CMP稀土拋光液的制備及超光滑硅片的化學(xué)機(jī)械拋光研究.pdf

1、化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)作為目前能夠提供超大規(guī)模集成電路制造過(guò)程中全局平坦化的一種新技術(shù)，將在未來(lái)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。近年來(lái)隨著超精密光學(xué)元件等新領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)，對(duì)高純度和超細(xì)稀土二氧化鈰拋光粉料的要求逐漸提高，其用量也在迅速增加。因此，開(kāi)發(fā)研究高質(zhì)、高效的稀土CeO<,2>研磨粒子和配制同樣高效的二氧化鈰CMP拋光液具有廣闊的應(yīng)用前景。 CMP的重點(diǎn)是研制一種

2、高質(zhì)、高效的拋光液。普遍認(rèn)為，完美拋光液的制備需控制以下三個(gè)技術(shù)：磨料制造技術(shù)、磨料分散技術(shù)和拋光液配方技術(shù)。本文討論了用于化學(xué)機(jī)械拋光領(lǐng)域的CeO<,2>磨料的制備技術(shù)，并對(duì)拋光液的配制及在CMP過(guò)程中的拋光原理進(jìn)行了研究，用本研究小組所配制的拋光液在單晶硅片上進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，取得了較好的試驗(yàn)效果。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究，本文的工作可以歸納為以下幾個(gè)方面： 一．磨料制備技術(shù)：磨料的制備之所以重要是由于它是直接提供配制拋光液的原材料和

3、基礎(chǔ)，是拋光液的重要組成部分。磨料的質(zhì)量高低決定著拋光的機(jī)械作用大小，影響著拋光后清洗的效果。磨料的種類(lèi)、粒徑大小、形貌及含量對(duì)拋光速率和拋光表面的完美性都有很大影響。 1．形貌、粒徑可控的納米CeO<,2>O<,2>拋光磨料的制備：研究了以氨水為沉淀劑，溶液的酸堿環(huán)境、溶劑種類(lèi)、加料方式、SO<,4><'2->的加入、熱處理等因素對(duì)產(chǎn)物的晶粒、形貌的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以在室溫下直接得到螢石結(jié)構(gòu)的納米CeO<,2>磨料粒子，

4、并通過(guò)控制熱處理的溫度來(lái)控制粒子的大小；控制溶液的pH值得到了不同形貌的納米CeO<,2>粒子。酸、堿性條件下分別得到了球形和針狀顆粒，中性條件下呈現(xiàn)球形和針狀的混合粒子；加入SO<,4><'2->后，得到了分散性好的晶粒；用乙醇做溶劑得到了粒徑為15nm，分布均勻的納米顆粒；正加料可以得到球狀、針狀及混合形貌的納米CeO<,2>，而反加料僅能得到針狀納米顆粒。 2．形貌各異的超微CeO<,2>磨料的制備：以尿素為沉淀劑制備出了

5、單相斜方晶系的前驅(qū)體Ce<,2>O(CO<,3>)<,2>·H<,2>O，經(jīng)煅燒前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為立方晶系的CeO<,2>粒子。并得出合成過(guò)程中最佳反應(yīng)條件為：原料配比為1：40，反應(yīng)溫度為85℃，反應(yīng)時(shí)間為4h；在最佳條件下合成的超細(xì)CeO<,2>前驅(qū)體為紡錘形，500℃煅燒2h后的粉體形貌為類(lèi)紡錘形；添加不同的表面活性劑對(duì)前驅(qū)體形貌有著不同的影響：陽(yáng)離子型表面活性劑CTAB對(duì)Ce<,2>O(CO<,3>)<,2>·H<,2>O晶體的形貌影

6、響不大，只是產(chǎn)物尺寸變小，分散性得到改善；加入非離子型表面活性劑PEG19000和OP-10分別得到了形狀排列有序、尺寸較均勻、無(wú)團(tuán)聚的微米棒及具有緊密結(jié)合中心的發(fā)散狀的花樣微粒，并探討了形貌形成的影響機(jī)理。以草酸二甲酯為沉淀劑制備出了具有單斜晶系結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體十水合草酸鈰(Ce<,2>(C<,2>O<,4>)<,3>·10H<,2>O)，在500℃下煅燒產(chǎn)物為面心立方螢石結(jié)構(gòu)的CeO<,2>顆粒，且晶型比較完整。討論了不同反應(yīng)溫度對(duì)前驅(qū)

