化學機械拋光對硅片表面質量影響的研究

楊玉梅，云 娜

(中國電子科技集團第四十六研究所，天津300220)

集成電路（IC）是電子信息產業的核心，是推動國民經濟和社會信息化發展最主要的高新技術之一。目前，以半導體集成電路為基礎的電子信息產品已成為世界第一大支柱產業，世界工業發達的經濟強國經濟總產值增長部分的65%都與IC工業相關[1]。作為半導體材料加工的卓越代表方法之一，化學機械拋光（CMP）是目前被認可并且廣泛使用的方法，同時也是唯一的可在整個硅圓晶片上實現全面平坦化的工藝技術，實現了高質量表面、低表面粗糙度[2]。

在微電子工業領域，IC 的發展離不開晶體完整、高精度、高表面質量的硅晶片，全球90%以上的IC 都要采用硅片，是信息技術的基礎材料，是固態電子發展的載體[3]。因此拋光硅片的表面質量直接影響著器件的性能、集成度、可靠性以及成品率[4]。

但是目前關于單晶硅化學機械拋光的研究主要集中在工藝機理方面，關于單晶硅表面粗糙度的定義及其對粒子缺陷的影響研究甚少[5-8]。而單晶硅表面粗糙度的好壞直接影響到后續表面質量的測量，同時化學機械拋光精拋的一些重要工藝參數（壓力、相對轉速、拋光液流量等）對硅片表面微粗糙度也會產生很大的影響[9-10]。因此，本研究首先通過實驗分析硅片表面粗糙度與粒子缺陷的聯系，然后通過精拋不同參數下硅片表面質量的研究，以期改善化學機械拋光下硅片的表面質量。

1 實驗方法

本實驗硅片均采用直拉法P-〈111〉型，直徑為100 mm，電阻率為40～45 Ω·cm，Haze 值約為12×10-6的單晶硅片，首先采用掃描電鏡SSX-550觀察硅片表面粒子缺陷類型并觀察硅片表面微粗糙度對粒子缺陷測量的影響；然后通過單一變量法改變精拋過程中拋光壓力及拋光液流量等來研究其對硅片表面微粗糙度的影響。實驗中精拋過程主要工藝參數如表1所示，且硅片表面缺陷經RCA 標準清洗（清洗流程如表2所示）后統一由WM-7S wafer surface analyzer 設備檢測，其中表面粗糙度統一由SSIS 中的Haze 值來表示，Haze 值越大，硅片表面越粗糙。

表1 化學機械拋光參數

表2 RCA 標準清洗流程

2 實驗過程與結果討論

2.1 微粗糙度對硅片表面粒子缺陷測量的影響

目前應用最廣泛的硅片表面粒子缺陷測量系統是SSIS，在SSIS 中，硅片表面的細微刮傷、坑洞及顆粒等經過光散射后形成不同的散射信號被SSIS 系統收集并轉化為類似的表面形貌特征。其顯示出來的各種缺陷稱為光點缺陷，當幾個光點缺陷密集的聚集在一起時，這樣通過光學原理模擬出來的形貌特征具有不確定性，SSIS 會將其認定為整體形貌特征。而沒有判定為光點缺陷及整體形貌的散射信號會被視為背景信號，即Haze 值。

因此，我們取一片經化學機械拋光后的硅片進行粒子缺陷測量，其測量結果如圖1所示。

從圖1中可以看出，尺寸在0.15 μm 到0.3 μm之間的粒子數量為68 個，而大于0.3 μm 的粒子僅為9 個。這就表明光點缺陷粒子主要集中在0.15 μm 到0.3 μm 之間，為了找出造成0.15 μm到0.3 μm 之間粒子數過多的原因，我們對該硅片進行了SEM 掃描分析，局部放大圖如圖2所示。從圖2中我們可以看出粒子主要是由拋光布殘留、劃痕、坑洞及粗糙表面造成。同時根據標尺可以判斷出各種缺陷造成粒子的大小：劃痕造成的粒子尺寸遠大于1 μm；拋光布殘留大于1 μm；硅片表面坑洞大于0.3 μm；粗糙表面介于0.15 到0.3 μm 之間。因此，我們可以肯定造成粒子數量過大的原因在于粗糙的硅片表面。

圖1 硅片的粒子缺陷測量

可見，SSIS 在整個硅片表面缺陷測量過程中，收集硅片表面產生的各種散射信號，然后依據已有設定將其分為粒子、整體形貌以及Haze 值。即硅片表面粒子缺陷和硅片表面粗糙度是由散射光信號強度來區分的，這兩者之間并不完全絕對，當改變粒子缺陷的最小尺寸及相關系統參數時，粒子缺陷和硅片表面微粗糙度是會發生相對改變的。

圖2 硅片中光點缺陷粒子的SEM 圖

2.2 化學機械拋光對硅片表面微粗糙度的影響

硅片表面的微粗糙度對于硅片表面粒子尤其是小顆粒粒子的測量有著非常重要的影響。改善硅片表面的微粗糙度，能有效地減少因硅片表面粗糙而在檢測時產生的粒子缺陷，從而控制缺陷數量。化學機械拋光是目前最主要能夠改善硅片表面微粗糙度的方法之一，而精拋作為最后一道拋光工序又成了重中之重。

