（材料物理与化学专业论文）抛光及清洗工艺对硅片表面形貌的影响.pdf

摘要 摘要 近年来，集成电路的设计线宽正向纳米尺度发展，对半导体硅材料的表面性能提 出了更加苛刻的要求。当器件的特征尺寸逐渐减小后，器件的成品率与硅片表面形貌 直接相关，如纳米形貌将会影响浅沟槽隔离( s t i ) 的化学机械抛光，产生不均匀地 减薄；随着栅氧化层的不断地减薄，表面微粗糙度会导致栅氧化层厚度不均匀，从而 会影响栅氧化层的完整性和最小阈值电压。为了适应大尺寸硅片在0 1 3um 及以下节 点中的应用，必须对硅片制造工艺中表面形貌进行深入地研究。 本论文主要目的是优化硅片的化学机械抛光工艺，考察抛光过程中重要的工艺参 数对硅片表面形貌的影响；探索出新的清洗工艺，解决r c a 清洗过程中碱性溶液引起 的硅片表面粗糙化的问题。通过本文的研究可以改进和优化硅片的抛光和清洗工艺， 提高硅片的表面质量。 利用非接触式光学轮廓仪研究了化学机械抛光过程中p h 值对抛光去除速率和硅 片表面形貌的影响。p h 值的大小在一定程度上反应了化学腐蚀作用的强度。抛光速 率随p h 值逐渐增大，当p h i 9 8 时去除速率达到最大值，随着p h 值继续增大，去除 速率缓慢地下降。表面粗糙度随着抛光液p h 值的升高而增大，p e a k v a l l e y 值与粗 糙度有相似的变化趋势。 本文分别使用原子力显微镜和表面轮廓仪研究了抛光过程中不同压力下抛光后 硅片表面形貌的变化，并通过s t r i b e c k 曲线来对硅片与抛光布之间的接触模式进行 了探讨。化学机械抛光过程中机械作用的强度随着压力的变化而不同，从而影响抛光 后的硅片表面形貌。当硅片表面与抛光布之问的接触处于固一液混合接触区时，协调 每一步抛光工艺中压力的大小，可以显著地降低硅片表面的微粗糙度和p e a k v a 】e v 值。 研究了h 。o 。在降低碱性溶液对硅片表面各向异性腐蚀中的作用，期望通过改变 h z 0 ：的浓度来降低表面在氨水溶液中的表面微粗糙度。实验结果表明，在n h 0 h 浓度 一定的情况下i i ：0 。浓度d - - i 二一临界值时，碱性溶液对硅片表面进行强烈的各向异性腐 蚀，表面非常粗糙，而l f ：0 ：的浓度大于这一临界值后，微粗糙度下降，但之后：0 。浓 度的变化并没有引起表而微粗糙度的变化。 摘要 为了降低清洗过程中氨水溶液对硅片表面的各向异性腐蚀而带来的微粗糙增加 的问题，本文探索出新的清洗工艺，即在r c a 清洗前使硅片在含有氧化剂的溶液中进 行预氧化。通过实验表明，在含有氧化剂h ：o ：的溶液中生成的表面氧化层能有效地消 除o h 一对硅片表面的各向异性腐蚀，清洗后的表面微粗糙度值均比清洗前小，并且随 着s c 一1 过程中n h 。o h 浓度在一定范围内增加反而下降。通过这种表面预氧化的方法， 可以有效地解决硅片在碱性n h 。o h 溶液中清洗带来的表面粗糙化的问题。 关键词：表而形貌微粗糙度p e a k v a ll e y 值 非接触式光学轮廓仪 预氧化氧化层 原予力显微镜择向异性腐蚀 a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo fc h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n ga n d c l e a n i n g p r o c e s so ns i l i c o nw a f e rs u r f a c em o r p h o l o g y p r e s e n to 1 3 z ma n df u t u r et e c h n o l o g yg e n e r a t i o n sp o s ei n c r e a s i n gd e m a n d so nt h e s u r f a c em o r p h o l o g yo fs i l i c o nw a f e r s ，i np a r t i c u l a rf o rm e e t i n gr e q u i r e m e n t so fn a n o s c a l e f e a t u r ew i d t h w h e nt h ed e v i c e sa r es c a l e dd o w n ，t h e y i e l d i sr e l a t e dt os u r f a c e m o r p h o l o g yd i r e c t l y ，f o re x a m p l e ，n a n o t o p o g r a p h y - - s m a l ls u r f a c eh e i g h tv a r i a t i o no f 1 0 l o o n mi na m p l i t u d ee x t e n d i n ga c r o s sm i l l i m e t e r s c a l el a t e r a ld i s t a n c e so n v i r g i n w a f e r s - - c a nr e s u l ti nc m