研磨抛光液对CMP研磨抛光工艺的影响.docx

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研磨抛光液对CMP研磨抛光工艺的影响

研磨抛光液对CMP研磨抛光工艺的影响

毕业设计（论文）报告

　　　　　题目研磨抛光液对CMP研磨抛光工艺的影响

　　　　7>2013年4月

研磨抛光液对CMP研磨抛光工艺的影响

摘要：

半导体科学在现代科学技术中占有极其重要的地位。

它广泛应用于国民经济的各个领域中，它的发展推动着人类社会的进步和物质文化生活水平的提高，由其兴起的半导体产业越来越受到各国的重视，自20世纪以来取得了长足的发展。

本文主要采用了文献研究法和调查法，通过查找互联网和书籍文献，及在从事半导体产业的工厂中的实习，获得了大量的资料。

本文主要研究半导体产业的相关知识，说明半导体产业在国内国外目前的发展历史并讨论半导体产业的发展应用。

随着半导体技术愈加精细化，晶圆尺寸由6英寸（150mm），8英寸（200mm），12英寸（300mm），甚至未来的18英寸（450mm）从而越来越大，在半导体领域中化学机械抛光CMP占有着越来越重要的作用，本文在分析CMP工艺的基础上，及初步了解与分析了CMP半导体晶片过程中抛光液的重要作用，总结了抛光液的组成及其化学性能氧化剂、磨料及pH值等和物理性能流速、粘性及温度对抛光效果的影响规律。

本文是在前人研究的基础上，进行深入了解，希望从而对半导体产业向前发展起到一定的积极作用。

关键词：

半导体，化学机械抛光，抛光液

　　　　　　Grindingandpolishingliquid'sinfluenceontheCMPpolishingprocess

Abstract：

Semiconductorscienceoccupiesanextremelyimportantpositioninmodernscienceandtechnology.Itiswidelyusedinvariousfieldsofnationaleconomy,itsdevelopmentpromotestheprogressofhumansocietyandtheimprovementofmaterialandculturallife,bytheriseofthesemiconductorindustryismoreandmorebroughttotheattentionofthecountries,sincethe20thcenturyhasbeenarapiddevelopment.Thispapermainlyadoptsliteratureresearchandsurveymethod,literaturethroughsearchtheInternetandbooks,andpracticeinfactoryisengagedinthesemiconductorindustry,wonahugemassofdata.Inthispaper,westudyrelevantknowledgeofthesemiconductorindustry,thedevelopmenthistoryofsemiconductorindustryathomeandabroadatpresentanddiscussthedevelopmentandapplicationofsemiconductorindustry.Withincreasinglysophisticatedsemiconductortechnology,Wafersizefrom6inches150mm,8inches200mm,12inches300mm,andeventhefutureof18inches450mmandsomoreandmorebig，inthefieldofthesemiconductorchemicalmechanicalpolishingCMPplaysamoreimportantroleinthefuture,inthispaper,basedontheanalysisoftheCMPprocess,andpreliminaryunderstandingandanalysisoftheCMPpolishingfluidisimportantroleintheprocessofsemiconductorchips,summarizedthecompositionandchemicalpropertiesofthepolishingfluidoxidant,abrasiveandpHvalue,etc.andphysicalpropertiesvelocity,viscosity,andtemperatureonthepolishingeffect.Thisarticleisonthebasisofpredecessors'research,in-depthunderstanding,Ihopeitplayapositiveroletothesemiconductorindustrydevelopment.

Keywords:

