硅溶胶抛光液对硅单晶抛光片表面质量的影响

硅溶胶抛光液对硅单晶抛光片外表质量的影响简要：摘要: 硅抛光片外表质量除了受抛光工艺参数影响外，在很大程度上还受抛光液的影响。通过检测外表 Haze 值和粗糙度，研究硅抛光片外表形貌，分析不同抛光液对抛光片外表质量的影摘要: 硅抛光片外表质量除了受抛光工艺参数影响外，在很大程度上还受抛光液的影响。通过检测外表 Haze 值和粗糙度，研究硅抛光片外表形貌，分析不同抛光液对抛光片外表质量的影响，确定不同抛光阶段对抛光液的要求。研究结果说明粗抛光过程是以化学腐蚀为主导的化学机械平衡过程，与 pH 值联系紧密，与起机械摩擦作用的硅溶胶中 SiO2 颗粒平均粒径及分布关系不大。要想获得原子级平坦的外表，精抛光液的作用非常重要，pH 值对精抛光片外表的影响非常明显，必须严格控制在合理范围。如果腐蚀作用过大，那么会增大外表 Haze 值和粗糙度; 如果机械作用过大，那么会在外表出现犁沟。索开南; 张伟才; 杨洪星; 郑万超， 半导体技术 发表时间：2022-09-30关键词: 硅抛光片; 硅溶胶; 抛光液; Haze 值; 粗糙度0 引言化学机械抛光 ( CMP) 是目前应用最广泛的半导体平坦化技术，其加工原理是工件外表与抛光液发生化学反响，同时通过与抛光布的机械摩擦不断将反响物去除的过程。当化学作用和机械作用到达完美平衡时，可获得理想的抛光效果，实现工件外表原子级平坦。在微电子器件制备流程中，前道的半导体衬底材料制备和后道的芯片制备都需要 CMP，其中半导体衬底材料的抛光要求最高。半导体衬底材料 CMP 的主要目的是去除外表的亚损伤层，同时降低外表的微观粗糙度，提高外表的均匀性。硅溶胶抛光液是 CMP 的关键介质，通常由胶体磨粒、分散剂、稳定剂等成分构成。在 CMP 过程中，抛光液有三个作用，即化学腐蚀、机械摩擦和降温，对 CMP 的工艺效果有着至关重要的影响。目前，对抛光液的研究主要集中在通过抛光液配方的改变研究抛光液对抛光片外表的影响1，或通过工艺优化改善抛光外表质量2，很少有人逆向通过外表质量去分析抛光液的性能。本文采用反向对照的方式，通过分析抛光片外表由外表形貌 ( 微粗糙度) 及外表或近外表相对集中的晶体缺陷引起的非定向光散射现象 ( 简称 Haze 值) ，以及原子力显微镜 ( AFM) 外表粗糙度及起伏情况，研究抛光液对抛光片外表质量及均匀性的影响。1 实验采用粗抛光+精抛光两步抛光工艺进行实验，再分别从粗抛光片和精抛光片中取样进行测试。粗抛光实验设备为 SPM-19 型粗抛光机，抛光布为 SUBA 600 型抛光布; 精抛光实验设备为 SPM-19 型精抛光机，抛光布为 Politex. reg 型抛光布。本次实验共涉及 4 种粗抛光液 ( 编号为 a d) 、3 种精抛光液 ( 编号为 e g) ，实验所用抛光液具体参数如表 1 所示。不同抛光液实验所采用的抛光工艺和清洗工艺完全相同。抛光液使用前均采用去离子水进行相同倍数的稀释，稀释倍数为粗抛光液 30 倍、精抛光液 40 倍。硅片参数为 p 型 ( 掺硼) 晶向，电阻率为 1. 0×10-3 1. 5×10-3 ·cm。抛光片外表质量的检测方法为先在强光灯下目检，再采用 WM-7S 型晶片外表分析仪进行抛光片外表 Haze 值扫描，采用 Dimension Edge AFM 进行晶片外表微观形貌和粗糙度检测。2 实验结果及讨论2. 1 粗抛光液对粗抛光片外表的影响对于粗抛光液，SiO2 颗粒质量分数和 SiO2 颗粒平均粒径均不同，尤其是粒径差异较大，如表 1 所示。抛光过程中 4 种抛光液表现出的工艺性能均无太大差异，去除速率为 0. 6 0. 9 m /min。