ULSI硅衬底的化学机械抛光
硅的cmp抛光技术
硅的cmp抛光技术
硅的CMP抛光技术，全称为化学机械抛光技术，是半导体晶片表面加工的
关键技术之一。
这种技术利用化学腐蚀和机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理。
CMP设备包括抛光、清洗、传送三大模块，
其作业过程中，抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上，借助抛光液腐蚀、微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化。
此外，单晶硅片制造过程和前半制程中也需要多次用到化学机械抛光技术。
与先前普遍使用的机械抛光相比，化学机械抛光能使硅片表面变得更加平坦，并且还具有加工成本低及加工方法简单的优势，因而成为目前最为普遍的半导体材料表面平整技术。
由于目前集成电路元件普遍采用多层立体布线，集成电路制造的前道工艺环节需要进行多层循环。
在此过程中，需要通过CMP工艺实现晶圆表面的平
坦化。
集成电路制造是CMP设备应用的最主要的场景，重复使用在薄膜沉
积后、光刻环节之前。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅CMP技术相关论文或咨询专业人士。
ULSI制造中硅片化学机械抛光的运动机理
第26卷 第3期2005年3月 半 导 体 学 报CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORSVol.26 No.3 Mar.,20053国家自然科学基金重大项目资助(批准号:50390061) 苏建修 男,教授,博士研究生,主要从事超精密加工及特种加工研究. 郭东明 男,教授,博士生导师,主要从事精密及特种加工、精密测量及数字化设计制造. 康仁科 男,教授,博士生导师,主要从事超精密加工及特种加工研究. 2004203202收到,2004207215定稿○c 2005中国电子学会U LSI 制造中硅片化学机械抛光的运动机理3苏建修1,2 郭东明1 康仁科1 金洙吉1 李秀娟1(1精密与特种加工教育部重点实验室,大连理工大学,大连 116024)(2河南科技学院,新乡 453003)摘要:从运动学角度出发,根据硅片与抛光垫的运动关系,通过分析磨粒在硅片表面的运动轨迹,揭示了抛光垫和硅片的转速和转向以及抛光头摆动参数对硅片表面材料去除率和非均匀性的影响.分析结果表明:硅片与抛光垫转速相等转向相同时可获得最佳的材料去除非均匀性及材料去除率.研究结果为设计CMP 机床,选择CMP 的运动参数和进一步理解CMP 的材料去除机理提供了理论依据.关键词:化学机械抛光;材料去除机理;材料去除率;非均匀性;磨粒EEACC :2220;2550;8620中图分类号:TN30511+2 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)03206062071 引言目前超大规模集成电路(UL SI )制造技术已经跨入0113μm 和300mm 时代,特征线宽011μm 技术也正在走向市场.在集成电路(IC )制造中,化学机械抛光技术(chemical mechanical polishing ,CM P )不仅是硅片加工中获得超光滑无损伤单晶硅衬底表面的最有效方法,也是UL SI 多层布线中理想的层间平坦化方法;目前CM P 已成为半导体加工行业实现硅片全局平面化的主流技术[1～3].尽管CM P 被认为是进行硅片平坦化、获得超光滑无损伤表面的最有效方法,但CM P 材料去除机理、CM P 过程变量对硅片表面材料去除率和非均匀性的影响等方面的许多问题还没有完全研究清楚,还需进一步研究,特别是CM P 材料去除机理[4～6].目前,对硅片CM P 材料去除机理的研究很多.早在1927年Preston 通过对玻璃的抛光,得出了一个基于唯象学理论的材料去除率(material removal rate ,MRR )模型,之后被广泛用于硅片CM P 过程中对MRR 的估计[7～9].1991年之后,人们把目光集中在基于流体动力学理论[9,10]及基于接触力学理论[11,12]方面的硅片CM P 材料去除机理研究上;Tich 及Yu 等人[8]还进行了基于接触力学和流体力学理论的综合研究.在基于运动学方面的硅片CM P 研究方面,Hocheng 等人[6]通过对硅片表面相对速度及其影响参数的分析,研究了单头抛光机运动变量对硅片CM P 材料去除非均匀性的影响;Tso 等人[7]通过对双面抛光机抛光头与抛光盘的运动关系研究,分析了磨粒在硬盘基片上的划痕分布非均匀性及其影响因素.然而,上述研究都带有片面性,还存在一定的缺陷,不能全面解释硅片CM P 的材料去除机理.随着集成电路的发展,硅片尺寸不断增大,其面型精度要求也越来越高,基于磨粒运动轨迹的大尺寸硅片(300mm 以上)CM P 机理研究还未见文献报导,而磨粒在硅片表面的运动轨迹不仅最能反映出材料去除率的多少,还能很好地反映出硅片表面材料去除非均匀性的高低[6,7].为此,本文根据大尺寸单头抛光机运动关系,通过对磨粒在硅片上的轨迹长度及磨粒轨迹分布均匀性的研究,分析了CM P 抛光机运动参数对硅片表面材料去除率及材料去除第3期苏建修等: UL SI 制造中硅片化学机械抛光的运动机理非均匀性的影响,从而为进一步揭示硅片CM P 机理提供了理论依据.2 硅片CMP 运动学模型建立适合于大尺寸硅片的CM P 系统是由夹持硅片的抛光头、承载抛光垫的工作台和抛光液(浆料)供给系统三大部分组成.抛光时,抛光头主动旋转,以一定的压力将硅片压在旋转工作台的抛光垫上;由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液注入硅片与抛光垫之间,并与硅片表面产生化学反应;通过磨粒和抛光垫的机械作用去除硅片表面的化学反应产物,实现硅片平坦化[1～5].在基于游离磨料的传统CM P 加工过程中,由于抛光垫是软质、多孔、粘弹性高分子聚合物,抛光液中的大部分磨粒在压力作用下会嵌入到抛光垫中,对硅片表面产生机械作用,如图1所示.所以为了便于研究,假设磨粒嵌入抛光垫,在抛光垫上均匀分布(在半径R 上的分布间隔为ΔR ),随抛光垫一起运动.抛光垫与硅片转向相同时的运动关系如图图1 磨粒、硅片与抛光垫之间作用关系示意图Fig.1 Schematic of relationship s between particle ,wa 2fer and polishing pad2所示,设抛光垫半径为R ,硅片半径为r ,抛光垫与硅片的中心距为e ,抛光垫与硅片的转速和角速度分别为n 1,n 2及ω1,ω2,逆时针转向为正,抛光头的摆臂长为L ,摆动周期为T ,摆幅为A/2,摆动中心为O 3.固定坐标系X O 2Y 如图2所示,其原点在摆幅中点,硅片中心为O w ,选初始位置与O 2重合.当在某一时刻距抛光垫中心O 1为R i 处有一磨粒在P i0点与硅片开始接触,起始转角为θi0,则有:θi0=π-arcosR 2i+e 2-r22eR i(1)该磨粒在抛光垫上随抛光垫的运动方程(在X O 2Y 坐标系中)为:x ip =R i co s (θi0+ω1t )+ey ip =R i sin (θi0+ω1t )(2)当不考虑抛光头中心的摆动时,该磨粒在硅片上的图2 硅片与抛光垫的运动关系Fig.2 Relationship between wafer and the polishingpad运动轨迹即为硅片表面上与该磨粒接触的点在X O 2Y 坐标下的轨迹方程(接触点的旋转):x ′iw =R i co s (θi0+ω1t ±ω2t )+e co s (ω2t )y ′iw =R i sin (θi0+ω1t ±ω2t )+e sin (±ω2t )(3)式中 n 1与n 2同向时,ω2前取“-”号;反之取“+”号.