semiconductor,chemicalmechanicalpolishing,polishingliquid

　　　目录

前言1

第一章半导体技术的简介3

1.1半导体的概述3

1.1.1半导体的概述3

1.1.2半导体的制作流程4

1.2半导体产业的发展现状7

第二章半导体化学机械抛光CMP10

2.1半导体CMP的发展历史10

2.2半导体CMP工艺技术11

2.3半导体CMP优点与缺点13

2.3.1半导体CMP优点13

2.3.2半导体CMP的缺点14

第三章研磨抛光液对抛光效果的影响15

3.1半导体CMP抛光液的介绍15

3.2研磨抛光液对抛光效果的影响17

3.2.1抛光液的化学性能及对抛光效果的影响17

3.3.2抛光液的物理性能及对抛光效果的影响19

总结与体会22

致谢23

参考文献24

前言

　　　自从有人类以来，已经过了上百万年的岁月。

社会的进步可以用当时人类使用的器物来代表，从远古的石器时代、到铜器，再进步到铁器时代。

在20世纪初期，一种相对新的材料，称为硅的单晶体，曾被用于将无线电通信信号从交流转换为直流。

包含这种材料的“半导体”一词最初在德国采用。

然而，真正要发展成为半导体技术需要全世界物理学家和化学家的参与研究。

在半导体特性能被完全解释之前，为了理解电子行为的量子理论，这些研究工作延续了几十年直到第二次世界大战。

　　　二战后，贝尔实验室的科学家们致力于研究固态硅和锗半导体晶体。

领导这项研究的科学家感到需要替换真空管，且可以用固态半导体材料代替真空管。

1947年12月16日诞生了固态晶体管，发明者是威廉?

肖克利，约翰?

巴丁和沃尔特?

布拉顿。

晶体管的名字取自“跨导”和“变阻器”两词，提供了与真空管同样的电功能，但具有固态的显著优点：

尺寸小、无真空、可靠、重量轻、最小的发热以及低功耗。

这一发现推动了以固体材料和技术为基础的现代半导体产业。

现在，以硅为原料的电子组件产值，已经远远超过了以钢铁为原料的产值，这说明，人类的历史已经进入了一个新的时代，就是硅的时代。

硅所代表的正是半导体组件，包括存储元件、微处理机、逻辑组件、光电组件与侦测器等等在内，电视、电话、计算机、电冰箱、汽车，这些半导体组件无时无刻不在为我们服务。

硅是地壳中最常见的元素，许多石头的主要成分都是二氧化硅，然而，经过数百道制程做出的集成电路，其价值可达上万美金；把石头变芯片的过程可谓点石成金，也是近代科学的奇迹！

在日本，有人把半导体比喻为工业社会的稻米，是近代社会一日不可或缺的。

科学的说法是，半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。

在国防上，惟有扎实的电子工业基础，才有强大的国防能力，1991年的波斯湾战争，美国把新一代电子武器发挥得淋漓尽致。

从1970年以来，美国与日本间发生多次贸易摩擦，最后在许多项目上两国都选择了妥协，但在半导体方面，双方均不肯轻易让步，最后两国政府郑重签订了协议，足见对半导体产业的重视。

当今，半导体产业已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

　　　中国半导体产业在取得长足进步的同时，产业发展环境也持续向好，中央政府和许多地区都积极鼓励支持其发展。

2009年4月15日，国务院出台的《电子信息产业调整和振兴规划》，对我国半导体产业的发展具有积极作用。

半导体产业是国家经济来源的支柱工业，重视半导体技术，大力发展半导体产业，是我们科技强国的必经之路。

第一章半导体技术的简介

1.1半导体的概述

1.1.1半导体的概述

　　　半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。

绝大多数的电子组件都是以硅为基材做成的，因此电子产业又称为半导体产业。

半导体技术最大的应用是集成电路（IC），手机、计算机等各种电器与信息产品中，一定有IC存在，它们被用来发挥各种控制功能，把计算机拆开会看到好几块线路板，板上都有一些大小与形状不同的黑色小方块，周围是金属引脚，这就是封装好的IC。

如果把包覆的黑色封装除去，可以看到里面灰色的小薄片，这就是IC。

放大来看，这些IC里面布满了小组件，彼此由金属导线连接。

这些组件大都是晶体管，由硅或其氧化物、氮化物与其它相关材料组成。

整颗IC的功能决定于这些晶体管的特性与彼此间的连结方式。

　　半导体技术的演进，除了改善性能与可靠性外，另一重点就是降低成本。

降低成本的方式，除了改良制作方法，包括制作流程与采用的设备外，如果能在硅芯片的单位面积内产出更多的IC，成本也会下降。

所以半导体技术的一个非常重要的发展趋势，就是把晶体管微小化。

当然组件的微小化会带来性能的改变，幸运的是，这种演进会使IC大部分的特性变好，只有少数变差，而这些就需要利用其它技术来弥补了。

　　半导体制程分成很多层，由下而上逐层依蓝图布局叠积而成，每一层各有不同的材料与功能。

随着功能的复杂，结构变得更繁复，技术要求也越来越高。

半导体技术是在同一片芯片或同一批生产过程中，同时制作数百万个到数亿个组件，而且要求一模一样。

因此大量生产可说是半导体工业的最大特色。

把组件做得越小，芯片上能制造出来的IC数也就越多。

尽管每片芯片的制作成本会因技术复杂度增加而上升，但是每颗IC的成本却会下降。

所以价格不但不会因性能变好或功能变强而上涨，反而是越来越便宜。

半导体制程是一项复杂的制作流程，先进的IC所需要的制作程序达一千个以上的步骤。

这些步骤先依不同的功能组合成小的单元，称为单元制程，如蚀刻、微影与薄膜制程；几个单元制程组成具有特定功能的模块制程，如隔绝制程模块、接触窗制程模块或平坦化制程模块等；最后再组合这些模块制程成为某种特定IC的整合制程。