p i n d u c e dl o c a l i z e dt h i n n i n go fs u r f a c ef i l m ss u c ha st h eo x i d e so r n i t r i d eu s e di ns t i ；w h e nt h eg a t eo x i d eb e c o m e st h i n n e r ，s u r f a c em i c r o r o u g h n e s sc a n e f f e c to ng a t eo x i d ei n t e g r i t y 、e l e c t r o nm o b i l i t ya n dt h r e s h o l dv o l t a g e i no r d e rt om e e t r e q u i r e m e n t so ff u t u r en o d e ，i t sn e c e s s a r yt os t u d yt h es u r f a c em o r p h o l o g yo fs i l i c o n w a f e r sd u r i n gw a f e rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t h em a i na i mo ft h i sp a p e ri st oo p t i m i z et 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 ) a n dc l e a n i n gp r o c e s s f i r s t ，t h em a i np r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sp hv a l u ea n dp o l i s h i n g p r e s s u r ea r es t u d i e d t h e nan e wc l e a n i n gm e t h o di si n v e n t e dt os e t t l et h eq u e s t i o no f s u r f a c er o u g h i n gi na m m o n i as o l u t i o n b yt h es t u d i e s ，t h es u r f a c em o r p h o l o g yc a nb e e n d e v e l o p e d t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fs i l i c o nw a f e r sp o l i s h e du n d e rd i f f e r e n tp hv a l u eh a sb e e n s t u d i e db yc o n t a c tp r o f i l e r ，a n dt h ec h e m i c a lm e c h a n i s mh a sb e e nd i s u s e d i ti ss h o w nt h a t p o l i s h i n gr e m o v a lr a t es t r o n g l yd e p e n d so nt h es l u r r yp hv a l u e i tp e a k sa tp h 一9 8 ，w i t ha d r o pa th i g h e rp hv a l u e t h es u r f a c er o u g h n e s sa n dt h ep e a k v a l l e yv a l u ei n0 5 x 0 5 m m 2 i n c r e a s i n gw i t hp hv a l u e i no r d e rt oo p t i m i z et 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 gp r o c e s so fl a r g es i z es i l i c o n w a f e r s ，t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fw a f e r sp o l i s h e du n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r eh a sb e e n s t u d i e db ya t o mf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) a n dn o n - c o n t a c t p r o f i l e r i ti ss h o w nt h a t f l c h a n g eo fp r e s s u r ew o u l dr e s u l ti nad i f f e r e n to nt h