硅晶片化学机械抛光中的化学作用机理.pdf

分 翎迫截术 入 孔 仁 乡 硅晶片化学机械抛光中的化学作用机理 陈 志刚 陈 杨 陈爱莲 江苏工 业学院材料系机械系 江苏常州 摘要通 过 分析硅 晶片化学机械抛光过程中软质层的形成 及其对材料去除过程的影响 研究了使用纳 米 磨料进行化学机械抛光中的化学作用机理 分析表 明 软质层 是抛 光液与硅晶片反应 形 成 的一层 覆盖在硅基 体表面 的腐蚀层 其硬度比基材小 厚度 大约在儿个纳米 软质层的存在一方 面增大单个磨 料所 去除材料 的体积 增加材料去除速率另一 方面减小了磨料嵌入硅晶片基体的深度 这对于实现塑 性磨削 降低抛光 表面粗糙度 都起着重要的作用 关键词化 学机械抛光软质层化学作 用 中图分类号文献标识码文章编号 一一一 一 一 石 刀 引言 随着超大规模集成电路器件特征尺寸的减小和 集成度的提 高 要求作为衬底材料 的单晶硅片的表 面可接受的分辨 率必须达到纳米级 化学机械抛光 最初是由公 司开发的一项新技术 这 种 方法可使整 个 硅 晶 片表 面 平坦 化 目前 国际 上 在硅晶片化学机械抛光中普遍使用的是粒径在 基金项目江苏省自然 科学基余资助项目 江苏省高 技术项 日 半导体技术第 卷第期 一 的球形磨料 作为抛光料的使用已经有 了很长的历 史 被广泛地应用于精密玻璃抛光和二氧化硅介质 层的化学机械抛光 磨料表现出抛光表面粗糙 度 低 抛 光效率高等优点 当三价和四价物质单键强度规范化为各自氧化 物的 对材料的去除 率 要比高得 多 陈杨 等 人比较了不同纳 米 和 磨料对硅晶片的抛光效果 结 果表明经纳米 抛光后的表面具有最低的表面粗 年月 忽造破术 入 工 分 糙度值 对于中材料去除机理来说 现 在普遍认 为在硅单 晶片的化学机械抛光 中主要存在着化学腐 蚀作用和机械磨 削作用两个过程 但在接触 模 型 一 中 绝 大部分都是将化 学腐蚀作用对材料 去除的影响作 为一个独立 的部分 而且并没有将软 质层 的形成对材料 去除的作用以及对最终加工表面 质量 的影响解释清 楚 本文详细分析了在使用纳米 磨料对硅晶片的过程 中软质层 的形成 及其对材料去除和抛光表面粗糙度 的影响 软质层的形成及对材料去除的 影响 化学机械抛光是化学作用和机械作用相结合 的 组合技术 是一个复杂的物理化学过程 材料 的去除 首先是由化学腐蚀作用开始 的 根据摩擦化学 的相关理论 抛光过程 中 磨粒与硅晶片局部接触 点处会产生高温 高压 导致一系列复杂的摩擦化学 反应 与热化学反应相比 摩擦化学反应所需要的 自由能仅为热化学反应活化 自由能的 一 在 某些极端 的摩擦状况下甚至可 以观察到热化学反应 条件下所不能进行 的摩擦化学反应 因此硅片在碱 性抛光液的作用下 碱液会和硅 晶片表面反应生成 硅酸形成硅酸胶体覆盖在晶片表面 在硅片表面形 成一层化学腐蚀层 我们称之 为软质层 可以肯定 的是 软质层 的硬度要比晶片基 体材料 的硬度低 它 的去除相对 要容 易得 多 软质层 的形成过程 在硅 晶片的过程 中 抛 光液 中化学成分 碱液与硅晶片 的作 用 过 程 为硅晶片处 于浆状 抛 光 液 中 在 其 表 面 形 成 氢 氧 化 学 键 在硅 晶片和抛 光液中的纳 米 磨料 之 间形成化 学键通过释放一个水分子形成硅 与氧之 间的化 