納米SiO-,2-漿料中半導(dǎo)體硅片的化學(xué)機(jī)械拋光及其應(yīng)用研究.pdf

1、隨著集成電路(IC)的快速發(fā)展，對(duì)襯底材料硅單晶拋光片表面質(zhì)量的要求越來(lái)越高，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是目前能實(shí)現(xiàn)全局平面化的唯一方法。研究硅片CMP技術(shù)中漿料性質(zhì)、漿料與硅片相互作用、拋光速率及硅片CMP過(guò)程機(jī)理具有重要理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文運(yùn)用膠體化學(xué)、電化學(xué)和量子化學(xué)的原理和方法，系統(tǒng)研究了半導(dǎo)體硅片CMP技術(shù)中若干重要問(wèn)題。 詳細(xì)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(rùn)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(duì)納米SiO2顆粒吸光度、表面Zeta電位和吸附量等的影響，并通過(guò)顆粒間相互作用能的計(jì)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(jī)理。研究得出，納米SiO2顆粒的等電點(diǎn)(pHIEP)約為2，在酸性介質(zhì)中有較好的潤(rùn)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(guān)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(jī)械攪拌和超聲波均可有效促進(jìn)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(jī)理不同，非離子型Triton X-100主要通過(guò)在顆粒表面形成吸附層，產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，同時(shí)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(yīng)而阻止顆粒聚集；陽(yáng)離子型CPB和陰離子型SDBS主要由于靜電排斥效應(yīng)起穩(wěn)定作用；加入1:1 Triton X-100/SDBS復(fù)配物則可同時(shí)增強(qiáng)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(dá)30d以上穩(wěn)定的漿料。 運(yùn)用電化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，采用旋轉(zhuǎn)圓盤電極，系統(tǒng)研究了不同摻雜類型及不同晶面半導(dǎo)體硅片在納米SiO2漿料中的腐蝕成膜特性和成膜機(jī)理，分析了硅片成膜隨漿料pH值、SiO2固含量、成膜時(shí)間和H2O2濃度等條件的變化規(guī)律；通過(guò)白行組裝的CMP裝置，進(jìn)一步探討了硅片在動(dòng)態(tài)CMP過(guò)程中的電化學(xué)行為，研究了拋光壓力、拋光轉(zhuǎn)速、SiO2固含量、漿料pH值以及H2O2濃度等因素

5、對(duì)硅片拋光時(shí)的腐蝕電位和電流密度的影響和作用機(jī)理。結(jié)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(duì)硅片成膜和CMP時(shí)的腐蝕電位及腐蝕電流密度影響很大，pH值約為10.5時(shí)硅片表面形成的鈍化膜最厚(約5.989A)，而CMP時(shí)其腐蝕電流密度最大，說(shuō)明此時(shí)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(shí)的腐蝕電位升高，腐蝕電流密度增大，從而促進(jìn)

6、拋光去膜；一定程度提高拋光壓力、拋光轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(xué)研究基礎(chǔ)上，考察了n(100)和n(111)型半導(dǎo)體單晶硅片在納米SiO2漿料中不同拋光壓力、拋光轉(zhuǎn)速、SiO2固含量、漿料pH值、H2O2濃度以及拋光時(shí)間等條件下的拋光速率，分析得出硅片CMP過(guò)程機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，拋光速率隨漿料中SiO2固含量的增加會(huì)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(zhuǎn)速增加而呈次線性方式增加，說(shuō)明CMP是機(jī)械和化學(xué)

8、協(xié)同作用的過(guò)程；拋光速率隨拋光時(shí)間延長(zhǎng)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(xué)作用和機(jī)械作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；相同條件下Si(100)晶面的拋光速率遠(yuǎn)大于Si(111)晶面；認(rèn)為硅片CMP是一個(gè)成膜-去除-再成膜的循環(huán)往復(fù)過(guò)程；半導(dǎo)體硅片CMP動(dòng)態(tài)電化學(xué)與拋光速率研究結(jié)果很好的一致性，表明電化學(xué)可作為硅片CMP過(guò)程及機(jī)理探討的可靠方法，從而為硅片CMP研究提供了新思路。 應(yīng)用量

9、子化學(xué)計(jì)算方法，探討了硅片CMP的化學(xué)作用機(jī)理。模擬Si(111)面構(gòu)造出一種硅簇模型，并推測(cè)硅片CMP過(guò)程得到的硅晶面為H中止；對(duì)反應(yīng)勢(shì)能面上的反應(yīng)物、產(chǎn)物、中間體和過(guò)渡態(tài)的幾何構(gòu)型進(jìn)行了全優(yōu)化，研究了硅片CMP過(guò)程的反應(yīng)路徑；比較了漿料中采用不同堿對(duì)硅片的CMP效果；并從熱力學(xué)角度研究了水對(duì)硅片CMP的作用機(jī)理，建立了相應(yīng)的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型以描述≡Si-O-Si≡等類物質(zhì)的性質(zhì)，計(jì)算得出了主要反應(yīng)的溶解自由能和平衡常數(shù)，為進(jìn)一步開(kāi)展更深

10、入的研究奠定了理論基礎(chǔ)。 成功配制出粗拋和中拋漿料(GRACE2040)并應(yīng)用于北京有研硅股半導(dǎo)體硅片的CMP工業(yè)生產(chǎn)中。結(jié)果表明：GRACE2040作為粗拋或中拋漿料，其粗拋去除速率達(dá)到北京有研硅股質(zhì)量要求；粗、中拋光墊的使用壽命超過(guò)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(guò)國(guó)家及北京有研硅股質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。北京有研硅股認(rèn)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(gòu)部將其