研磨抛光液（CY-L10W）对CMP研磨抛光工艺的影响

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国民经济的各个领域中,它的发展推动着人类社会的进步和物质文化生活水平的提高，由其兴起的半导体产业越来越受到各国的重视，自20世纪以来取得了长足的发展。在导体领域中化学机械抛光CMP占有着越来越重要的作用,本文在分析CMP工艺的基础上，及初步了解与分析了CMP半导体晶片过程中抛光液（CY-L10W）的重要作用，总结了抛光液（CY-L10W）的组成及其化学性能氧化剂、磨料及H值等和物理性能流速、粘性及温度对抛光效果的影响规律。本文是在前人研究的基础上，进行深入了解，希望从而对半导体产业向前发展起到一定的积极作用。
 
1.抛光液（CY-L10W）的化学性能及对抛光效果的影响
pH值对抛光效果的影响pH值决定了基本的抛光加工环境，会对表面膜的形成、材料的去除分解及溶解度、抛光液（CY-L10W）的粘性等方面造成影响。常用的抛光液（CY-L10W）分为酸性和碱性两大类。
酸性抛光液（CY-L10W）具有可溶性好、酸性范围内氧化剂较多、抛光效率高等优点，常用于抛光金属材料，例如铜、钨、铝、钛等。当 pH7时，随着 pH 值的增大，由于电化学反应、晶片表面氧化及蚀刻作用减弱，机械摩擦作用占据主导地位，导致抛光效率降低，表面刮痕尺寸增大，所以酸性抛光液（CY-L10W）的PH值为4，常通过加入有机酸来控制。酸性抛光液（CY-L10W）的缺点是腐蚀性大，对抛光设备要求高，选择性不高，所以常向抛光液（CY-L10W）中添加抗蚀剂BTA提高选择性，但BTA的加入易降低抛光液（CY-L10W）的稳定性。碱性抛光液（CY-L10W）具有腐蚀性小、选择性高等优点，通常用于抛光非金属材料，例如硅、氧化物及光阻材料等。当pH7时，随着pH值的增大，表面原子、分子之间的结合力减弱，容易被机械去除，抛光效率提高，但表面刮痕尺寸增大;当PH12.5时，由于晶片表面亲水性增强，抛光效率开始降低，所以碱性抛光液（CY-L10W）的 pH值为10?11.5，常通过向水溶液中加入Na0H、KOH或NH40H来控制。碱性抛光液的致命缺点是不容易找到在弱碱性中氧化势高的氧化剂，导致抛光效率偏低。碱性抛光液的氧化剂主要有FeN033、K3FeCN6、NH40H和一些有机碱。
 
(2)氧化剂对抛光效果的影响
金属材料的抛光过程中,为了能够快速地在加工表面形成一层软而脆的氧化膜，便于后续的机械去除，从而提高抛光效率和表面平整度，通常会在抛光液（CY-L10W）中加人一种或多种氧化剂。氧化剂种类会对抛光效果产生影响。抛光金属钨时常用的氧化剂有H202、FeN033，及其混合物。H202:氧化性较弱，氧化反应仅仅发生在钨表面颗粒的边缘，只有当氧化产物W03 溶解后，剩余的硬度较大部分才能暴露出来，参与下一次氧化反应:FeN033，中三价Fe离子氧化性较强，能在钨表面能够迅速形成硬度小、脆性大且容易去除的氧化层，从而提高了抛光效率和表面质量;当H202，FeN033混合剂时发生Fenton反应，生成氧化性更强的过氧氢氧自由基?00H，氧化层的形成速度进一步加快，所以相对于FeN033，抛光效率提高人约一倍。目前常见的一种比较经济的氧化剂是H202。H202虽然能用于多种材料的化学机械抛光，但由于其化学性质不稳定，容易发生分解从而影响抛光效果。为了增强H202的稳定性，通常会向抛光液（CY-L10W）中添加一些稳定剂，以防止其分解。例如在铜及氮化钛的抛光过程中，通常添加0.5%重量百分比的H3P04。作为稳定剂，抛光效率显著提高。氧化剂的浓度会对抛光效果产生影响。在铝抛光过程中，随着氧化剂H202浓度的增加，氧化层形成速度加快且被及时去除，抛光效率提高，表面刮痕尺寸减小;但当氧化剂浓度增加到一定值时候，抛光效率反而降低，表面刮痕尺寸增大，其原因是化学反应速度大于机械去除速度，氧化层不能及时被去除，阻碍了氧化反应的进行，机械去除也使得表面容易产生较大尺寸的刮痕，所以氧化剂H202浓度应控制在1~3%体积百分比。而在铜抛光过程中，抛光液中氧化剂H202的浓度控制在7%以下。此外，氧化剂的浓度也会影响抛光液中磨粒特别是金属磨粒的平均尺寸。随着氧化剂浓度的增加，磨粒的平均尺寸会减小，其原因是磨粒表面经氧化反应形成的氧化层，一部分溶解，另外一部分则被抛光垫去除。
 