学键在抛 光液颗 粒离开时 硅 与硅 之间的 化学键被打破 可以写成下面的反应式 一 一 一 如果不能及 时除去溶液 中的 一 一 极易 按下式水解 一一 水解产物 能部分聚合成 多硅酸 同时另 一部分 电离生成离子 一 结果形成如下 结构 的一般硅酸胶体 用 一 十 覆盖在硅片表面上 这层 覆盖在硅 片 表面上的胶 体 我们称 为软质层 如果不及 时去 除 将影 响式所示的化 学腐蚀 作用继续进行 在使用纳米胶体做为磨料对硅晶片进行抛 光时 与又可能发生如下反应 一 一 一 这样可以加速材料的去除 同时 和发现所有抛光活性强的 物质都是强酸 而的性质又 比较特 殊 它在碱性抛光条件下是两性的 能同时吸附阳 离子和阴离子 因而在使用纳米磨料时 除 了会 发生式 式的反应 之 外 还会与水发生水合反应 一 这样在颗粒表面会形成轻基 轻基离解或 与硅反应 生成 的 一 会吸附在颗粒表面 的 从而被抛光液带走 从而减少硅片表面硅酸胶 体的形成加速反应的进 行 促进硅片表面 的 平坦化过程 抛光用 的纳米颗粒比表面积非常 大 同时 的表面轻基密度也比较大 所以它 的总离子交换容量比较大 所能吸附的离子数量也 比较大 有利于吸附的形成 促进抛光液 中碱性成 分与硅晶片的化学反应 这也是磨料的抛光效 率高于胶体 的原因 同时具有络合作用 能迅速将 一 等转 化为 一 络合反应式为 一 一 转化为饰的络合物能加速反应去除 使抛光快 速 进 行 软质层对抛光表面粗糙度以及去除率的影响 在这里我们改进了接触力学模型中纳米磨 料与硅晶片 间的接触模型 如图所示 在这个新 模型中主要考虑了软质层在使用纳米磨料抛光条件 下对材料去除过程以及抛光表面 质量的影响 把抛 光过程中化学腐蚀作用和纳米磨料的机械去除作用 结 合在了一起 在使用球形纳米 磨料抛 光硅 晶片时 我们认 为 纳米磨料压入到硅 晶片表面内使其所产生的塑 声为力了不犷口口 占协功勿口刀 为 自刀口勿夕犷 勺乙了刃匕 分 翻燕 然 杰 性变形是 由球状硬质压头球状磨料所产生的压 痕 而材料的去除正是 由压痕的滑动所造成的 图 所示的是抛光垫与硅 晶片间参与材料去除的一个球 状纳米磨料 其中是嵌入到硅 晶片表面所产生的 压痕 深度 球形磨料 产 一 软质层 屹一 气一 一基 体材料 图纳米磨料粒子与硅晶片间的接触模型 在使用纳米磨料进行抛光时 由于纳米磨料粒 子嵌入到基体材料 的部分受 到三向压应 力的作用 同时在纳米磨料与硅晶片的局部接触 点上会产生高 温高压 川 这样纳米磨料本身就会产生一定的自身 变形 考虑到纳米磨料本身变形的情况 球状纳米 磨料实际嵌入到硅晶片基体材料的深度为 二一 一 占护少 式中为纳来磨料颗粒嵌入到硅 晶片表面的最大深 度 为软质层 的厚度 占为纳米磨料 的自身变 形量 而抛光表面粗糙度值与切削深度的平均值 成正比 即厂 这样由于软质层 的存在 减小了纳米磨料 的实际嵌入深度 从而降低了抛光 表 面粗糙度 事实上软质层对单个磨料所去除材料的体积 影响很大 在本模型中可以认 为是 由两部分组 成 一部 分是软 质层 以下硅 基体材料 的体积 一部分是软质层的体积气 其 中决定了磨料嵌入 基体材料 的深度 而这个嵌入深度最终决定抛 光表面粗糙度 值 由于软质层 的存在一方面增大 了 因此可 以认为 硅 片抛光过程中的化学腐蚀 