es u r f a c em o r p h o l o g yb ya n a l y z i n gt h e s t r e b e c kc u r v e i ti sa s s u m e dt h a tt h ep r e s s u r ew o u l da f f e c tt h ec o n t a c t i n gm o d eb e t w e e n t h ew a f e rs u r f a c ea n dt h e p a d ：a n dh e n c et h em i c r o r o u g h n e s s ( i n c l u d i n gr m sa n dt h e a b s t r a c t p e a k v a l l e yv a l u e ) t h i sf i n d i n g sw i l lb eh e l p f u lt oo p t i m i z i n gb o t ht h es i n g l e s i d ea n d d o u b l e s i d ep o l i s h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s i ns c - 1s o l u t i o n ，t h ea n i s o t r o p i ce t c h i n go fn h 4 0 hi sw e a k e n e do b v i o u s l yb yh 2 0 2 i n t h i sp a p e r , i t s e x p e c t e d t od e c r e a s et h es u r f a c em i c r o r o u g h n e s sb yc h a n g i n gt h e c o n c e n t r a t i o no fh 2 0 2 t h ed i s c u s s i o no nh 2 0 2c o n c e n t r a t i o ns h o w st h a tw h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fh e 0 2i sl e s st h a nac r i t i c a lv a l u et h ew a f e rs u r f a c ei se t c h e d a n i s o t r o p i c a l l yb ya m m o n i as o l u t i o n w h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni sh i g h e rt h a nt h ec r i t i c a l v a l u e ，t h em i c r o r o u g h e s si sd e c r e a s e d ，b u tt h e ni t sn o tc h a n g e dw i t ht h eh 2 0 2 c o n c e n t r a t i o n an e wc l e a n i n gm e t h o d ，p r e - o x i d a t i o nc l e a n i n g ，i si n v e n t e dt os e t t l et h eq u e s t i o no f s u r f a c er o l l g h i n g t h es u r f a c em i c r o r o u g h n e s sa f t e rp r e o x i d a t i o nc l e a n i n gp r o c e s si s s t u d i e du s i n ga t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) ，a n dt h em e c h a n i s mi sa n a l y z e db yb u i l d i n g s u r f a c er e a c t i o na n do x i d el a y e rm o d e l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eo x i d el a y e r o nw a f e rs u r f a c ec a ne l i m i n a t et h ea n i s o t r o p i ce t c h i n gi na m m o n i as o l u t i o n t h er m s r o u g h n e s so ft h es u r f a c ei ss m a l l e rc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lr c ap r o c e s s m e a n w h i l e ，i t d