抛光工艺对硅片表面Haze值的影响

櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶DOI 10． 13290/j ． cnki ． bdtjs ． 2017． 12． 008918 半导体技术第 42 卷第 12 期 2017 年 12 月基金项目 国家科技重大专项资助项目 （ 2008ZX02401）E- mail wangyongtaogritek ． com抛光工艺对硅片表面 Haze 值的影响王永涛 ， 赵而敬 ， 尚锐刚 ， 李明飞 ， 鲁进军 ， 张建 ， 蔡丽艳（ 有研半导体材料有限公司 ， 北京 100088）摘要 随着超大规模集成电路的快速发展 ， 硅片表面的 Haze 值对于现代半导体器件工艺的影响也越来越受到人们的重视 。 通过实验研究了精抛光工艺参数对硅片表面 Haze值的影响规律 。结果表明 ， 随着抛光时间的延长 ， 硅的去除量逐渐增大 ， 硅片表面 Haze值逐渐降低 ； 同时抛光过程中机械作用与化学作用的协同作用对 Haze值也有较大影响 。 随着抛光液温度的降低与抛光液体积流量的减小 ， 化学作用减弱 ， 硅片表面 Haze 值逐渐减小 。 而随着抛光压力的增大 ， 机械作用逐渐起主导作用 ， 硅片表面 Haze 值逐渐降低 。 但当 Haze 值降低到某一数值后 ， 随着硅去除量的增大 、 抛光液温度的下降 、 抛光液体积流量的降低 、 抛光压力的增大 ， 硅片表面的 Haze 值基本保持不变 。关键词 Haze值 ； 化学机械抛光 （ CMP） ； 微粗糙度 ； 抛光液 ； 硅片中图分类号 TN305. 2 文献标识码 A 文章编号 1003－ 353X （ 2017） 12－ 0918－ 05Influence of Polishing Process on Silicon Wafer Surface Haze ValueWang Yongtao， Zhao Erjing ， Shang Ｒ uigang， Li Mingfei ， Lu Jinjun， Zhang Jian， Cai Liyan（ GＲ INMSemiconductorMaterials Co. ， Ltd. ， Beijing 100088， China）Abstract With the rapid development of ultra large scale integrated circuit ， the effect of the Hazevalue of the silicon wafer surface on the modern semiconductor devices processhas drawn more and moreattention ．The influence of final CMP processparameters on the Haze value of the silicon wafer surfacewas studied ．The results show that with the increase of polishing time， the silicon removal increases，then the Haze value of the silicon wafer surface becomes less ． And the status of cooperation betweenchemical polishing and mechanical polishing also has a strong effect on the Haze value ． With the de-creaseof slurry temperature and slurry volume flow， the chemical action is weakenedin the CMP， whichresults in the reduce of Haze value of the silicon wafer surface ．When the mechanical action plays a lea-ding role with the rise of polishing pressure， the Haze value of the silicon wafer surface gradually decrea-ses． However， when the Haze value of the silicon wafer surface drops to a certain value， it remains es-sentially unchangedwith changeof the silicon removal， slurry temperature， slurry volume flow and polis-hing pressure in the CMP．