硅片化学机械抛光表面材料去除非均匀性实验_苏建修

第22卷第5期 超　硬　材　料　工　程V ol.22 2010年10月SU PER HA RD M A T ERI AL EN GI NEER IN G Oct.2010硅片化学机械抛光表面材料去除非均匀性实验
苏建修1,陈锡渠1,杜家熙1,宁欣1,康仁科2
(1.河南科技学院,河南新乡453003;2.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024)
摘　要:化学机械抛光技术已成为超大规模集成电路制造中实现硅片全局平面化的实用技术和核心技术。

CM P的最大问题之一是硅片材料去除的非均匀性,它是集成电路对硅片表面平坦化需求的一个重要指
标。

文章提出了硅片表面材料去除非均匀性计算公式,在CP-4实验用抛光机上进行了硅片化学机械抛光
实验,并用美国A DE公司生产的Wafer Check-7200型非接触式电容厚度测量设备对单晶硅片的厚度进
行高精度检测,经过计算,得出了不同抛光速度下硅片表面材料去除非均匀性的数据,为理解硅片CM P材
料去除非均匀性形成机理,进一步揭示硅片CM P材料去除机理提供了理论依据。

关键词:化学抛光;材料去除;非均匀性
中图分类号:T Q164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2010)05-0001-04
Experiment of material removal un-uniformity in chemical
mechanical polishing of silicon wafer
SU Jian-x iu1,CHEN Xi-qu1,DU Jia-x u1,NING Xin1,KANG Ren-ke2
(1.H enan I ns titute of Science and T echnology,X inx iang453003,China;
2.K ey L abor atory f or Pr ecision and N on-T raditional M achining T echnology of M inistry of
Education,D alian Univers ity of T echnology,D alian116024,China)
Abstract:Chemical mechanical polishing(CMP)has becom e an operative and key technol-
og y in pr oduction of super-large-scale-integ ratio n to achiev e co mplete planarization.One
of the key po ints o f CM P is material rem oval un-uniform ity of the silicon w afer;it is a key
factor of planarization r equired in integ rated circuit pro duction.The for mula o f calculating
eliminating un-unifo rmity of the silicon wafer w as first proposed in this article,CMP ex-
periment w as taken out on a CP-4laboratory po lishing machine,and thickness of the sili-
co n w afer w as highly precisely m easured w ith WaferCheck-7200pr oduced by ADE Cor p,
U SA.M aterial remo val un-uniform ity at differ ent po lishing speed w as calculated and the-
ory evidence w as pr ovided for understanding the fo rmation and further revealing the
mechanism of m aterial remo val un-unifo rmity o f silico n w afer CM P.
Keywords:CM P;material remov al;un-unifor m
收稿日期:2010-08-20
作者简介:苏建修(1966-),男,河南博爱人,博士研究生,从事宝石级金刚石的合成研究。

基金项目:国家自然科学基金重大项目资助(No.50390061),河南省科技攻关计划重点项目(102102210405);河南省教育厅自然科学研究计划项目(2009A460004);河南科技学院科技创新基金项目资助
1
1　引言
在超大规模集成电路(U LSI)制造中,化学机械抛光技术(Chemical Mechanical polishing,简称CMP)已成为半导体加工行业实现硅片全局平面化的实用技术和核心技术。

随着超大规模集成电路的发展,硅片尺寸不断增大,其面型精度要求也越来越高,影响硅片面型精度的主要因素是硅片表面材料去除的非均匀性。

CMP的最大问题之一是硅片材料去除非均匀性,它是集成电路对硅片表面平坦化需求的一个重要指标。

材料去除非均匀性的大小,关系多层布线质量的好坏,只有彻底掌握硅片CM P过程中影响材料去除非均匀性的形成机制,才能更好地采取相应措施控制硅片表面材料去除的非均匀性,满足IC对硅片表面平坦化程度的需求。

