化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

董 偉

(廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院，廣東廣州510540)

化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，簡(jiǎn)稱CMP)是提供超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造過程中全面平坦化的一種新技術(shù)，其概念最早是由美國(guó)的Monsanto于1965 年提出［1］。

該技術(shù)最初是用于獲取高質(zhì)量的玻璃表面，如二戰(zhàn)中德國(guó)曾用此技術(shù)制造軍事顯微鏡等。1991年，美國(guó)IBM公司首次將化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)成功應(yīng)用到64 MB動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的生產(chǎn)中［2］，這標(biāo)志著CMP廣泛應(yīng)用的開始。之后各種邏輯和存儲(chǔ)器的生產(chǎn)以不同的發(fā)展規(guī)模走向CMP，促進(jìn)了該技術(shù)各項(xiàng)研究和應(yīng)用的發(fā)展。CMP將納米粒子的研磨作用與氧化劑的化學(xué)作用有機(jī)地結(jié)合起來，滿足了特征尺寸在0.35 μm以下的全局平面化要求。目前，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)已成為幾乎公認(rèn)為唯一的納米級(jí)全局平面化技術(shù)［3－4］。

1 機(jī)理研究

CMP技術(shù)的基本原理是:將拋光片工件(Wafer)以待加工表面朝下的方式在一定的壓力下壓向拋光墊，在拋光墊和工件中間存在拋光液(由納米級(jí)顆粒、化學(xué)氧化劑、液體等組成的混合液)流動(dòng)的條件下，借助于拋光墊和拋光件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在磨粒的機(jī)械磨削及氧化劑的化學(xué)腐蝕作用下來完成對(duì)工件表面的材料去除，并獲得光潔的表面［5－6］。一個(gè)完整的CMP工藝常包括拋光、清洗、檢測(cè)、工藝控制及廢物處理等過程。圖1是CMP示意圖。

針對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光加工過程中的磨損機(jī)理和材料去除機(jī)制，國(guó)內(nèi)外大量的學(xué)者進(jìn)行了研究，歸納起來，主要有以下幾種建模方法:

(1)CMP接觸模型(如圖2所示)

此類模型通過接觸力學(xué)分析，考慮加工工件和拋光墊的幾何形狀與變形量，忽略拋光液流動(dòng)效應(yīng)以及其對(duì)拋光墊加工的影響。

Cook以力學(xué)的觀點(diǎn)來解析CMP拋光過程，內(nèi)容包括了拋光顆粒的機(jī)械性質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)等［7］。Sivaram、Warnock等人也在此模型基礎(chǔ)上開展了一系列研究，雖然有一定的合理性，但并未完全揭示CMP過程中的磨損機(jī)理。

(2)流體理論模型

此類模型考慮純流體經(jīng)過兩個(gè)光滑表面并分析剪切應(yīng)力對(duì)材料去除率的影響，忽略拋光顆粒與粗糙表面的事實(shí)。主要有Runnels等人提出的模型［8］。

(3)潤(rùn)滑理論模型

此類模型以純流體經(jīng)光滑表面的雷諾方程式(Reynolds Equation)模擬研磨狀態(tài)，其中以Sundararejan［9］、趙志恒、張朝輝等人結(jié)合質(zhì)量傳遞提出的二維模型最具代表性。

2 CMP設(shè)備

2.1 拋光機(jī)

拋光機(jī)基本組成如圖1，被加工晶片固定在夾具上，并通過施加一定的拋光載荷，晶片被壓在拋光墊上。拋光墊和夾具分別繞各自的軸旋轉(zhuǎn)，通過一個(gè)自動(dòng)拋光液注入系統(tǒng)保證拋光墊濕潤(rùn)程度均勻，隨著拋光墊旋轉(zhuǎn)，拋光液被帶入晶片和墊光墊之間的加工區(qū)域，完成整修化學(xué)機(jī)械拋光過程。

目前，CMP拋光機(jī)正在由單頭、雙頭拋光機(jī)向多頭拋光機(jī)發(fā)展，結(jié)構(gòu)逐步由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)向軌道拋光方法和線性拋光方面發(fā)展。圖3為某型號(hào)拋光機(jī)。

