化學機械拋光簡介

秦圓圓 (國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇 蘇州 215163)

1 化學機械拋光起源

化學拋光，表面完美性好，但是平行度、平整度、拋光一致性差；機械拋光一致性、材料表面平行度好，但是粗糙度較大；而化學機械拋光集化學拋光和機械拋光的優(yōu)點，既能夠獲得較完美的表面，又可以得到較高的拋光速率，是能夠實現(xiàn)全局平坦化的唯一方法。

化學機械拋光技術（CMP，化學機械平坦化，化學機械研磨），80年代末源于IBM公司，最早是由IBM在1991年在64Mb?DRAM的生產中獲得成功的應用，從90年代開始進入量產，具有成本低、方法簡單等優(yōu)點，而且該方法能夠使晶片表面真正的實現(xiàn)平坦化，并幾乎可以用于對所有的表面材料進行加工，因此在工業(yè)界得到了廣泛認可，世界各國和地區(qū)都對此項技術進行研究和開發(fā)，并且該行業(yè)呈現(xiàn)出了較強的競爭勢頭。

與傳統(tǒng)的純機械或純化學的拋光方法不同，CMP技術是通過化學的和機械的組合物技術，通過兩者技術相互結合避免了由單純機械拋光造成的表面損傷，利用了磨損中的“軟磨硬”原理，即用較軟的材料來進行拋光以實現(xiàn)高質量的表面拋光，將化學腐蝕和機械磨削作用達到一種平衡。化學機械拋光是在一定壓力下及拋光漿料存在下，被拋光工件相對于拋光墊做相對運動，借助于納米粒子的研磨作用與氧化劑的腐蝕作用之間的有機結合，在被研磨的工件表面形成光潔表面。

圖1 化學機械拋光設備圖

2 影響拋光效果的因素

2.1 拋光壓力、流速、拋光盤轉速、拋光頭轉速

拋光壓力對拋光速率和拋光表面質量影響較大，是拋光工藝中的一個重要參數(shù)。一般而言，壓力越大，拋光速率越大，也正是由于薄膜表面凹凸部位所受壓力不同，導致了去除速率的差異，凸出的部位去除速率高，而低凹部位去除速率低，從而達到平整。但是高壓拋光是產生表面缺陷（劃傷、彈性形變、應力損傷）的主要來源。壓力大時，磨料劃過表面產生的劃痕深造成表面劃傷。摩擦力增大，產物大量的熱量，層間拋光液又少，不能起到很好的潤滑、散熱作用，產生局部溫度梯度，化學作用增強，拋光速率加大，更易產生桔皮等拋光缺陷。另外，壓力大，拋光后氧化層表面活性大，更易吸附雜質等顆粒，使之難以清洗。同時，拋光轉速增加，會引起拋光速率的增加，但是拋光轉速過高時，將會導致拋光漿料在拋光墊上分布不均勻、化學反應速率降低和機械作用增強，從而影響拋光速率和質量。

2.2 拋光墊

化學機械拋光中拋光墊的主要作用是輸送拋光液，傳導壓力和打磨發(fā)生化學反應的材料表面。拋光布的材料通常為聚氨酯或聚酯中加入飽和的聚氨酯。拋光布的各種性質嚴重影響到拋光晶片的表面質量和拋光的速率，主要有拋光布的纖維結構、孔的尺寸、拋光布的粘彈性、拋光布的硬度和厚度、耐化學系和反應性等。硬布有助于達到全局平面化，但是其質量傳輸能力不夠，因此不能及時地將新鮮的漿料傳輸?shù)綊伖獗砻?，也不能將廢料及時地帶走，這樣就大大降低了對拋光表面的CMP作用和拋光的一致性，因而也就降低了拋光速率。軟布的多孔結構和纖維絨毛能提高漿液的傳輸，但是因為步的剛性不夠，很難達到拋光全局平面化。為了均衡全局平面化和一致性這兩方面的要求，采用雙層結構。頂部硬的表面提供好的全局平面化，底部彈性好，提供大范圍的良好接觸，保持好的一致性。