　　　纳米技术有很多种，基本上可以分成两类，一类是由下而上的方式或称为自组装的方式，另一类是由上而下所谓的微缩方式。

前者以各种材料、化工等技术为主，后者则以半导体技术为主。

　　以前我们都称IC技术是微电子技术，那是因为晶体管的大小是在微米（10-6米）等级。

但是半导体技术发展得非常快，每隔两年就会进步一个世代，尺寸会缩小成原来的一半，这就是有名的摩尔定律（Moore′sLaw）。

　　大约在15年前，半导体开始进入次微米，即小于微米的时代，而后是深次微米，比微米小很多的时代。

到了2001年，晶体管尺寸甚至已经小于0.1微米，也就是小于100纳米。

因此现在是纳米电子时代，未来的IC大部分会由纳米技术做成。

但是为了达到纳米的要求，半导体制程的改变须从基本步骤做起。

每进步一个世代，制程步骤的要求都会变得更严格、更复杂。

1.1.2半导体的制作流程

（1）清洗

　　　集成电路芯片生产的清洗包括硅片的清洗和工器具的清洗。

由于半导体生产污染要求非常严格，清洗工艺需要消耗大量的高纯水；且为进行特殊过滤和纯化广泛使用化学试剂和有机溶剂。

　　　在硅片的加工工艺中，硅片先按各自的要求放入各种药液槽进行表面化学处理，再送入清洗槽，将其表面粘附的药液清洗干净后进入下一道工序。

常用的清洗方式是将硅片沉浸在液体槽内或使用液体喷雾清洗，同时为有更好的清洗效果，通常使用超声波激励和擦片措施，一般在有机溶剂清洗后立即采用无机酸将其氧化去除，最后用超纯水进行清洗，如图1－1所示。

　　图1－1：

硅片清洗工艺示意图

　　　工具的清洗基本采用硅片清洗同样的方法。

（2）热氧化

　　　热氧化是在800~1250℃高温的氧气氛围和惰性携带气体（N2）下使硅片表面的硅氧化生成二氧化硅膜的过程，产生的二氧化硅用以作为扩散、离子注入的阻挡层，或介质隔离层。

典型的热氧化化学反应为：

　　　Si+O2→SiO2

　　　3扩散

　　　扩散是在硅表面掺入纯杂质原子的过程。

通常是使用乙硼烷（B2H6）作为N－源和磷烷（PH3）作为P+源。

工艺生产过程中通常分为沉积源和驱赶两步，典型的化学反应为：

　　　2PH3→2P+3H2

　　图1-2：

扩散示意图

　　　4离子注入

　　　离子注入也是一种给硅片掺杂的过程。

它的基本原理是把掺杂物质（原子）离子化后，在数千到数百万伏特电压的电场下得到加速，以较高的能量注入到硅片表面或其它薄膜中。

经高温退火后，注入离子活化，起施主或受主的作用。

　　　5光刻

　　　光刻包括涂胶、曝光、显影等过程。

涂胶是通过硅片高速旋转在硅片表面均匀涂上光刻胶的过程；曝光是使用光刻机，并透过光掩膜版对涂胶的硅片进行光照，使部分光刻胶得到光照，另外，部分光刻胶得不到光照，从而改变光刻胶性质；显影是对曝光后的光刻胶进行去除，由于光照后的光刻胶和未被光照的光刻胶将分别溶于显影液和不溶于显影液，这样就使光刻胶上形成了沟槽。

　　图1-3：

光刻示意图

　　　6湿法腐蚀和等离子刻蚀

　　　通过光刻显影后，光刻胶下面的材料要被选择性地去除，使用的方法就是湿法腐蚀或干法刻蚀。

湿法腐蚀或干法刻蚀后，要去除上面的光刻胶。

　　　湿法腐蚀是通过化学反应的方法对基材腐蚀的过程，去除不同的物质使用不同的材料。

对不同的对象，典型使用的腐蚀材料为：

　　　腐蚀硅Si?

