張春翔，陳亞楠，田 原，楊召杰，付 旸

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

拋光墊使用壽命對(duì)硅單晶片拋光質(zhì)量影響的研究

張春翔，陳亞楠，田 原，楊召杰，付 旸

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)已經(jīng)在超大規(guī)模集成電路制造中得到廣泛應(yīng)用，主要用于加工超光滑無損傷的硅單晶襯底和對(duì)晶片進(jìn)行局部和全局平坦化。雖然在化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)中影響硅片拋光效果的因素有很多，但拋光墊是影響拋光效果的關(guān)鍵因素之一。研究了拋光墊使用時(shí)間和相應(yīng)時(shí)間硅片的拋光效果之間的關(guān)系，指出可通過在拋光過程中控制拋光墊的使用時(shí)間，對(duì)拋光的工藝參數(shù)進(jìn)行更好的調(diào)整。

化學(xué)機(jī)械拋光 拋光墊 拋光效果

0 引 言

為了滿足IC發(fā)展的要求，拋光工序已經(jīng)成為半導(dǎo)體制造過程中重要的工序之一。[1]同時(shí)，為了增大IC芯片的產(chǎn)量，降低單元制造的成本，要求IC的基礎(chǔ)材料硅片趨向于大直徑化，同時(shí)也對(duì)硅片拋光的表面質(zhì)量提出了更高的要求。[2-3]化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(Chemical Mechanical Polishing，CMP)已經(jīng)發(fā)展成為應(yīng)用最為廣泛的拋光技術(shù)之一。在拋光過程中，拋光效果的影響因素較多，如拋光液、拋光墊、溫度、壓力、振動(dòng)等。而在諸多因素中，拋光墊對(duì)硅片拋光速率、拋光的幾何參數(shù)(TTV、TIR、STIR)等都有很大影響。

拋光墊作為CMP系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，對(duì)拋光的效率和加工質(zhì)量有著重要的影響。CMP中拋光墊的主要功能有以下幾點(diǎn)：①儲(chǔ)存拋光液，并把拋光液運(yùn)送到晶片的待拋光部分，使拋光更加均勻；②去除硅片在拋光過程中產(chǎn)生的殘留物質(zhì)(如拋光過程中產(chǎn)生的碎屑，拋光墊的碎片等)；③傳遞在去除晶片材料時(shí)所需的機(jī)械載荷；④使整個(gè)拋光過程維持在一定的機(jī)械環(huán)境和化學(xué)環(huán)境當(dāng)中。[4-5]

本文主要研究拋光墊的使用壽命與硅片拋光效果之間的關(guān)系，以優(yōu)化工藝參數(shù)，在拋光過程中根據(jù)拋光墊的使用壽命對(duì)參數(shù)做出相應(yīng)的調(diào)整，提高硅片的生產(chǎn)效率，得到更好的拋光效果。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)流程

記錄粗拋墊在相應(yīng)時(shí)刻對(duì)應(yīng)拋光硅片的幾何參數(shù)(TTV、TIR、STIR)和拋光速率，通過對(duì)獲得的數(shù)據(jù)開展系統(tǒng)分析，研究拋光效果與拋光墊使用時(shí)間之間的關(guān)系。

1.2 試驗(yàn)及測(cè)試用設(shè)備

試驗(yàn)片選用型號(hào)為P＜100＞、φ100mm的硅片。采用不二越SPM-19拋光機(jī)對(duì)硅片進(jìn)行單面拋光，直至達(dá)到免清洗拋光片的表面要求，并計(jì)算拋光去除厚度。拋光工藝條件如下：①粗拋光布，SUBA系列聚氨酯拋光布；②精拋光布，Politex系列；③拋光液，BindzilOne液∶去離子水＝1∶15；④拋光片單位面積壓力24kPa；⑤中心輪轉(zhuǎn)速110RPM；⑥底盤轉(zhuǎn)速55RPM；⑦拋光液流量1.8L/min；⑧拋光液溫度25℃；⑨拋光布溫度40℃。兆聲清洗采用VERTEQ小型清洗機(jī)，甩干機(jī)采用中電45所CXS-2150C型旋轉(zhuǎn)沖洗甩干機(jī)，幾何參數(shù)測(cè)試采用Tropel UltraSort表面測(cè)試系統(tǒng)，厚度測(cè)試采用PROFORMA 300厚度測(cè)試儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粗拋光墊的使用時(shí)間對(duì)拋光速率的影響

試驗(yàn)過程中分別記錄了在粗拋光墊使用時(shí)間是1h、5h、15h、30h、50h和換墊之前這6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的單晶硅片拋光的速率，數(shù)值如表1所示。

表1 不同拋光墊使用時(shí)間硅片的去除速率Tab.1 Removal rates of silicon wafer under different polishing pad using time

2.2 粗拋光墊的使用時(shí)間對(duì)硅片幾何參數(shù)的影響

在試驗(yàn)過程中分別記錄了粗拋光墊使用時(shí)間是1h、5h、15h、30h、50h和換墊之前這6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的硅片拋光的時(shí)間和硅片的幾何參數(shù)(TTV、TIR、STIR)數(shù)值，數(shù)據(jù)如表2～4所示，幾何參數(shù)平均值隨使用時(shí)間的變化如圖1所示。

