CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用CMP-化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)它利用了磨損中的“軟磨硬”原理，即用較軟的材料來進(jìn)行拋光以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的表面拋光。在一定壓力及拋光漿料存在下，被拋光工件相對(duì)于拋光墊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，借助于納米粒子的研磨作用與氧化劑的腐蝕作用之間的有機(jī)結(jié)合，在被研磨的工件表面形成光潔表面151. CMP技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是在集成電路(IC)和超大規(guī)模集成電路中(ULSI)對(duì)基體材料硅晶片的拋光。而國際上普遍認(rèn)為，器件特征尺寸在0.35 5m以下時(shí)，必須進(jìn)行全局平面化

2、以保證光刻影像傳遞的精確度和分辨率，而CMP是目前幾乎唯一的可以提供全局平面化的技術(shù)。其中化學(xué)機(jī)械拋光漿料是關(guān)鍵因素之一。拋光磨料的種類、物理化學(xué)性質(zhì)、粒徑大小、顆粒分散度及穩(wěn)定性等均與拋光效果緊密相關(guān)。此外，拋光墊的屬性(如材料、平整度等)也極大地影響了化學(xué)機(jī)械拋光的效果.隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，2003年，全球CMP拋光漿料市場已發(fā)展至4.06億美元.但國際上CMP拋光漿料的制備基本屬于商業(yè)機(jī)密，不對(duì)外公布。1化學(xué)機(jī)械拋光作用機(jī)制 CMP作用機(jī)理目前還沒有完整的從微觀角度的理淪解釋。但從宏觀上來說，可以解釋如下:將旋轉(zhuǎn)的被拋光晶片壓在與其同方向旋轉(zhuǎn)的彈性拋光墊上，而拋光漿料在晶片與底板之間連

3、續(xù)流動(dòng)。上下盤高速反向運(yùn)轉(zhuǎn)，被拋光晶片表面的反應(yīng)產(chǎn)物被不斷地剝離，新拋光漿料補(bǔ)充進(jìn)來，反應(yīng)產(chǎn)物隨拋光漿料帶走。新裸露的品片平面又發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物再被剝離下來而循環(huán)往復(fù)，在襯底、磨粒和化學(xué)反應(yīng)劑的聯(lián)合作用下，形成超精表面，要獲得品質(zhì)好的拋光片，必須使拋光過程中的化學(xué)腐蝕作用與機(jī)械磨削作用達(dá)到一種平衡。如果化學(xué)腐蝕作用大于機(jī)械拋光作用，則會(huì)在拋光片表面產(chǎn)生腐蝕坑、桔皮狀波紋;反之，機(jī)械拋光作用大于化學(xué)腐蝕作用則表面產(chǎn)生高損傷層. 為了進(jìn)一步了解CMP作用的本質(zhì)，近年來國內(nèi)外有很多關(guān)于CMP作用微觀機(jī)理的研究.清華人學(xué)王亮亮、路新春的研究表明:CMP中主要是低頻、大波長的表面起伏被逐漸消除，而小尺

4、度上的粗糙度并未得到顯著改善;當(dāng)顆粒直徑在10-25 nm的范圍時(shí)，粒徑和粗糙度不存在單調(diào)的增減關(guān)系;桔皮的產(chǎn)生主要是拋光漿料中堿濃度過高所致。而北京交通大學(xué)張朝輝等根據(jù)Lei提出的CMP作用中納米流體薄膜理論，提出化學(xué)機(jī)械拋光過程中，受載的粗糙峰和被拋光的品片表面之間存在一納米量級(jí)的薄流體膜，形成了納米級(jí)薄膜流動(dòng)系統(tǒng)，指出對(duì)納米級(jí)流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究將有助r-了解化學(xué)機(jī)械拋光的作用機(jī)理，其中，在極薄的膜厚情況下的溫度場分析是一項(xiàng)迫切任務(wù)。同時(shí)，陳楊的研究也表明了相似的觀點(diǎn):材料的去除首先源于化學(xué)腐蝕作用。一方面，在拋光過程中晶片表面局部接觸點(diǎn)產(chǎn)生高溫高壓，從而導(dǎo)致一系列復(fù)雜的摩擦化學(xué)反應(yīng);在拋光