设λ=arcsin (A 2L )sin (2πT t ),γ=arcsin (e L ),O 3的坐标为(L sinγ,L cos γ),令:x ow =-L sin λco sγ+L (1-co s λ)sin γy ow =L (1-cos λ)co s γ+L sin λsinγ(4)(4)式也是抛光头中心(硅片中心)在X O 2Y 坐标中的运动轨迹.则在考虑抛光头中心摆动时该磨粒在硅片上运动轨迹为:x i y i 1′=[x ′iw y ′iw 1]cosλ-sin λ0sinλcos λ0x owy ow1(5)3 磨粒运动轨迹分析硅片CM P 技术是化学作用与机械作用相结合的技术,抛光液在硅片表面产生的化学反应物主要由磨粒的耕犁作用来去除,因此磨粒在硅片表面的划痕长度对MRR 的大小有着直接的影响,而磨粒在硅片表面上的划痕分布影响着材料去除的非均匀性.单位时间内单颗磨粒划痕长度越长、参与抛光的磨粒数量越多,则MRR 越大;磨粒在硅片表面上的轨迹分布越均匀,则硅片表面材料去除非均匀性越小.706半 导 体 学 报第26卷3.1 单颗磨粒运动轨迹分析根据CM P 设备情况,以直径300mm 硅片为例进行研究.设e =240mm ,L =600mm ,A =100mm ,T =6s.当R i 不变时(任取R i =240mm ),由(5)式可以得到不同转速比β(β=n 1/n 2)下单颗磨粒的运动轨迹如下:抛光垫与硅片旋转方向相同(n 1,n 2均为正)时,单磨粒运动轨迹如图3所示.抛光垫与硅片旋转方向相反(n 1为正,n 2为负)时,单颗磨粒运动轨迹如图4所示.图5为转速比与单磨粒在硅片表面的轨迹长度示意图.图3 转向相同时硅片上单颗磨粒运动轨迹 (a )n 1/n 2=500/50;(b )n 1/n 2=100/50;(c )n 1/n 2=50/50;(d )n 1/n 2=50/500.线1:磨粒随抛光垫的运动轨迹;线2:磨粒在硅片上的运动轨迹 R i =240mm ;T =6s ;A =100mm ;L =600mmFig.3 Track of a particle on wafer surface with the wafer and the pad rotating in same direction (a )n 1/n 2=500/50;(b )n 1/n 2=100/50;(c )n 1/n 2=50/50;(d )n 1/n 2=50/500.Curve 1:Track of a particle motioningwith the pad ;Curve 2:Track of a particle on wafer sur 2face(1)单颗磨粒在硅片表面的轨迹长度与转速比β的关系当n 1与n 2均为正时(图3):β=2时为临界值,磨粒轨迹最短;β<2时,随着β的增大,磨粒在硅片表面的轨迹长度大幅度减小;而β>2时,随β增大,磨粒轨迹长度缓慢增加;β趋于无穷大时,其长度接近曲线1的长度(图3中).当n 1为正,n 2为负时(图图4 转向相反时硅片上单颗磨粒运动轨迹 (a )n 1/n 2=500/50;(b )n 1/n 2=100/50;(c )n 1/n 2=50/50;(d )n 1/n 2=50/500.线1:磨粒随抛光垫的运动轨迹;线2:磨粒在硅片上的运动轨迹 R i =240mm ;T =6s ;A =100mm ;L =600mmFig.4 Track of a particle on wafer surface with the wafer and the pad rotating in reverse direction (a )n 1/n 2=500/50;(b )n 1/n 2=100/50;(c )n 1/n 2=50/50;(d )n 1/n 2=50/500.Curve 1:Track of a particle motio 2ning with the pad ;Curve 2:Track of a particle on wafersurface图5 磨粒在硅片表面的轨迹长度示意图Fig.5 Schematic in track length of particle motioning on wafer surface4),随β的增加,磨粒轨迹长度单调减小;在β<2时,随着β的变化,磨粒轨迹长度的变化幅度较大.(2)n 1,n 2对材料去除率的影响n 1,n 2均为正时,β>2时,若n 2不变,增大n 1,不仅磨粒在硅片表面上的轨迹长度增加,而且磨粒通过硅片的时间减少,单位时间内通过硅片表面的磨粒数量增加;这时n 1增大能使材料去除率增加.β<2时,若n 2不变,增大n 1,虽然单位时间内通过硅806第3期苏建修等: UL SI 制造中硅片化学机械抛光的运动机理片的磨粒数量增加,但磨粒在硅片表面的轨迹长度减少;这时材料去除率的变化要看磨粒数量的增加与磨粒轨迹长度减少两方面的综合结果.n 1为正,n 2为负时,若n 2不变,增大n 1,材料去除率的变化也要看磨粒数量的增加与磨粒轨迹长度减少两方面的综合结果.不论n 1,n 2的正负如何,当n 1不变时,n 2的变化只对磨粒轨迹长度有影响,不会引起单位时间内通过硅片表面的磨粒数量变化,这时可根据β的变化来分析n 2对材料去除率的影响.可见n 1的变化对材料去除率影响较复杂.(3)硅片与抛光垫转向同磨粒轨迹长度的关系从图3,4和5中的磨粒轨迹长度可以看出,在同等条件下,n 1为正,n 2为负时,磨粒在硅片表面的轨迹长度大于n 1与n 2同为正时磨粒在硅片表面上的轨迹长度.(4)在相同转速比β下,不同n 1,n 2对磨粒轨迹长度的影响图6(a )的2线较图6(b )的2线短.这说明在β相等条件下,其转速值n 1,n 2越大,则磨粒在硅片表面上的轨迹长度越长.图6 β=1时,n 1,n 2不同时单磨粒运动轨迹 (a )n 1/n 2=10/10;(b )n 1/n 2=100/100.图中n 1与n 2同向,R i =240mm ,T =6s ,A =100mm ,L =600mm ;曲线1,2意义同图4;曲线3:抛光头不摆动时磨粒在硅片上的运动轨迹.Fig.6 Track of a particle under different n 1and n 2at β=1.R i =240mm ,T =6s ,A =100mm ,L =600mm and the wafer and the pad rotate in same direction.Curves 1and 2see Fig.3.Curve 3is track of a particle on wafer surface without oscillating of carrier.(5)抛光头摆动参数对磨粒轨迹长度的影响由图7可以看出,在相同条件下,当摆动周期为某临界值T 0时,会出现磨粒轨迹长度最短现象;当T >T 0时,随着T 的增大,磨粒轨迹长度缓慢增加,T 趋于无穷大时,线2与线3近似重合;当T <T 0时,随着T 的减少,磨粒轨迹长度增大.图7 相同条件下不同T 时磨粒在硅片上的运动轨迹 (a )T=012s ;(b )T =1s ;(c )T =3s ;(d )T =6s.图中n 1与n 2同为正,R i =240mm ,n 1/n 2=100/50,A =100mm ,L =600mm ;曲线1,2,3的说明与图6中相同.Fig.7 Track of a particle on wafer surface under dif 2ferent T R i =240mm ,n 1/n 2=100/50,A =100mm ,L =600mm and the wafer and the pad rotate in same di 2rection.Curves 1and 2see Fig.3,and Curve 3sees Fig.6.由(5)式,改变抛光头摆幅A 、摆长L 可以仿真出A ,L 对磨粒轨迹长度的影响(限于篇幅,仿真图从略),从仿真结果可以分析出:正常条件下,随着A 的增大,磨粒轨迹长度稍有减少,但影响不显著;在相同条件下,摆长L 对磨粒轨迹长度的影响很小.3.2 多磨粒运动轨迹分析由(5)式,R i 从90mm 变化到390mm ,以ΔR i =5mm 为增量进行仿真(共60颗磨粒),则不同β下的磨粒运动轨迹如下:当n 1与n 2均为正时,多磨粒在不同β下的运动轨迹如图8所示.