拋光墊使用壽命對硅單晶片拋光質量影響的研究

張春翔，陳亞楠，田 原，楊召杰，付 旸

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

拋光墊使用壽命對硅單晶片拋光質量影響的研究

張春翔，陳亞楠，田 原，楊召杰，付 旸

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

化學機械拋光技術已經在超大規模集成電路制造中得到廣泛應用，主要用于加工超光滑無損傷的硅單晶襯底和對晶片進行局部和全局平坦化。雖然在化學機械拋光技術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鍵因素之一。研究了拋光墊使用時間和相應時間硅片的拋光效果之間的關系，指出可通過在拋光過程中控制拋光墊的使用時間，對拋光的工藝參數進行更好的調整。

化學機械拋光 拋光墊 拋光效果

0 引 言

為了滿足IC發展的要求，拋光工序已經成為半導體制造過程中重要的工序之一。[1]同時，為了增大IC芯片的產量，降低單元制造的成本，要求IC的基礎材料硅片趨向于大直徑化，同時也對硅片拋光的表面質量提出了更高的要求。[2-3]化學機械拋光技術(Chemical Mechanical Polishing，CMP)已經發展成為應用最為廣泛的拋光技術之一。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、振動等。而在諸多因素中，拋光墊對硅片拋光速率、拋光的幾何參數(TTV、TIR、STIR)等都有很大影響。

拋光墊作為CMP系統中的關鍵部件之一，對拋光的效率和加工質量有著重要的影響。CMP中拋光墊的主要功能有以下幾點：①儲存拋光液，并把拋光液運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生的殘留物質(如拋光過程中產生的碎屑，拋光墊的碎片等)；③傳遞在去除晶片材料時所需的機械載荷；④使整個拋光過程維持在一定的機械環境和化學環境當中。[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系，以優化工藝參數，在拋光過程中根據拋光墊的使用壽命對參數做出相應的調整，提高硅片的生產效率，得到更好的拋光效果。

1 試驗過程

1.1 試驗流程

記錄粗拋墊在相應時刻對應拋光硅片的幾何參數(TTV、TIR、STIR)和拋光速率，通過對獲得的數據開展系統分析，研究拋光效果與拋光墊使用時間之間的關系。

1.2 試驗及測試用設備

試驗片選用型號為P＜100＞、φ100mm的硅片。采用不二越SPM-19拋光機對硅片進行單面拋光，直至達到免清洗拋光片的表面要求，并計算拋光去除厚度。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中心輪轉速110RPM；⑥底盤轉速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，甩干機采用中電45所CXS-2150C型旋轉沖洗甩干機，幾何參數測試采用Tropel UltraSort表面測試系統，厚度測試采用PROFORMA 300厚度測試儀。

2 試驗結果與分析

2.1 粗拋光墊的使用時間對拋光速率的影響

試驗過程中分別記錄了在粗拋光墊使用時間是1h、5h、15h、30h、50h和換墊之前這6個時間點的單晶硅片拋光的速率，數值如表1所示。

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

2.2 粗拋光墊的使用時間對硅片幾何參數的影響

在試驗過程中分別記錄了粗拋光墊使用時間是1h、5h、15h、30h、50h和換墊之前這6個時間點的硅片拋光的時間和硅片的幾何參數(TTV、TIR、STIR)數值，數據如表2～4所示，幾何參數平均值隨使用時間的變化如圖1所示。

表2 拋光墊的使用時間和TTV的數值Tab.2 Numerical relation between using time of polish pad and TTV

表3 拋光墊的使用時間和TIR的數值關系Tab.3 Numerical relation between usage time of polish pad and TIR

圖1 幾何參數(TTV、TIR、STIR)的平均值隨拋光墊使用時間的變化曲線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和拋光墊的使用時間沒有太大的關系，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定的狀態。

從表4和圖1中，可以發現隨著拋光墊使用時間的增長，STIR的值減小。在拋光墊使用時間為5～45h時，STIR基本穩定，其原因是在拋光墊開始使用時，其本身較大的彈性變量會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值也趨于穩定。綜合考慮拋光墊使用時間對拋光片的去除速率和幾何參數的影響，可以認為拋光墊使用中期是比較好的階段。通過對以上數據的分析可知，硅拋光片幾何參數隨拋光墊使用時間變化的原因是：①拋光墊開始使用時表面孔徑比較大，而且開槽的槽體棱角也很明顯，且拋光墊的彈性比較大，造成幾何參數數值不穩定；②在拋光墊使用一段時間后，粗拋光墊的彈性數值、孔徑大小、槽體棱角的鋒利程度都達到一個穩定的狀態，此時的數值也會相對穩定；③當拋光墊使用到一定時間之后，拋光墊的孔徑開始減小，同時拋光墊對拋光液的運輸、儲存能力下降，此時粗拋光墊的拋光速率降低，同時對晶片的幾何參數產生不利的影響，綜合考慮下，此時應該對拋光墊進行更換。

表4 拋光墊的使用時間和STIR的數值關系Tab.4 Numerical relation between using time of polish pad and STIR

3 結 語

本文重點研究了拋光墊使用時間對硅片拋光速率及幾何參數的影響，通過試驗可以得到以下結論：隨拋光墊使用時間增長，拋光速率下降；TTV、TIR和STIR在拋光墊使用5～30h時，其數值保持穩定。從硅片的拋光速率和幾何參數兩方面綜合考慮，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，應對加工參數做出一定的調整，以此來提高硅片拋光的效率和質量。

［1］ 張厥宗. 硅單晶拋光片的加工技術[M]. 北京：化學工業出版社，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］ 廉進衛，張大全. 化學機械拋光液的研究進展[J]. 化學世界. 2006(9)：226-229.

［4］ 魏昕，熊偉，黃蕊慰. 化學機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. 測試方法對硅片表面微粗糙度測量結果影響的研究[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，FU 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