納米SiO-,2-漿料中半導體硅片的化學機械拋光及其應用研究.pdf

1、隨著集成電路(IC)的快速發(fā)展，對襯底材料硅單晶拋光片表面質(zhì)量的要求越來越高，化學機械拋光(CMP)是目前能實現(xiàn)全局平面化的唯一方法。研究硅片CMP技術中漿料性質(zhì)、漿料與硅片相互作用、拋光速率及硅片CMP過程機理具有重要理論指導意義和實際應用價值。本文運用膠體化學、電化學和量子化學的原理和方法，系統(tǒng)研究了半導體硅片CMP技術中若干重要問題。 詳細研究了水相體系納米SiO2漿料的分散穩(wěn)定性能，考察了納米SiO2顆粒在不同pH值介質(zhì)

2、中的潤濕性和穩(wěn)定性，探討了不同分散方法及加入不同種類表面活性劑對納米SiO2顆粒吸光度、表面Zeta電位和吸附量等的影響，并通過顆粒間相互作用能的計算，分析討論了納米SiO2漿料在不同條件下的分散行為和作用機理。研究得出，納米SiO2顆粒的等電點(pHIEP)約為2，在酸性介質(zhì)中有較好的潤濕性，在堿性介質(zhì)中有較好的穩(wěn)定性，其分散行為與其表面Zeta電位有很好的一致關系，隨pH升高，由于增加顆粒表面Zeta電位，產(chǎn)生靜電排斥作用使穩(wěn)定性提

3、高；機械攪拌和超聲波均可有效促進納米SiO2漿料的分散，但保持漿料持久穩(wěn)定需加入表面活性劑作為分散劑；不同種類表面活性劑的分散機理不同，非離子型Triton X-100主要通過在顆粒表面形成吸附層，產(chǎn)生空間位阻效應，同時可在一定程度上改變顆粒表面電Zeta電位，產(chǎn)生靜電排斥效應而阻止顆粒聚集；陽離子型CPB和陰離子型SDBS主要由于靜電排斥效應起穩(wěn)定作用；加入1:1 Triton X-100/SDBS復配物則可同時增強靜電排斥和空間位阻

4、作用，能顯著改善納米SiO2顆粒的分散能力，獲得達30d以上穩(wěn)定的漿料。 運用電化學實驗方法，采用旋轉圓盤電極，系統(tǒng)研究了不同摻雜類型及不同晶面半導體硅片在納米SiO2漿料中的腐蝕成膜特性和成膜機理，分析了硅片成膜隨漿料pH值、SiO2固含量、成膜時間和H2O2濃度等條件的變化規(guī)律；通過白行組裝的CMP裝置，進一步探討了硅片在動態(tài)CMP過程中的電化學行為，研究了拋光壓力、拋光轉速、SiO2固含量、漿料pH值以及H2O2濃度等因素

5、對硅片拋光時的腐蝕電位和電流密度的影響和作用機理。結果表明：Si(100)晶面成膜速度較Si(111)晶面快，硅片成膜符合Muller模型；漿料pH值對硅片成膜和CMP時的腐蝕電位及腐蝕電流密度影響很大，pH值約為10.5時硅片表面形成的鈍化膜最厚(約5.989A)，而CMP時其腐蝕電流密度最大，說明此時腐蝕成膜和拋光去膜速率最快；漿料中加入一定濃度H2O2作為氧化劑能加速硅片成膜，并使CMP時的腐蝕電位升高，腐蝕電流密度增大，從而促進

6、拋光去膜；一定程度提高拋光壓力、拋光轉速以及SiO2固含量有助于硅片表面鈍化膜的去除；由此獲得了本實驗條件下的拋光優(yōu)化工藝參數(shù)如下。 n(100)：40kPa，100rpm，5～10wt％SiO2，pH10.5，1vol％H2O2n(111)：40kPa，200rpm，5～10wt％SiO2，pH10.5，1vol％H2O2p(100)：40kPa，200rpm，5～10wt％SiO2，pH10.5，2vol％H2O2p(111)：60

7、kPa，200rpm，5～10wt％SiO2，pH10.5，2vol％H2O2在CMP電化學研究基礎上，考察了n(100)和n(111)型半導體單晶硅片在納米SiO2漿料中不同拋光壓力、拋光轉速、SiO2固含量、漿料pH值、H2O2濃度以及拋光時間等條件下的拋光速率，分析得出硅片CMP過程機理。研究發(fā)現(xiàn)，拋光速率隨漿料中SiO2固含量的增加會發(fā)生材料去除飽和現(xiàn)象；拋光速率隨拋光壓力和拋光轉速增加而呈次線性方式增加，說明CMP是機械和化學

8、協(xié)同作用的過程；拋光速率隨拋光時間延長逐漸減小，但變化程度趨于平穩(wěn)；拋光速率隨漿料pH值和H2O2濃度變化曲線上出現(xiàn)最大值，是由于化學作用和機械作用達到動態(tài)平衡；相同條件下Si(100)晶面的拋光速率遠大于Si(111)晶面；認為硅片CMP是一個成膜-去除-再成膜的循環(huán)往復過程；半導體硅片CMP動態(tài)電化學與拋光速率研究結果很好的一致性，表明電化學可作為硅片CMP過程及機理探討的可靠方法，從而為硅片CMP研究提供了新思路。 應用量

9、子化學計算方法，探討了硅片CMP的化學作用機理。模擬Si(111)面構造出一種硅簇模型，并推測硅片CMP過程得到的硅晶面為H中止；對反應勢能面上的反應物、產(chǎn)物、中間體和過渡態(tài)的幾何構型進行了全優(yōu)化，研究了硅片CMP過程的反應路徑；比較了漿料中采用不同堿對硅片的CMP效果；并從熱力學角度研究了水對硅片CMP的作用機理，建立了相應的團簇結構模型以描述≡Si-O-Si≡等類物質(zhì)的性質(zhì)，計算得出了主要反應的溶解自由能和平衡常數(shù)，為進一步開展更深

10、入的研究奠定了理論基礎。 成功配制出粗拋和中拋漿料(GRACE2040)并應用于北京有研硅股半導體硅片的CMP工業(yè)生產(chǎn)中。結果表明：GRACE2040作為粗拋或中拋漿料，其粗拋去除速率達到北京有研硅股質(zhì)量要求；粗、中拋光墊的使用壽命超過正常值(20h)；拋光硅片幾何參數(shù)、表面質(zhì)量參數(shù)、表面粗糙度和合格品率均超過國家及北京有研硅股質(zhì)量標準。北京有研硅股認為，GRACE2040粗、中拋光液完全能滿足現(xiàn)有拋光工藝的要求，建議采購部將其