e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s eo fa m m o n i ac o n c e n t r a t i o na f t e rf o r m i n ga no x i d el a y e rp r i o rt o r c a c l e a n i n g k e yw o r d s ：s u r f a c em o r p h o l o g y ，m i c r o r o u g h n e s s ， n o n - c o n t a c ts u r f a c ep r o f i l e r p r e o x i d a t i o n ；o x i d el a y e r ；a f m ；a n i s o t r o p i ce t c h i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名：南址日期：j 尘毕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京有色金属研究总院有关保留、使用学位论文的规 定，即：总院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；总 院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作者签名：竭蕉垫 导师签名 日期：删! j 引言 引言 随着半导体： 业沿着摩尔定律的急速发展，微电子器件特征尺寸的不断减小，给 硅材料的完整性、均匀性、表面质量、性能检测评价等提出了越来越苛刻的要求。同 时，为了满足器件厂家提高生产率和降低制造成本的需要，超大规模集成电路用硅材 料正向大尺寸方向发展，根据国际半导体技术发展蓝图( i t r s ) “1 ，硅片尺寸将会由 现在的主流1 5 0 m m 和2 0 0 m m 转到3 0 0 m m ，因此，大尺寸硅片的制造工艺问题已经成为 当前半导体材料领域的研究热点，并将为纳电子集成电路的发展奠定基础”3 。 目前半导体制造技术已经进入深亚微米时代，化学机械抛光( c m p ) 成为了u l s i 中非常重要的技术。c m p 是前道工序和硅片制备工艺中一种能实现硅片局部和全局 平坦化的技术，广泛地用于硅片和芯片的平坦化过程中。由于大尺寸硅抛光片表面质 量的重要性，而表面参数在很大程度上是由抛光决定的，因此对硅片的抛光工艺的研 究非常必要。抛光过程中工艺参数很多，且相互联系，每个参数的变化直接影响到硅 片的表面质量，这就使得化学机械抛光工艺变得非常复杂，难以控制。随着硅片向大 尺寸的方向发展，为了解决硅片抛光过程中因尺寸的增大而带来的平整度的问题，双 面抛光逐渐替代单面抛光，从而获得集成电路用大尺寸硅抛光片。双面抛光过程中硅 片的运动状态完全不同于单面抛光，硅片表面对抛光工艺参数的变化更加敏感，抛光 工艺变得更加复杂。一般认为，化学机械抛光过程中硅片表面与抛光布之问有一层抛 光液薄层。“，对硅片表面进行腐蚀，生成一层化学反应层5 1 ，在抛光布和抛光液中的 胶体颗粒的共同作用下被去除。硅片表面不断地被腐蚀和去除，抛光的过程就是化学 腐蚀作用与机械去除作用之间的交替的过程，在化学机械抛光过程中必须充分协调两 者之间的关系，从而达到优化c m p 工艺的目的。 硅片的清洗足集成电路制造过程中非常重要的：i ：艺步骤，j l 乎每一步：亡艺后都需 要清洗。清洁的表面对器件的可靠性和性能是十分必要的【6 l 。当集成度和复杂性进一 步增加时，器件的尺度变得越来越小，表而清洁度变得更加关键了。掘估计在集成电 路生产中超过5 0 的产品报废是由于污染所致n 一个集成电路的制造：i ：艺由3 0 0 5 0 0 个工序组成，其中，3 0 的工序是硅片( 或品片) 的清洗：l ：序【8 1 。在i c 制造过程 中有许多工序都有可能引入污染物，这些玷污在下一步工序前! 必须清洗，例如，栅氧 引言 化、掺杂剂扩散、外延层沉积等工序前的清沈，在确保成品率和器件的可靠性方面尤 为重要阳】。 集成电路用硅片制造过程中的清洗方法主要是1 9 7 0 年k e r n 和p u o t e i n 发表的 r c a 标准清洗工艺，它包括两步清洗：s c 1 ( 化学组成为n h 4 0 h h 2 0 jh 2 0 ) 和s c 一2 ( 化学组成为h c l h 2 0 2 h 2 0 ) 1 1 0 1 。在碱性n h 4 0 h 溶液中，硅片表面和胶体颗粒的 表面势同为负，在静电斥力的作用下非常有利于颗粒的去除【1 1 】。但是碱性n h 4 0 h 溶 液对硅单晶进行强烈的各同异性腐蚀，使硅片表面微粗糙度增加【1 2 1 。随着栅氧化层的 不断地减薄，表面微粗糙度会导致氧化层厚度不均匀，从而会影响栅氧化层的完整性 和最小阈值电压【1 3 , 1 4 , 1 5 l 。 为了降低碱性清洗液对表面微粗糙度的影响，近年来许多研究采用降低s c 一1 清 洗过程中的n h 4 0 h 的浓度，由1 ：1 ：5 降到1 ：1 ：2 0 甚至更低。稀释后的清洗液 对表面的腐蚀速度大大降低，从而可以减小表面粗糙化程度【1 6 】。