当n 1为正、n 2为负时,多磨粒在不同β下的运动轨迹如图9所示.经过对图8和9进行分析,则有:(1)n 1与n 2大小对磨粒轨迹分布均匀性的影响当β≥1(图8),β>2(图9)时,磨粒轨迹呈均匀分布.当β<1(图8),β≤2(图9)时,随β逐渐减少,磨粒轨迹长度逐渐增大,轨迹曲率半径逐渐变小,磨906半 导 体 学 报第26卷粒轨迹重叠现象从硅片边缘处开始逐渐向硅片中心处变化,即随着β的减少硅片表面磨粒轨迹分布非均匀性面积逐渐增大.图8 转向相同时硅片上多磨粒运动轨迹 (a )n 1/n 2=100/50;(b )n 1/n 2=50/50;(c )n 1/n 2=50/100;(d )n 1/n 2=50/500Fig.8 Tracks of particles on wafer surface under the wafer and the pad rotating in the same direction (a )n 1/n 2=100/50;(b )n 1/n 2=50/50;(c )n 1/n 2=50/100;(d )n 1/n 2=50/500.ΔR i =5mm ,T =6s ,A =100mm ,L =600mm(2)n 1与n 2的方向对硅片表面磨粒轨迹分布均匀性的影响在β=2和β=1时,当n 1与n 2均为正时,磨粒轨迹分布均匀(图8);而当n 1为正,n 2为负时,磨粒轨迹有明显的重叠现象,即出现非均匀性现象(图9).在β=1/2时,磨粒轨迹在n 1与n 2均为正时的重叠区域较n 1为正,n 2为负时小.可见,正常情况下,在同等条件下,硅片与抛光垫转向相反时,硅片表面磨粒轨迹分布非均匀性大于硅片与抛光垫转向相同时的硅片表面磨粒轨迹分布非均匀性.(3)抛光头摆动参数对硅片表面磨粒轨迹分布均匀性的影响由(5)式,可以仿真出T ,A ,L 对硅片表面磨粒轨迹分布均匀性的影响(限于篇幅,仿真图也从略).从仿真结果可以看出:正常条件下,A 和L 的大小对磨粒轨迹分布非均匀性影响不太明显;当转速较低时,T 较小容易出现磨粒轨迹分布非均匀,当转速较大时,即使T 较小,也不会出现磨粒轨迹分布非均匀性.而A 较小时,T很小时也会出现磨粒轨迹图9 转向相反时硅片上多磨粒运动轨迹 (a )n 1/n 2=100/50;(b )n 1/n 2=50/50;(c )n 1/n 2=50/100;(d )n 1/n 2=50/500Fig.9 Tracks of particles on wafer surface under thewafer and the pad rotating in the reverse direction (a )n 1/n 2=100/50;(b )n 1/n 2=50/50;(c )n 1/n 2=50/100;(d )n 1/n 2=50/500.ΔR i =5mm ,T =6s ,A =100mm ,L =600mm分布非均匀.因此,在抛光头摆动参数中,T 对磨粒轨迹分布非均匀性影响较大.3.3 CMP 设备n 1,n 2及抛光头摆动参数综合确定由311和312节的分析,综合考虑磨粒在硅片表面划痕长度、单位时间内参与抛光的磨粒数量和划痕分布均匀性,选择大的n 1可使单位时间内通过硅片表面磨粒数量增加;选择大的n 2的可使磨粒轨迹长度增加;而在β≥1时且n 1与n 2均为正时,硅片表面磨粒轨迹分布均匀.因此,在优先考虑磨粒分布均匀性的条件下应取n 1≥n 2且n 1与n 2同号,再考虑磨粒轨迹长度取n 1=n 2.这个结论不仅与文献[6]的实验结果基本一致,而且也说明了目前CM P 设备设计成抛光垫与硅片转向相同的原因,同时也从另一个侧面揭示了CM P 材料去除机理.在综合考虑材料去除率和材料去除非均匀性的条件下,可选择较大的T 值,A 与L 可根据设备情况确定,但应避免在低转速下选择较大的A 和过小的T 值.4 结论经过上述分析,得出如下结论:16第3期苏建修等: UL SI制造中硅片化学机械抛光的运动机理(1)n1的变化不仅使单位时间内通过硅片表面磨粒数量变化,还会使磨粒轨迹长度产生变化;而n2的变化只影响磨粒轨迹长度.因此,n1对材料去除率的影响要综合考虑单位时间内参与抛光的磨粒数量与磨粒轨迹长度的变化两方面的因素.而n2对材料去除率的影响只需考虑磨粒轨迹长度的变化.(2)根据硅片表面材料去除率及材料去除均匀性,应选n1=n2或n1与n2接近且转向相同.(3)抛光头摆动参数A,T,L中,T对硅片表面磨粒轨迹长度和磨粒轨迹分布非均匀性的影响最大,而A,L的影响很小.因此,通过A,T,L与n1,n2的合理匹配可得到最佳硅片表面材料去除率和最小的材料去除非均匀性.(4)本文是在磨粒嵌入(固结在)抛光垫的基础上进行分析,所以该方法可直接用于下一代固结磨粒硅片CM P机理的分析,为固结磨料硅片CM P机理的运动学分析起到抛砖引玉的作用.参考文献[1] Guo Dongming,Kang Renke,Su Jianxiu,et al.Future devel2opment on wafer planarization technology in UL SI fabrica2tion.Chinese Journal of Mechanical Engineering,2003,39(10):100(in Chinese)[郭东明,康仁科,苏建修,等.超大规模集成电路制造中硅片平坦化技术的未来发展.机械工程学报,2003,39(10):100][2] Su Jianxiu,Kang Renke,Guo Dongming.Technology analysisof wafer chemical mechanical polishing in t he manufact ure ofUL SI.Semiconductor Technology,2003,28(10):27(in Chi2nese)[苏建修,康仁科,郭东明.超大规模集成电路制造中硅片化学机械抛光技术分析.半导体技术,2003,28(10):27][3] Wang Hongying,Liu Yuling,Zhang Dechen.A new type ofcopper CMP slurry in UL SI.Chinese Journal of Semiconduc2tors,2002,23(2):217(in Chinese)[王弘英,刘玉岭,张德臣.适于UL SI的一种新的铜CMP抛光液.半导体学报,2002,23(2):217][4] Wang Xin,Liu Yuling.CMP slurry of copper interconnectionfor UL SI.Chinese Journal of Semiconductors,2002,23(9):1006(in Chinese)[王新,刘玉岭.UL SI铜互连线CMP抛光液的研制.半导体学报,2002,23(9):1006][5] Zhang Kailiang,Liu Yuling,Wang Fang,et al.Chemic2me2chanical polishing of silicon wafer in UL SI.Chinese Journal ofSemiconductors,2004,25(1):115(in Chinese)[张楷亮,刘玉岭,王芳,等.UL SI硅衬底的化学机械抛光.