7、體形貌的影響及機(jī)理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)溫度為30℃、50℃、65℃和85℃時(shí)，所得產(chǎn)物形貌分別為無(wú)規(guī)則外形、類(lèi)球狀、大米粒狀及片狀。 二．高效拋光液的配制及表面性質(zhì)：拋光液是化學(xué)機(jī)械拋光的關(guān)鍵，CMP中的化學(xué)作用和機(jī)械作用都是由拋光液提供的，它的性能直接決定最終CMP的質(zhì)量和效果，拋光速率、拋光后表面質(zhì)量、平整度等關(guān)鍵參數(shù)都在很大程度上依賴(lài)于拋光液的成分組成。所以，拋光液的配制是CMP工藝中的重點(diǎn)。 1．闡述了CMP拋光液的配制

8、方法，主要采用了分散法——即將納米CeO<,2>粉末利用機(jī)械手段分散于水溶液中以獲得CMP拋光液的方法，采用該法所獲得的CMP拋光液具有純度高、濃度高、粘度低、分散穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。 2．討論了拋光液成分及其含量的選擇條件以及pH值的選擇、外加劑用量的選擇等對(duì)最終拋光液配制的影響和拋光效果的差異。探索了CMP拋光液的成分用量及各成分的作用；對(duì)拋光液的性能從懸浮性、分散性、潤(rùn)濕性、穩(wěn)定性方面進(jìn)行了優(yōu)化，篩選出了能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的拋光

9、液的pU值，即酸性拋光液的pH=4，堿性拋光液的pn=10。 3．研究了硅片CMP拋光液的表面狀態(tài)，其中最主要的為水合作用和吸附狀態(tài)。水合作用普遍存在，能起到降低表面硬度的作用，使化學(xué)反應(yīng)更快地進(jìn)行。拋光液的拋光作用首先是與被作用工件之間發(fā)生水合反應(yīng)，而后其中的化學(xué)成分與所拋工件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隨即再通過(guò)拋光液中磨料的機(jī)械作用把反應(yīng)產(chǎn)物去除掉，才完成了化學(xué)機(jī)械拋光的主要過(guò)程；了解硅片CMP的表面吸附狀態(tài)，根據(jù)表面吸附動(dòng)力學(xué)及模型，

10、制備出符合要求的高效拋光液。 三．適合硅片拋光的拋光液配方：通過(guò)磨料粒子、磨料形貌、拋光液成分的選擇，系統(tǒng)研究了拋光液中拋光磨料、氧化劑種類(lèi)和濃度以及拋光液的pH值等因素對(duì)硅片表面去除的影響。在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，不同拋光液添加劑會(huì)影響拋光表面粗糙度和材料去除率。拋光后的硅片用美國(guó)．Zygo公司的New View 5000 System表征表面的拋光結(jié)果。 1．采用化學(xué)分散法制備以10nm CeO<,2>為磨料的拋光液，

11、克服了粉碎性CeO<,2>磨料顆粒大小不均勻、顆粒形狀不均勻?qū)杵砻嫒菀自斐蓜潅娜秉c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高速率、高平整、低損傷、懸浮穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)效果。 2．通過(guò)酸性、堿性拋光液的實(shí)際操作結(jié)果，改寫(xiě)了以往單一酸性或單一堿性拋光液的歷史?？梢钥闯觯褂眉{米CeO<,2>磨料拋光后的表面粗糙度值有明顯降低，表面微凸峰的尺寸更加細(xì)小，表面的微觀起伏更趨于平緩，說(shuō)明這種拋光液具有更加明顯的拋光優(yōu)勢(shì)，能使硅片的表面質(zhì)量得到明顯改善。 3．通過(guò)

12、實(shí)驗(yàn)表明，酸、堿拋光液的化學(xué)組成配方分別為： (1)酸性條件下Si片的拋光液配方為：2％CEO<,2>+0.5％HNO<,3> (pH=4)+1.0％BTA+0.2％H<,2>O<,2>； (2)無(wú)機(jī)堿NH<,3>·H<,2>O條件下Si片的拋光液配方為：2％CeO<,2>+0.1％NH<,3>·H<,2>O (pH=10)+0.5％K<,3>Fe(CN)<,6>+5％H<,2>O<,2>(3)有機(jī)堿三乙醇胺條件下Si片