CMP纳米抛光液及抛光工艺相关技术研究

论文摘要

集成电路发展至0.25微米工艺之后，唯一可以实现全局平坦化的化学机械抛光（CMP）已成为IC制程的关键工艺之一。更小特征尺寸工艺时代的发展对抛光液及抛光工艺应用技术提出苛刻的要求。本文针对IC衬底及GST薄膜的CMP需要，从以下几个方面开展了研究：大粒径纳米研磨料的制备及纯化；硅衬底的超精密CMP及抛光液；硫系化合物相变存储器（CRAM）器件中关键材料——相变材料Ge-Sb-Te（GST）的CMP、电化学及湿法刻蚀等。本论文针对IC工艺急需的大粒径胶体二氧化硅纳米研磨料及粒径生长控制技术进行系统研究，形成了一整套制备纳米研磨料的技术。在分析研磨料粒径生长机制的基础上，分别采用水玻璃离子交换法、硅粉催化水解法制备了低成本的大粒径胶体二氧化硅研磨料，并通过分水控制工艺实现了粒径生长控制，制得不同粒径（30～120nm）的均匀胶体二氧化硅研磨料，并通过纯化工艺实现金属离子含量小于100ppm。为满足硅衬底精抛和IC抛光时高纯的需求，本文采用TEOS水解法制备了高纯大粒径胶体二氧化硅研磨料，并研究了粒径控制生长（60～160nm），最终制得亚ppm级高纯抛光液。在分析抛光液组分的主要作用基础上，针对硅衬底的超精密CMP抛光液进行系统研究，包括研磨料粒径、浓度、速率促进剂、表面活性剂等对抛光速率的影响，优化配制了高速率、高平整的硅衬底抛光液。与日本进口抛光液相比，抛光速率提高了近40％（697nm／min Vs 500nm／min），表面粗糙度也得到明显改善（4.492（?） Vs 8.884（?））。为满足更高平坦化及特殊需求，本文在此基础上开展了双面超精密CMP研究，配制系列抛光液，并在半导体公司进行对比实验，抛光速率提高40％（14μm／min Vs 10μm／min），表面粗糙度由4.728（?）降至2.874（?）。总之，无论是单面抛光、还是双面超精密抛光，本文优化配制的系列抛光液不仅提高了抛光速率，而且显著改善了表面粗糙度。针对CRAM制备工艺发展需要，本文对相变材料GST的CMP、电化学及湿法刻蚀等进行了研究。首先采用电化学方法对抛光液各参量（包括pH值、氧化剂、表面活性剂和抗蚀剂等）对GST的微腐蚀反应的影响进行研究，得出相关的腐蚀—钝化规律以及非晶态和晶态GST在不同介质体系中的微腐蚀选择性规律。在此基础上配制GST—CMP的抛光液进行相关研究，实现了纳米薄膜的去除及平坦化，速率控制在100～200nm／min，表面粗糙度由原来的22.18（?）降为8.228（?），实现了亚纳米级

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.0 引言

1.1 化学机械抛光发展的背景

1.1.1 高分辨率光刻对表面平坦精度的要求

1.1.2 降低互连延迟及镶嵌工艺形成互连结构的需要

1.2 化学机械抛光的基础及要素

1.2.1 抛光机台

1.2.2 抛光垫

1.2.3 抛光液

1.2.4 CMP过程中主要参量

1.3 化学机械抛光的去除机理模型

1.3.1 CMP去除机理模型分类

1.3.2 典型 CMP去除机理模型分析

1.4 化学机械抛光的应用

1.4.1 硅材料 CMP

1.4.2 介质 CMP

1.4.3 金属 CMP

1.4.4 CMP其它应用

1.5 化学机械抛光的发展及趋势

1.5.1 CMP发展历程

1.5.2 CMP的发展趋势

1.6 我国CMP及抛光液的发展现状

1.7 本研究的主要内容

第二章胶体二氧化硅研磨料制备及纯化研究

2.1 研磨料种类及应用

2.1.1 二氧化硅研磨料

2）研磨料'>2.1.2 氧化铈（CeO₂）研磨料

2O₃）研磨料'>2.1.3 氧化铝（Al₂O₃）研磨料

2.2 胶体二氧化硅研磨料的制备研究现状及存在问题

2.2.1 胶体二氧化硅研磨料主要制备方法

2.2.2 胶体二氧化硅的研究现状

2.2.3 胶体二氧化硅制备现存问题

2.3 水玻璃离子交换法制备大粒径胶体二氧化硅研磨料

2.3.1 离子交换法制备工艺

2.3.2 离子交换法制备不同粒径胶体二氧化硅研磨料

2.3.3 生长机理分析

2.4 硅粉催化水解法制备胶体二氧化硅研磨料

2.4.1 硅粉催化水解法基本原理和特点

2.4.2 硅粉催化水解法制备工艺

2.4.3 硅粉催化水解法制备大粒径胶体二氧化硅研磨料

2.5 TEOS水解法制备大粒径胶体二氧化硅研磨料

2.5.1 TEOS水解法基本原理和制备工艺

2.5.2 TEOS水解法制备大粒径胶体二氧化硅研磨料

2.6 胶体二氧化硅研磨料的纯化

2.7 本章小结

第三章硅衬底超精密 CMP及抛光液研究

3.1 CMP抛光液组分分析及配制

3.1.1 CMP抛光液中有机碱的作用

3.1.2 CMP抛光液中研磨料的作用

3.1.3 CMP抛光液中活性剂的作用

3.1.4 CMP抛光液中鳌合剂的作用

3.1.5 CMP抛光液中其它添加剂的作用

3.1.6 CMP抛光液的配制注意事项

3.2 单面硅片超精密抛光及抛光液研究

3.2.1 抛光液中研磨颗粒大小的影响

3.2.1 抛光液磨料浓度的影响

3.2.3 抛光液的pH值的影响

3.2.4 速率促进剂的影响

3.2.5 抛光效果的表征

3.3 双面硅片超精密抛光及抛光液研究

3.3.1 双面抛光研究背景

3.3.2 双面抛光实验部分

3.3.3 双面抛光实验结果

3.4 硅晶片超精密抛光机理分析

3.5 本章小结

第四章相变材料 GST电化学及化学机械抛光研究

4.1 硫系化合物Ge-Sb-Te相变材料的电化学特性分析

4.1.1 抛光液中不同组分对GST电化学特性的影响

4.1.3 非晶态GST和晶态GST微腐蚀电化学特性研究

4.2 Ge-Sb-Te纳米抛光液及CMP研究

4.2.1 GST抛光实验条件

4.2.2 GST-CMP结果分析

4.2.3 GST-CMP界面分析

4.3 通过CMP形成Ge-Sb-Te填充工艺探索

4.3.1 GST填充样品的制备工艺

4.3.2 通过CMP形成Ge-Sb-Te填充结构

4.4 湿法刻蚀Ge-Sb-Te形成CRAM器件单元工艺探索

4.4.1 GST湿法刻蚀样品制备

4.4.2 GST的湿法刻蚀

4.3.3 湿法刻蚀Ge-Sb-Te制备CARM器件单元的Ⅰ-Ⅴ特性

4.4 4.5 本章小结

第五章全文结论

参考文献

张楷亮博士后工作期间取得的相关科研成果

张楷亮博士期间所取得的相关科研成果

致谢

张楷亮个人简历

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