半导体学报,2004,25(1):115][6] Hocheng H,Tsai H Y,Tsai M S.Effect s of kinematic varia2bles on nonuniformity in chemical mechanical planarixation.International Journal of Machine Tools&Manufacture,2000,40(11):1651[7] Tso P L,Wang Y Y,Tsai M J.A study of carrier motion on adual2face CMP machine.Journal of Materials ProcessingTechnology,2001,116(2/3):194[8] Tich J,Levert J A,Shan L,et al.Contact mechanics and lubri2cation hydrodynamics modeling for chemical2mechanical polis2hing.J Electrochem Soc,1999,146(4):1523[9] Warnock J.A two2dimensional process model for chemime2chanical polish planarization.J Electrochem Soc,1991,138(8):2398[10] Runnels S R,Eyman L M.Tribology analysis of chemical2me2chanical polishing.J Electrochem Soc,1994,141(6):1698 [11] Shi F G,Zhao B.Modeling of chemical2mechanical polishingwit h soft pads.Appl Phys A,1998,67(2):249[12] Zhao Y W,Chang L.A micro2contact and wear model forchemical2mechanical polishing of silicon wafers.Wear,2002,252(3/4):220116半 导 体 学 报第26卷216Kinematic Mechanism of Chemical Mechanical Polishingin U LSI Manufacturing3Su Jianxiu1,2,Guo Dongming1,Kang Renke1,Jin Zhuji1,and Li Xiujuan1(1Key L aboratory f or Precision and N on2T raditional M achining Technolog y of Minist ry of Education,Dalian Universit y of Technolog y,Dalian 116024,China)(2Henan I nstit ute of S cience&Technolog y,X inx iang 453003,China)Abstract:According to the kinematic relationship between polishing head and polishing table,the kinematic traces of abrasives on wafer surface are calculated,and the effects of the kinematic variables,such as rotation speeds and directions of polishing head and polishing table,length of oscillating arm,oscillating period and amplitude of polishing head,upon material removal rate (MRR)and nonuniformity of wafer surface are theoretically analyzed.It is indicated that the optimal nonuniformity of wafer surface and material removal rate can be obtained under the wafer and the pad rotating in the same direction with the equal rota2 tional speed.The analytical results provide theoretical guide to design CMP equipment,select the kinematic variables of CMP and f urther understand the material removal mechanism of wafer in CMP.K ey w ords:chemical mechanical polishing;material removal mechanism;material removal rate;nonuniformity;abrasives EEACC:2220;2550;8620Article ID:025324177(2005)03206062073Project supported by t he Major Program of National Natural Science Foundation of China(No.50390061) Su Jianxiu male,professor,PhD candidate.His research interest s are in area of ultra2precision and non2traditional machining,especially in CMP. Guo Dongming male,professor,advisor of PhD candidates.His research interest s include precision&non2traditional machining,precision measurement and numerical design and manufacturing. Kang Renke male,professor,advisor of PhD candidates.His research interest s include ultra2precision&non2traditional machining and preci2 sion measurement. Received2March2004,revised manuscript received15J uly2004○c2005Chinese Institute of Electronics。
ULSI硅衬底的化学机械抛光
在 10 左右，使得反应速率保持平稳 . 由此可见，多胺 弱碱的采用起到了一剂多用的效果，既调节了 pH 值，又起到了缓冲作用 .
3.4 浆料流速和温度的影响
浆料流速和温度在 CMP 过程中对抛光速率和 抛光质量也有重要影响 . 其中浆料流速对抛光后平 整度的影响见表 2 . 结果表明，浆料流速太小，会增 加磨擦力，使温度分布不均匀，降低了硅片表面的平 整度 . 大流量不仅使反应生成物迅速脱离硅片表面， 更重要的是降低了由于磨擦产生的热量引起硅片表 面局部过高的温度，使硅片表面温度均一性好，保证 了硅片表面的一致性 . 本文根据实验情况提出了快 启动、大流量工艺技术，即开始起动后，可短时间、小 流量以便快速升温保证其完美性，之后将流量迅速 调大，以保证反应产物的质量传输和整个硅片温度 均匀，无局部温度过高引起的反应速率不一致现象 . 因为化学反应与温度变化呈指数关系，温度高的地 方，去除速率较大 . 该工艺技术被许多硅材料厂应用 后，抛光片的平整度有了明显改善 .
第 25 卷第 1 期
半导体学报
Vol. 25，No. 1
2004 年 1 月
CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORS
Jan. ，2004
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
ULSI 硅衬底的化学机械抛光"
图 2 浆料中二氧化硅浓度对去除速率的影响
Fig. 2 Effect of concentration of siiica siurry on MRR
3 . 3 pH 值的影响 抛光液的 pH 值对浆料的化学活性有着重要的
影响，因而对抛光速率也影响重大，结果如图 3 所 示.