5、漿料中的堿性組分和納米磨料顆粒作用下，硅片表面形成腐蝕軟質(zhì)層，從而有效地減弱磨料對(duì)硅片基體的刻劃作用，提高拋光效率和拋光表面質(zhì)量。另一方面，根據(jù)Preston公式: N RR=QWNV(其中，NRR為材料去除率;QW為被拋光材料的密度;N為拋光有效磨料數(shù);V為單個(gè)磨料所去除材料的體積，包括被去除的硅叢體的體積V,和軟質(zhì)層的體積V2)，軟質(zhì)層的形成導(dǎo)致v增大(即化學(xué)腐蝕作用可促進(jìn)機(jī)械磨削作用)，V1減小，從而有利于減小切削深度、增強(qiáng)塑性磨削和提高拋光表面質(zhì)量。因此，在拋光漿料質(zhì)量濃度相同的條件下，采用納米磨料拋光不僅有利于減小切削深度、提高拋光表面質(zhì)量，同時(shí)由于有效磨料數(shù)N的急劇增大，還有利于提

6、高拋光效率。應(yīng)該指出的是，軟質(zhì)層的厚度同拋光條件有關(guān)，就納米級(jí)磨料而言，相應(yīng)的軟質(zhì)層的厚度一般處于幾納米至十幾納米之間:而由于CMP是機(jī)械去除和化學(xué)去除相互作用的過程，因此難以通過靜態(tài)化學(xué)腐蝕測(cè)最軟質(zhì)層的硬度。忽略拋光墊和其它一些因素的影響，拋光漿料的流動(dòng)特性對(duì)CMP的行為有很大的影響。一般拋光漿料磨粒為圓形的納米級(jí)粒子，利用微極性流體可以模擬粒子的微旋運(yùn)動(dòng)對(duì)拋光性能的影響。張朝輝研究的模擬結(jié)果表明微極性將增加承載能力，從而有利于提高拋光速率。這一特性在低節(jié)距或低轉(zhuǎn)速下更為顯著，體現(xiàn)出尺寸依賴性。2化學(xué)機(jī)械拋光漿料 拋光漿料的成分主要由三部分組成:腐蝕介質(zhì)、成膜劑和助劑、納米磨料粒子。拋光漿料

7、要滿足拋光速率快、拋光均一性好及拋后易清洗等要求.磨料粒子的硬度也不宜太高，以保證對(duì)膜層表面的機(jī)械損害比較輕。 按pH值分類，拋光漿料主要分為兩類:酸性拋光漿料和堿性拋光漿料。一般酸性拋光漿料都包含氧化劑、助氧化劑、抗蝕劑(又叫成膜劑)、均蝕劑、pH調(diào)制劑和磨料。氧化劑起在被拋光物件表面發(fā)生氧化腐蝕作用，然后通過機(jī)械作用去除表面凸起部分，使物件表面平整:另外，氧化劑還能氧化基體表面形成一層氧化膜從而提高選擇性。助氧化劑起到提高氧化速率的作用。均蝕劑可使腐蝕均勻，從而使表面光滑細(xì)膩;抗蝕劑的作用是在被拋光物件表面與被腐蝕基體形成一層聯(lián)結(jié)膜，從而阻止腐蝕的進(jìn)行以提高選擇性。而堿性拋光漿料中一般包含

8、絡(luò)合劑、氧化劑、分散劑、pH調(diào)制劑和磨料。因?yàn)閴A性拋光漿料僅在強(qiáng)堿中才有很寬的腐蝕領(lǐng)域，而且磨料易造成劃傷，所以應(yīng)用遠(yuǎn)不如酸性拋光漿料廣泛。對(duì)于不同的腐蝕基體要選擇不同的絡(luò)合劑:分散劑一般為大分子量非離子有機(jī)分散劑，其作用是保證漿料中的磨料不發(fā)生絮凝和沉降現(xiàn)象，并使磨料的勤度保持盡可能低，具有良好的流動(dòng)性。下面主要介紹目前使用最為廣泛的幾種拋光漿料。2.1 CeO2拋光漿料 稀土氧化物CeO2具有很好的拋光性能，其特點(diǎn)是拋光速率高，對(duì)材料的去除率高，被拋光表面粗糙度和表面微觀波紋度較小，顆粒硬度低，對(duì)被拋光表面損傷較弱;其缺點(diǎn)是勃度大，易劃傷且高低選擇性不好，沉淀在介質(zhì)膜_L吸附嚴(yán)重，為后續(xù)清