(3)磨料对抛光效果的影响
化学机械抛光过程中磨料的作用是借助于机械力,将品片表面经化学反应后形成的钝化膜去除，从而达到表面平整化的目的。目前常用的磨料有胶体硅、Si02、A1203，及Ce02等。料的种类决定了磨粒的硬度、尺寸，从而影响抛光效果。抛光铝实验中，相对于A1203，料，胶体Si02料能获得较好的表面平整度，表面刮痕数量少、尺寸小，其原因是胶体Si02粒尺寸小，抛光时磨料嵌入晶片表面的深度较小，并且在优选其它参数的情况下，也能获得很高的抛光效率。磨料的浓度会影响抛光效果。抛光铝实验中，随着料胶体Si02浓度的提高，单位面积参与磨削的磨粒数目增加，所以抛光效率提高，表面刮痕尺寸缓慢增大或基本保持不变;但磨料浓度过大时，抛光液的粘性增大，流动性降低，影响加工表面氧化层的有效形成，导致抛光效率降低。粒的尺寸也会对抛光效果产生影响，磨粒尺寸越小，表面损伤层厚度小。据统计，在硅片的精抛过程中，每次磨削层的厚度仅为磨粒尺寸的四分之一。为了有效地减小表面粗糙度和损伤层厚度，通常采用小尺寸的胶体硅15?20nm来代替粗抛时的胶体50?70nm;同时通过加强化学反应及提高产物的排除速度来提高抛光效率。
 
(4)分散剂对抛光效果的影响
理想的抛光液在复杂的化学环境及动态的加工条件下。都应具有足够的稳定性。但实际应用中，抛光液的磨料容易发生聚集硬聚集，产生了微量的大尺寸磨料颗粒，导致加工表面受力分布不均匀，粗糙度增大，表面缺陷增多，抛光过程难以控制，同时也影响了后续的表面清洗工作。为了消除硬聚集现象，通常在抛光之前对抛光液进行必要的过滤。但过滤并不能完全消除聚集现象，其原因是在实际抛光过程中，加工参数的波动会导致料的瞬时聚集软聚集，从而影响加工表面质量。因此，为了消除聚集现象，使磨料悬浮均匀，通常在抛光液特别是离子浓度大且酸碱度很高的抛光液中加入适量的分散剂。分散剂可以使料颗粒之间产生排斥力，防止磨料聚集。从而保证抛光液的稳定性，减少加工表面缺陷。但随着分散剂的加入，磨料颗粒与加工表面之间会发生交互作用，形成表面活性分子，导致摩擦力减小，抛光效率降低。
 
2抛光液（CY-L10W）的物理性能及对抛光效果的影响
 
(1)流速对抛光效果的影响
研究表明，当抛光液（CY-L10W）的流速较小时，晶片、磨料及抛光垫三者之间的摩擦力增大，温度升高，导致加工表面粗糙度增大，表面平整度降低;当流速较大时，能够使反应产物及时脱离加工表面，还可以降低加工区域的温度，使得加工表面温度相对一致，从而获得较好的表面质量。但抛光液流速过大时，又会破坏加工表面平整度，降低抛光效率。目前很多公司广泛应用的一种方法是抛光开始阶段采用较小的流速，随着加工区域温度的升高，流速逐渐提高至平均值，阶段采用较大的流速。
 
(2)粘性对抛光效果的影响
抛光液（CY-L10W）的粘性会影响晶片与抛光垫之间的接触模式。在氧化物的抛光过程中，随着添加剂的加入,抛光液的粘性增大,抛光效率线性降低，其原因是添加剂阻碍了抛光液的均匀分布和有效流动。在钨的抛光过程中，仅加入少量的添加剂，抛光效率显著降低，继续加入添加剂时，抛光效率基本不变仍维持在一个很小值，其原因是添加剂阻碍了加工表面氧化层的进一步形成，材料去除主要依靠机械摩擦作用来完成。
 
（3）温度对抛光效果的影响
随着抛光液（CY-L10W）温度的升高，化学反应速度加快，抛光效率提高。但温度过高时，化学反应过于剧烈，易造成表面疲劳破损层的厚度增大，从而影响加工表面质量。此外,抛光液的粘性也容易受到温度的影响,随着抛光液温度的升高,抛光液的粘性降低。所以评价抛光液的性能时，应充分考虑温度的影响。
 
(4)抛光液（CY-L10W）的循环使用
虽然化学机械抛光技术在半导体材料精加工方面得到广泛应用，并取得显著成果，但由于某些问题的存在如成本高等，限制了该技术的进一步发展。据统计，仅用于购买商业化抛光液的费用就占整个抛光过程成本的50%。