抛光及清洗工艺对硅片表面形貌的影响

摘要

近年来，集成电路的设计线宽正向纳米尺度发展，对半导体硅材料的表面性能提出了更加苛刻的要求。当器件的特征尺寸逐渐减小后，器件的成品率与硅片表面形貌直接相关，如纳米形貌将会影响浅沟槽隔离(STI)的化学机械抛光，产生不均匀地减薄；随着栅氧化层的不断地减薄，表面微粗糙度会导致栅氧化层厚度不均匀，从而会影响栅氧化层的完整性和最小阈值电压。为了适应大尺寸硅片在0.13μm及以下节点中的应用，必须对硅片制造工艺中表面形貌进行深入地研究。 本论文主要目的是优化硅片的化学机械抛光工艺，考察抛光过程中重要的工艺参数对硅片表面形貌的影响；探索出新的清洗工艺，解决RCA清洗过程中碱性溶液引起的硅片表面粗糙化的问题。通过本文的研究可以改进和优化硅片的抛光和清洗工艺，提高硅片的表面质量。 利用非接触式光学轮廓仪研究了化学机械抛光过程中pH值对抛光去除速率和硅片表面形貌的影响。pH值的大小在一定程度上反应了化学腐蚀作用的强度。抛光速率随pH值逐渐增大，当pH≈9.8时去除速率达到最大值，随着pH值继续增大，去除速率缓慢地下降。表面粗糙度随着抛光液pH值的升高而增大，Peak-valley值与粗糙度有相似的变化趋势。 本文分别使用原子力显微镜和表面轮廓仪研究了抛光过程中不同压力下抛光后硅片表面形貌的变化，并通过Stribeck曲线来对硅片与抛光布之间的接触模式进行了探讨。化学机械抛光过程中机械作用的强度随着压力的变化而不同，从而影响抛光后的硅片表面形貌。当硅片表面与抛光布之间的接触处于固-液混合接触区时，协调每一步抛光工艺中压力的大小，可以显著地降低硅片表面的微粗糙度和Peak-valley值。 研究了H2O2在降低碱性溶液对硅片表面各向异性腐蚀中的作用，期望通过改变H2O2的浓度来降低表面在氨水溶液中的表面微粗糙度。实验结果表明，在NH4OH浓度一定的情况下H2O2浓度小于一临界值时，碱性溶液对硅片表面进行强烈的各向异性腐蚀，表面非常粗糙，而H2O2的浓度大于这一临界值后，微粗糙度下降，但之后H2O2浓度的变化并没有引起表面微粗糙度的变化。 为了降低清洗过程中氨水溶液对硅片表面的各向异性腐蚀而带来的微粗糙增加的问题，本文探索出新的清洗工艺，即在RCA清洗前使硅片在含有氧化剂的溶液中进行预氧化。通过实验表明，在含有氧化剂H2O2的溶液中生成的表面氧化层能有效地消除OH-对硅片表面的各向异性腐蚀，清洗后的表面微粗糙度值均比清洗前小，并且随着SC-1过程中NH4OH浓度在一定范围内增加反而下降。通过这种表面预氧化的方法，可以有效地解决硅片在碱性NH4OH溶液中清洗带来的表面粗糙化的问题。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于论文使用授权的说明

引言

第一章：文献综述

第二章实验方案

第三章CMP工艺对表面形貌的影响

第四章RCA清洗工艺对表面微粗糙度的影响

第五章结论

参考文献

在学研究成果

致谢