作用 是通过增加机械磨削作用来体现 的另一方面 软质层对暴 露 出的新鲜硅 晶片表 面还 具有保护 作 用 软质层承担 了一部分作用在硅 晶片上的力 从 而减 小 了 进而减 少 了切削深度 此外 软质层的形成和厚度主要与抛光条件有 关 它的厚度取决于 一或 在晶片表面的扩散 深度 在摩擦化学条件下 扩散深度会比普通条件 下的扩散深度要大一些 扩散深度还与扩散时间有 关 在化学机械抛光条件下 表面软质层 是不断被 去除 的 因此 扩散时间比较 短 有研 究表 明 在经过亲水处理的硅 晶片表面会形成一层厚度小于 的氧化膜 实际上在抛光这种特殊条件下 硅 晶片表面上的氧化软质层不会像在亲水液中被氧化 得那 么完全 因而 软质层厚度可 能更小 根据 的塑性磨削理论 当切削深 度足够小的时候 产生塑性变形所需的能量小于脆 性崩裂所需的能量 塑性流动便成为材料去除的主 要方式 当磨料为纳米尺寸时 软质层的存在能明 显影响纳米磨料在硅基体上的切削深度 这对于实 现 塑性磨 削 提 高抛光表面质量都是有利的 此 外 在使用纳米磨料的条件下 有效磨料数量的急 剧增加成为了决定材料去除率的主要影响因素 结论 软质层是抛光液中的碱性成分与硅晶片反应形 成的一层覆盖在基体表面的化学反应层 其硬度比 基材小 其厚度约为几个纳米 软质层 的硬度和厚 度都不能通过静态化学腐蚀的方法直接测量 目前 它只是一个估计值 软质层的存在能减小纳米磨料嵌入硅晶片基体 的深度 降低抛 光表 面粗糙度 提 高抛 光表面质 量软质层的存在增 大单个 磨料 的去除材料 的体 积 增 加 了材料去 除速 率 提 高了抛 光效率 参考文献 苏建修 康仁科 郭东明超大 规模集成 电路 制造中 硅片化 学机械抛光技术分析 半导体技术 一 口 刘玉岭 檀柏梅 张楷亮超大 规模集成 电路衬底材 料性能 及加工测 试技术工程 北 京冶 金 业 出 版社 李学舜稀七抛光粉 的生产及应用 中国稀上学报 一 刘立威超 大规模集成电路二氧化硅介质层的化学机械 抛 光技术的研究天津河 北 几业大学 下转第页 半导体技术第 卷第期 年 月 分 封翻减应术 明山 铭 发生改变 从而得到加速 条件下失效机理一致的应 力范围 本方法只用一组样品 所需试验 时间也大大缩 短 从 而 降低了成本 提 高了效 率 参考文献 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 企 一 李志 国 宋增超 孙大鹏失效机理及快速评价 实验技术的研究月 半导体学报 一 彭苏娥 刘 涌美 国半 导体器件的失效率及其计算方法 电子产品可靠性与环境试验 一 莫郁薇 热应力对 半导体分立器件 失效率 的影响电子 产 品可靠性 与环境试验 一 收稿日期 作者 简介 郸春生 一 男 组件 集成电路的可靠性研究 李志国 一 男 集成 电路的可靠性研究 山东 淄博入 博十 从事半导体器件 博十 生 导师 从 事 半导体器件 组件 上接 第页 一一 一 一 一 一 薛群基 刘维 民摩擦化学 的 主 要研 究领 域及其发展 趋势 化学进展 一 一 李生华 周春红 张瑞军 等 摩擦化学进 展聚化学的 地 位 与作用摩 擦学 学 报 一 汇 一 一 袁巨龙功能 陶瓷的超 精密 加 工技术 哈尔 滨哈 尔滨工 业大 学出版 社 何进 陈星