Key words Haze value； chemical mechanical polishing （ CMP） ； microroughness； slurry； sili-con waferEEACC 2550E0 引言随着半导体技术向高集成度 、 高性能化的迅猛发展 ， 对硅片表面平整度提出了更高要求 ［ 1］ 。 微王永涛 等 抛光工艺对硅片表面 Haze值的影响櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶December 2017 SemiconductorTechnologyVol ． 42No． 12 919粗糙度严重影响了 MOS 器件栅氧化层的电学性能 ，如栅氧化层介电击穿场强 、 击穿电荷密度 、 沟道载流子迁移率及跨导等 ， 逐渐引起芯片制造商的重视 ［ 2－ 4］ 。抛光雾 （ Haze） 是由于微观表面轮廓高低起伏的不规则性 （ 如高密度的小坑 ） 所引起的光散射现象 ， 能够反映硅片表面整体的微粗糙度 ， 成为表征硅片表面微粗糙度的关键参数之一 。 Haze 值随着硅片表面微粗糙度的增大而增大 ［ 5－ 7］ 。 目前关于 Haze 值的研究主要集中在改善抛光布 、 抛光液等抛 光 辅 材 方 面 ［ 8－ 15］ ， 而 通 过 工 艺 优 化 来 改 善Haze值的报道与研究还较少 ， 这对于我国器件生产与高质量抛光片大量出口影响甚大 。本文主要针对精抛光工艺中工艺参数对硅片Haze值的影响规律进行研究 ， 再结合化学机械抛光机理对该规律进行解析 ， 最终达到优化精抛光工艺的目的 。1 实验精抛光的目的是进一步去除由前面工艺所残留下的微缺陷及表面损伤层 ， 以求获得表面局部平整度和表面微粗糙度极低的光亮表面 ， 从而满足 IC工艺的要求 。 同时化学机械抛光 （ CMP） 是一个化学与机械相互作用的过程 。 在抛光过程中 ， 存在抛光液的化学腐蚀及抛光布的摩擦去除两种机制 ，二者反复交替进行 ， 从而达到硅片表面去除的作用 。 因此在本研究中应该从这两方面着手 ， 从而得到工艺参数对于 Haze值的影响规律 。 在 CMP 过程中 ， 主要的工艺参数有抛光时间 （ t p ） 、 抛光压力（ F p ） 、 抛 光 液 温 度 （ θ p ） 和 抛 光 液 体 积 流 量（ qv） ， 实验也主要从这几方面进行 。实验 使 用 相 同 的 抛 光 液 及 抛 光 布 ， 设 备 为SPEEDFAM 公司生产的精抛机 ， 所用硅片为直径300 mm p 型 ＜ 100＞ 双面粗抛光硅片 ， 通过精抛光后使用 相 同 的 清 洗 工 艺 对 硅 片 进 行 清 洗 后 ， 使 用KLA- Tencor 公 司 生 产 的 SP1 测 试 仪 对 硅 片 表 面Haze值进行测量 ， 测试结果如图 1 所示 ， Haze 值在图的左侧 。 实验采用的双面粗抛光硅片表面粗糙度较高 ， 其 Haze值基本在 10－ 3以上 。 实验中的主要工艺参数和基本设定值包括 抛光时间 160 s，抛光压力 1 100 N， 抛光盘转速 40 r /min， 抛光液温度20 ℃ ， 抛光液体积流量 1 100 mL /min 。 实验过程中采用单因素实验 ， 即保证其他工艺参数不变的情况下 ， 调整某一工艺参数进行抛光 ， 每种设置情况下抛光 3 片硅片 ， 然后统一清洗后进行 SP1测量 。图 1 SP1测试结果Fig. 1 Test results of SP12 结果与讨论2. 1 实验结果每组实验的 3 片硅片 ， 取其 Haze 值的平均值进行统计 ， 其结果如图 2 ～ 图 5 所示 。 从实验结果可以看出 ， Haze 值随抛光时间的变化规律与随抛光压力的类似 ， 随着抛光时间的延长或者抛光压力的增大 ， 硅片表面 Haze 值越来越小 ， 相应地硅片表面微粗糙度越来越好 ， 但是当抛光时间或抛光压力达到某一数值时 ， Haze 值趋于稳定 ， 维持在 4 10－ 8左右 。 而与上述结果相反的是 ， 如图 4 所示 ，图 2 Haze值随抛光时间的变化曲线Fig. 2 Changecurve of the Haze values with polishing time随着抛 光 液 温 度 的 升 高 ， 初 始 阶 段 硅 片 表 面 的Haze 值较小 ， 且随抛光液温度的升高有缓慢的变大 ， 当抛光液温度达到 15 ℃ 以后 ， 随着抛光液温度的升高 ， 硅片表面 Haze 值迅速增大 。 