9、洗帶來困難. CeO2拋光漿料廣泛應(yīng)用于玻璃精密拋光、超大規(guī)模集成電路Sio2介質(zhì)層拋光和單晶硅片拋光等，而現(xiàn)在國內(nèi)外有很多研究也致力于CeO2拋光漿料對(duì)半導(dǎo)體襯底材料(如GaAs晶片)的拋光。 首先納米CeO2粒子通過化學(xué)吸附與拋光表面上的Sio2之間形成Ce-O-Si鍵，CeO2粒子將表面部分Sio2撕裂下來，進(jìn)入溶液中;經(jīng)過擴(kuò)散，Sio2粒子又從CeO2粒子的表面脫落。Ce-O-Si鍵的形成與S-O-Si鍵的斷裂影響著拋光速率.化學(xué)吸附作用和機(jī)械撕裂作用同時(shí)影響著Si-O-Si鍵的斷裂。 CeO2拋光漿料區(qū)別于傳統(tǒng)拋光活性強(qiáng)的拋光漿料都是強(qiáng)酸，它在堿性拋光環(huán)境下是兩性的，能同時(shí)吸附陽離子

10、和陰離子，故有更好的拋光性能。鄉(xiāng)屯度、硬度、粒度、粒度分布、懸浮性、表面電性、表面活性和密度等都是影響其拋光性能的主要因素.粒度大的適合高速拋光，粒度小的適用于低速拋光圈. 具有高拋光性能的納米CeO2目前的合成方法主要有:液相反應(yīng)法、固相反應(yīng)法、機(jī)械化學(xué)法。液相反應(yīng)法包括:溶膠一凝膠法、液相沉淀法、電化學(xué)法、水熱法、微乳液法、噴霧熱分解法等。張鵬珍等采用溶膠一凝膠法制備了平均晶粒度在13.3 nm且粒度分布均勻的納米CeO2粉體，經(jīng)此CeO2拋光漿料拋光后的玻璃幕片表面粗糙度(Ra)可降到0.6nm左右，顯示了良好的拋光性能。Ming等(2a)也采用此法在常壓下制備納米CeO2,原料為硝酸飾

11、錢、尿素和去離子水，通過加熱得到的CeO2粒徑為8 nm，具有立方體結(jié)構(gòu)。電化學(xué)法制得的CeO2優(yōu)點(diǎn)是粒子粒度很小，分散性也較好，工藝也相對(duì)簡單，但是產(chǎn)率較低。水熱法的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行高溫灼燒處理，避免了硬團(tuán)聚。Verdon等在耐熔的合金容器中，于1.5 MPa和500%條件下進(jìn)行水熱合成制得的納米CeO2晶型較好。BondioliF等利用固相反應(yīng)在得到的CeO2產(chǎn)物尺寸為10-20 nm，且具有較好的尺寸分布.有研究表明，用機(jī)械化學(xué)法也能制成粒度在10-20nm的納米CeO2. Rajendran(291通過一種新的方法研究了CeO2拋光Si仇過程，發(fā)現(xiàn)CeO2的機(jī)械作用能加速其與Siq還原

12、的化學(xué)反應(yīng)，并且在拋光過程中存在Cc 3+與Ce0+兩種價(jià)態(tài)。 2.2 Si02拋光漿料 Si仇拋光料的優(yōu)點(diǎn)是選擇性和分散性好，機(jī)械磨損性能較好，化學(xué)性質(zhì)較活潑，后清洗過程廢液處理較容易，其缺點(diǎn)是硬度較高，易在被拋光物體表面造成不平整，且在拋光漿料中易產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象，對(duì)拋光速度的再現(xiàn)性有不良影響，同時(shí)會(huì)使被拋光物體表面產(chǎn)生刮傷。 SiO2拋光漿料的pH值、磨料粒徑(50-200 nm)與分散度、濃度等都對(duì)其拋光效果有很大的影響。Si02拋光漿料用于硅片的拋光、層間介電層OLD)的拋光、妮酸鉀晶片的拋光、硬盤基片的拋光等。Siq拋光料的制備方法國內(nèi)外有很多研究，從總體來說主要是分散法與凝聚法:分散