化学机械抛光工艺(CMP).
化学机械抛光液（CMP）氧化铝抛光液具体添加剂摘要：本文首先定义并介绍CMP工艺的基本工作原理，然后，通过介绍CMP系统，从工艺设备角度定性分析了解CMP的工作过程，通过介绍分析CMP工艺参数，对CMP作定量了解。
在文献精度中，介绍了一个SiO2的CMP平均磨除速率模型，其中考虑了磨粒尺寸，浓度，分布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。
经过实验，得到的实验结果与模型比较吻合。
MRR 模型可用于CMP模拟，CMP过程参数最佳化以及下一代CMP设备的研发。
最后，通过对VLSI 制造技术的课程回顾，归纳了课程收获，总结了课程感悟。
关键词：CMP、研磨液、平均磨除速率、设备Abstract：This article first defined and introduces the basic working principle of the CMP process, and then, by introducing the CMP system, from the perspective of process equipment qualitative analysis to understand the working process of the CMP, and by introducing the CMP process parameters, make quantitative understanding on CMP.In literature precision, introduce a CMP model of SiO2, which takes into account the particle size, concentration, distribution of grinding fluid velocity, polishing potential terrain, material performance.After test, the experiment result compared with the model.MRR model can be used in the CMP simulation, CMP process parameter optimization as well as the next generation of CMP equipment research and development.Through the review of VLSI manufacturing technology course, finally sums up the course, summed up the course.Key word: CMP、slumry、MRRs、device1.前言随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸缩小，要求晶片表面平整度达到纳米级。
单晶硅材料化学机械抛光技术研究
单晶硅材料化学机械抛光技术研究随着信息科技的快速发展和需求的不断增长，半导体材料的应用越来越广泛，单晶硅作为半导体领域最重要的材料之一，由于其高纯度、高硬度和高热稳定性，已成为电子行业普遍使用的材料。
而半导体晶圆制备中对单晶硅的表面要求也越来越高，而化学机械抛光是单晶硅表面处理的一种重要技术，本文将对单晶硅材料化学机械抛光技术研究进行探讨。
一、单晶硅的性质单晶硅由于其性质的独特性，成为了领域的必需品。
它的晶格构造很完美，具有非常优良的器件性能，是目前最主要的微电子加工材料之一。
单晶硅材料具有很高的硬度、良好的机械性能和较宽的半导体带隙，具有良好的热稳定性和抗辐照性能，而且成本较低，可应用于特种光学元件、太阳能电池、微电子器件等领域。
二、单晶硅材料的表面处理技术对于单晶硅材料，在进行制备过程中必须进行表面处理，以满足高品质器件的要求。
而表面处理的方法有很多种，其中化学机械抛光技术备受关注。
化学机械抛光技术是在表面受力状态下，利用化学反应和机械碰撞削除表面杂质，调整表面形貌和粗糙度的一种高效、精确的方法。
因此，对于单晶硅表面处理过程中采用化学机械抛光技术是非常必要且重要的。
三、化学机械抛光技术的研究化学机械抛光技术是利用硬度高的抛光磨粒进行粗抛，再用软化抛光磨粒进行细抛的一种技术。
因为不使用致癌物质和重金属，这种抛光方式受到了广泛的关注。
在化学机械抛光技术中，重要的是抛光液的选择。
抛光液的选择应该考虑到抛光效率、表面平整度和表面干净度等因素。
1. 抛光液中添加的化学物质在化学机械抛光技术中，抛光液中添加的化学物质对抛光效果和所需抛光时间等因素的影响非常大。
为了获得更好的抛光效果和减少抛光时间，通常在抛光液中添加有机酸、氧化剂和聚合物添加剂等物质。
酸的作用是溶解表面氧化层和反应硅，氧化剂的作用是增加表面氧化层，起到去除氧化膜和增加氧化膜的作用，而大分子有机物可以增加表面的光亮度和改善表面的平整性，使表面质量更加完美。
集成电路工艺第九章化学机械抛光
CMP工艺可用于制造高精度光学元件和掩膜板，提高光刻工艺的精度和效率。
高精度表面处理
CMP技术可有效去除芯片制造过程中的结构材料，提高芯片制造效率和成品率。
结构材料去除
化学机械抛光在芯片制造中的应用
化学机械抛光在封装测试中的应用
封装基板处理
CMP工艺可用于封装基板表面的处理，提高封装质量和可靠性。
发布时间
《化学机械抛光液》标准发布时间为2010年，《化学机械抛光设备》标准发布时间为2012年，《化学机械抛光工艺质量要求》标准发布时间为2015年。
适用范围
《化学机械抛光液》标准适用于集成电路制造、光学元件加工等领域用化学机械抛光液的质量要求
化学机械抛光相关标准推荐
03
04
05
THANKS
感谢观看
在介质平坦化中，CMP可以去除介质层表面的凸起，实现介质层的高度平滑。
1
化学机械抛光历史
2
3
CMP技术自20世纪80年代问世以来，经历了从发明到商业化应用的发展过程。
最初的CMP技术主要应用于磁盘驱动器的制造中，后来被引入到集成电路制造中，成为后道工艺中的关键技术之一。
随着CMP技术的不断改进和应用领域的扩大，它已经成为微电子制造中的重要支柱之一。
应用领域
化学机械抛光技术被广泛应用于集成电路制造、光学元件加工、医疗器械制造等领域。在集成电路制造领域，化学机械抛光技术已成为制备高质量表面的关键技术之一。
展望
未来，化学机械抛光技术将继续发挥重要作用，同时，随着新型材料的不断涌现，该技术将不断得到改进和完善，应用领域也将越来越广泛。
化学机械抛光相关论文推荐
xx年xx月xx日
集成电路工艺第九章化学机械抛光
化学机械抛光流程
化学机械抛光流程化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是一种常用的半导体制程工艺，用于平坦化和光洁化材料表面。
它被广泛应用于集成电路、光学器件、硬盘驱动器等领域。
一、介绍化学机械抛光是一种同时结合了化学反应和机械磨削的表面处理技术。
它通过在磨削过程中施加化学药液来溶解和去除材料表面，同时使用磨料颗粒进行物理磨削，从而实现对材料表面的平坦化和光洁化。
二、流程步骤1. 基片准备在进行化学机械抛光之前，需要对基片进行准备。
首先，将待处理的基片清洗干净，去除表面的杂质和污染物。
然后，将基片放置在夹持装置上固定，以便后续的抛光操作。
2. 研磨液准备研磨液是化学机械抛光过程中的重要组成部分，它包含了化学药液和磨料颗粒。
根据不同的抛光要求，可以选择不同的研磨液配方。
常用的研磨液成分包括酸性或碱性的溶液、氧化剂、缓冲剂等。
3. 抛光头选择选择合适的抛光头对于化学机械抛光的效果至关重要。
抛光头通常由聚氨酯材料制成，其硬度和弹性要能适应不同的材料和抛光需求。
抛光头的表面有微小的凹凸结构，可以与研磨液和基片表面产生摩擦，实现磨削作用。