?

使用氢氟酸加硝酸（HF+HNO3）

　　　腐蚀二氧化硅SiO2?

?

使用氢氟酸（HF）

　　　腐蚀氮化硅Si3N4?

?

使用热磷酸（热H3PO4）

　　　干法刻蚀是在等离子气氛中选择性腐蚀基材的过程，刻蚀气氛通常含有F等离子体或碳等离子体，因此刻蚀气体通常使用CF4类的气体。

　　　7化学气相沉积（CVD）

　　　CVD被使用来在硅片上沉积氧化硅、氮化硅和多晶硅等半导体器件材料，是在300~900℃的温度下通过化学反应产生以上物质的过程。

典型的化学反应为：

　　　SiH4+O2→SiO2+2H2O

　　　生长过程中掺磷时加磷烷的反应为：

　　　4PH3+5O2→2P2O5+6H2

　　　SiH2Cl2+2N2O→SiO2+2N2+2HCl

　　　化学气相沉积根据CVD反应的气氛和气压可分为低压CVD（LPCVD）、常压CVD（APCVD）和离子增强CVD（PECVD）等。

　　　（8）金属沉积

　　　在硅基片上沉积金属以作为电路的内引线的方法有蒸发、溅射、CVD等，亚微米集成电路生产通常采用溅射的方法。

　　　铝是常用的金属沉积材料，其它的材料包括金、钛、钼、钨、钛钨合金、钯、铜也在一些器件上采用。

　　　（9）化学机械抛光（CMP）

　　　CMP是类似机械抛光的一种抛光方式，一般用于具有三层或更多层金属的集成电路芯片制造生产。

在已形成图案的芯片上进行化学机械抛光，使之形成平整平面，以减轻多层结构造成的严重不平的表面形态，满足光刻时对焦深的要求。

　　　（10）背面减薄（BG）

　　　在芯片的生产过程中，芯片太薄不利于芯片生产。

通常在芯片生产结束后，用细砂轮将芯片的背面进行研削，使芯片减至一定的厚度。

1.2半导体产业的发展现状

（1）全球半导体产业简况

　　　根据WSTS统计，2006年全球半导体市场销售额达2477亿美元，比2005年增长8.9%；产量为5192亿颗，比2005年增长14.0%；ASPActionservepage为0.477美元，比2005年下降4.5%。

从全球范围来看，包括计算机、通信、消费电子在内的3C产业是半导体产品的最大应用领域，其后是汽车电子和工业控制等领域。

　　　美、日、欧、韩以及中国台湾是目前半导体产业领先的国家和地区。

2006年世界前25位的半导体公司全部位于美国、日本、欧洲、韩国。

2005年，美国和日本分别占有48%和23%的市场份额，合计达71%。

韩国和台湾的半导体产业进步很快。

韩国三星已经位列全球第二；台积电TSMC的收入在2007年上半年有了很大的提高，排名快速升至第6，成为2007年上半年进入前20名的唯一一家台湾公司，这从一个侧面反映了台湾代加工业非常发达。

