CMP稀土拋光液的制備及超光滑硅片的化學(xué)機械拋光研究.pdf

1、化學(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)作為目前能夠提供超大規(guī)模集成電路制造過程中全局平坦化的一種新技術(shù)，將在未來的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮越來越大的作用。近年來隨著超精密光學(xué)元件等新領(lǐng)域的開發(fā)，對高純度和超細稀土二氧化鈰拋光粉料的要求逐漸提高，其用量也在迅速增加。因此，開發(fā)研究高質(zhì)、高效的稀土CeO<,2>研磨粒子和配制同樣高效的二氧化鈰CMP拋光液具有廣闊的應(yīng)用前景。 CMP的重點是研制一種

2、高質(zhì)、高效的拋光液。普遍認為，完美拋光液的制備需控制以下三個技術(shù)：磨料制造技術(shù)、磨料分散技術(shù)和拋光液配方技術(shù)。本文討論了用于化學(xué)機械拋光領(lǐng)域的CeO<,2>磨料的制備技術(shù)，并對拋光液的配制及在CMP過程中的拋光原理進行了研究，用本研究小組所配制的拋光液在單晶硅片上進行了多次實驗，取得了較好的試驗效果。通過上述實驗研究，本文的工作可以歸納為以下幾個方面： 一．磨料制備技術(shù)：磨料的制備之所以重要是由于它是直接提供配制拋光液的原材料和

3、基礎(chǔ)，是拋光液的重要組成部分。磨料的質(zhì)量高低決定著拋光的機械作用大小，影響著拋光后清洗的效果。磨料的種類、粒徑大小、形貌及含量對拋光速率和拋光表面的完美性都有很大影響。 1．形貌、粒徑可控的納米CeO<,2>O<,2>拋光磨料的制備：研究了以氨水為沉淀劑，溶液的酸堿環(huán)境、溶劑種類、加料方式、SO<,4><'2->的加入、熱處理等因素對產(chǎn)物的晶粒、形貌的影響。實驗結(jié)果表明，可以在室溫下直接得到螢石結(jié)構(gòu)的納米CeO<,2>磨料粒子，

4、并通過控制熱處理的溫度來控制粒子的大?。豢刂迫芤旱膒H值得到了不同形貌的納米CeO<,2>粒子。酸、堿性條件下分別得到了球形和針狀顆粒，中性條件下呈現(xiàn)球形和針狀的混合粒子；加入SO<,4><'2->后，得到了分散性好的晶粒；用乙醇做溶劑得到了粒徑為15nm，分布均勻的納米顆粒；正加料可以得到球狀、針狀及混合形貌的納米CeO<,2>，而反加料僅能得到針狀納米顆粒。 2．形貌各異的超微CeO<,2>磨料的制備：以尿素為沉淀劑制備出了

5、單相斜方晶系的前驅(qū)體Ce<,2>O(CO<,3>)<,2>·H<,2>O，經(jīng)煅燒前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為立方晶系的CeO<,2>粒子。并得出合成過程中最佳反應(yīng)條件為：原料配比為1：40，反應(yīng)溫度為85℃，反應(yīng)時間為4h；在最佳條件下合成的超細CeO<,2>前驅(qū)體為紡錘形，500℃煅燒2h后的粉體形貌為類紡錘形；添加不同的表面活性劑對前驅(qū)體形貌有著不同的影響：陽離子型表面活性劑CTAB對Ce<,2>O(CO<,3>)<,2>·H<,2>O晶體的形貌影

6、響不大，只是產(chǎn)物尺寸變小，分散性得到改善；加入非離子型表面活性劑PEG19000和OP-10分別得到了形狀排列有序、尺寸較均勻、無團聚的微米棒及具有緊密結(jié)合中心的發(fā)散狀的花樣微粒，并探討了形貌形成的影響機理。以草酸二甲酯為沉淀劑制備出了具有單斜晶系結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體十水合草酸鈰(Ce<,2>(C<,2>O<,4>)<,3>·10H<,2>O)，在500℃下煅燒產(chǎn)物為面心立方螢石結(jié)構(gòu)的CeO<,2>顆粒，且晶型比較完整。討論了不同反應(yīng)溫度對前驅(qū)