13、法是通過機(jī)械攪拌將納米Si仇粉末直接分散到水中來制備Si02漿料的。用分散法制備Si02漿料主要包括以下3個(gè)過程:納米Si02穎粒在液體中潤濕:團(tuán)聚體在機(jī)械攪拌力作用下被打開成獨(dú)立的原生粒子或較小的團(tuán)聚體;將原生粒子或較小的團(tuán)聚體穩(wěn)定住，阻止再發(fā)生團(tuán)聚。采用分散法制備出的Si仇漿料濃度高、顆粒均勻、分散性好、純度高、黏度較小，但受粉體本身性能的影響特別嚴(yán)重。凝聚法是利用水溶液中化學(xué)反應(yīng)所生成的SiO2通過成核、生長，采用各種方法脫除其中雜質(zhì)離子得到納米Sio2水分散體系的一種方法，該法制得的Sio2漿料穎粒粒徑均一，形狀規(guī)整，純度與濃度也較高.王占銀以SiO2作為拋光漿料，分析了影響妮酸鏗晶片

14、拋光效果的因素，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，使妮酸銼的表面粗糙度凡達(dá)到0.387 nmo雷紅制備了Sio2拋光漿料用來拋光鎳磷敷鍍的硬盤基片，表面形貌儀測(cè)得拋光后基片的表面粗糙度和波紋度分別為0.052 nm和0.063 nm,且基片表面無凹坑、電蝕等缺陷。另有研究表明301當(dāng)Si02拋光漿料pH-9時(shí)，在拋光漿料中加入適量的活性劑和鰲合劑，能消除Si02凝膠現(xiàn)象，得到較好的拋光結(jié)果。目前，對(duì)影響Si02拋光漿料拋光效果高拋光速率、低表面損傷、高表面平整度、易清洗等)的各種因素(拋光漿料粒度、pH值、溫度、拋光漿料流速等)的研究己比較成熟.2.3 A1203拋光漿料 1998年日本COSMOS公司首次開

15、發(fā)了納米級(jí)別的超細(xì)A1203微粉作磨料的納米級(jí)拋光劑，從而Al2o3拋光漿料廣泛應(yīng)用于CMP領(lǐng)域，以納米Y-AI203為研磨粒子的漿料可用于集成電路生產(chǎn)過程中層間鎢、鋁、銅等金屬薄膜的平坦化及高級(jí)光學(xué)玻璃、石英品體和各種寶石的拋光等.A12o3場拋光漿料因具有選擇性低、分散穩(wěn)定性不好、易團(tuán)聚等缺點(diǎn)，往往在幾分鐘內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)沉淀，顆粒變粗，所以在拋光中表面劃傷嚴(yán)重，損傷層深，所以通常A1203拋光漿料要混合有機(jī)添加物一起使用并控制好工藝條件以達(dá)到良好的拋光效果。宋曉嵐等的研究表明，在y-A12偽固含量為6%的漿料中，加入異丙醉胺分散劑的用量為-y-A1203粉體質(zhì)量的1%，同時(shí)控制漿料的pH值約為

16、4，此時(shí)納米y-A12場粉末的潤濕性能最佳，漿料Zeta電位值較高，勃度較小，在該條件下可成功獲得長時(shí)間不沉降的穩(wěn)定漿料。盧海參采用丙烯酞氯對(duì)超細(xì)氧化鋁進(jìn)行表面改性，有效提高了氧化鋁拋光漿料的分散性，進(jìn)一步的研究表明材料去除速率隨壓力或下盤轉(zhuǎn)速先增大后減小，隨拋光時(shí)的延長，材料去除速率初期較人，后期變化趨于平緩。具有良好的抗靜電性和可擦性的A1203拋光漿料在國內(nèi)已經(jīng)研制出來，應(yīng)用于磁性材料的精密拋光加工中。有研究表明,通過A1203外層包覆Si02形成殼一核性結(jié)構(gòu)粒子拋光漿料拋光能很好地提高拋光性能，減低表面損傷和粗糙度，其機(jī)理可能為殼一核結(jié)構(gòu)的緩沖效應(yīng)和粒子之間的解聚作用。3化學(xué)機(jī)械拋光技

17、術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)作為其基礎(chǔ)的集成電路的性能要求愈來愈高。集成電路芯片增大而單晶體管元件減小及多層集成電路芯片是發(fā)展的必然趨勢(shì)，使得CMP在集成電路行業(yè)的重要性越來越顯著，這對(duì)CMP技術(shù)提出了更高的要求。 在CMP設(shè)備方面，正在由單頭、雙頭拋光機(jī)向多頭拋光機(jī)發(fā)展;結(jié)構(gòu)逐步由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)向軌道拋光方法和線形拋光技術(shù)方面發(fā)展;開發(fā)帶有多種在線檢測(cè)裝置的設(shè)備，如組裝聲學(xué)信號(hào)、力學(xué)信號(hào)、薄膜厚度及拋光漿料性質(zhì)等在線測(cè)量裝置，并且結(jié)合目前的干進(jìn)干出要求，將拋光后清洗裝置與拋光機(jī)集成來進(jìn)行開發(fā)。在應(yīng)用方面，CMP技術(shù)已從集成電路的硅品片、層間介質(zhì)(ILD)、絕緣體、導(dǎo)體、