（2）中国半导体产业简况

　　　中国已经成为全球第一大半导体市场，并且保持较高的增长速度。

2006年，中国半导体市场规模突破5800亿，其中集成电路市场达4863亿美元，比2005年增长27.8%，远高于全球市场8.9%的增速。

我国市场已经达到全球市场份额的四分之一强。

在市场增长的同时，我国半导体产业成长迅速。

以集成电路产业为例，2006年国内生产集成电路355.6亿块，同比增长36.2%。

实现收入1006.3亿元，同比增长43.3%。

我国半导体产业规模占世界比重还比较低，但远高于全球总体水平的增长率让我们看到了希望。

中国集成电路的应用领域与国际市场有类似之处。

2006年，3C计算机、通信、消费电子占了全部应用市场的88.5%，高于全球比例。

而汽车电子1.3%的比例，比起2005年的1.1%有所提高，仍明显低于全球市场的8.0%。

与此相对应的是，我国汽车市场销量呈增长态势，汽车电子国产化比例逐步提高。

这说明，在汽车电子等领域，我国集成电路应用仍有较大成长空间

　　　（3）我国在国际半导体产业中所处地位

　　　我国半导体市场进口率高，超过80%的半导体器件是进口的。

国内半导体产业收入远小于国内市场规模。

2006年国内IC市场规模达5800亿，而同期国内IC产业收入是1006.3亿。

我国有多个电子信息产品产量已经位居全球第一，包括台式机、笔记本电脑、手机、数码相机、电视机、DVD、MP3等。

中国已超过美国成为世界上最大的集成电路产品应用国。

但目前国内企业只能满足不到20%的集成电路产品需求，其他依赖进口。

　　　中国大陆市场的半导体产品前十名的都是跨国公司。

这十家公司平均21%的收入来自中国市场。

这与中国市场占全球市场规模的比例基本吻合。

2006年这十家公司在中国的收入总和占到中国大陆半导体市场规模的34.51%。

上述两组数字从另一个侧面反映出跨国公司占有国内较高市场份额。

国内半导体市场对进口产品依赖性高。

　　　虽然我国半导体进口量非常大，但出口比例也非常高。

2005年国内半导体产品有64%出口。

这种现象被称为“大进大出”，主要是由我国半导体产业链的特点造成的。

总的来看，我国IC进口远远超过出口。

据海关统计，2006年我国集成电路和微电子组件进口额为1035亿美元，出口额为200亿美元，逆差巨大。

　　　由于我国具有劳动力竞争优势，国际半导体企业把技术含量相对较低、劳动密集型的产业链环节向我国转移。

我国半导体产业逐渐成为国际产业链的一环。

产业链调整和转移的结果是，我国半导体产业在低技术、劳动密集型和低附加值的环节得到了优先发展。

2006年，我国IC设计、制造和封装测试业所占的比重分别是18.5%、30.7%和50.8%。

一般认为比较合理的比例是3:

4:

3。

封装测试在我国先行一步，发展最快，规模也最大，是全球半导体产业向中国转移比较充分的环节。

而处于上游的IC设计成为最薄弱的环节。

芯片制造业介于前两者之间，目前跨国公司已经开始把芯片制造逐步向我国转移，中芯国际等国内企业发展也比较快。

　　　这样的产业结构特点说明，国内的半导体企业多数并未直接面对半导体产品的用户?

电子设备制造商和工业、军事设备制造商，甚至多数也没有直接分享国内市场。

更多的是充当国际半导体产业链的一个中间环节，间接服务于国际国内电子设备市场。

这种结构，利润水平偏低，定价能力不强，客户结构对于企业业绩影响较大。

究其原因，还是国内技术水平低，高端核心芯片、关键设备、材料、IP等基本依赖进口，相关标准和专利受制于人。

国内企业发展也不够成熟，规模偏小，设计、制造、应用三个环节脱节。

第二章半导体化学机械抛光CMP

2.1半导体CMP的发展历史

　　　CMP技术早期主要应用于光学镜片的抛光和晶圆的抛光。

20世纪70年代，多层金属化技术被引入到集成电路制造工艺中，此技术使芯片的垂直空间得到有效的利用，并提高了器件的集成度。

但这项技术使得硅片表面不平整度加剧，由此引发的一系列问题（如引起光刻胶厚度不均进而导致光刻受限）严重影响了大规模集成电路（LSI）的发展。

针对这一问题，业界先后开发了多种平坦化技术，主要有反刻、玻璃回流、旋涂膜层SOD等，但效果并不理想。

80年代末，IBM公司将CMP技术进行了发展使之应用于硅片的平坦化，其在表面平坦化上的效果较传统的平坦化技术有了极大的改善，从而使之成为了大规模集成电路制造中有关键地位的平坦化技术。

　　　CMPChemicalMechanicalPolishing技术的最早出现是在20世纪80年代中期，为满足光刻工艺的平坦化要求，由IBM公司利用Strasburgh公司生产的抛光机在EastFishkill工厂进行CMP工艺开发的。

1988年IBM开始将CMP工艺用于4MDRAM器件的制造。

1990年IBM公司便将其利用CMP技术的4MDRAM工艺转让给MicroTechnology公司。

不久之后，便与MotorolA公司联合行动，共同进入PC机生产领域。

目前，CMP技术已经发展成以化学机械抛光机为主体，集在线检测、终点检测、清洗、甩干等技术于一体的化学机械平坦化技术，是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物；是硅圆片由200mm向300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。

半导体工艺对于CMP技术的这种依赖主要来自于器件加工尺寸的不断微细化而出现的多层布线和一些新型介质材料的引入，特别是进入250nm节点以后的Al布线和进入130nm节点以后的Cu布线之后，CMP工艺的重要性便日显突出。

130nm节点的多层金属互连为7-8层，90nm节点的多层金属互连为8～9层，金属互连的金属层间介质的增加，必然导致