采用 4 种粗抛光液抛光后晶片 ( 样品 A 样品 D) 外表 Haze 值扫描结果如图 1 所示。Haze 值扫描结果显示，80%左右的 Haze 值都落在表征值 ( 9. 90×10-8 1. 18×10-7 ) 范围内。其中采用粗抛光液 b 抛光后，Haze 值在 9. 90×10-8 1. 18×10-7 内占比最大，为 80. 19%; 采用粗抛光液 d 抛光后，Haze 值在 9. 90×10-8 1. 18×10-7 内占比最小，为 74. 94%。对于粗抛光片外表，这种差距可以忽略不计，而 4 种抛光液颗粒粒径和含量差距明显，因此从 Haze 值扫描结果中可以初步判定，硅溶胶颗粒大小和数量对粗抛光片外表形貌影响不大。通常认为，在 CMP 过程中，化学作用越强， Haze 值越大，随着抛光液化学作用的减弱，机械作用的增强，Haze 值会逐渐减小，直到降至平衡点3-4。为了进一步研究粗抛光液对抛光片外表质量的影响，选取分别采用粗抛光液 b 和 c 抛光后的抛光片 ( 样品 B 和样品 C) 进行 AFM 分析。图 2 为样品 B 和 C 的粗糙度 AFM 二维和三维图。样品 B 的外表粗糙度 ( Ra ) 为 0. 425 nm，均方根粗糙度 ( Rq ) 为 0. 691 nm; 样品 C 的 Ra = 0. 490 nm，Rq = 0. 706 nm。对于粗抛光片，粗糙度结果在合理范围，从图 2 ( b) 中可以明显看出深浅不均的蚀坑。为了更清楚地观察晶片外表的起伏情况，对样品 C 外表起伏状态进行了一维比照分析，如图 3 所示。分析方法是在图 3 ( a) 的 AFM 二维照片中选定两条直线，在图 3 ( b) 中显示两条直线所在区域抛光片外表的起伏情况，图 3 ( b) 中 X 表示图 3 ( a) 中选取的两条直线从左至右的距离，z 表示上下起伏的程度。沿蓝色标识线方向凹坑宽度为 5 m，探针扫过 z 坐标方向的最大最小差值 ( 即蓝色 标 识 线 区 域 最 高 点 和 最 低 点 的 差 值) 为 3. 106 nm; 沿红色标识线方向测量 凹 坑 宽 度 为 5 m，探针扫过 z 坐标方向最大最小差值 ( 即红色标 识 线 区 域 最 高 点 和 最 低 点 的 差 值 ) 为 3. 176 nm。实验所获得粗抛光片外表形貌具有如下特点: 外表 Haze 值分布不均匀，受抛光工艺影响不同区域起伏过大; 粗抛光片外表形貌都有类似腐蚀片的较大蚀坑，说明粗抛光液腐蚀作用较强。从抛光液主要参数上看，粗抛光液 a 中的硅溶胶粒径大、含量低，粗抛光液 b 中的硅溶胶粒径小、含量高，而从粗抛光片 Haze 值检测结果看，化学作用都比拟大，因为粗抛光液设计的目标也是以提升去除速率为主，外表质量主要通过精抛光控制。要想到达较高的去除速率，必须提高化学作用，而化学作用增强，外表的腐蚀坑就会增大5，从图 2 ( d) 中外表较大的腐蚀坑也可以证明这一点。化学反响速度主要取决于氧化剂和 OH-的浓度 cOH-，所以 CMP 过程中反响速率 ( v1 ) 可以用 K2 SiO3 的生成速率表示。根据 SiO2 与碱溶液反响的原理和质量作用定律，v1 与摩擦外表 SiO2 的浓度 ( cSiO2 ) 呈正比，与 cOH-的平方呈正比6-7，即 v1 = dcK2SiO3 dt = k1 cSiO2 c 2 OH- ( 1) 式中: cK2SiO3 为 K2 SiO3 的浓度; t 为反响时间; k1 为反响系数，其与温度、激活能和抛光压力有关6-7，可以表示为k1 = k0 exp( - Ea- RT ) ( 2) 式中: k0 为温度对反响系数的影响系数; Ea 为活化能; 为外部弹性应力对激活能的影响系数; 为外部作用产生的弹性应力; R 为气体常数，R = 8. 