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硅溶膠在芯片拋光中的應用
發(fā)布時間：
2020-07-20 17:25
20世紀60年代中期，半導體基片拋光大部分沿用機械拋光，所得的鏡面表面損傷極其嚴重，在70年代以硅溶膠為代表的化學機械拋光(CMP)工藝技術逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械拋光。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、潤濕調節(jié)劑、pH調節(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清洗等半導體器件、平面顯示器、多晶化模組、微電機系統(tǒng)、光導攝像管等的加工過程。
硅溶膠能夠作為CPM拋光液的關鍵原料是因為硅溶膠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，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，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，即化學機械拋光，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在芯片制造中用的就是化學機械拋光技術。
CMP 是通過納米級粒子的物理研磨作用與拋光液的化學腐蝕作用的有機結合，對芯片器件表面進行平整化處理，并使之高度平整的工藝技術。當前芯片制造中主要是通過 CMP 工藝，對晶圓表面進行精度打磨，并可到達全局平整落差 100A°~1000A°(相當于原子級 10~100nm)超高平整度。
CMP 主要運用在在單晶硅片拋光及多層布線金屬互連結構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，進入10nm制程后CMP次數(shù)將翻倍，達到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)揮了關鍵作用。
用于芯片制造CMP拋光液對硅溶膠有嚴格的要求，除了粒徑大小要嚴格控制以外，還對其純度有嚴苛的要求，要求金屬雜質的含量要控制在小于1ppm水平。這是因為目前芯片制造技術以及達到了5nm精度，如果硅溶膠中含有鈉、鉀、鐵等金屬離子雜質，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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