7、體形貌的影響及機理，發(fā)現(xiàn)當反應(yīng)溫度為30℃、50℃、65℃和85℃時，所得產(chǎn)物形貌分別為無規(guī)則外形、類球狀、大米粒狀及片狀。 二．高效拋光液的配制及表面性質(zhì)：拋光液是化學(xué)機械拋光的關(guān)鍵，CMP中的化學(xué)作用和機械作用都是由拋光液提供的，它的性能直接決定最終CMP的質(zhì)量和效果，拋光速率、拋光后表面質(zhì)量、平整度等關(guān)鍵參數(shù)都在很大程度上依賴于拋光液的成分組成。所以，拋光液的配制是CMP工藝中的重點。 1．闡述了CMP拋光液的配制

8、方法，主要采用了分散法——即將納米CeO<,2>粉末利用機械手段分散于水溶液中以獲得CMP拋光液的方法，采用該法所獲得的CMP拋光液具有純度高、濃度高、粘度低、分散穩(wěn)定性能好等特點。 2．討論了拋光液成分及其含量的選擇條件以及pH值的選擇、外加劑用量的選擇等對最終拋光液配制的影響和拋光效果的差異。探索了CMP拋光液的成分用量及各成分的作用；對拋光液的性能從懸浮性、分散性、潤濕性、穩(wěn)定性方面進行了優(yōu)化，篩選出了能進行實際應(yīng)用的拋光

9、液的pU值，即酸性拋光液的pH=4，堿性拋光液的pn=10。 3．研究了硅片CMP拋光液的表面狀態(tài)，其中最主要的為水合作用和吸附狀態(tài)。水合作用普遍存在，能起到降低表面硬度的作用，使化學(xué)反應(yīng)更快地進行。拋光液的拋光作用首先是與被作用工件之間發(fā)生水合反應(yīng)，而后其中的化學(xué)成分與所拋工件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隨即再通過拋光液中磨料的機械作用把反應(yīng)產(chǎn)物去除掉，才完成了化學(xué)機械拋光的主要過程；了解硅片CMP的表面吸附狀態(tài)，根據(jù)表面吸附動力學(xué)及模型，

10、制備出符合要求的高效拋光液。 三．適合硅片拋光的拋光液配方：通過磨料粒子、磨料形貌、拋光液成分的選擇，系統(tǒng)研究了拋光液中拋光磨料、氧化劑種類和濃度以及拋光液的pH值等因素對硅片表面去除的影響。在化學(xué)機械拋光過程中，不同拋光液添加劑會影響拋光表面粗糙度和材料去除率。拋光后的硅片用美國．Zygo公司的New View 5000 System表征表面的拋光結(jié)果。 1．采用化學(xué)分散法制備以10nm CeO<,2>為磨料的拋光液，

11、克服了粉碎性CeO<,2>磨料顆粒大小不均勻、顆粒形狀不均勻?qū)杵砻嫒菀自斐蓜潅娜秉c，實現(xiàn)了高速率、高平整、低損傷、懸浮穩(wěn)定的實驗效果。 2．通過酸性、堿性拋光液的實際操作結(jié)果，改寫了以往單一酸性或單一堿性拋光液的歷史。可以看出，使用納米CeO<,2>磨料拋光后的表面粗糙度值有明顯降低，表面微凸峰的尺寸更加細小，表面的微觀起伏更趨于平緩，說明這種拋光液具有更加明顯的拋光優(yōu)勢，能使硅片的表面質(zhì)量得到明顯改善。 3．通過

12、實驗表明，酸、堿拋光液的化學(xué)組成配方分別為： (1)酸性條件下Si片的拋光液配方為：2％CEO<,2>+0.5％HNO<,3> (pH=4)+1.0％BTA+0.2％H<,2>O<,2>； (2)無機堿NH<,3>·H<,2>O條件下Si片的拋光液配方為：2％CeO<,2>+0.1％NH<,3>·H<,2>O (pH=10)+0.5％K<,3>Fe(CN)<,6>+5％H<,2>O<,2>(3)有機堿三乙醇胺條件下Si片