18、鑲嵌金屬W.AI. Cu. Au及多晶硅、硅氧化物溝道等的平面化，拓展至薄膜存貯磁盤、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MFMS )、陶瓷、磁頭、機(jī)械磨具、精密閥門、光學(xué)玻璃和金屬材料等表面加工領(lǐng)域。在CMP拋光漿料方面，關(guān)鍵是要開發(fā)新型拋光漿料，特別是復(fù)合磨料拋光漿料，使其能提供高的拋光速率、好的平整度、高的選擇性以及利于后續(xù)清洗過程，以使磨料粒子不會(huì)殘留在芯片表面而影響集成電路性能。 CMP漿料有待于發(fā)展的技術(shù)有:磨料制各技術(shù)、漿料分散技術(shù)和拋光漿料配方技術(shù)。首先要解決的就是尺寸小、分散度大、硬度適中、均勻性好、純度高的納米磨料粒子。拋光漿料的排放及后處理工作最也在增大(出于環(huán)保原因，即使?jié){料不再重復(fù)利用，

19、也必須先處理才可以排放)。而且，拋光漿料價(jià)格昂貴，如何對(duì)拋光漿料進(jìn)行后處理，補(bǔ)充必要的化學(xué)添加劑，重復(fù)利用其中的有效成分，或降級(jí)使川，不僅可以減少環(huán)境污染，而且可以大大降低加工成本。拋光漿料的后處理研究將是未來的新研究熱點(diǎn)。另外一方面，復(fù)合磨料拋光漿料的研究也將是未來的趨勢(shì)之一，因?yàn)閺?fù)合磨料拋光漿料在保持單一磨料拋光漿料優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也改善了其缺點(diǎn)，在國外已經(jīng)出現(xiàn)了復(fù)合拋光磨料的研究報(bào)道，如A1203, Si02, CeO2各種單一拋光磨料互相通過包覆形成殼一核型的復(fù)合拋光磨料，集中各種單一拋光磨料的優(yōu)點(diǎn)，從而配制出拋光效果更佳的新型復(fù)合拋光漿料。實(shí)驗(yàn)表明，在較軟的磨料粒子外面包覆一層較硬的物質(zhì)，可

20、以在提高其拋光速率的同時(shí)也保持了較高的選擇性;而在較硬的磨料粒子外面包覆一層較軟的物質(zhì)，則可在保持其較高拋光速率的基礎(chǔ)上改善其拋光表面質(zhì)量。如Lu等成功地在球形SiO2粒子外面包覆一層Ce02，并以其作為磨料制備復(fù)合拋光漿料與Sio2和Ce02拋光漿料進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)的比較，研究表明，復(fù)合磨料具有更好的拋光效果。目前，CMP技術(shù)己經(jīng)不局限于使用固體磨料，甚至出現(xiàn)了用氣體來進(jìn)行拋光的技術(shù)(如HVPE技術(shù)等)，為拋光漿料的發(fā)展開拓了新的思路。 近年來，CMP技術(shù)得到了長足的發(fā)展，涌現(xiàn)出了不少新技術(shù)，例如:固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、電化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)、無磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、無應(yīng)力拋光技術(shù)、接觸平坦化技術(shù)和等離子輔助化學(xué)蝕刻平坦化技術(shù)等。 盡管CMP技術(shù)發(fā)展的速度很快，但目前對(duì)CMP技術(shù)的了解還處于定性的階段，需要解決的理論及技術(shù)問題還很多。如人們對(duì)諸如拋光參數(shù)(如壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等)對(duì)平面度的影響、拋光墊一漿料一片子之間的相互作用、漿料化學(xué)性質(zhì)(如組成、pH值、顆粒度等)對(duì)各種CMP參數(shù)的影響及其機(jī)理了解仍然甚少，因而定量確定最佳CMP工藝、系統(tǒng)地研究CMP工藝過程參數(shù)、建立完善的CMP理論模型、