在微电子制造中,一直遵循摩尔定律和按比例缩小原理这两个著名定律,以每隔3年芯片的集成 度翻两番(增加4倍),特征尺寸缩小1/3的速度发展.目前芯片的特征线宽为0.125μm ,预计到2010年将达0.05μm.硅片作为集成电路(IC)芯片的基础材料,其表面粗糙 度和表面平整度成为影响集成电路刻蚀线宽的重要因素之一.目前,由于器件尺寸的缩小、光学光 刻设备焦深的减小,已要求片子表面平整度达到纳米级<1>.在计算机硬盘技术中,近年存储密 度以每年60%的速度快速上升<2>,目前计算机磁头的飞行高度已降低到10nm左右<3, 4>,并有进一步下降的要求,磁头与磁盘间运行如此的接近要求磁头及硬盘表面超光滑,磁头、 磁盘的表面粗糙度、波纹度和纳米划痕不仅影响磁头的飞行稳定性,而且影响表面的抗腐蚀性,目 前磁头、磁盘的表面粗糙度和波纹度均要求达到纳米级.同时,对于像光通讯中的晶体、精密阀门 、光学玻璃、导电玻璃、机械磨具、陶瓷、金属材料、微电机系统(MEMS)、宝石、平面显示 器、光导摄像机等表面的高精加工的要求也日益提高.超光滑、平整,无微观缺陷的高精表面已成 为关系这些高技术产品性能的重要因素.随着电子产品表面质量要求的不断提高,表面平坦化加工 技术也在不断发展.如最初半导体基片大多采用机械抛光的平整方法,但得到的表面损伤极其严重 <5>;基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃SOG(spin-on-glass)、低压CV D(chemicalvaporde-posit)、等离子体增强CVD、偏压溅射和属于结 构的 溅射后回腐蚀、热回流、淀积-腐蚀-淀积等方法<6>也曾在IC工艺中获得应用,但均属 局部平面化技术,其平坦化能力从几微米到几十微米不等,不能满足特征尺寸在0.35μm以下 的全局平面化要求.1991年IBM首次将化学机械抛光技术成功应用到64MbDRAM的生 产中<7>,之后各种逻辑电路和存储器以不同的发展规模走向CMP,CMP将纳米粒子的研磨 作用与氧化剂的化学作用有机地结合起来,满足了特征尺寸在0.35μm以下的全局平面化要求 .CMP可以引人注目地得到用其他任何平面化加工不能得到的低的表面形貌变化<8>.目前, 化学机械抛光技术已成为几乎公认为惟一的全局平面化技术<9>,其应用范围正日益扩大.与其 他技术不同,CMP技术是从实践中发展起来的,其发明、发展及走向应用都是在工业界而不是在 学术界完成的,因而系统性的研究尤其是理论研究还比较欠缺,本文拟对目前国际上的研究成果进 行综述,并提出未解决的理论及技术问题.1 CMP技术及研究现状CMP工艺的基本原理是将 待抛光工件在一定的下压力及抛光液(由超细颗粒、化学氧化剂和液体介质组成的混合液)的存在 下相对于一个抛光垫作旋转运动,借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面 的材料去除,并获得光洁表面<10,11>.CMP技术所采用的设备及消耗品包括:抛光机、 抛光液、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等<1 2～14>,其中抛光液和抛光垫为消耗品.一个完整的CMP工艺主要由 抛光、后清洗和计量测 量等部分组成,抛光机、抛光液和抛光垫是CMP工艺的3大关键要素,目前均依赖进口,其性能 和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平.1.1 抛光机抛光机是从事CMP加工的场所, 目前主要有Appliedmaterials(美)、Ebara(日本)、IPECPlan ar(美)、SpeedFam(美)、Strasbaugh(美)等公司生产<15>,图1 为SPEEDFAM公司生产的一种用于计算机硬盘基片抛光的双面抛光机,上盘可相对下盘做旋 转运动,上盘与下盘均粘有抛光垫,工件放在下盘的齿轮片中,通过上盘施加一定的下压力,抛光 液从上部供给,均匀地渗入抛光垫及抛光区域.CMP设备目前正在由单头、双头抛光机向多头抛 光机发展,结构逐步由旋转运动结构向轨道抛光方法和线性抛光方法<16>方面发展.芯片的特 征线宽的不断减小对CMP设备提出了更高的要求,如设备集成、干进干出、抛光头改进、多工序 加工、无研磨膏CMP、终点检测、自动输送接口、干法清洗圆片等,同时,对于0.18μm或 更小图形尺寸的新材料(低、高k值绝缘材料和铜)的CMP设备还有待开发.图1 一种硬盘基 片CMP用双面抛光机Fig.1 Thephotographofpolisherforh arddiskCMP迄今,学者们对于化学机械抛光中的抛光液、抛光垫以及抛光参数对抛光性 能的影响进行了大量的1.2 抛光液抛光液是CMP的关键要素之一,抛光液的性能直接影响抛 光后表面的质量.抛光液一般由超细固体粒子研磨剂(如纳米SiO2、Al2O3粒子等)、表 面活性剂、稳定剂、氧化剂等组