2.2 拋光液

拋光液是CMP關(guān)鍵因素之一，其作用是在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，與晶片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在其表面產(chǎn)生一層鈍化膜，然后由拋光液中的磨粒利用機(jī)械力將反應(yīng)產(chǎn)物去除，從而達(dá)到光整加工晶片表面的作用。

拋光液一般由磨粒(Al2O3、SiO2、Ce2O3)、表面活性劑、穩(wěn)定劑、氧化劑和分散劑等組成，拋光液的流速、粘度、溫度、組成、pH值都會(huì)對(duì)去除速度有影響［10］。拋光用的磨粒如表1所示。其微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表1 拋光常用磨粒種類和成分

由于目前世界市場(chǎng)上商業(yè)化的拋光液完全處于保密狀態(tài)，所以拋光液的循環(huán)利用是現(xiàn)階段CMP研究的一個(gè)熱門方向。常用的方法有稀釋拋光液法、混合使用新舊拋光液法及循環(huán)使用法等［10］。

2.3 拋光墊

拋光墊是一種表面有很多毛囊孔的纖維板結(jié)構(gòu)，在CMP過程中，有儲(chǔ)存、運(yùn)輸拋光液、去除加工殘余物質(zhì)、傳遞機(jī)械載荷及維持拋光環(huán)境等功能［11］。

用于CMP的拋光墊必須具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性(耐腐蝕性)、親水性以及機(jī)械力學(xué)特性。拋光墊通?？煞譃橛操|(zhì)和軟質(zhì)(彈性、粘彈性)兩種。硬質(zhì)拋光墊可較好地保證工件表面的平面度;軟質(zhì)拋光墊可獲得加工變質(zhì)層和表面粗糙度值都很小的拋光表面［12］。聚酯拋光墊用過一段時(shí)間后，會(huì)產(chǎn)生“釉化”現(xiàn)象，存儲(chǔ)、運(yùn)輸磨料的能力降低，再加上冷膠合的影響，材料去除率和工件拋光表面質(zhì)量下降。所以，必須對(duì)其進(jìn)行修整。常用修整器有金剛石砂輪、金剛石筆、砂帶和金屬刷等［13］。

目前主要的研究是拋光墊的材料種類、材料性質(zhì)(如硬度彈性和剪切模量、孔隙的大小和分布、粘彈性)、表面的結(jié)構(gòu)(圖5)和狀態(tài)對(duì)拋光性能的影響。拋光墊表面通常被修整得足夠粗糙，為了有利于帶出磨屑而維持孔隙結(jié)構(gòu)［14］。通常，拋光墊材料為聚亞安酯(Polyurethane)。圖6描述了其大致的制造過程。

改進(jìn)拋光墊材料、提高其拋光性能、延長(zhǎng)其使用壽命從而減小加工損耗是CMP拋光墊研究的主要內(nèi)容及方向［15］。

3 CMP工藝參數(shù)

由于CMP是在生產(chǎn)實(shí)踐中誕生的一門精密加工技術(shù)，對(duì)人類來講，還是一門“黑箱”技術(shù)。影響CMP的工藝參數(shù)很多，學(xué)界總的歸納起來，主要包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)2種。“黑箱”中的中間變量人們還知之甚少，只能從輸出參數(shù)變化定性判斷。

3.1 輸入?yún)?shù)

CMP過程的輸入?yún)?shù)，在拋光液與拋光墊確定之后，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:

3.1.1 溫度

由于CMP過程在某種程度上講是一個(gè)能量損耗的過程，溫度在加工過程中當(dāng)然會(huì)上升，從而產(chǎn)生“團(tuán)聚”現(xiàn)象。溫度變化主要會(huì)影響到反應(yīng)速度，但是，如果加工表面溫度發(fā)生急劇變化，同樣也會(huì)影響到晶片的機(jī)械性能［16］。

H.J.Kimt等［17］發(fā)現(xiàn)溫度使拋光液的 pH 值改變，溫度升高，拋光液的pH值會(huì)降低，還發(fā)現(xiàn)它對(duì)拋光顆粒尺寸分布有較大的影響。