如图 5 所示 ， 硅片表面 Haze 值随抛光液体积流量的变化呈现先降低后升高的规律 。 当抛光液体积流量较小王永涛 等 抛光工艺对硅片表面 Haze值的影响櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶920 半导体技术第 42 卷第 12 期 2017 年 12 月时 ， 随着抛光液体积流量的增大 ， Haze 值迅速减小 。 当抛 光 液 体 积 流 量 在 400 ～ 800 mL /min 时 ，Haze值保持稳定在 4 10－ 8 ～ 5 10－ 8 。 当抛光液体积流量大于 800 mL /min 时 ， 硅片表面 Haze值随抛光液体积流量的增大而迅速增大 。图 3 Haze值随抛光压力的变化曲线Fig. 3 Changecurve of the Hazevalueswith polishing pres-sures图 4 Haze值随抛光液温度的变化曲线Fig. 4 Changecurve of the Haze values with slurry tempe-ratures图 5 Haze值随抛光液体积流量的变化曲线Fig. 5 Changecurve of the Haze values with slurry volumeflows2. 2 结果分析硅片表面抛光加工的目的是去除其表面前道工序所残留下的微缺陷及表面损伤层 ， 以求获得表面平整度和表面微粗糙度极低的光亮 “ 镜面 ” 。 当无法完 全 去 除 粗 抛 时 留 下 的 损 伤 层 时 ， 硅 片 表 面Haze 值较大 。 随着损伤层逐步去除 ， Haze 值逐渐降低 。 当抛光去除量达到此临界损伤值时 ， Haze值达到最低 。 此后 ， 随着抛光去除量的继续增加 ，Haze 值基本保持不变 。 因而随着抛光时间的延长 ，抛光去除量逐渐增加 ， Haze 值逐渐降低 ， 当抛光时间达到 160 s 时 ， 粗抛时留下的损伤层被完全去除 ， 硅片表面 Haze 值达到最低 ， 此后随着抛光时间的延长 ， Haze值基本保持不变 。同时化学机械抛光过程由化学去除和机械去除两方面组成 。 首先 ， 抛光液中的碱性成分与 Si 发生反应 ， 形成可溶性的硅酸胶体附着于 Si 片表面 ，被称为软质层 。 同时靠抛光液中的 SiO2 胶体 （ 粒径在 50 nm 左右 ） 与快速转动的抛光布间的机械磨擦作用 ， 将硅表面形成的软质层去除 ， 并被流动的抛光液带走 ， 硅片露出新表面层 ， 继续与抛光液中的碱性成分反应形成硅酸胶体 。 这两种作用交替循环进行 ， 从而达到材料去除的作用 。 当这两种作用相互匹配时 ， 即化学作用产生的软质层能及时被机械作用摩擦去除 ， 此时能够获得平整 、 光亮 、 几何精度高的表面 。 反之 ， 当两种作用不相互匹配时 ， 生成的软质层没有被及时去除 ， 影响新的软质层的生成 ， 或者机械作用过大 ， 软质层还未完全生成 ， 便被磨擦去除 ， 都会对硅片表面状态造成较坏的影响 。由图 3 所示 ， 抛光压力对于硅片的表面状态有直接影响 。 根据 Preston方程 Ｒ KPV［ 9］ ， 其中 Ｒ 为抛光去除速率 ， K 为 Preston 系数 ， V 为硅片与抛光垫的相对速度 。 抛光压力越大 ， 抛光去除速率越快 。 因此当压力较小时 ， 机械去除作用小 ， 化学去除占主导地位 。 抛光液化学作用形成的软质层无法及时去除 ， 造成过度腐蚀 ， 形成腐蚀坑和橘皮状波纹 ， 从而降低硅片的镜面状态 ， 硅片表面的粗糙度较大 ， 相应 Haze 值也较大 。 随着压力的增加 ， 抛光去除速率加快 ， 两种机制逐渐趋于平衡状态 ， 故Haze 值也逐渐变低 。 压力继续增大 ， 机械去除作用又开始占主导作用 ， 化学作用产生的软质层被去除却又不能及时生成 ， 因此机械去除作用直接作用在硅片表面 ， 造成硅片的局部损伤 。 但由于损伤仅存在于硅片表面的某些部位 ， 对硅片的 Haze 值影王永涛 等 抛光工艺对硅片表面 Haze值的影响櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶December 2017 SemiconductorTechnologyVol ． 42No． 12 921响不大 ， 因此 Haze值的变化并不明显 ［ 9］ 。抛光液温度也是影响硅片表面 Haze 值的一个重要参数 。 由于抛光液的化学特性 ， 温度决定着化学反应中的活化能 ， 增加抛光液温度将导致化学作用的增强 ， 即表面软质层形成速度加快 。 