表2 拋光墊的使用時(shí)間和TTV的數(shù)值Tab.2 Numerical relation between using time of polish pad and TTV

表3 拋光墊的使用時(shí)間和TIR的數(shù)值關(guān)系Tab.3 Numerical relation between usage time of polish pad and TIR

圖1 幾何參數(shù)(TTV、TIR、STIR)的平均值隨拋光墊使用時(shí)間的變化曲線Fig.1 Variation curve of mean values of geometrical parameters (TTV，TIR，STIR) along with using time of polish pad

從表3和圖1可以看出，TIR和拋光墊的使用時(shí)間沒有太大的關(guān)系，TIR值分布在1.0～2.3之間，并且在拋光墊使用的中后期TIR的值也能維持在較穩(wěn)定的狀態(tài)。

從表4和圖1中，可以發(fā)現(xiàn)隨著拋光墊使用時(shí)間的增長(zhǎng)，STIR的值減小。在拋光墊使用時(shí)間為5～45h時(shí)，STIR基本穩(wěn)定，其原因是在拋光墊開始使用時(shí)，其本身較大的彈性變量會(huì)在一定程度上影響到STIR的值，而在5h之后，拋光墊彈性減小，所以STIR值也趨于穩(wěn)定。綜合考慮拋光墊使用時(shí)間對(duì)拋光片的去除速率和幾何參數(shù)的影響，可以認(rèn)為拋光墊使用中期是比較好的階段。通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析可知，硅拋光片幾何參數(shù)隨拋光墊使用時(shí)間變化的原因是：①拋光墊開始使用時(shí)表面孔徑比較大，而且開槽的槽體棱角也很明顯，且拋光墊的彈性比較大，造成幾何參數(shù)數(shù)值不穩(wěn)定；②在拋光墊使用一段時(shí)間后，粗拋光墊的彈性數(shù)值、孔徑大小、槽體棱角的鋒利程度都達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)的數(shù)值也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定；③當(dāng)拋光墊使用到一定時(shí)間之后，拋光墊的孔徑開始減小，同時(shí)拋光墊對(duì)拋光液的運(yùn)輸、儲(chǔ)存能力下降，此時(shí)粗拋光墊的拋光速率降低，同時(shí)對(duì)晶片的幾何參數(shù)產(chǎn)生不利的影響，綜合考慮下，此時(shí)應(yīng)該對(duì)拋光墊進(jìn)行更換。

表4 拋光墊的使用時(shí)間和STIR的數(shù)值關(guān)系Tab.4 Numerical relation between using time of polish pad and STIR

3 結(jié) 語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了拋光墊使用時(shí)間對(duì)硅片拋光速率及幾何參數(shù)的影響，通過試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：隨拋光墊使用時(shí)間增長(zhǎng)，拋光速率下降；TTV、TIR和STIR在拋光墊使用5～30h時(shí)，其數(shù)值保持穩(wěn)定。從硅片的拋光速率和幾何參數(shù)兩方面綜合考慮，拋光墊使用的中期最有利于硅片的拋光。在拋光墊使用的后期，應(yīng)對(duì)加工參數(shù)做出一定的調(diào)整，以此來提高硅片拋光的效率和質(zhì)量。

［1］ 張厥宗. 硅單晶拋光片的加工技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：123–129.

［2］ Renteln P. Chemical mechanical planarization：fundamental issues of interlevel dielectric applications[J]. Solid State Technology. 1994，37(7)：71-75.

［3］ 廉進(jìn)衛(wèi)，張大全. 化學(xué)機(jī)械拋光液的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)世界. 2006(9)：226-229.

［4］ 魏昕，熊偉，黃蕊慰. 化學(xué)機(jī)械拋光中拋光墊的研究[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2004(5)：40-43.

［5］ 孫燕，李莉，孫媛. 測(cè)試方法對(duì)硅片表面微粗糙度測(cè)量結(jié)果影響的研究[J]. 稀有金屬，2009，33(6)：884-888.

Influence of Service Life of Polishing Pad on the Quality of Polished Silicon Wafers

ZHANG Chunxiang，CHEN Ya’nan，TIAN Yuan，YANG Zhaojie，F(xiàn)U Yang
(The 46th Research Institute，CETC，Tianjin 300220，China)

Chemical Mechanical Polishing(CMP)has been widely used in the manufacturing of ultra large scale integrated circuit，which is mainly used in machining super smooth silicon substrate without damage and the local and global planarization of wafer．Many factors have influence on the polishing quality of silicon wafers and polishing pad is one of the key factors．In this paper，the relationship between polishing pad using time and the corresponding time of silicon wafer polishing quality has been explored．It is believed that better technological parameters can be achieved by controlling the polishing pad using time in the polishing process.

Chemical Mechanical Polishing(CMP)；polishing pad；polishing quality

TM23

：A

：1006-8945(2015)12-0018-02

2015-11-04