Wei Ye等［18］在此基礎(chǔ)上考慮到拋光墊的粗糙度影響，對(duì)CMP中溫度的上升進(jìn)行了計(jì)算仿真。

3.1.2 壓力

壓力是作用于被晶界隔開的晶片上的載荷，如果表面粗糙或形貌有缺陷，接觸面積就比幾何面積少，因此壓力增大直至表面光滑，機(jī)械磨損速度與壓力成正比。實(shí)驗(yàn)表明，壓力為5～6.5 kPa時(shí)的表面損傷較?。?6］。

3.1.3 拋光墊速度和晶片速度

拋光墊速度是指拋光墊相對(duì)于晶片的相對(duì)平均速度，會(huì)影響晶片間反應(yīng)物和化學(xué)產(chǎn)物的進(jìn)入和離開。晶片速度會(huì)影響磨料穿過晶片的速度。如果拋光墊與晶片的旋轉(zhuǎn)速度相適應(yīng)，則晶片上每一點(diǎn)的速度都是相同的。

3.2 輸出參數(shù)

3.2.1 去除率

去除率是指單位時(shí)間所去除的薄膜厚度，一般符合阿雷尼厄斯(Arrhenius)方程。設(shè)CMP加工過程中的拋光加工速度為nm［19］，則:

式中:R為氣體常數(shù);T0為化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)溫度，K;DT為加工中溫度上升值，0＜DT/T0＜1;E0為拋光液與被加工物的固有活性能量，kJ/mol;Ea為磨料微粒機(jī)械作用表面變形能量或干摩擦能量;n0為常數(shù)，在E0=Ea時(shí)，即機(jī)械作用時(shí)的加工速度。

由上式可知，拋光加工中溫度越高，磨料的機(jī)械作用越強(qiáng)，表面上活性能力越降低，加工效率越增大。

3.2.2 表面質(zhì)量［20－21］

表面質(zhì)量是用來表征連接部分屈服和穩(wěn)定性的期望值的考量指標(biāo)。粗糙的晶片表面更易于導(dǎo)致低強(qiáng)度和較高的損傷率，而粗糙的金屬表面更易于造成腐蝕和電遷移，所以要提高表面質(zhì)量，減小表面粗糙度值。在CMP過程中，適當(dāng)?shù)钠胶饣瘜W(xué)和機(jī)械因素可以減小粗糙度值，獲得較高的面形精度，以此來保證表面質(zhì)量。表面輪廓儀可用于檢測(cè)平整度，AFM、STM可用于檢查表面粗糙度，如圖7所示。

3.2.3 表面損傷［20－21］

在CMP過程中，常出現(xiàn)的宏觀缺陷有砂道、劃痕和蝕坑等，如圖8所示。晶片的表面缺陷會(huì)降低元器件的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)損傷包括刮傷、薄膜界面分層現(xiàn)象以及雜質(zhì)進(jìn)入薄膜。當(dāng)機(jī)械磨削占主導(dǎo)作用時(shí)，晶片表面會(huì)出現(xiàn)損傷層，從氣固界面向材料內(nèi)可分為凸凹層、裂紋層、原材，加工損傷層由凸凹層和裂紋層總厚度來確定。晶片對(duì)溫度具有敏感性，也易產(chǎn)生微疇反轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，CMP技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成以化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)為主體，集在線檢測(cè)、終點(diǎn)檢測(cè)、清洗和甩干等技術(shù)于一體的化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)，是集成向微細(xì)化、多層化、平坦化工藝發(fā)展的產(chǎn)物。

與此同時(shí)，也涌現(xiàn)出了不少新技術(shù)，例如:固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、電化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)、無磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、無拋光墊化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、無應(yīng)力拋光技術(shù)、接觸平坦化技術(shù)和等離子輔助化學(xué)蝕刻平坦化技術(shù)等［22］。

綜上所述，CMP技術(shù)可用于各種高性能和特殊用途的元器件制造，且應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，已成為最為重要的超精細(xì)表面全局平面化技術(shù)之一，也是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)，其增長(zhǎng)勢(shì)頭和發(fā)展前景非常可觀。深入研究和開發(fā)CMP技術(shù)，并形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料和工藝，將促進(jìn)我國(guó)精密制造產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，提高我國(guó)在這一方面的國(guó)際地位，同時(shí)也將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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