314 51; T 为绝对温度。CMP 过程中抛光片外表 SiO2 的浓度取决于抛光液中氧化剂的浓度和氧化性的强弱; 抛光液中 OH-的浓度取决于 pH 值大小。将式 ( 2) 带入式 ( 1) 可得 v1 = k0 exp( - Ea- RT ) cSiO2 c 2 OH- ( 3) 即可视为抛光液成分对硅片 CMP 过程中化学反响速率的影响，也是控制化学机械平衡作用的关键。SiO2 颗粒主要起机械作用，影响去除速率，硅溶胶颗粒含量越高，机械作用越强; OH-主要起化学腐蚀作用。二者对晶片外表作用的强弱可以通过外表形貌进行判断。在 CMP 过程中，机械研磨优先去除外表凸起的局部，而化学反响优先对择优晶向和腐蚀液聚集的地方进行腐蚀。因此，图 2 ( b) 和 ( d) 的 AFM 三维结构图表现出了明显的不规那么分布的凹陷和凸起，这也从实际效果方面证实了粗抛光过程是由化学腐蚀作用主导，与文献7中的实验结果一致。2. 2 精抛光液对精抛光片外表的影响为了增加可比性，选择 3 种精抛光液分别与 1 种粗抛光液进行组合实验，目的是比照精抛光液对最终抛光片外表质量的影响。选择 2 种粗抛光液与 1 种精抛光液进行组合实验，目的是验证粗抛光液对最终抛光片外表质量的影响。实验样品采用的具体抛光液组合情况如表 2 所示。实验所用的 3 种精抛光液中 SiO2 颗粒质量分数和平均粒径均不同，但其粒径相差不大且均大于粗抛光液中 SiO2 颗粒粒径。4 种精抛光片样品外表 Haze 值测量结果如图 4 图 7 所示。为了减小偶然性，每批样品选取 2 片进行测量，因此图中每个批次的检测结果为两份。与图 1 中粗抛光片 Haze 值的测量结果相比，精抛光片 Haze 值均大幅下降，这也符合粗抛光和精抛光工艺的设计目标。因为精抛光后的抛光片外表是十分平坦的，所以从数值上看区别不是很明显，但是从 Haze 值扫描图右侧直观图局部可以看出，图 4 和图 5 中 1#和 2#样品的 Haze 值扫描结果根本上是以 Haze 值最小的蓝色局部为主，图 6 和图 7 的测量结果都存在明显的 Haze 值大一档的紫色集中区域。根据表 2 的抛光液组合情况，1#和2# 样品采用相同的精抛光液、不同的粗抛光液，而 1#、3#和 4#样品采用相同的粗抛光液、不同的精抛光液，说明最终精抛光片外表质量主要受精抛光液影响，粗抛光液对最终精抛光外表质量影响不大。根据图 4、图 5 和图 7 的比照结果，可以直接判断精抛光液 e 对外表质量的控制要好于精抛光液 g; 根据图 6 和图 7 的比照结果，精抛光液 g 又明显好于精抛光液 f。采用精抛光液 e 进行抛光的 1# 和 2#两批样品的 Haze 值最小，计数器统计结果为 97%的 Haze 值都落在表征值 ( 4. 2 × 10-9 ) 以内; 采用精抛光液 g 进行抛光的 4#样品次之，计数器统计 结 果 其 Haze 值 虽 然 主 要 集 中 落 在 表 征 值 ( 4. 2×10-9 ) 以内，但在局部区域都存在较大表征值的集中，说明抛光片外表一致性较差; 采用精抛液 f 进行抛光的 3#样品最差，计数器统计结果 3# 样品的 Haze 值没有集中落在表征值 ( 4. 2×10-9 ) 以内，而是混合分布在表征值 4. 2×10-9 2. 31×10-9 。结合 Haze 值 和 表 面 粗 糙 度 检 测 原 理8-9， Haze 值与硅片的外表粗糙度有直接关系，即Ra = ( /4) ( H/Ro ) 0. 5 ( 4) 式中: 为入射波波长; H 为 Haze 值; Ro 为外表材质的反射率。在要求不高的情况下，假设样品材质和激发光源相