当抛光液温度较低时 ， 机械抛光去除占主导作用 ， 表面软质层被快速去除 ， 故 Haze 值较小 。 当抛光液温度较高时 ， 会引起抛光液的过度挥发及表面软质层的快速形成 ， 故而产生不均匀的抛光效果 ， 软质层也无法快速去除 ， 造成硅片表面 Haze值较高 。抛光液体积流量对硅片表面 Haze 值的影响主要分为三个阶段 。 当抛光液体积流量较小时 ， 抛光液在抛光垫表面分布不均匀 ， 使化学反应形成的软质层也分布不均匀 ， 造成硅片表面的一致性较差 。同时 ， 抛光液体积流量较小也不利于抛光过程废弃物的去除 ， 最终造成硅片 Haze值较高 。 随着抛光液体积流量增大至 400 mL /min 时 ， 抛光液在抛光垫上的分布趋于均匀 ， 且化学去除与机械去除的匹配性较好 ， 化学反应产生的软质层能够及时去除 ，因此硅片表面 Haze值较好 。 当抛光液体积流量增至 800 mL /min 时 ， 硅片表面的 Haze 值基本保持稳定在 0. 04 10－ 6 ～ 0. 05 10－ 6。 随着抛光液体积流量的继续增大 ， 化学作用逐渐增强 ， 产生过度腐蚀现象 ， 造成硅片表面的粗糙度增大 ， Haze 值也逐渐增大 。3 结论本文研究了精抛光工艺参数对硅片表面 Haze值的影响规律 。 精抛光的主要目的是去除前道工序留下的损伤层 ， 因此抛光去除量的大小直接影响硅片表面的 Haze 值 。 同时由于抛光过程中存在机械去除和化学去除两种机制 ， 而这两种机制的匹配程度也对硅片表面的 Haze 值有着重要影响 。 当机械去除作用占主导地位时 ， 硅片表面 Haze 值较小 ，但机械去除作用过大时 ， 会造成硅片表面的局部损伤 ， 如划伤等 ； 当化学去除作用占主导地位时 ， 硅片表 面 会 发 生 过 度 腐 蚀 的 现 象 ， 造 成 硅 片 表 面Haze值较大 。参考文献 ［ 1］ 党宇星 ， 徐继平 ， 刘斌 ， 等 ． 300 mm 硅片精密化学机械抛光村几何参数优化 ［ J］ ． 电子工业专用设备 ，2012， 41 （ 10） 27－ 33．DANG Y X， XU J P， LIU B， et al ． On the improve-ment of prime silicon wafer geometry with 300 mm final-touch polishing machine ［ J］ ． Equipment for ElectronicProductsManufacturing， 2012， 41 （ 10） 27 － 33 （ inChinese） ．［ 2］ 储佳 ， 马向阳 ， 杨德仁 ， 等 ． 硅片表面微粗糙度的研究进展 ［ J］ ． 半导体技术 ， 2000， 25 （ 5） 22－ 24．CHU J， MA X Y， YANG D Ｒ ， et al ． Developmentonthe micro-roughnessof polished silicon wafer ［ J］ ． Semi-conductor Technology， 2000， 25 （ 5） 22 － 24 （ inChinese） ．［ 3］ MASAＲU N． The impact of microroughnesson the gene-ration of watermarks on etched silicon surfaces ［ J］ ．JapaneseJournal of Applied Physics， 2007， 46 （ 1） 76－ 83．［ 4］ 卢立延 ， 曹孜 ， 孙燕 ， 等 ． 大直径硅片表面平整度检测中的纳米形貌新概念 ［ J］ ． 世界有色金属 ， 2002，（ 12） 31－ 33．LU L Y， CAO Z， SUN Y， et al ． A new concept ofnanotopographyin detection of surficial flatness of large-diameter silicon slices ［ J］ ． World Nonferrous Metals，2002，（ 12） 31－ 33 （ in Chinese） ．［ 5］ 孙燕 ， 李莉 ， 孙媛 ， 等 ． 测试方法对硅片表面微粗糙度测试结果影响的研究 ［ J］ ． 稀有金属 ， 2009， 33（ 6） 884－ 888 ．SUN Y， LI L， SUN Y， et al ． Effect of different testmethodon measurementresult of surfaceroughnessof pla-nar surfaces on silicon wafer ［ J］ ． Chinese Journal ofＲ areMetals， 2009， 33 （ 6） 884－ 888 （ in Chinese） ．