4. 施加力和速度在进行化学机械抛光时，需要施加适当的力和速度。
力的大小与抛光头的接触压力有关，过大或过小都会影响抛光效果。
速度的选择要根据抛光材料的硬度和研磨液的成分来确定，通常是在一定范围内调节。
5. 进行抛光将研磨液注入抛光机的抛光盘中，然后将待处理的基片放置在抛光盘上。
启动抛光机后，抛光盘开始旋转，同时抛光头也开始进行往复运动。
在抛光过程中，研磨液中的化学药液溶解和去除材料表面，磨料颗粒物理磨削表面，使其达到平坦和光洁的要求。
6. 监测和控制在化学机械抛光过程中，需要对抛光效果进行监测和控制。
常用的监测方法包括表面粗糙度测量、厚度测量和材料去除率测量等。
根据监测结果，可以调整抛光参数，以达到预期的抛光效果。
7. 清洗和干燥完成化学机械抛光后，需要对基片进行清洗和干燥。
化学机械研磨发展历程
化学机械研磨发展历程化学机械研磨，又称CMP（Chemical Mechanical Polishing），是一种同时利用化学反应和机械研磨作用将材料表面平整化的技术。
它广泛应用于半导体制造工艺中，用于制作平坦的晶体硅衬底和集成电路芯片。
化学机械研磨最初是在20世纪80年代末在美国发展起来的。
当时，半导体工业急需一种能够克服化学腐蚀和切割磨损的技术来平整化硅表面。
经过多年的努力，科学家们最终发展出了化学机械研磨的原理和方法。
早期的化学机械研磨主要应用于硅衬底的制备过程。
在这个过程中，硅衬底表面经过了一系列的化学处理，然后被放置在旋转的平坦台上。
硅衬底与搭载研磨液的研磨头接触，并施加适当的力，使硅表面产生切割和化学反应，进而实现表面平整化。
这一方法不仅平整度高，而且可以达到亚纳米级的表面粗糙度。
随着半导体工业的迅速发展，化学机械研磨技术也逐渐得到了进一步的改进和扩展。
在1994年，化学机械研磨技术首次被应用于集成电路的制造过程中。
CMOS（互补金属氧化物半导体）制造工艺中，化学机械研磨被广泛应用于化学气相沉积膜（如氧化层和聚酰亚胺层）和金属膜（如铝或钨）的平整化。
在21世纪的发展中，化学机械研磨技术进一步得到了提升。
一方面，人们对研磨液的配方进行了改进，使其能够在更宽的材料范围内实现高效的研磨效果。
另一方面，不断提高的半导体工艺要求也推动了化学机械研磨技术的进步。
例如，在近年来的芯片制造中，多层金属结构和超低K介电常数薄膜的制备对研磨技术提出了更高的要求。
因此，化学机械研磨技术不断进行改进，以满足不断发展的半导体制造工艺。
化学机械研磨技术的发展不仅在半导体制造工艺中发挥了重要作用，而且在其他领域也得到了应用。
例如，在光学芯片制造和微机电系统（MEMS）制造中，化学机械研磨技术也被广泛采用。
此外，由于其能够兼顾高效性和高精度的特点，化学机械研磨技术在材料科学和工程领域的表面处理和制备过程中也具有广阔的应用前景。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第25卷第1期半 导 体 学 报V o l.25,N o .1 2004年1月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR SJan .,20043国家科技型中小企业技术创新基金(编号:00C26211200925)及天津市科技攻关(编号:013180311)资助项目 张楷亮 男,1977年出生,博士研究生,从事纳米材料及在I C 工艺技术中应用的研究.Em ail:zhangk l@hebut .edu .cn 2003201208收到,2003203231定稿○c 2004中国电子学会UL SI硅衬底的化学机械抛光3张楷亮1 刘玉岭1 王 芳2 李志国1 韩党辉1(1河北工业大学微电子技术与材料研究所,天津 300130)(2天津理工学院光电信息系,天津 300191)摘要:在分析UL S I 中硅衬底C M P 的动力学过程基础上,提出了在机械研磨去除产物过程中,适当增强化学作用可显著改善产物的质量传输过程,从而提高抛光效率.在对不同粒径分散度的硅溶胶抛光液进行比较后提出了参与机械研磨的有效粒子数才是机械研磨过程的重要因素,而不是单纯受粒径大小的影响.分析和讨论了C M P 工艺中的几个影响因素,如粒径大小与分散度、pH 值、温度、流量和浓度等.采用含表面活性剂和螯合剂的清洗液进行抛光后清洗,表面颗粒数优于国际SE M I 标准,抛光雾得到了有效控制.关键词:硅衬底;化学机械抛光(C M P );UL S I ;纳米研磨料;动力学过程EEACC :2550E ;2570;8620中图分类号:TN 30512 文献标识码:A 文章编号:025324177(2004)01201152051 前言高集成化(数亿个元器件 芯片),大直径化(5300mm 的硅单晶棒2003年将工业规模应用,5400mm 和5500mm 的硅单晶棒也已研制成功),小尺寸化(特征尺寸0113Λm 的工艺2003年将工业规模应用,各国正在封闭研究开发0109Λm 的生产工艺)已成为I C 高速发展的趋势.特征尺寸的进一步微型化,对光刻材料表面的平坦化程度提出了更高的要求.20世纪60年代发展起来的化学机械抛光(chem ical m echan ical po lish ing ,C M P )[1]被公认为是U L S I 阶段惟一的,也是最好的材料全局平坦化方法.目前硅衬底抛光工艺面临的难题主要有:表面划伤、抛光雾[2]、金属离子沾污、残余颗粒难以清除等.这些缺点都直接影响到器件的电特性[3],例如导致针孔,发生低击穿,使少子寿命降低,漏电流增加,进而使I 2V 特性变软,损伤缺陷引起结底不平,噪声增加等,对半导体芯片行业的发展十分不利.因此,有关C M P 的研究已引起了广大I C 工艺技术人员的广泛关注.长期以来,我们一直对I C 制备工艺的平坦化技术及相关材料进行研究并取得了一定的成果[4～6].以往的C M P 研究多从单一角度分析,或侧重机械,或强调化学,忽视了二者的结合.本文从两方面分析了C M P 的动力学过程,提出了新的抛光机理,着重讨论了纳米研磨料的影响.采用分散度小、粒径小的研磨料,通过加强化学作用,最终实现了高速率、低损伤,并采用先进的化学清洗方法保证了C M P 的高光洁度.2 I C 中硅衬底表面C M P 动力学过程分析 研究表明化学机械抛光主要包括以下两个过程[6]:(1)首先是吸附在抛光布上的抛光液中的化学活性组分与晶片表面的硅原子在表面进行化学反应,抛光液中Si —O H 与硅表面的Si —O 形成共价键和氢键,这是化学作用为主的动力学过程;(2)在磨盘、抛光垫及研磨料的作用下,将上步形成的表面软化层从硅片表面研磨下并将反应物带离抛光表面,即解吸过程,使未反应的硅原子重新裸露出来,循环反应直到平坦度及厚度满足要求,该过程是机械与化学共同作用的动力学过程.通常认为上述第二步为机械作用过程,且是慢反应过程,即整个抛光过程的控制过程.本研究发现该过程的反应物去除也与化学作用息息相关,并与反应产物的形式有关.研究发现,在相同pH值下,采用多胺有机碱的抛光液时,抛光速率要大于使用其他碱的情况,如无机碱或季铵碱.这主要是由于虽然它们与硅的化学反应相似,但它们与反应产物Si O2-3(或H Si O-3)的作用并不相同,使得产物脱离硅片表面的快慢有所差异.如氢氧化钠、季铵碱和多胺有机碱与反应产物相作用情况如下:2N a++Si O2-3→N a2Si O3(1)R4NO H→R4N++OH-(2) 2R4N++Si O2-3→(R4N)2Si O3(3) N H22R2N H2+2H2O→HON H32R2N H3OH→N H+32R2N H+3+2OH-(4) nN H+32R2N H+3+nSi O2-3→ 2[N H2R2N H2Si O22N H2R2N H2Si O2]n-+nH2O(5) 由反应式(1)、(3)、(5)可知:在水溶液中N a+与产物Si O2-3的作用力最弱,多胺有机碱与Si O2-3形成高分子聚合物作用力最强.