n h 4 0 h 浓度降到很 低的水平时能减少硅片表面的腐蚀速度，但是碱性溶液还是对表面进行了不同程度的 各向异性腐蚀，不能完全避免硅片表面的粗糙化。另外，降低s c 一1 中n h 4 0 h 的浓 度的同时会使表面势趋向正，从而影响了颗粒的去除效率。因此，为了减少碱性溶液 对硅片表面的各向异性腐蚀而使用稀释的清洗液时，必须找到微粗糙度和颗粒去除效 率之间的平衡点。 本论文研究了化学机械抛光过程中的两个非常重要的工艺参数：抛光液的p h 值和抛光压力对硅片表面形貌的影响，并且探索出一条新的清洗工艺，解决r c a 清 洗过程中表面粗糙化的问题。通过本文的研究可以优化硅片的抛光和清洗工艺，提高 硅片的表面质量。 第一章：文献综述 第一章：文献综述 1 1化学机械抛光( a ，) 硅片是现代超大规模集成电路用的主要衬底材料，一般通过直拉法c z ( c z o c h r a l s k i ) 获得硅单晶，然后经过切片、倒角、磨片、腐蚀、抛光和清洗等工艺后获得集 成电路级半导体硅片。硅片在碱性或酸性化学液中腐蚀完后需要进行抛光，消除表面 的高点使表面达到“镜面化”。化学机械抛光系统主要由相互独立旋转的圆盘、固定 硅片的压力头和抛光液添加系统三部分组成。硅片被固定在压力头上，在一定压力作 用下在圆盘与压力头之间相对旋转，由碱性胶体s i 0 2 组成的抛光液输送到硅片与抛 光布之间，从而完成对硅片表面的化学机械抛光。优化化学机械抛光工艺，主要是协 调化学腐蚀作用与机械作用之间的关系，使它们达到平衡。如果机械去除作用较化学 作用大，会有较多的机械损伤层和小台阶：当化学作用较大时，碱性抛光液会强烈腐 蚀硅片表面，特别是会强烈腐蚀表面小台阶处，使表面粗糙度增加。c m p 过程影响了 硅抛光片的表面几何参数，如纳米形貌、总厚度变化( t t v ) 、s t i r 、w a p b o w 以及 抛光后的微粗糙度。因此，对化学机械抛光工艺深入地研究非常重要。 尽管化学机械抛光过程看起来是一个很简单的过程，但是由于抛光工艺有很多独 立变化的工艺参数( 如图1 ) 1 1 ”，使抛光工艺的优化变得更加复杂和难以控制。它包 括抛光液参数( 例如颗粒和化学成份) 、抛光布参数、机器参数( 如压力与转速) ， 任何参数的变化都会影响到硅片的表面形貌。 1 1 1c m p 过程中的机械作用 抛光过程中的机械作用是由抛光压力、相对速度、抛光布硬度以及抛光液中颗粒 浓度和粒径大小等工艺参数决定的，每个工艺参数对抛光过程的影响均有许多相关的 研究【”之”。为了更好地控制化学机械抛光过程，需要深入地了解每一个cmp 参数 所起的作用以及它们之问的作用。然而影响机械作用的医l 素很多，因此在进行化学机 第一章：文献综述 m a e h i n ep a r a m e t e r s d o w np r e s s u r e l i n e a rv e l o c it y s l u r r yf 1 0 w s l u r r yc h a r a c t e r i s t i c s 。p a r t i e l ec h a r a c t e r i s t i c s i z e s i z ed i s t r i b u t i o n s h a p e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c h e m i s t r y d i s t p e r s i o n c o n c e n t r a ti o n a g g l o m e r g a t i o n o v e r s i z e dp a r t i c l e s 圈1 ：化学抛光过程中的再个参数 械抛光时要综合考虑上述各种因素，进行合理地优化，才能得到较好的抛光工艺。影 响机械作用强度的工艺参数主要有以下四种： ( 1 ) 抛光压力p ：抛光压力对抛光速率和抛光表面质量影响很大，通常抛光压 力增加，机械去除作用增强，抛光速率也增j l l 。硅片抛光一般分成粗抛、中抛和精抛。 粗抛的目的是去除剀割和磨片后表而的不平整，然后经过中抛进一步地平坦化。精抛 的目的是使表面镜面化，达到原子级的平整度。粗抛和中抛主要影响表面的纳米形貌、 t t v ( 总厚度变化) 、局部平整度以及翘曲弯曲等几何参数；精抛：i ：艺影响表面的微 s s e c 1 l f t t s e 1 p r 0 v ， e r t t p g 】 c n m a 1 y 1 r r a h n o a c p o f h 1 a l l c n r t n a g u d h 0 d a c p n d p e 0 0 a m t c p 第一章：文献综述 粗糙度。在化学作用不变的情况下，如果压力太低，线切割、磨片所留下来的不平整 以及机械损伤层不会被去除，表面粗糙：但使用过高的抛光压力会导致抛光速率不均 匀、抛光布磨损量增加、抛光区域温度升高且不易控制、出现划痕的机率增加等，从 而降低了抛光片的表面质量，因此，抛光压力是抛光过程中一个非常重要的工艺参数 2 2 - 2 5 】。 ( 2 ) 相对速度v ：相对速度也是抛光过程的一个重要工艺参数，它决定了硅片 表面和抛光布之间的切应力【2 6 】。