半導(dǎo)體行業(yè)中的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)詳解

來源：聚氨酯拋光墊

1 前言

20世紀(jì)60年代以前，半導(dǎo)體基片拋光還大都沿用機(jī)械拋光，得到的鏡面表面損傷是極其嚴(yán)重的。1965年Walsh和Herzog提出SiO2溶膠和凝膠拋光后，以SiO2漿料為代表的化學(xué)機(jī)械拋光工藝就逐漸代替了以上舊方法。

化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical-mechanical polishing），簡稱CMP，是目前能提供超大規(guī)模集成電路（VLSI）制造過程中全面平坦化的一種新技術(shù)。用這種方法可以真正使得整個硅圓晶片表面平坦化，而且具有加工方法簡單、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2 CMP技術(shù)設(shè)備及消耗品

CMP技術(shù)所采用的設(shè)備及消耗品包括：CMP設(shè)備、研漿、拋光墊、后CMP清洗設(shè)備、拋光終點(diǎn)檢測及工藝控制設(shè)備、研漿分布系統(tǒng)、廢物處理和測量設(shè)備等。其中研漿和拋光墊為消耗品，其余為拋光及輔助設(shè)備。圖1給出了一種拋光機(jī)的簡圖。其基本組成部分是一個轉(zhuǎn)動著的圓盤和一個圓晶片固定裝置。兩者都可施力于圓晶片并使其旋轉(zhuǎn)，在含有膠裝二氧化硅懸浮顆粒的氫氧化鉀溶液研漿的幫助下完成拋光，用一個自動研漿添加系統(tǒng)就可以保證拋光墊濕潤程度均勻，適當(dāng)?shù)乃腿诵卵袧{及保持其成分不變。

CMP工藝過程中的關(guān)鍵要素是研漿、拋光墊和拋光機(jī)。CMP研漿的基本形式是由一個SiO2拋光劑和一個堿性組成份水溶液組成的。SiO2顆粒要求范圍為1100nm，堿性組成一般使用KOH、氨或有機(jī)胺，PH值為9.511.0。SiO2濃度為1.5%~50%。由于SiO2硬度和硅單晶硬度相似（模式硬度均為7），所以機(jī)械磨消作用較少，使機(jī)械損傷大大減少。

在CMP設(shè)備方面，美國IPEC-Planar公司生產(chǎn)的IPEC372-U、472、672型CMP設(shè)備，都是單頭、單板拋光工藝。672-II型有兩個拋光模塊，生產(chǎn)能力4050片/h，四個拋光模塊，生產(chǎn)能力80100片/h。英國Logitech公司推出CP3000CMO設(shè)備，可加工0.2032m圓片，從去膠開始全部由機(jī)械手操作，使原片受損最小。日本東芝機(jī)械公司推出CMS-200型單片式CMP設(shè)備，可加工0.1524/0.2032m圓片，生產(chǎn)能力20片/h，加壓具有自動分級功能，在拋光同時會自動清洗，甩干。

拋光墊一般是聚氨酯等聚合物類材料。

3 化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理

已有的研究表明，化學(xué)機(jī)械拋光過程是化學(xué)作用、磨削作用及吸附效應(yīng)同時作用的過程。下面將以硅晶片的化學(xué)機(jī)械拋光工藝為例具體闡述。

CMP研漿中的納米SiO2粉末所形成的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)為：

又因?yàn)橛蠯OH的存在，膠團(tuán)中的異電離子H+，會被OH-所中和：

因此，膠團(tuán)中的H+的位置會被K+所代替。所以，實(shí)際上的SiO2研漿中的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)為：

化學(xué)腐蝕是此種拋光液對硅片拋光的第一步，其所腐蝕作用是由于堿性的研漿和硅片接觸，發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)

而SiO2極易按下式水解：

水解產(chǎn)物H2SiO2,能部分聚合成多硅酸，同時另一部分H2SiO2電離生成SiO22-離子i，結(jié)果形成如下結(jié)構(gòu)的一半硅酸膠體，覆蓋在硅片表面上：