2.2.1 拋光壓力變化對硅片表面質量的影響

實驗中，保持其他參數不變，只改動精拋過程中 的 壓 力，分 別 設 置 為15.0、17.5、20.0、22.5、25.0、27.5、30.0，32.5，35.0 kPa。每種壓力狀態下取5 片硅片進行拋光，然后進行統一的RCA 標準清洗，最后進行Haze 值測量，其結果如圖3所示。

圖3 硅片在不同拋光壓力下的Haze 值

由圖3可以看出，硅片表面微粗糙度隨著壓力的增加分為兩個階段，第一階段：改善階段，即當壓力為15～25 kPa 時，硅片表面Haze 隨著壓力的增加而減小；第二階段：穩定階段，即當壓力為25～35 kPa 時，硅片表面Haze 隨著壓力的增加而不改變。

根據普萊斯頓方程R=K×P×V 可知，機械拋光速率與壓力成正比。當壓力過低時（15～25 kPa時），化學拋光占主導地位，此時硅片軟表面層生成較快而無法被機械拋光及時去除，導致過度腐蝕，從而產生腐蝕坑及橘皮狀波紋，提高了硅片表面的微粗糙度，硅片表面變得粗糙不平，Haze 值較大。隨著壓力的增加，硅片表面微粗糙度得以改善，Haze 值逐漸降低。而當壓力過大時（25～35 kPa），機械拋光占主導地位，硅片軟表面層無法及時生成即被機械拋光去除，導致機械拋光直接作用在硅片表面，通過前文分析已知不會導致硅片Haze 值增加，但是會造成硅片表面的機械磨損。

2.2.2 拋光盤轉速變化對硅片表面質量的影響

實驗中，保持其他參數不變，只改動拋光盤轉速，分別設置為40、60、80、100、120 和140 r/min。每種轉數狀態下取5 片硅片進行拋光，然后進行統一的RCA 標準清洗，最后進行Haze 值測量，其結果如圖4所示。

圖4 硅片在不同拋光轉速下的Haze 值

由圖4可以看出，隨著拋光轉速的提高，在初始階段，Haze 值越來越小，當轉速達到100 r/min以后，Haze 值出現小幅度提高。結合前文分析不難得到以下結論：拋光轉速過低時，化學拋光占主導作用，硅片過度腐蝕導致Haze 值較高。而隨著轉速的提高，過度腐蝕現象得到減弱，硅片表面微粗糙度得到改善，Haze 值不斷降低。當拋光轉速高于80 r/min 時，隨著轉速的提高，拋光液在拋光布上面的分布不均勻，從而導致硅片局部區域化學反應過快，造成局部過度腐蝕現象，因此導致硅片表面Haze 值升高。

2.2.3 拋光液流量變化對硅片表面質量的影響

實驗中，保持其他參數不變，只改動拋光液流量參數，分別設置為50、100、200、300、400 和500 mL/min。每種流量狀態下取5 片硅片進行拋光，然后進行統一的RCA 標準清洗，最后進行Haze值測量，其結果如圖5所示。

圖5 硅片在不同拋光液流量下的Haze 值

由圖5可以看出，隨著拋光液流量的逐漸增加，硅片的Haze 越來越小，且Haze 值越來越穩定。在實驗初期由于拋光液流量太小，即使通過拋光盤的旋轉也無法均勻分布在拋光布上，因此使得局部區域甚至出現無拋光液的現象，導致化學機械拋光的不穩定，硅片與硅片之間的化學機械拋光程度不同，即硅片之間的Haze 值差異較大。然而隨著拋光液流量的增加，拋光液在拋光布上分布趨于均勻，硅片表面的微粗糙度逐漸減小，最終在300 mL/min 時達到最優，Haze 值降低到0.025×10-6，隨后進入穩定階段。

綜上，掃描表面檢查系統中的Haze 值與硅片表面微粗糙度有著直接的關系。由于硅片表面粒子缺陷的測量方法與硅片表面微粗糙度的測量方法是一致的，因此過于粗糙的硅片表面會引起大量的表面粒子缺陷，所以控制硅片表面微粗糙度即Haze 值在一定情況下可以降低硅片表面的粒子缺陷。此外，化學機械拋光是一種雙機制拋光工藝，因此化學機械拋光對于Haze 值的影響與兩種機制在整個拋光過程中的比重有關。當化學拋光保持不變時，隨著機械拋光作用逐漸加強，硅片表面Haze 值由大變小達到最低點并保持不變。最后階段由于機械拋光作用占主導，硅片表面機械磨損嚴重。當機械拋光保持不變時，隨著化學拋光逐漸加強，硅片表面Haze 值降至最低點隨后增加。

3 結 論

（1）硅片表面絕大多數粒子缺陷的大小分布在0.15～0.3 μm，通過SEM 分析可知其主要形成原因為粗糙不平的硅片表面，即硅片表面的微粗糙度會對粒子缺陷測量帶來非常重要的影響。

（2）化學機械拋光中化學拋光與機械拋光的比重對硅片表面微粗糙度起重要影響。當化學拋光與機械拋光達到平衡時，能得到最佳的硅片表面質量。

（3）精拋參數為：壓力25 kPa、轉速80 r/min、拋光液流量300 mL/min 時，所獲得的硅片表面質量最好，其Haze 值為0.025×10-6。

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