为世界性的研究课题【引。 根据美国l o r e d ot e c h n o l o g i e s 统计1 9 9 0 1 9 9 4 年间有关c m p 的技术在美国以惊人的速 度增加，1 9 9 4 年就有1 5 0 篇c m p 专利论文发表。c m p 的可贵之处在于它在多层金属互 联结构中既可对绝缘体又可对导体进行全局平坦化。目前，其应用范围己从层间介质 f 皿d ) c m p 扩展到镶嵌wc m p ，镶嵌a ic m p 、多晶硅c m p 、硅氧化物沟道( s t i ) c m p 及镶嵌c u c m p 等。 尽管如此，目前人们对c m p 技术的了解还在定性阶段，还缺少有关定量方面的研 究数据。因此，定量确定最佳c m p 工艺，系统地研究c m p 工艺过程参数，建立完善的 c m p 理论模型，满足各种超大规模集成电路生产对c m p 工艺的不同需求，是c m p 技 术研究的主要方向。 随着计算机、通信及网络技术的高速发展，对作为其基础的集成电路的性能要求也 愈来愈高，集成电路芯片增大而单个晶体管元件减小及多层集成电路芯片是发展的必然 趋势，这对c m p 技术提出了更高的要求【l “。 在c m p 设备方面，正在由单头、双头抛光机向多头抛光机发展，结构逐步由旋转 运动结构向轨道抛光方法和线形抛光技术方面发展【1 4 1 。在c m p 抛光液方面，关键是要 开发新型抛光液，能提供高的腐蚀速率高的平整度，高的选择往和表面均一性，同时 还要有利于后续清洗过程，使得磨料粒子不能残留在芯片表面影响集成电路性能。在应 用方面，c m p 技术已经在陶瓷、磁头、硬磁盘、机械磨具、精密阀f q 、光学玻璃、金 属材料等表面加工领域不断得到重视和应用， 郭权锋：二氧化硅介质层抛光液配方研究 近几年，在国际半导体设备市场上，用于全局平坦化的c m p 设备增长最快。相应 的增长也发生在c m p 辅助设备、材料等基础工业市场。1 9 9 3 年世界c m p 设备市场为 7 0 1 0 万美元，1 9 9 4 年为8 4 1 0 万美元，比上年增长6 1 ，以后每年几乎都以6 0 以上的 速度增长最近几年的增长情况及未来预钡, f t 1 5 , 1 6 1 见表1 1 所示。 表1 1 世界c m p 设备市场销售额( 亿美元) t a b1 1t h es a l eo ft h ec m p e q u i p m e n to ft h ew o r l d ( ah u n d r e dm i l l i o n ) 年份抛光机其他设备总计 1 9 9 75 2 02 3 17 5 l 1 9 9 85 4 42 4 77 9 1 2 0 0 11 0 4 5 4 1 4 5 4 2 0 0 27 3 44 3 51 1 6 9 2 0 1 03 6 3 21 4 6 55 0 9 7 在半导体工业中，c m p 最早应用于集成电路f 1 0 制造中衬底硅的粗抛和精抛，大大 提高了硅片的抛光精度和抛光速度，从而极大地提高了硅片抛光的质量和生产效率，降 低了生产成本。在i c 加工中c m p 技术的应用是非常频繁的，如用于前道加工工序( f r o n t e n dp r o c e s s ) 中生产元器件，在后道加工工序( b a c ke n dp r o c e s s ) 中用于产生通路、通道、 平坦化层间介电膜和封装等等。近几年来，c m p 技术已有一些新的应用领域：平面显 示器、微机械系统、多晶片模组等等。c m p 也可用于生产其它采用类似半导体生产工 艺生产的电子元件，如传感器、检测器和光电摄像管的表面n - r t “1 。 1 3ic 制程中f l 勺- - 氧化硅介质层及抛光液简介 1 3 1 二氧化硅的性质及用途 当单质硅氧化生成二氧化硅时，会放出大量的热： s i + 0 2 = s i 0 2 + 8 4 9 3 5 2 1 0 这就决定了s i 0 2 的稳定性非常高，其常温下是固态，熔点高达1 7 1 3c 。二氧化硅 在自然界中主要以石英矿的形式存在。大而透明的石英称为水晶。普通的沙子，是混有 杂质的石英的岩层遭到破坏后的主要产物之一。自由的二氧化硅的数量约占地壳总质量 的1 2 ，各种岩层的成分或多或少都和大量的s i 0 2 ( 约占地壳总质量的4 3 ) 有着化 学上的关系。总之，地壳有二分之一以上都是由二氧化硅组成的。 由于二氧化硅性质很稳定而且容易取碍，所以是i c 制造过程中常用的材料。二氧 化硅膜在i c 制造工艺中有很重要的用途，主要有五个方面： 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 扩散时能对杂质( 如磷、硼等) 起到很好的掩蔽作用，进行选择扩散； ( 2 ) 钝化硅片表面，使器件的表面与周围环境隔离，防止玷污，可提高器件的性能 以及器件的可靠性和稳定性； ( 3 ) 作绝缘层，例如作介质隔离的绝缘层，集成电路中金属引线和各元件之间的绝 缘层等； f 4 ) 作电容中的介质； ( 5 ) 作m o s 中的栅氧化层。 制备二氧化硅的方法有很多，在氧化过程中，由于氧化方法不同，二氧化硅结构也 不同。采用干氧氧化时，二氧化硅及其表面是硅氧桥结构，结构比较紧密：采用湿氧氧 化时，网络中不但有硅氧桥结构，还存在非桥键的羟基，即硅醇。由于非桥键羟基的存 在，硅氧桥结构便相应地减少，氧化层密度降低，结构就疏松。所以，湿氧生成的= 氧 化硅层不如干氧生成的好。另外，二氧化硅的制备方法还有水蒸气氧化、热分解和气相 淀积法等。