這種覆蓋在硅片表面上的膠體，如不及時除去，則將影響

（1）式繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)腐蝕作用。

由（a）（b）兩式可看出，這兩種膠核相同，而兩膠粒帶有不同數(shù)量的凈剩負(fù)電荷，即膠粒中異電離子數(shù)目不同，這是由于兩膠粒中的異電離子半徑

因此膠核[SiO2] m對此二異電離子的引力將是

。同時也因?yàn)楫愲婋x子的體積不同，相同膠核表面積上能容納的異電離子數(shù)目也應(yīng)是。所以膠粒的緊密層中K-與H+的數(shù)目必然是：

（a）膠粒的2（n-y）K+<（b）膠粒的2（n-y）H+，即（a）膠粒凈剩負(fù)電荷數(shù)2y>（b）膠粒凈剩負(fù)電荷數(shù)2x-。

拋光機(jī)在高速拋光過程中，由于轉(zhuǎn)動與摩擦作用，膠粒間也隨之高速相對運(yùn)動，能可能完全脫離其各自的分三層，這兩種帶不同數(shù)量凈剩負(fù)電荷的膠粒，一方面在拋光機(jī)轉(zhuǎn)動的帶動下相對動能增大，同時在拋光壓力作用下，使兩種膠粒間距離也大大縮短，結(jié)果兩種膠粒間引力加劇。另外，此時兩種膠粒間電荷也將相互影響（可視互為外電場），皆欲維持本膠粒電中性穩(wěn)定平衡，將有互相吸引爭奪對方正電荷的趨勢。此時（a）膠粒所帶凈剩負(fù)電荷較（b）膠粒多，其吸引正電荷的力將大于（b）膠粒，但仍不可能將（b）膠粒緊密層中的正電荷拉下來，結(jié)果因（b）膠粒與硅片表面間的一般吸附力小于靜電引力，則質(zhì)量大，凈剩負(fù)電荷多的（a）膠粒，將（b）膠粒從硅片表面上吸下來或減弱了（b）膠粒與硅片間的吸附力，再配合與拋光墊和研磨粒的摩擦，對突出表面產(chǎn)生機(jī)械作用，則使突出表面的（b）膠粒脫離硅片進(jìn)入溶液中，暴露出新鮮金屬表面，再繼續(xù)與堿作用進(jìn)行化學(xué)腐蝕。這種化學(xué)作用、吸附效應(yīng)與機(jī)械作用的不斷反復(fù)，使突出表面得以磨平。圖2為硅片，研漿和拋光墊系統(tǒng)的示意圖。

4 拋光片的檢測及影響拋光片質(zhì)量的因素

拋光片的檢測項(xiàng)目主要有：平整度、表面缺陷及損傷情況。

平整度

拋光片的平整度一般用平整度測試儀測試。影響平整度的因素主要有：拋光片變形、盆形凹坑等。

使硅片變形的因素較多，除硅片切磨后的本身彎曲外，有的是由于硅片兩面損傷層嚴(yán)重差異引起。解決這個問題的最好辦法是在拋光前對硅片進(jìn)行化學(xué)腐蝕。這樣猶豫硅片兩面的損傷層都去除，拋光后不致使晶片彎曲。

表面缺陷

拋光片的表面宏觀缺陷較多，一般有劃道、蝕坑、波紋、桔皮、麻點(diǎn)、霧狀等。

產(chǎn)生劃道的原因主要是拋光液中混入了比二氧化硅顆粒大得多的顆粒物，因此拋光的環(huán)境以及拋光機(jī)、拋光液的清潔度尤為重要。蝕坑與波紋產(chǎn)生的原因主要是拋光時腐蝕速率大于磨削速率之故，如研漿pH值過高，解決這一問題只要稍降低研漿的pH值就可以了。產(chǎn)生桔皮的原因主要是拋光時磨削速率大于腐蝕速率之故，只要稍增加研漿中的pH值就可以了。在日光燈下就能看的麻點(diǎn)實(shí)際上是磨片后留下來的砂坑，關(guān)鍵是拋光時間太短，沒有除去一定厚度之故，而另一種只能在聚光燈下才能發(fā)現(xiàn)的亮點(diǎn)是猶豫拋光至清洗間硅片脫水，使得一些微小的雜物吸附在表面之故，最佳的辦法是在拋光后用熱去離子水取片，然后馬上清洗，就可消除此類亮點(diǎn)。拋光片表面的霧狀可以用軟的拋光墊拋光來解決。

表面損傷

二氧化硅技術(shù)本身能引入輕微的損傷，解決辦法有兩種，一是降低二氧化硅粒度，另一種是在拋光后用HNO：HF：HAC=50：1：20（體積比）的腐蝕液在冰點(diǎn)對拋光片進(jìn)行剝離，剝離厚度1~2pm。

5 CMP技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中的作用

在半導(dǎo)體工業(yè)中，CMP最早應(yīng)于集成電路（IC）制造用基材硅的粗拋和精拋，大大提高了硅片的拋光精度和拋光速度，從而極大地提高了硅片拋光的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。在IC加工中CMP技術(shù)的使用是非常頻繁的，如用于前道加工工藝，生產(chǎn)元器件；后道加工工藝，用于生產(chǎn)通路、通道、平坦化層間介電膜和封裝等等。

近幾年來，CMP技術(shù)已有一些新的應(yīng)用領(lǐng)域：平面顯示器、微電機(jī)系統(tǒng)、多晶片模組等等。CMP也可用于生產(chǎn)其他類似半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的電子結(jié)構(gòu)，如傳感器、檢測器和光導(dǎo)攝像管的表面加工。

6 CMP技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，對作為其基礎(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個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。這對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)動結(jié)構(gòu)向軌道拋光方法和線性拋光技術(shù)方面發(fā)展；在CMP研漿方面，關(guān)鍵是要開發(fā)新型研磨液，能提供高的磨蝕速率，好的平整度，高的選擇性，表面均一性，利于后續(xù)清洗過程，使得磨料粒子不能殘留在芯片表面影響集成電路性能；在應(yīng)用方面，CMP技術(shù)將在陶瓷、磁頭、硬磁盤、機(jī)械磨具、精密閥門、光學(xué)玻璃、金屬材料等表面加工領(lǐng)域不斷得到重視和應(yīng)用。

目前，對CMP技術(shù)的了解還在定性的階段，人們還缺少有關(guān)定量方面的只是。因此，定量確定最佳CMP工藝，系統(tǒng)的研究CMP工藝過程參數(shù)，建立完善的CMP理論模型，滿足各種超大型集成電路生產(chǎn)對CMP工藝的不同需求，是研究CMP技術(shù)的重大課題。

審核編輯：湯梓紅