金凯驰300mm硅片化学机械抛光技术

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发布日期：2008-4-16 9:46:44

有效期：2009-4-16 9:46:44

所在地：山东·济南

企业名称：山东黄金集团金凯驰纳米科技有限责任公司

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300mm硅片化学机械抛光技术分析
（山东黄金集团金凯驰纳米科技有限责任公司赵国武13325126835）
1 引言
半导体产业是现代电子工业的核心，而半导体产业的基础是硅材料工业。虽然有各种各样新型的半导体材料不断出现，但90%以上的半导体器件和电路，尤其是超大规模集成电路（ULSI）都是制作在高纯优质的硅单晶抛光片和外延片上的[1]。
目前，超大规模集成电路制造技术已经发展到了0.12μm和300mm时代，特征线宽为0.1μm的技术也正在走向市场。随着特征线宽的进一步微小化，对硅片表面的平坦化程度提出了更高的要求，CMP被公认为是ULSI阶段最好的材料全局平坦化方法，该方法既可以获得较完美的表面，又可以得到较高的抛光速率，已经基本取代了传统的热流法、旋转式玻璃法、回蚀法、电子环绕共振法、等离子增强CVD、淀积-腐蚀-淀积等技术。
传统的对基底硅材料的CMP为单面抛光，但是随着超大规模集成电路的不断发展，单面抛光已经不能满足更小线宽的要求，故在对用于线宽为0.09～0.13μm工艺的300mm硅片的加工中需进行双面化学机械抛光，这也是未来大直径硅片加工的发展趋势。
2 传统的化学机械抛光
1965年Walsh和Herzog首次提出了化学机械抛光技术，之后逐渐被应用。在半导体行业，CMP最早应用于集成电路的基底硅材料的抛光中，其后被逐步应用于集成电路的前半制程中（集成电路的制造过程共分为4个阶段：单晶硅片制造-前半制程-硅片测试-后半制程） [2]，主要用于层间介质，绝缘体，导体，镶嵌金属W、Al、Cu，多晶硅，硅氧化物沟道等的平面化中。
抛光时，旋转的工件以一定的压力施于随工作台一起旋转的抛光垫上，而由亚微米或纳米磨料和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动，并在工件表面产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨料的机械摩擦作用去除。在化学成膜与机械去膜的交替过程中，通过化学与机械的共同作用从工件表面去除极薄的一层材料，最终实现超精密表面加工。两个过程的快慢综合和一致性影响着工件的抛光速度和抛光质量。抛光速度主要由这两个过程中速度较慢的过程所控制。因此，要实现高效率、高质量的抛光，必须使化学作用过程与机械作用过程进行良好的匹配。如果化学腐蚀作用大于机械磨削作用则在抛光面表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹；如果机械磨削作用大于化学腐蚀作用则在抛光表面产生高损伤层和划道[2-3]。
基底硅抛光片质量的优劣，对器件与集成电路的电学性能和成品率有着极其重要的影响，这主要是由于光刻机的焦深变得越来越短，硅基底或薄膜层上极其微小的高度差异都会使IC的布线图形发生变形、扭曲、错位，结果导致绝缘层的绝缘能力达不到要求，或金属连线错乱而出现废品。
评价硅抛光片质量的参数主要有：硅片全局平整度（TIR或GBIR）；硅片局部平整度（STIR）；硅片表面微粗糙度；硅片表面的颗粒数（LPD）以及硅片表面的金属沾污情况等。对于用于线宽为 0.09～0.13μm工艺的300mm硅片来说，一般要求：硅片的全局平整度（GBIR）＜2μm；硅片的局部平整度（SFQR:25mm×32mm）＜85nm；硅片表面的颗粒数≤100个（≥0.12μm）。显然传统的单面抛光已不能满足该需要。
3 双面化学机械抛光
双面化学机械抛光（D ）是在原有的单面化学机械抛光（）的基础上发展起来的，基本原理与单面化学机械抛光相同，只是需要将传统的化学机械抛光中的硅片夹持装置用另一个倒置的承载抛光垫的工作台所取代，基本原理如图2所示。现阶段，日本的 eedfam公司、德国Peter Wolters公司等都可以提供用于批量生产300mm硅片的抛光设备。
在整个加工过程中，硅片的背面与正面同时在进行化学机械抛光，抛光后硅片的正面与背面同时为镜面，这将会获得比传统的单面化学机械抛光更优的硅片整体以及局部平整度，同时也有利于硅片表面沾污的控制，具体分析如下。
3.1 硅片平整度
在传统的单面化学机械抛光中，根据贴片工艺的不同可以分为两大类：有蜡抛光（使用蜡把硅片固定在陶瓷板上进行抛光）与无蜡抛光（使用模板装片法、真空吸片法等方法将硅片固定，然后进行抛光）。抛光之后，在对硅片检测时关注的平整度（Flatne ）方面的参数为TIR与STIR，而这两个参数都是以硅片的背表面为参考平面，即认为硅片的背面为理想的平面，但实际的硅片背表面是高低不平的，故需引入另一个参数：纳米形貌（nanotopography）来表征硅片的几何特性。
纳米形貌反映的是硅片在自由状态下（不加任何外力）正表面的平整情况。由此可知，纳米形貌表征的是与平整度完全不同的参数。例如，虽然硅片的正表面有突起和凹下的地方，但只要硅片的背表面与正表面相平行，则TIR与STIR将