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硅溶膠在芯片拋光中的應(yīng)用
發(fā)布時間：
2020-07-20 17:25
20世紀(jì)60年代中期，半導(dǎo)體基片拋光大部分沿用機(jī)械拋光，所得的鏡面表面損傷極其嚴(yán)重，在70年代以硅溶膠為代表的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝技術(shù)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械拋光。自90年代以來，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，作為硅晶片拋光液的原料硅溶膠的需求量激增。所謂拋光劑由硅溶膠、水、分散穩(wěn)定劑、潤濕調(diào)節(jié)劑、pH調(diào)節(jié)劑和表面處理劑組成，硅溶膠是一種性能優(yōu)良的CMP技術(shù)用的拋光材料，能用于硅片的粗拋和精拋，以及IC加工過程，特別適用于大規(guī)模集成電路多層化薄膜的平坦化加工，硅溶膠也可用于晶圓的后道CMP清洗等半導(dǎo)體器件、平面顯示器、多晶化模組、微電機(jī)系統(tǒng)、光導(dǎo)攝像管等的加工過程。
硅溶膠能夠作為CPM拋光液的關(guān)鍵原料是因?yàn)楣枞苣z是納米二氧化硅粒子的分散液，納米粒子的球型度好，硅溶膠粒子的硬度大小合適，可大大減少對拋光過程中對器件造成的劃傷。根據(jù)現(xiàn)在的制造技術(shù)，硅溶膠中納米二氧化硅粒子的直徑可以控制在10-150nm范圍內(nèi)，不同粒徑的硅溶膠會產(chǎn)生不同大小的去除速率，給芯片制造的平坦化加工工藝提供了很多選擇。從而使硅溶膠成為目前芯片制造CMP拋光液的首選原材料。
硅溶膠中的納米二氧化硅粒子
CPM拋光過程示意圖
CMP 全稱為 Chemical Mechanical Polishing，即化學(xué)機(jī)械拋光，芯片制造過程好比建房子，每搭建一層樓層都需要讓樓層足夠水平齊整，才能在其上方繼續(xù)搭建另一層樓，否則樓面就會高低不平，影響整體可靠性，而這個使樓層整體平整的技術(shù)在芯片制造中用的就是化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)。
CMP 是通過納米級粒子的物理研磨作用與拋光液的化學(xué)腐蝕作用的有機(jī)結(jié)合，對芯片器件表面進(jìn)行平整化處理，并使之高度平整的工藝技術(shù)。當(dāng)前芯片制造中主要是通過 CMP 工藝，對晶圓表面進(jìn)行精度打磨，并可到達(dá)全局平整落差 100A°~1000A°(相當(dāng)于原子級 10~100nm)超高平整度。
CMP 主要運(yùn)用在在單晶硅片拋光及多層布線金屬互連結(jié)構(gòu)工藝中的層間平坦化。集成電路制造需要在單晶硅片上執(zhí)行一系列的物理和化學(xué)操作，同時隨著器件特征尺寸的縮小，需要更多的生產(chǎn)工序，其中 90nm 以下的制程生產(chǎn)工藝均在 400 個工序以上。就拋光工藝而言，不同制程的產(chǎn)品需要不同的拋光流程，28nm制程需要12~13次CMP，進(jìn)入10nm制程后CMP次數(shù)將翻倍，達(dá)到25~30次。
因此硅溶膠作為粒徑大小可控的納米二氧化硅分散液在CMP拋光液中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
用于芯片制造CMP拋光液對硅溶膠有嚴(yán)格的要求，除了粒徑大小要嚴(yán)格控制以外，還對其純度有嚴(yán)苛的要求，要求金屬雜質(zhì)的含量要控制在小于1ppm水平。這是因?yàn)槟壳靶酒圃旒夹g(shù)以及達(dá)到了5nm精度，如果硅溶膠中含有鈉、鉀、鐵等金屬離子雜質(zhì)，會污染芯片中的微電路，造成其在使用過程中發(fā)生擊穿而損壞。因此，芯片拋光液所用的硅溶膠純度要求其金屬離子含量控制在ppb級別。
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