［ 6］ 张伟才 ， 宋晶 ， 杨洪星 ， 等 ． 晶片表面 Haze 值研究［ J］ ． 半导体技术 ， 2011， 36 （ 9） 681－ 683 ．ZHANG W C， SONG J， YANG H X， et al ． Ｒ esearchon Haze value of wafer surface ［ J］ ． SemiconductorTechnology， 2011， 36 （ 9） 681－ 683 （ in Chinese） ．［ 7］ WANG H B， SONG Z T， LIU W L， et al ． Effect of hy-drogen peroxide concentration on surface microroughnessof silicon wafer after final polishing ［ J］ ． MicroelectronicEngineering， 2011，（ 88） 1010－ 1015．［ 8］ FANG C， ZHAO Z， LU L， et al ． Influence of fixed ab-rasive configuration on the polishing processof silicon wa-fers ［ J］ ． International Journal of Advanced Manufactu-ring Technology， 2016， 88 （ 1） 1－ 10．［ 9］ 杨玉梅 ， 云娜 ． 化学机械抛光对硅片表面质量影响的研究 ［ J］ ． 电 子 工 业 专 用 设 备 ， 2015， 44 （ 11） 21－ 24．王永涛 等 抛光工艺对硅片表面 Haze值的影响櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶922 半导体技术第 42 卷第 12 期 2017 年 12 月YANG Y M， YUN N． The influence of chemical me-chanical polishing on wafer surface Haze ［ J］ ． Equip-ment for Electronic Products Manufacturing， 2015， 44（ 11） 21－ 24 （ in Chinese） ．［ 10］ LIU Y L， ZHANG K L， WANG F， et al ． Investigationon the final polishing slurry and technique of silicon sub-strate in ULSI ［ J］ ． Microelectronic Engineering，2003，（ 66） 438－ 444．［ 11］ 索思 卓 ， 库 黎 明 ， 黄 军 辉 ， 等 ． 抛 光 垫 使 用 期 对300 mm Si 片 Haze 值影响研究 ［ J］ ． 半导体技术 ，2008， 33 （ 12） 1084－ 1087．SUO S Z， KU L M， HUANG J H， et al ． Study on theinfluence of pad lifetime on 300 mm Si wafer surfaceHaze ［ J］ ． Semiconductor Technology， 2008， 33（ 12） 1084－ 1087 （ in Chinese） ．［ 12］ 张春翔 ， 陈亚楠 ， 田原 ， 等 ． 抛光垫使用寿命对硅单晶片抛光质量影响的研究 ［ J］ ． 天津科技 ， 2015，42 （ 12） 18－ 19．ZHANG C X， CHEN Y N， TIAN Y， et al ． Influenceof service life of polishing pad on the quality of polishedsilicon wafers ［ J］ ． Tianjin Science ＆ Technology，2015， 42 （ 12） 18－ 19 （ in Chinese） ．［ 13］ 狄卫国 ， 刘玉岭 ， 司田华 ． ULSI 硅衬底的化学机械抛光技术 ［ J］ ． 半导体技术 ， 2002， 27 （ 7） 18－22．DI W G， LIU Y L， SI T H． Chemomechanicalpolis-hing technique of silicon substrate in ULSI ［ J］ ． Semi-conductor Technology， 2002， 27 （ 7） 18 － 22 （ inChinese） ．