所以在抛光过程中N aO H、R4NO H、N H22R2N H2三种物质与Si O2-3形成产物的稳定性依次增强,致使产物脱离硅片表面的速度也依次加快,抛光速率依次增大.正是由于以上原因,在反应产物脱离硅片表面时,适当增强化学作用,将使整个抛光速率有显著提高.总之,研究发现C M P的动力学过程仍是第二过程,是整个抛光的控制步骤,但适当增强化学作用后,抛光速率有了明显改善.3 C M P影响因素分析3.1 粒径及分散度影响由于大粒径研磨料用于C M P后容易造成划伤,一般认为硅片表面的损伤层为研磨料粒径的1 4左右,故采用小粒径研磨料是上策.但C M P工艺人员通常认为小粒径研磨料会减弱机械作用,导致抛光速率较低.为解决上述矛盾,本文对不同粒径、不同分散度的硅溶胶研磨料进行了比较,结果见表1.表1 抛光浆料中粒径与分散度对去除速率的影响T ab le1 Effect of particle size and dispersity on M RR (m aterial removal rate)平均粒径 nm粒径分散度去除速率 (nm・m in-1) 200.11975200.31600500.33800研究发现,粒径和分散度对抛光速率有着重要影响.在浓度相同,平均粒径接近的情况下,分散度越小,抛光速率越高;甚至在粒径不同时,分散度的影响效果也很显著.从表中可以看出:采用分散度较小,平均粒径为20nm的硅溶胶抛光液时,抛光速率比分散度较宽,平均粒径为50nm的硅溶胶抛光液高.这主要是因为在压力作用下并不是所有粒子都参与研磨,存在有效粒子问题,分散度越大,则真正参与机械研磨的有效粒子数就越小,虽然粒径稍大,但综合效果将不及分散度小的小粒径研磨料.实验结果和分析表明,真正影响机械研磨作用的并不单纯是粒径的大小,而是粒径大小与分散度的综合效果,即真正参与机械研磨的有效粒子数.综上所述,本文采用了几乎单分散的20nm小粒径硅溶胶作为研磨料,其T E M照片如图1所示.图1 硅溶胶研磨料的T E M照片(×105)F ig.1 T E M pho tograph of silica so ls ab rasive3.2 磨料浓度的影响磨料的浓度对抛光速率和抛光镜面情况也有重要影响.由图2可知,在一定范围内,随着浓度的增大,抛光速率增大,且平整度趋于更好.这主要是由于随着浓度的提高,浆料中参与机械研磨的有效粒子数增多,致使去除速率增加.此外,抛光时,在一定611半 导 体 学 报25卷 压力和转速下,高浓度的Si O 2还可以起到搪料的作用,防止抛光中进入的硅渣和环境中侵入尘粒造成划道和损伤.但并不是浓度越高越好,浓度达到一定之后,去除速率增加缓慢,且流动性也会受影响,成本也增加,不利于抛光.本文的实验结果表明Si O 2的浓度在2%左右较为合适.图2 浆料中二氧化硅浓度对去除速率的影响F ig .2 Effect of concen trati on of silica slu rry on M RR3.3 pH 值的影响抛光液的pH 值对浆料的化学活性有着重要的影响,因而对抛光速率也影响重大,结果如图3所示.图3 pH 值与抛光速率的关系F ig .3 R elati on betw een po lish ing rate and pH value由图可知,在一定的温度和压力以及一定的pH 值范围内,去除速率出现了最大值,即pH 值为1012时去除速率最大.此外,硅的化学机械抛光过程是一个机械与化学相互平衡的过程,要获得质量好的抛光片,必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡.若化学腐蚀作用大于机械抛光作用则抛光片表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹;若机械磨削作用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层.这就要求在C M P 过程中化学反应速率要平稳.为了维持高速率且稳定的状态,通常要求在抛光过程中pH 值也稳定.本研究采用多胺有机弱碱为pH 值调节剂,还起到了缓冲剂的作用,在整个抛光过程中维持pH 值在10左右,使得反应速率保持平稳.由此可见,多胺弱碱的采用起到了一剂多用的效果,既调节了pH 值,又起到了缓冲作用.3.4 浆料流速和温度的影响浆料流速和温度在C M P 过程中对抛光速率和抛光质量也有重要影响.其中浆料流速对抛光后平整度的影响见表2.结果表明,浆料流速太小,会增加磨擦力,使温度分布不均匀,降低了硅片表面的平整度.大流量不仅使反应生成物迅速脱离硅片表面,更重要的是降低了由于磨擦产生的热量引起硅片表面局部过高的温度,使硅片表面温度均一性好,保证了硅片表面的一致性.本文根据实验情况提出了快启动、大流量工艺技术,即开始起动后,可短时间、小流量以便快速升温保证其完美性,之后将流量迅速调大,以保证反应产物的质量传输和整个硅片温度均匀,无局部温度过高引起的反应速率不一致现象.因为化学反应与温度变化呈指数关系,温度高的地方,去除速率较大.该工艺技术被许多硅材料厂应用后,抛光片的平整度有了明显改善.表2 浆料流速对CM P 后平整度的影响T ab le 2 Effect of velocity of slu rry flow on p lanarity after C M P浆料流量(mL ・m in -1)10020050030005000抛光后晶片最高最低差值 Λm 0.1830.1330.1170.0890.0513.5 活性剂的影响为保证浆料的稳定性及抛光后的易清洗,加入了少量活性剂,研究发现加入少量活性剂对抛光速率及平整情况有明显改善.这主要是由于活性剂的存在,使得硅片表面凹凸处的去除速率不同,如图4所示.在凸处如1、2、3去除快,凹处如4、5、6、7去除慢,加快了平整化进程,相应地在保证平坦化基础上可减少去除量,提高硅片的利用率.图4 活性剂加速平整化示意图F ig .4 Sketch m ap of po lish ing rate difference w ith concave and convex areas711 1期张楷亮等: UL S I 硅衬底的化学机械抛光4 C M P后清洗[7]清洗也是C M P工艺中一道重要工序,本文在C M P后采用自制的化学清洗剂对其进行集中清洗,在清洗剂中含有去污力较强的非离子表面活性剂及对金属离子有显著螯合作用的螯合剂.清洗后硅片表面由于012Λm的颗粒数小于10个,完全满足国际SE M I标准(要求对于200mm硅片上大于012Λm的颗粒数小于20个).由于金属离子的有效去除,硅片表面因金属离子而形成的抛光雾得到了有效控制,实验结果见表3.表3 两类抛光液CM P后抛光雾比较T ab le3 Comparison of po lish ing haze after C M P w ith tw o k inds of po lish ing slu rry实验组号12345678910晶片数量40404040404040404040抛光液和清洗液不含活性剂和螯合剂含有活性剂和螯合剂有抛光雾的晶片数3538403938000005 结论通过优化工艺参数,增强化学作用,加快去除产物的质量传输过程,实现了C M P的高速率同时保证了低损伤.从新的角度分析了硅衬底的C M P动力学过程,提出了在机械研磨去除产物时适当增强化学作用可显著提高抛光效率.尤其是对不同分散度硅溶胶的抛光效果进行了对比分析,提出了抛光过程中参与机械研磨的有效粒子数是影响抛光速率的重要因素,揭示了抛光研磨料分散度的重要性.通过在抛光液和清洗液中加入非离子表面活性剂和螯合剂,显著地去除了C M P后表面的残余颗粒;抛光雾实验也表明本研究有效去除了C M P硅片表面的金属离子.