不同制各方法制得的二氧化硅的主要物理性质如表t 2 所示。 下面是二氧化硅氧化层的各种制备方法。 ( 1 ) 水汽氧化法：利用水蒸气在高温下与硅材料表面反应生成二氧化硅。这种方法只 有在氧化层厚度较厚时，才符合抛物线形的生长关系。 ( 2 ) 于氧氧化法：在高温下氧分子直接与硅表面的硅原子反应生成二氧化硅。干氧氧 化法生长速度比水汽氧亿法低。 ( 3 ) 湿氧氧化法：其氧化剂是水和氧的混合物。 表1 2 二氧化硅各种制各方法的比较 t a b1 2t h ec o m p a r i s o no f s i l i c aw i t hv a r i o u sp r e p a r a t i o nm e t h o d s 性质 密度折射率 电阻率介电常数介电强度 类八( e c c r n ) r = o 5 4 6 0 )( q + c m ) 0 0 6 v e r a ) 干氧 2 2 4 2 2 71 4 6 0 1 4 6 63 + 1 0 3 2 + 1 0 。 3 4 ( 1 0 k h z ) 9 湿氧 2 1 8 2 2 l1 4 3 5 1 4 5 8 3 8 2 0 0 k h z ) 水气 2 o 一2 21 4 5 2 1 4 6 2 l o ”1 0 1 7 3 2 ( 1 0 k h z ) 6 8 9 热分解 2 0 9 2 1 5 1 4 3 1 ，4 51 0 1 0 6 外延淀积 2 31 4 6 一i 4 77 8 8 】0 “35 4 ( m h z ) 5 6 ( 4 ) 化学气相淀积( c v o ) 法：利用硅的化合物热分解在衬底上淀积一层二氧化硅， 衬底本身不参加反应，因此淀积温度比热氧化法n - - 氧化硅时低得多。作为淀积二氧化 硅的主要化合物是烷氧基硅烷和硅烷。热分解淀积二氧化硅厚度和淀积时间成正比。目 郭权锋：二氧化硅介质层c m p 抛光液配方研究 前，c v d 法包括：常压c v d 法、低压l c v d 法、等离子增强p e c v d 法。芯片生产中 通常采用c v d 法获得氧化层f 1 7 】。本谋题中所用的二氧化硅氧化层均为干氧氧化法制各 的。 1 3 ，2 抛光液简介 抛光液是影响c m p 质量的决定性因素。它既影响c m p 化学作用过程，又影响到机 械作用过程。抛光液中的化学成分能够调整p h 值，影响氧化物表面的带电类型和电荷 量，决定表面的水合过程等化学反应过程。抛光液中的蘑料在压力作用下与表面摩擦， 影响着反应产物的去除速率。因此，抛光液的配方是决定c m p 效果的关键。 传统的硅片抛光液种类很多，有氧化镁水剂、氧化铝水剂、二氧化钛碱性液、二氧 化硅碱性液、二氧化锆氧化性溶液、三氧化二铬氧化性溶液和铜离子溶液等。目前用于 层间绝缘膜的抛光液是气相白炭黑( f u m e ds i l i c a l 在超纯水中分散形成，二次凝聚后的粒 径大小为1 0 0 n m 一2 0 0 a m 。考虑抛光液的稳定性及抛光速率的一致性，其适合的p h 值为 1 0 。1 1 左右。 用s i c l 4 形成的二次凝聚粒子自炭黑( s j l i c a ) 在中性的溶液中进行抛光，也可以得到 很高的抛光速率，同时清洗效果也不错。 表1 3 常用的几种抛光液的技术参数 t a b l , 3 t h e p a r a m e t e r s o fs o m ek i n d s o f s l t l r r y 美国r o d e l美国r o d e i 公 泌 美国n a l c o 公司 n i t t a 公司口j n a l c 0 2 3 5 0n a l c 0 2 3 5 5 n a l c 0 2 3 6 0l s 1 0 r o d e l 2 3 7 1 n a 2 0 w t 0 4 0 0 5 0 0 4 0 ( 5 x 1 0 4 0 1 0 一 s i z o w t 5 0 5 0 5 01 3 2 8 p h 值 1 0 8 ，1 i 29 8 i o 。28 3 。8 79 7 ，i 。 71 1 o - i 1 5 相对密度 1 3 7 1 4 0 1 3 7 1 4 0l 3 7 1 4 0l ，0 6 1 0 81 1 7 一l2 0 黏度m p a s 2 5 2 5 2 5 2 0 2 5 平均粒径n m 5 0 7 05 0 7 05 0 - 7 0 12 岛 ( a ) 表面变形 月( 12 肛 ( b ) 磨科变形 图2 2 静态压力下磨料和抛光表面间的弹性变形示意圉 ( h a 为磨料硬度，胁为表面硬度) f i 9 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee x p e c t e dp l a s t i cd e f o r m a t i o nb e t w e e na na b r a s i v ea n dap l a n a r s u r f a c eu n d e rs t a t i cc o m p r e s s i o n ( h as t a n df o rt h eh a r d n e s so ft h ea b r a s i v ea n dh ss t a n df o rt h eh a r d n e s so ft h ep l a n a rs u r f a c e ) 尽管表面水合作用在二氧化硅c m p 与光学玻璃c m p 时都很强，但是两种