在相对速度较小时，抛光速率会随着抛光速度的增加 而呈直线增加，符合泊松方程，但当速度很大时，抛光速率的增加变得非常缓慢吲， 此时表面氧化物过渡层的生成速率制约了整个去除速率的增加。和抛光压力一样，如 果相对速度过高会使抛光液在抛光布上分布不均匀、化学反应速率降低、机械作用增 强，硅片表面会有损伤层，质量下降。但速度较低，则机械作用小，也会降低抛光速 率【2 8 。 c m p 过程中，硅片表面上每点的运动轨迹将会影响表面的几何参数。大盘和压力 头的转速的不同，导致硅片的运动轨迹的不同。对于单面抛光，如果大盘和压力头的 转速不同，则会使硅片不同部分与抛光布的相对速度不同，从而使不同部分的去除速 率不一致，导致t 1 1 v 变差【3 1 l ；而对于双面抛光，硅片处于“悬浮”状态，增加了额外 的自由度，其运动轨迹更加复杂，对硅片的运动轨迹的计算及优化能改进硅片的表面 几何参数【3 2 】。设计和优化硅片各点的运动路径时应考虑以下三点： 避免局部有很大的速度突变，否则会引起碎片； 保证正面和背面有相同的去除速率，以及相对上下大盘有相同的运动轨迹，上、 下大盘的转速应相近： 避免某一点在局部形成封闭的圈，影响硅片表面的平整度。 硅片表面在抛光液的化学作用一f s l 成一层氧化层后，然后在抛光布和抛光液的颗 粒作用下被去除。引起去除作用的切应力是由转速决定的【3 3 l ，转速增大时切应力增加， 从而使表面氧化层更容易去除，但是当转速很大时，氧化层的生成速度比去除速度小， 抛光布直接对裸露的硅进行磨削，因此抛光速率的增加幅度会大大的降低。h i r o k i o g a w a 等人通过对抛光过程的原位i r a t r 观察发现，当压力增大时，不仅机械作 第一章：文献综述 用增加，而且表面氧化层的生成更快【3 4 1 ，因此，硅片的化学机械抛光过程的优化，不 仅包括化学作用与压力的平衡，还包括转速与压力的平衡。 ( 3 ) 抛光布：抛光布材料通常为聚氨酯或聚脂中加入饱和的聚氨脂1 3 ”】，它的 各种性质严重影响抛光硅片的表面质量、平坦化能力和抛光速率【”】。抛光布的多孑l 性 和表面硬度将影响抛光液的传输、材料去除率和与硅片的微观接触面积。经过多次使 用后抛光布会产生变形，表面变得光滑( 即镜面化) ，孔隙减少和被堵塞，使抛光速 率明显下降，必须进行修整来恢复其粗糙度，改善传输抛光液的能力，一般要进行打 磨处理。抛光布的硬度对抛光均匀性有明显的影响，使用硬抛光布时可获得较好的硅 片表面的均匀性，但硬抛光布使硅片与胶体s i 0 2 颗粒机械接触，如图2 所示，引起 硅片表面粗糙的增加。2 0 0 4 年z h o u j i em a o 建立抛光去除模型【加】，在这个模型中抛光 液的颗粒与硅片表面接触时会“刻入”表面内几个纳米，其“刻入”的深度为： 6 = i 3 r ( 面p ) j 其中r 为胶体颗粒的半径，k 为颗粒进入表面的系数。研究表明，6 与表面微粗 糙度数据很好地保持一致，这就是机械去除带来的表面粗糙化的问题。使用软抛光布 可以获得较好的表面纳米形貌和表面微粗糙度。抛光布的选用主要考虑其硬度、孔隙 设计与杨氏模量的大小。 h a r dp a ds o f lp a ( 1 恕数匿 h2 ：分别他川软、 i i l ! 抛光布时舴与抛光：布的接触模式 第一章：文献综述 ( 4 ) 抛光液颗粒的性质：抛光液主要是由纳米粒径大小的s i 0 2 胶体悬浮液组 成的碱性溶液，其尺寸在2 0 1 0 0 n m 之间【2 2 , 4 1 - 4 4 】。一般情况下，当颗粒尺寸增加时， 抛光速率会增加，但颗粒尺寸过大则易凝聚成团，使硅片表面划痕增加；颗粒硬度增 加，抛光速率增加，但会引起划痕增加，表面质量下降l3 5 ，“】，表面的去除是一种脆 性的机械去除行为【4 5 】。颗粒的浓度增加时，去除速率也随之增加，但当颗粒浓度超过 某一值时，抛光速率缓慢增加，达到饱和，颗粒浓度太大时表面质量降低【3 5 ，4 1 ，42 1 ， 一般颗粒浓度在2 左右。 硅片表面与抛光布之间的摩擦力与压力成线性关系，但随着圆盘转速的增大而缓 慢地下降。为了计算抛光过程中一定压力和转速下的表面的去除速率( r e m o v a l r a t e ) ，引入泊松方程f “l ： r e m o v a l r a t e = k p - p 。v 一( 2 ) 式中k p 是抛光系数，v 表示圆盘和硅片的相对速度，p 表示硅片表面抛光压强， 由下式决定： p ：三 以 l 为在硅片上施加的压力，a w 是硅片与抛光布的接触面积。如果硅片表面有大 的凸起部分，抛光布就会与表面上这些部分接触，使整个接触面积远小于整个硅片的 面积，从而去除表面高的部分，达到整个表面平坦化的目的。 从式( 2 ) 中可以看出，去除速率分别与压力和相对速度成正比，压力越大，机 械磨削作用和去除速率越大。要使整个硅片表面有很好的均匀性，就必须考虑硅片表 面不同部分的压力p 和速度。 泊松方程是大约在8 0 年前为了求两个平面相互摩擦的去除速率而提出的方程， 后来经过修改应用于基于抛光液中有颗粒的抛光过程中。尽管由于简单而被广泛采用 ( 或者略作修改) ，但它存在两个缺点：一是这个方程只是来自于机械抛光，没有考 虑到化学因素；二是它只是一个表象方程，不能更深入地建立起各个工艺参数之间的 联系，例如抛光液中颗粒的浓度、大小、d h 值以及抛光布的性质。