参考文献[1] M endel E.Po lish ing of silicon.So lid State T echno l,1967,10(8):27[2] L iu Yuling,L iu N a.T he analysis and research about siliconw afer’s po lish ing fog.Sem iconducto r T echno logy,1998,23(1):50(in Ch inese)[刘玉岭,刘钠.硅片抛光雾的分析研究.半导体技术,1998,23(1):50][3] Steigerw ald J M,M urarka S P,Gutm ann R J.Chem ical m e2chanical p lanarizati on of m icroelectronic m aterials.N ewYo rk:John W iley&Sons,1996[4] W ang Hongying,L iu Yuling,Zhang D echen.A new type ofcopper CM P slurry in UL S I.Ch inese Journal of Sem iconduc2to rs,2002,23(2):217(in Ch inese)[王弘英,刘玉岭,张德臣.适于UL S I的一种新的铜CM P抛光液.半导体学报,2002,23(2):217][5] W ang X in,L iu Yuling.CM P slurry of copper interconnecti onfo r UL S I.Ch inese Journal of Sem iconducto rs,2002,23(9):1006(in Ch inese)[王新,刘玉岭.UL S I铜互连线CM P抛光液的研制.半导体学报,2002,23(9):1006][6] L iu Yuling,Zhang Kailiang,W ang Fang.Investigati on on thefinal po lish ing liquid and technique of silicon substrate inUL S I.T he8th I UM R S Internati onal Conference on E lectron2ic M aterials,(I UM R S2I CE M2002)X i’an,Ch ina,2002:500 [7] Zhang Kailiang,L iu Yuling,W ang Fang.Study on contro llingthe adso rp ti on state of particle on the po lished silicon w afer.20016th Internati onal Conference on So lid2State and Inte2grated C ircuit T echno logy P roceedings,2001:464811半 导 体 学 报25卷 Chem ic -M echan ica l Pol ish i ng of Sil icon W afer i n UL SI3Zhang Kailiang 1,L iu Yu ling 1,W ang Fang 2,L i Zh iguo 1and H an D anghu i1(1Institu te of M icroelectronic T echnology &M aterials ,H ebei U niversity of T echnology ,T ianj in 300130,Ch ina )(2D ep art m ent of P hotoelectronics ,T ianj in U niversity of T echnology ,T ianj in 300191,Ch ina )Abstract :T he dynam ical p rocess of C M P u sed in silicon sub strate in UL S I is analyzed ,and a new view po in t is pu t fo rw ard .En 2hancing chem ical effect m ay accelerate the m ass tran s m itting p rocess of ou tpu t in the second step of C M P p rocess ,in w h ich the ou tpu t is m ain ly removed by m echan ical ab rading of slu rry ,and thu s i m p rove the removal rate .M any facts influencing C M P p rocess are discu ssed ,w h ich m ain ly include particle size and dispersity ,pH value ,temperatu re ,flow ,and concen trati on of slu rry etc .T he differen t po lish ing slu rry w ith differen t particle size dispersity are compared ,and resu lts show that the i m 2po rtan t fact influencing m echan ical ab rading is the num ber of effective particle ,w h ich really partici pate in m echan ical ab rading under certain conditi on s ,no t on ly particle size .A fter adding su rfactan t and chelan t agen t in slu rry ,po lish ing su rface becom es better ,the num ber of su rface particle is better than that of the SE M I standard ,and po lish ing haze is also effectively con 2tro lled .Key words :silicon sub strate ;chem ical m echan ical po lish ing ;UL S I ;nano 2ab rasive ;dynam ic EEACC :2550E ;2570;8620Article I D :025324177(2004)01201152053P ro ject suppo rted by N ati onal Innovati on Fund fo r Sm all T echno logy 2Based F irm s (N o .00C 26211200925)and T ianjin Key T echno logy R &DP rogram (N o .013180311) Zhang Kailiang m ale ,w as bo rn in 1977,PhD candidate .H is research interests are I C techno logy and co rrelative nanom eter m aterials . R eceived 8January 2003,revised m anuscri p t received 31M arch 2003○c 2004T he Ch inese Institute of E lectronics 911 1期张楷亮等: UL S I 硅衬底的化学机械抛光。