遗憾的是,目前CM P材料去除非均匀性(No nuniform ity)形成机理还没有弄清楚[1,2]。

目前,在硅片CMP材料去除非均匀性的研究方面,Hocheng等人[3]通过对硅片表面相对速度及其影响参数的分析,建立了以硅片与抛光垫相对速度为依据的材料去除非均匀性预测模型,并研究了单头抛光机运动变量对硅片CMP材料去除非均匀性的影响; Tso等人[4]通过对双面抛光机抛光头与抛光盘的运动关系研究,分析了磨粒在硬盘基片上的划痕分布非均匀性及其影响因素;Luo[5]也认为硅片表面上的速度分布非均匀性导致了硅片表面材料去除的非均匀性;V.H.N guyen[6]等人也从硅片表面上的相对速度分布方面研究了材料去除率的非均匀性。

根据大量的研究分析,在硅片CM P时,磨粒的机械作用是硅片表面材料去除的主要机械作用[7],磨粒在硅片表面的运动轨迹不仅最能反映出材料去除率多少,也能很好地反映出硅片表面材料去除非均匀性的高低[8-9]。

因此,仅以硅片表面相对速度变化来建立的硅片内材料去除非均匀性模型不能反映硅片表面材料去除非均匀性的形成机理,尤其是在以磨粒起主要材料去除作用时更是如此。

硅片表面材料去除非均匀性有三种表示方法,一是硅片内材料去除非均匀性(With-In-Wafer Nonunifo rmity,W IWN U),二是芯片内材料去除非均匀性(With-In-Die Nonunifo rmity,WIDNU),三是片间材料去除非均匀性(Wafer To Wafer Nonunifor mity,WT WNU),本文主要研究片内材料去除非均匀性,其研究结果可以扩展到芯片内材料去除非均匀性及片间材料去除非均匀性。

2　材料去除非均匀性实验
2.1　实验方法与实验条件
取直径为4英的单晶硅抛光片若干,在1000级的超净室进行CM P实验,抛光前、后分别检测硅片表面上各同一点的厚度,计算出抛光前后各点的厚度差,便可计算出材料去除率及材料去除非均匀性。

经检测,抛光前单晶硅片表面的粗糙度Ra为0.35nm左右(在ZYGO5022轮廓仪上检测)。

实验用抛光机为美国CET R公司生产CP-4实验抛光机,抛光压力设置为3psi,抛光头摆动速度V b= 1.5mm/min,摆动范围A c=6m m,e=59m m,抛光垫为Ro del IC1000/ SubIV平抛光垫,抛光液为Cabot公司生产的商用抛光液SS12,抛光液流量为100ml/min,实验用水为18.24M 的去离子水,每次抛光前采用金刚石修整器用去离子水对抛光垫进行修整15分钟,1000级的超净室温度控制在22℃,每个硅片抛光时间为20分钟,然后改变不同的转速进行实验。

2.2　检测、计算方法与检测设备
为了能反映硅片上尽可能多的信息,使测量更接近实际情况,采用了全点检测法对整个硅片进行逐点厚度扫描检测,提高检测精度。

实验所用的厚度检测设备为美国ADE公司生产的Wafer Check-7200型非接触式电容厚度测量设备。

该厚度检测设备只能对单晶硅片的厚度进行高精度检测,其分辨率为0.01 m,能对整个硅片进行逐点厚度扫描检测,扫描间隔为5mm,4英的硅片检测点数为258个,5英的硅片检测点数为415个,该设备不仅可测量硅片表面每点的厚度,还可检测硅片表面的TT V、翘曲等,并输出三维的表面形貌图,图1为4英硅片表面258点笛卡儿坐标检测点布局,该图为本实验用编号为8号硅片抛光后的数据输出图,图2为8号硅片表面三维形貌图,从三维形貌图上可以看出硅片表面的形状。

2
图1　直径四英硅片厚度检测图
Fig.1　T hickness measuring of a diamet er 4”w
afer
图2　硅片表面形貌图
F ig .2　M or pholog y o f the silico n wafer
3　实验结果与分析
3.1　WIWNU 的实验结果
经过检测硅片CM P 前后各点的厚度值,可计算出不同抛光速度下硅片表面上各点材料去除的厚度差,然后求出厚度差平均值与标准差,定义硅片表面材料去除非均匀性为硅片表面各点材料去除的标准差与硅片表面材料平均去除率之比[8],见式(1)。