基于以上两点， 泊松方程不能作为研究抛光过程的出发点，但仍然是研究抛光去除速率和抛光后的表 而平整度的非常有用的：1 舆。 第一章：文献综述 为了考虑抛光液在抛光过程中的作用，许多人建立起硅片与垫光垫之间的接触模 型【4 7 “】，在这些模型中最重要的一点是，抛光过程中硅片表面与抛光布之间有一层 抛光液薄层，厚度由硅片表面和抛光布之间的接触模式决定。由实验测得的厚度大约 为几个微米到几十个微米【4 8 l 。硅片和抛光布的接触程度是由硅片和抛光布之间抛光液 薄膜厚度决定的，如果薄膜厚度比抛光布平均凸峰高度大，则抛光过程被认为是在流 体接触区域，可以用流体动力学理论来建立抛光去除机理模型；如果薄膜厚度比抛光 布凸峰高度小，导致硅片和抛光布完全接触，则接触模式被认为是在全接触区域，可 以用接触力学理论来建立抛光去除机理模型【5 肌5 “。当硅片和抛光布之间既有直接接 触部分又有非直接接触部分时，则c m p 过程被认为是在半接触域，可以用接触力学 模型和流体动力学理论来建立抛光c m p 模型，即为基于接触力学和液体力学原理的 混合模型。流体动力学模型是基于液体动压滑动轴承的原理建立的【5 3 4 ”。硅片和抛 光布非直接接触，抛光压力全由硅片和抛光布之间的抛光液所承受，表面去除是由抛 光液薄膜在硅片表面产生的表面应力和抛光液的化学腐蚀形成的。接触力学原理的模 型是基于硅片和抛光布完全接触，抛光压力主要由固一固接触的抛光布、硅片和颗粒 所承受，表面的去除是通过颗粒在硅片表面的磨削作用完成。当使用软抛光布抛光时， 抛光去除速率主要由硅片和垫子接触区域的总颗粒数量所决定；而使用硬质抛光布抛 光时，表面去除速率主要取决于颗粒与硅片总的接触面积。在接触力学和液体力学原 理的混合模型中【5 8 。，硅片和抛光布之间不仅有硅片( 颗粒) 一抛光布接触模式， 还存在硅片液体膜一抛光布接触模式，作用压力由抛光柿的凸起部分和抛光液薄膜 所承受。 为了定性地研究硅片表面与抛光布之间的抛光液行为，用s t r i b e c k 曲线来定性地 表征界面的接触情况【删，如图3 ，s t r i b e c k 曲线表示h e r s e y 数与摩擦系数之间的关系。 引入h e r s e y 数，其定义如下： h e r s e vn u m b e r ：v i s c o s i t y xv e l o c i t y 。pt。essure ( 4 ) 第一章：文献综述 巍 垛 鲢 世 流体接触区 h e r s e y 数 型 鞋 衄 避 饕 求 q h e r s e y 数 图3 ：h e r s e yn u m b e r 与摩擦系数之间的关系 根据h e r s e y 数的大小，s t r i b e c k 曲线分成三个区域：边界区、固一液混合接触区 和流体接触区，如图3 所示。从图中可以看出，在不同的压力范围内，摩擦系数随着 h e r s e y 数的变化而变化，摩擦系数的大小影响表面微观上的去除行为。在边界区内硅 片表面与抛光布几乎完全机械接触，硅片表面的抛光液薄层厚度几乎为零，此时化学 机械抛光过程主要是抛光布对硅片表面的机械磨削过程。在固一液混合接触区内，硅 片的表面接触由抛光稚表面微观凸起部分与硅片的接触，以及硅片与抛光液的流体接 触两部分组成，抛光液薄层的厚度随压力的增大而减小。在流体接触区内抛光压力很 小，抛光液薄层厚度达到最大，并在压力减小时保持不变，如图3 。硅片表面与抛光布 之间的接触状态的不同引起摩擦系数的不同，从而影响抛光时的机械作用的强度。只 有当界面处于固液接触区并且化学腐蚀作用与机械去除作用达到平衡时才能得到较 好的抛光表面。 1 1 2c m p 过程中的化学作用 如前而所讲，抛光过程中硅片表而与抛光布之间有一层抛光液薄层，抛光液对硅 片表面进行腐蚀，生成一层氧化物过渡层，在抛光液中的胶体颗粒与抛光布的共同作 用下被去除掉。硅片表面不断被腐蚀和去除，因此，化学机械抛光过程就是化学腐蚀 作用与机械去除作用之间的交替的过程。当化学作用较大时，碱性抛光液会强烈地腐 蚀硅片表面，特别是在有缺陷和机械损伤处，使表面微粗糙度增加，因此，在化学机 械抛光过程中必须充分考虑抛光液剥硅片表面的化学作用。抛光过程中的化学作用主 要由以下两个因素决定： 第一章：文献综述 ( 1 ) 抛光区域温度：一般情况下硅片表面温度升高，加强了抛光液化学反应能 力，使抛光速率增加，但由于温度与抛光速率成指数关系，过高的温度会引起抛光液 的挥发及快速的化学反应，表面腐蚀严重，因而会产生不均匀的抛光效果，使抛光质 量下降。而表面温度低时，则化学反应速率低、抛光速率低、机械损伤严重；因此抛 光区应有最佳温度值。通常抛光区温度控制在3 8 5 0 。c ( 粗抛) 和20 30 。c ( 精抛) 5 4 1 。另外，要保持整个硅片表面温度均匀，局部的不均匀会形成腐蚀坑。 ( 2 ) 抛光液的ph 值：抛光液的ph 值是化学作用的非常重要的因素，对硅片 表面的各向异性腐蚀及氧化层的形成、胶体颗粒的溶解、胶体稳定性有很大的影响， 从而影响抛光的去除速率和表面质量，因此应严格控制。