半導(dǎo)體硅片化學(xué)機(jī)械拋光電化學(xué)與拋光速率研究.pdf

1、集成電路(IC)是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展最主要的高新技術(shù)，也是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。IC所用的半導(dǎo)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(zhì)量的硅晶片是芯片制造和IC發(fā)展的基礎(chǔ)。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(wú)變質(zhì)層、無(wú)劃傷?；瘜W(xué)機(jī)械拋光(CMP)是制備表面無(wú)損傷硅片的最后工序，成為半導(dǎo)體制造技術(shù)中硅片加工的至關(guān)重要的一步。 CMP過(guò)程實(shí)際上是磨粒磨損下的電

2、化學(xué)過(guò)程，因此用電化學(xué)方法研究CMP具有十分重要的意義。本文運(yùn)用電化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，以溶液化學(xué)、腐蝕電化學(xué)原理、摩擦磨損原理、流體力學(xué)邊界層等相關(guān)理論為指導(dǎo)，采用旋轉(zhuǎn)圓盤電極，系統(tǒng)研究和探討了n(100)、n(111)、p(100)、p(111)半導(dǎo)體硅片在納米SiO<,2>拋光漿料中的成膜行為、CMP中的電化學(xué)行為、拋光速率及CMP過(guò)程機(jī)理等。研究的內(nèi)容及獲得的主要結(jié)論如下： 運(yùn)用電化學(xué)直流極化和交流阻抗技術(shù)，研究了半導(dǎo)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(shí)間和雙氧水濃度等因素對(duì)成膜性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，pH值嚴(yán)重影響硅片的成膜，pH值為10.5時(shí)的鈍化膜最厚，電化學(xué)阻抗圖譜(EIS)測(cè)試結(jié)果顯示，鈍化膜厚度大約為5.989A；SiO<,2>固含量對(duì)硅片的腐蝕成膜沒(méi)有影響；雙氧水會(huì)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?。?100)晶面成膜速度較(111)晶面快。運(yùn)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(jī)理，根據(jù)峰電流隨掃描速率不同而變化的規(guī)律，證明了成膜過(guò)程符合Müller模型。 研究了CMP過(guò)程中，硅片的腐蝕電位和腐蝕電流密度隨拋光壓力、拋光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)，腐蝕電流密度在一定范圍內(nèi)基本上隨拋光壓力、拋光轉(zhuǎn)速以及SiO<,2>固含量的增加而線性增

5、大；漿料pH值嚴(yán)重影響硅片拋光時(shí)的腐蝕電位及腐蝕電流密度，pH值為10.5時(shí)，拋光時(shí)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(guò)程的拋光速率及其影響因素，探討了拋光壓力、拋光轉(zhuǎn)速、SiO<,2>固含量、漿料pH值、雙氧水濃度以及拋光時(shí)間等因素對(duì)拋光速率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，拋光速率隨拋光壓力、拋光轉(zhuǎn)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(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生材料去除飽和現(xiàn)象；拋光速率隨漿料pH值和雙氧水濃度變化曲線上都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，在峰值處化學(xué)作用和機(jī)械作用達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，拋光速率最大；隨拋光時(shí)間的延長(zhǎng)，拋光速率逐漸減小；(100)晶面的拋光速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(111)晶面。通過(guò)測(cè)試拋光前后交流阻抗圖譜的變化，證實(shí)了拋光是一個(gè)成膜-去除-再成膜的循環(huán)往復(fù)的過(guò)程。根據(jù)半導(dǎo)體硅片CMP動(dòng)態(tài)電化學(xué)研究與拋光速率研究結(jié)果的一致性，表明電化學(xué)可以作為硅片

7、CMP過(guò)程及機(jī)理研究的可靠方法，這為硅片CMP研究提供了新思路。 通過(guò)以上研究，獲得了適合半導(dǎo)體硅片CMP的優(yōu)化工藝參數(shù)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<