2.3 拋光液（組成：磨料、溶劑、添加劑等；制備方法：加料順序等）

2.3.1 磨料類型、濃度、尺寸

磨料在化學機械拋光中的主要作用是將拋光對象表層的凸部去除，提高工件表面的平整度。半導體加工工藝中，SiO2、Al2O3、Ce2O3是最常用的磨料，其中Ce2O3磨料常用于玻璃拋光。由于氧化鈰研磨顆粒表面具有對于氧化硅極強的活性的路易斯酸位置，可與其形成氧橋鍵結，特別適用于淺溝槽隔離制程，具有提高選擇比的優(yōu)點，可提供足夠的研磨速率。磨料顆粒的硬度對去除速率有直接的影響，由于加大了機械作用，去除速率隨磨料顆粒硬度的增加而增大。同時，磨料含量在一定范圍時，能夠提高拋光速率，但是磨料的含量過高時，容易導致拋光液流動性較差，造成管道堵塞，從而增加成本，同時對材料表面的拋光效果也較差。

半導體加工工藝中使用的絕大部分化學機械拋光磨料的平均顆粒尺寸在50-200nm之間，大顆粒的磨料會在晶片表面產生微小的擦痕，破壞產品質量，對化學機械拋光加工的效果有直接影響。

2.3.2 pH值

pH值影響被拋光表面和磨料材料的分解和溶解度、被拋表面膜的形成。拋光液中磨料的懸浮程度、即膠體的穩(wěn)定度，也受到pH值的影響。研磨液的pH值是液體介質中酸堿度的表征，在CMP應用過程中，許多研磨液是按“緩沖”溶液配制的，稍加稀釋或添加少量的酸或堿，其pH值的變化不大。由于化學機械拋光時主要以化學腐蝕作用為主，OH-會與硅原子發(fā)生反應，其反應速率直接會影響硅片的拋光速率，因此拋光液的pH值通常要求處在一個比較穩(wěn)定的范圍。同時，拋光液pH值的設定通常需要跟拋光壓力、拋光溫度、拋光材料等參數(shù)相匹配。

2.3.3 密度

對于研磨液而言，其密度與研磨液中磨料的含量相關。

2.3.4 粘度

粘度，又稱動力粘度，是牛頓流體粘滯力的量度參數(shù)，是牛頓粘性定律中剪切力和法向速度梯度之間的比例常數(shù)。研磨液的粘度和溫度有關，并且，粘度影響研磨液的傳遞特性，還是磨料分散體系中膠凝化的重要參數(shù)。

2.3.5 ζ電位

當顆粒與流體相接觸時（例如研磨顆粒在研磨溶液中時），考慮一個表面帶負電荷并均勻分布的顆粒，在該顆粒非常臨近的區(qū)域包圍著一層正電離子，隨著與該顆粒距離的增加，正負離子的濃度逐漸減少，最終和流體主體相中的濃度相等。主體相中的離子和顆粒所吸引的離子間的電荷差異形成ζ電位。ζ電位可以用于預測和控制CMP研磨液中膠體分散的穩(wěn)定性。ζ電位越大，研磨液的分散性就越好，因為帶電的顆粒會排斥其他顆粒，從而避免彼此間的聚結。

3 結語

拋光壓力、流速、拋光盤轉速、拋光頭轉速、拋光墊通常為影響化學機械拋光的機械因素，而拋光液的組成為影響拋光效果的決定性因素，各大公司和研究所也通常著重于拋光液組成的研究，同時根據(jù)拋光對象的不同對拋光液的組成進行調整，以獲得較好的拋光速率和拋光效果。

[1]劉玉玲等.超大規(guī)模集成電路襯底材料性能及加工測試技術工程.冶金工業(yè)出版社，2002.