在机械作用一定时，化学作 用不仅影响了硅片表面形貌，还影响抛光速率，从图4 可以看出，在不同的ph 值 范围内抛光速率不同。从图中我们可以看到，在p h 值在小于1 1 时抛光速率逐渐增 大，当p h 。1 1 时达到最大值，去除速率达到峰值，但随着当p h 值继续增大，去除 幽4 ：p h 值1 j 去除述：爷和州糙度的变化f f | 线 第一章：文献综述 率却缓慢地下降。由于在抛光过程中其它工艺参数和抛光液中的颗粒百分含量不变而 只改变p h 值，因此p h 值与去除速率的变化代表了硅表面化学作用程度的变化。在 每个p h 范围内的化学反应速率不同，说明在每个p h 值范围内的表面分子反应机理 是不同的。 1 1 3 大尺寸硅片的双面抛光工艺 为了降低生产成本，硅片逐渐向大尺寸的方向发展，为了解决硅片抛光过程中因 尺寸的增大而带来的平整度问题，双面抛光逐渐代替单面抛光工艺，从而获得集成电 路用大尺寸硅抛光片。如前面所述，双面抛光过程中硅片运动状态完全不同于单面抛 光，抛光过程中硅片表面形貌对工艺参数( 如压力和转速) 的变化非常敏感，在双面 抛光过程中，抛光时的压力对纳米形貌产生很大的影响，在其它参数不变的情况下， 某一个压力范围内抛光硅片表面纳米形貌最小【3 2 】，如图5 。1 z a r u d i t 和b s h a n 的研 究同样表明，抛光时的压力对表面形貌有很大的关系，在压力很低时表面粗糙，随 着压力的增大表面质量逐渐变好，但在压力很大时机械作用远大于化学作用，表面形 貌变差。因此，如何控制双面抛光的工艺参数成为单面抛光向双面抛光转变过程中遇 到的主要问题。 、 ， 、 ， 一 、 ， 一 一 ， 一 一 一 _ ， r _ 0 0 o 120 1 40 160 802 db a r ( a ) 硼阳 第一章：文献综述 3 0 n m 2 5 2 0 1 5 1 0 5 s 一 一 _ - 一 ， 、 ， ， 一! 一一 一 一 _ 一一 j ，一 ， j ，_ 0 1 00 1 2 0 1 40 1 60 1 80 2 0b a r ( b ) 图5 ：3 0 0 m m 抛光片表面的纳米形貌数据( a ) ：l o * l o m m 2 ； ( b ) 2 * 2 m m 2 1 2 硅片的清洗工艺 l - 2 1 标准r c a 清洗工艺 由于大直径硅抛光片表面质量的重要性，在硅片抛光之后和器件制备之前，甚至 在器件的制备过程中，硅片( 或晶片) 的清沈都是一个非常重要的工艺步骤。清洗工 艺的好坏在很大程度上决定了器件的成品率。因此，在清洗过程中必须对硅片表面质 量进行j “格的控制，以达到最佳的清洗效果和所需要的表面质量。 标准清洗工艺中的s c 一1 溶液主要作用是去除表面颗粒和有机玷污。在清洗过程 中硅片表面不断形成氧化膜，这层氧化膜又不断地被溶解掉( 即l i f t o f f 效应) ，这 样表面颗粒被去除。去除颗粒后，颗粒还可以重新吸附到硅片表面，因此，清洗液必 须具有防止颗粒的再吸附能力。为此，必须弄清楚硅片表面颗粒的去除原理。 颗粒和硅片之间主要存在两种相互作用力。一是近距离相互作用的范德华力，这 种力在颗粒直径越小时越显得重要；另一种力是静电相互作用力，大约所有物质和水 溶液接触时其表面都带电( 具有电位) ，在溶液中由于离子的存在，在电荷表面 周围形成电偶层，硅片和颗粒表面接近，电偶层处于互干h 重叠状态，产生静电相互作 用。 第一章：文献综述 电位是硅片表面颗粒吸附的重要参数，它是溶液的p h 值的函数，图6 为溶液 d h 值与电位的关系【6 2 1 。在酸性溶液中，硅的电位为负，s i 3 n 4 、s i 0 2 、p s l 等 多数颗粒为正，在静电作用下颗粒易被吸附到硅片表面上，因此在酸性溶液中容易产 生颗粒玷污。而在碱性溶液中，电位均为负，对颗粒的清洗非常有利。在实际生 产中，碱性s c 1 清沈清洗过程中再加上兆声波，可以获得非常好的清洗效果。 其次s c 一1 清洗液有去除表面轻有机物玷污的作用。轻有机物玷污的去除主要靠 h 2 0 2 ，因h 2 0 2 具有强氧化性，可以氧化分解较轻的有机物质，达到去除有机物的目 的。重有机物靠h 2 0 2 很难氧化分解，这时就需要h 2 s 0 4 h 2 0 2 溶液来清洗。 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 一4 0 6 0 8 0 p h z e t ap o t e n t i a lv 8p h 图6 ：不同物质表面电位与溶液p h 值的关系 s c 2 清洗液用来去除重金属玷污，并防止溶液中的金属离子重新沉积到硅片表 面。其化学成分为h c l h 2 0 j h 2 0 ，浓度为1 ：1 ：5 ( 体积比) 或者更稀。由于s c - 2 清洗液为强酸性，它可以溶解碱金属和金属氢氧化物。使用s c 2 清洗液后硅片表面 不被腐蚀，在表面留下具有亲水性的硅一氧键。 在金属的去除过程中，要防止金属的再吸附。金属的附着一种是电化学附着，例 如c 。离予通过与硅交换电子，而后还原成金属c 。吸附到裸硅表面就是电化学吸附。 在s c 一1 这样的碱性溶液中，即使是f 。、a i 、z n 等金属，也很容易附着存硅片表面。 这些金