半導體硅片化學機械拋光電化學與拋光速率研究.pdf

1、集成電路(IC)是推動國民經濟和社會信息化發(fā)展最主要的高新技術，也是改造和提升傳統(tǒng)產業(yè)的核心技術。IC所用的半導體材料主要是硅和鍺、砷化鎵等，全球90％以上IC都采用硅片。高質量的硅晶片是芯片制造和IC發(fā)展的基礎。制造IC的硅片不僅要求極高的平面度，極小的表面粗糙度，而且要求表面無變質層、無劃傷。化學機械拋光(CMP)是制備表面無損傷硅片的最后工序，成為半導體制造技術中硅片加工的至關重要的一步。 CMP過程實際上是磨粒磨損下的電

2、化學過程，因此用電化學方法研究CMP具有十分重要的意義。本文運用電化學實驗方法，以溶液化學、腐蝕電化學原理、摩擦磨損原理、流體力學邊界層等相關理論為指導，采用旋轉圓盤電極，系統(tǒng)研究和探討了n(100)、n(111)、p(100)、p(111)半導體硅片在納米SiO<,2>拋光漿料中的成膜行為、CMP中的電化學行為、拋光速率及CMP過程機理等。研究的內容及獲得的主要結論如下： 運用電化學直流極化和交流阻抗技術，研究了半導體硅片在納

3、米SiO<,2>拋光漿料中的腐蝕行為，探討了pn值、SiO<,2>固含量、成膜時間和雙氧水濃度等因素對成膜性質的影響。結果表明，pH值嚴重影響硅片的成膜，pH值為10.5時的鈍化膜最厚，電化學阻抗圖譜(EIS)測試結果顯示，鈍化膜厚度大約為5.989A；SiO<,2>固含量對硅片的腐蝕成膜沒有影響；雙氧水會加速硅片的成膜，隨著雙氧水濃度的增加，腐蝕電位不斷提高，腐蝕電流密度逐漸減小：(100)晶面成膜速度較(111)晶面快。運用循環(huán)伏安

4、線性電位掃描法研究了硅片在納米SiO<,2>漿料中的成膜機理，根據峰電流隨掃描速率不同而變化的規(guī)律，證明了成膜過程符合Müller模型。 研究了CMP過程中，硅片的腐蝕電位和腐蝕電流密度隨拋光壓力、拋光轉速、SiO<,2>固含量、漿料pH值以及雙氧水濃度的變化規(guī)律。拋光壓力、拋光轉速以及SiO<,2>固含量的提高有助于表面膜的去除。研究發(fā)現，腐蝕電流密度在一定范圍內基本上隨拋光壓力、拋光轉速以及SiO<,2>固含量的增加而線性增

5、大；漿料pH值嚴重影響硅片拋光時的腐蝕電位及腐蝕電流密度，pH值為10.5時，拋光時的腐蝕電流密度最大；H<,2>O<,2>的加入使得腐蝕電位升高、腐蝕電流密度增大。 考察了硅片在納米SiO<,2>漿料中CMP過程的拋光速率及其影響因素，探討了拋光壓力、拋光轉速、SiO<,2>固含量、漿料pH值、雙氧水濃度以及拋光時間等因素對拋光速率的影響規(guī)律。研究結果表明，拋光速率隨拋光壓力、拋光轉速的增加而呈次線性方式增加；隨SiO<,2>

6、固含量的增加而增大，當濃度達到一定值時，就會發(fā)生材料去除飽和現象；拋光速率隨漿料pH值和雙氧水濃度變化曲線上都會出現一個峰值，在峰值處化學作用和機械作用達到一種動態(tài)平衡，拋光速率最大；隨拋光時間的延長，拋光速率逐漸減小；(100)晶面的拋光速率遠遠大于(111)晶面。通過測試拋光前后交流阻抗圖譜的變化，證實了拋光是一個成膜-去除-再成膜的循環(huán)往復的過程。根據半導體硅片CMP動態(tài)電化學研究與拋光速率研究結果的一致性，表明電化學可以作為硅片

7、CMP過程及機理研究的可靠方法，這為硅片CMP研究提供了新思路。 通過以上研究，獲得了適合半導體硅片CMP的優(yōu)化工藝參數為： n(100)：40kPa，100rpm，20wt％SiO<,2>，pH10.5，1vol％H<,2>O<,2> n(111)：40kPa，200rpm，20wt％SiO<,2>，pH10.5，1vol％H<,2>O<,2> p(100)：40kPa，200rpm，20wt％SiO<