［ 14］ HWANG H S， PAＲK J H， CHOI E S， et al ． Effect ofNH 4 OH concentration on surface qualities of a siliconwafer after final- touch polishing ［ J］ ． Journal of theElectrochemical Society， 2011， 158 （ 6） 641－ 644．［ 15］ HWANG H S， PAＲK J H， YI S H， et al ． Effect oforganic additive on surface roughness of polycrystallinesilicon film after chemical mechanical polishing ［ J］ ．JapaneseJournal of Applied Physics， 2010， 49 （ 1） 010216-1－ 010216-3．（ 收稿日期 2017－ 07－ 08）作者简介 王永涛 （ 1986 ） ， 男 ， 河 北 石 家 庄 人 ，工程师 ， 研究方向为半导体硅材料 。櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶（ 上接第 901 页 ）［ 11］ WUEＲ FL J， BAHAT- TＲ EIDELE， BＲ UNNEＲ F， etal. Ｒ eliability issues of GaN based high voltage powerdevices ［ J］ ． Microelectronics Ｒ eliability， 2011， 51（ 9/10 /11） 1710－ 1716.［ 12］ SHI Y B， YIN W Y， MAO J F， et al ． Transient elec-trothermal analysis of multilevel interconnects in thepresenceof ESD pulse using the nonlinear time-domainfinite- elementmethos［ J］ ． IEEE Transactionson Elec-tromagneticCompatibility， 2009， 51 （ 3） 774－ 783.［ 13］ 郭春生 ， 李世伟 ， 任云翔 ． 加载功率与壳温对 Al-GaN/GaN 高速电子迁移率晶体管器件的影响 ［ J］ ．物理学报 ， 2016， 65 （ 7） 265－ 270.GUO C S， LI S W， Ｒ ENY X. Influence of power dissi-pation and case temperatureon thermal resistance of Al-GaN/GaN high-speed electron mobility transistor ［ J］ ．Acta Phys Sin， 2016， 65 （ 7） 265 － 270 （ in Chi-nese） ．［ 14］ DAＲ WISHA， BAYBA A J， HUNG H A． Closed formexpression for thermal resistance of a FET structure［ C］ ∥ Proceedings of IEEE Ｒ adarConference ．Pasa-dena， CA， USA， 2009 1－ 4.［ 15］ LIANG Z， SHOU Z， YIN W Y， et al ． Investigating athermal breakdown model and experiments on a silicon-based low-noise amplifier under high-power microwavepulses ［ J］ ． IEEE Transactions on ElectromagneticCompatibility， 2016， 58 （ 2） 487－ 493.（ 收稿日期 2017－ 07－ 05）作者简介 郭春生 （ 1980 ） ， 男 ， 山东淄博人 ， 博士 ， 研究生导师 ， 现主要从事半导体器件及集成电路的可靠性研究工作 ；孟菊 （ 1990 ） ， 女 ， 河南南阳人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向是 HEMT 器件的热可靠性 。