因此,按式(1)便可求出不同转速下硅片表面材料去除的片内非均匀性值。

图3～图6为根据式(1)计算的实验结果。

W I W N U =
M
M RR arg
×100%
(1)
式中 M 为局部材料去除率的标准差,MR R avg 为硅片表面材料的平均去除率。

3.2　实验结果分析
从图3的实验结果可以看出,硅片表面材料去除非均匀性初开始随着转速比的增加而减少,当转速比大于1时,其材料去除非均匀性随转速比的增加而减少很少;由图4可以看出,当转速比相等时,材料去除非均匀性随转速值的增加而略有减少;由图5可以看出,当抛光盘转速不变时,初开始材料去除非均匀性随抛光头的转速减少而降低,当抛光头转速减少到转速比大于1以后,材料去除非均匀性随抛光头转速的减少而稍有减少;由图6可以看出,当抛光头转速不变时,在转速比小于1时,材料去除非均匀性随抛光
3
图3　不同转速比n p /n w 下的W IWN U Fig .3　WI WN U at differ ent n p /n
w
图4　转速比n p /n w 相同时的W IWN U F ig.4　WIW N U at same n p /n
w
图5　硅片转速对W IWN U 的影响
F ig.5　Influence o f w afer r ot ating speed t o W IWN
U
图6　抛光垫转速对WIW N U 的影响F ig .6Influence of polishing pad ro tating
speed t o W IWN U
盘的转速增加而减少,在转速比大于1时,材料去除非均匀性随抛光盘转速的增加而稍有变化。

4　结论
根据上述分析,硅片CM P 时,表面材料去除非均匀性的大小与抛光盘与抛光头的转速比有着密切的关系。

实验结果均可以看出,在转速比大于或等于1时,片内材料去除非均匀性较小,因此,在选择抛光机
运动参数时,应尽量使抛光头与抛光盘的转向相同,且转速比选择大于或等于1,但由于抛光盘的尺寸及重量远大于抛光头的尺寸,实际的硅片CM P 操作时不采用抛光盘的转速大于抛光头的转速,尤其是大直径硅片抛光机更是如此,因此,从材料去除非均匀性方面考虑,应尽可能地选择转速比等于1,这说明了为什么目前CM P 实际操作中设置抛光垫与硅片转向相同转速相近的原因,同时也从另一个侧面揭示了CM P 材料的去除机理。

参考文献:
[1]　苏建修,康仁科,郭东明.超大规模集成电路制造中硅片化学机
械抛光技术分析[J].半导体技术,2003,28(10):27-32.
[2]　J.X.Su ,D.M.Guo,R.K.Kan g,et al.M odeling and Analyz-in g on Nonuniformity of M aterial Removal in C hem ical M ech an-ical Polis hing of Silicon Wafer [J ].M aterials S cience Forum ,2004,471-472:26-31.
[3]　H.Hocheng,H.Y.T sai,M.S.T sai.Effects of kinematic vari-ables on nonun iformity in ch emical mechanical planar ixation[J ].In ternation al J ournal of M ach ine Tools &M anufacture,2000,40(11):1651-1669.
[4]　Pei -Lum T so ,Yu -Yuan W ang ,M ing -Jin g Ts ai .A study of carri-er motion on a dual-face CM P m achine[J ].Jiurnal of M aterials Pr oces sing T ech nology,2001,116(2-3):194-200.
[5]　Jian feng Luo.Integrated modeling of ch emical mechanical p la-n arization /polis hing (CM P )for intergrated circuit fabr ication :from p article s cale to die an d w afer scales ,U nivers ity of Cali-fornia,Berkeley.2003.
[6]　V.H.Nguyen,H.van Kranen burg,P.vander Velden,et al.
Im pacts of process condu ctions on the uniformity of m ater ial re-m oval rate in ch emical mechan ical polis hing process [J ].Pr o-ceedings of the SAFE /IEEE w or kshop ,2000,11:107-111.[7]　Yong wu Zhao,L.Chang.A micro-contact and w ear m od el for
chemical-m echan ical polis hing of silicon w afers [J ].Wear ,2002,252(3-4):220-226.
[8]　Thom as F .A .Bibby ,Ran dy Harw ood ,Dennis Schey ,Kevin
M ckinley .Cartesin coordin ate maps for chemical mechanical planariz ation un iformity ch aracterization [J].T hin Solid Films ,1997,308-309(1-4):512-517.
4。