成<17～19>,固体粒子提供研磨作用,化学氧化剂提供腐蚀 溶解作用,图2为自制的一种硬盘抛光用纳米SiO2抛光液的Super-SEM形貌.抛光液 的化学成分及浓度、磨粒的种类、大小、形状及浓度、抛光液的粘度、pH值、流速、流动途径对 去除速度都有影响.Stein等<20>研究了金属W在含KIO3的Al2O3抛光液中进行 CMP的动力学过程,发现抛光速率与KIO3浓度、Al2O3浓度、抛光压力、转速、抛光垫 类型均有关,加工温度与除KIO3浓度外的以上因素有关,表明在Al2O3磨粒与W表面间的 化学、物理相互作用很复杂,并且在WCMP中起重要作用.图2 纳米SiO2抛光液的Sup er-SEM形貌Fig.2 SEMimageofnano-scaleSiO2parti cles磨粒对抛光性能的影响研究较多.关于磨粒粒径对抛光性能的影响,研究结果还不统一. 1996年Michael等<21>提出了CMP加工中颗粒尺寸对抛光液抛光性能(如抛光速 率、微划痕数量)的重要性.随后Zhou等<22>研究了在单晶硅晶片的抛光中,纳米SiO 2粒径(10～140nm)对去除率的影响,发现在试验条件下,粒径80nm的SiO2粒子 去除率最高,得到的表面质量最好;而Bielmann等<23>对金属WCMP的研究却发现 ,抛光后表面的局部粗糙度与Al2O3磨粒的粒径间没有相关性,而去除率则随颗粒减小反而增 加.Jindal等<24>研究了含Al2O3和SiO2混合颗粒的抛光液在金属Cu大马士 革抛光中的效果,得到了满意的抛光液/CMP特性.Mazaheri等<25>研究了CMP 中磨粒的表面粗糙度对去除率的影响,发现相同
直径时,表面不平磨粒的渗透深度比球形磨粒大, 但去除率比后者小.针对抛光液中大颗粒的存在对抛光性能的影响,Basim等<26>研究发 现,随着大颗粒尺寸及浓度的增加,抛光后氧化膜表面的缺陷增加,并且抛光机理也发生相应变化 ,因而为获得满意的抛光结果,必须采取有效的方法去除抛光液中的大颗粒.同时,研磨料的分散 稳定性对于CMP抛光液也是很重要的.王相田等<27>研究了分散法制备SiO2浆料时,水 溶液pH值、分散时间、搅拌速度、分散工艺等与浆料稳定性的关系.对于抛光液粘度的影响,M ullany等<28>采用理论和试验方法均表明,抛光液粘度的变化对硅晶片CMP中材料的 去除率有影响.抛光不同的材料所需的抛光浆液组成、pH值也不相同,在镶嵌WCMP工艺中典 型使用铁氰酸盐、磷酸盐和胶体SiO2或悬浮Al2O3粒子的混合物,溶液的pH值在5.0 ～6.5之间;抛光氧化物的抛光液一般以SiO2为磨料,pH值一般控制在pH>10;而金 属的CMP大多选用酸性条件,如pH<3<29>,以保持较高的材料移除速率.<30,31 >等作者系统研究了纳米SiO2抛光液对Ni-P敷镀的硬盘基片的化学机械抛光性能,发现抛 光液的抛光性能与抛光液中纳米SiO2粒子的粒径及浓度、氧化剂的用量、抛光液的pH值、抛 光液的流量等均有关,适宜的抛光液组成为:粒径10～50nm和浓度4%～7%;氧化剂的用 量1%～2%.抛光液的pH值1～3,流量不小于300mL/min,过大的流量对抛光性能 没有进一步提高,只会增加成本.目前,抛光液的研究以ILD(inter-leveldie lec-tricalla
yer)CMP、金属CMP(如WCMP)为主,随着IC工艺的发 展,研究的重点正转移到用铜做层间引线的领域上来,铜的CMP(包括CuCMP抛光液)作为 微型器件的主要加工工艺,各国均在加紧工艺研究<32>.抛光液研究的最终目的是到化学作 用和机械作用的最佳结合,以致能获得去除速率高、平面度好、膜厚均匀性好及选择性高的抛光液 .此外还要考虑易清洗性、对设备的腐蚀性、废料的处理费用及安全性等问题.1.3 抛光垫抛 光垫是输送抛光液的关键部件,抛光垫表面是一层具有多孔性结构的高分子材料,如图3所示,高 分子材料一般为生长法得到的聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)等,抛光垫起着储存抛光液以及 将抛光液中的磨蚀粒子送入片子表面并去除磨霄,圆晶片上那些微突部分被抛光垫磨去而平坦化了 <33>.抛光垫的机械性能,如硬度、弹性和剪切模量、毛孔的大小及分布、可压缩性、粘弹性 、表面粗糙度以及抛光垫使用的不同时期对抛光速度及最终平整度起着重要作用.Shi等<34 >建立了用软抛光垫抛光时的抛光速率方程,认为软垫时抛光速率对压力的依赖性与硬垫时完全不 同.抛光垫的硬度对抛光均匀性也有明显的影响,硬垫可获得较好的模内均匀性(WIDNU)和 较大的平面化距离,软垫可改善片内均匀性(WI-WNU),为获得良好的WIDNU和WIWNU,可组合使用软、硬垫<35>,在圆片及其固定装置间加一层弹性背膜(backingfilm),可满足刚性及弹性的双重要求.
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