半导体硅片化学机械抛光电化学与抛光速率研究

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1、摘’要集成电路(IC)是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术，也是改造和提升传统产业的核心技术。IC所用的半导体材料主要是硅和锗、砷化镓等，全球90％以上IC都采用硅片。高质量的硅晶片是芯片制造和IC发展的基础。制造IC的硅片不仅要求极高的平面度，极小的表面粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤。化学机械抛光(CMP)是制备表面无损伤硅片的最后工序，成为半导体制造技术中硅片加工的至关重要的一步。CMP过程实际上是磨粒磨损下的电化学过程，因此用电化学方法研究CMP具有十分重要的意义。本文运用电化学实验方法，以溶液化学、腐蚀电化学原理、摩擦磨损原理、流体力

2、学边界层等相关理论为指导，采用旋转圆盘电极，系统研究和探讨了n(100)、n(111)、P(100)、P(111)半导体硅片在纳米Si02抛光浆料中的成膜行为、CMP中的电化学行为、抛光速率及CMP过程机理等。研究的内容及获得的主要结论如下：运用电化学直流极化和交流阻抗技术，研究了半导体硅片在纳米Si02抛光浆料中的腐蚀行为，探讨了pH值、si02固含量、成膜时间和双氧水浓度等因素对成膜性质的影响。结果表明，pH值严重影响硅片的成膜，pH值为lO．5时的钝化膜最厚，电化学阻抗图谱(EIS)测试结果显示，钝化膜厚度大约为5．989久；Si02固含量对硅片的腐蚀

3、成膜没有影响；双氧水会加速硅片的成膜，随着双氧水浓度的增加，腐蚀电位不断提高，腐蚀电流密度逐渐减小；(100)晶面成膜速度较(111)晶面快。运用循环伏安线性电位扫描法研究了硅片在纳米Si02浆料中的成膜机理，根据峰电流随扫描速率不同而变化的规律，证明了成膜过程符合Miiller模型。研究了CMP过程中，硅片的腐蚀电位和腐蚀电流密度随抛光压力、抛光转速、Si02固含量、浆料pH值以及双氧水浓度的变化规律。抛光压力、抛光转速以及Si02固含量的提高有助于表面膜的去除。研究发现，腐蚀电流密度在一定范围内基本上随抛光压力、抛光转速以及Si02固含量的增加而线性增大

4、；浆料pH值严重影响硅片抛光时的腐蚀电位及腐蚀电流密度，pH值为lO．5时，抛光时的腐蚀电流密度最大；H205的加入使得腐蚀电位升高、腐蚀电流密度增大。考察了硅片在纳米Si02浆料中CMP过程的抛光速率及其影响因素，探讨了抛光压力、抛光转速、Si02固含量、浆料pH值、双氧水浓度以及抛光时间等因素对抛光速率的影响规律。研究结果表明，抛光速率随抛光压力、抛光转速的增加而呈次线性方式增加：随Si02固含量的增加而增大，当浓度达到一定值时，就会发生材料去除饱和现象；抛光速率随浆料pH值和双氧水浓度变化曲线上都会出现一个峰值，在峰值处化学作用和机械作用达到一种动态平

5、衡，抛光速率最大；随抛光时间的延长，抛光速率逐渐减小；(100)晶面的抛光速率远远大于(111)晶面。通过测试抛光前后交流阻抗图谱的变化，证实了抛光是一个成膜．去除．再成膜的循环往复的过程。根据半导体硅片CMP动态电化学研究与抛光速率研究结果的一致性，表明电化学可以作为硅片CMP过程及机理研究的可靠方法，这为硅片CMP研究提供了新思路。通过以上研究，获得了适合半导体硅片CMP的优化工艺参数为：n(100)：40kPa，100rpm，20wto,6Si02，pill0．5，Iv01％H20211(111)：40kPa，200rpm，20wt％Si02，pill

6、0．5，lv01％H202P(100)：40kPa，200rpm，20wt％Si02，pill0．5，2v01％H202P(111)：60kPa，200rpm，20wt％Si02，pill0．5，2v01％H202关键词：半导体硅片；纳米Si02浆料；化学机械抛光；电化学腐蚀；抛光速率nABS7姒CThI嗡删触(Ic)isthebaskofmoderninfonmtion缸蛐andinfonnalionsociety．AndlhetechniqueofICislhehighand撒wtechnologyoflxomofinglhenationalec阿唧ar

7、,dlt'edevelopmentofinformationsociety．Itisalsoflwco把technologyofconverting缸dpⅨⅨ妯l唱位位Id衔0l=Ial曲姗．Thesemi砒materialofICisma．mlyofsiliconwafel*，留巳f【I面咖，mldg曰IliIⅡn狮m池锄d∞Oil．Mom蛔90％ofIC珊舭糯rmdefroms{liconwafBl"infilewodd．Thehighqt幽,siliconwaferislhebasicofchipmanufacturingandICdeve岫僻11ef

8、It．Tl硷siliconwaferofICmmm自