無(wú)化學(xué)添加劑的單晶硅晶片的無(wú)損拋光

半導(dǎo)體行業(yè)需要具有超成品表面和無(wú)損傷地下的硅晶片。因此，了解單晶硅在表面處理過(guò)程中的變形機(jī)制一直是研究重點(diǎn)。分子動(dòng)力學(xué)分析表明，在兩體接觸滑動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了無(wú)晶形層的形成，但在三體拋光中可以避免。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究表明，硅的相變是復(fù)雜的，并且與許多因素，如應(yīng)力狀態(tài)的靜力和偏差特性以及表面過(guò)程中的加載/卸載速率有關(guān)。

我們探討了無(wú)化學(xué)添加劑無(wú)損傷拋光的可能性并確定了機(jī)理。利用高分辨率電子顯微鏡和接觸力學(xué)，該研究得出結(jié)論，無(wú)化學(xué)物質(zhì)的無(wú)損傷拋光過(guò)程是可行的。所有形式的損傷，如非晶態(tài)硅、位錯(cuò)和平面位移，都可以通過(guò)避免在拋光過(guò)程中硅的b錫相的啟動(dòng)來(lái)消除。當(dāng)使用50nm磨料時(shí)，確保達(dá)到無(wú)損傷拋光的標(biāo)稱(chēng)準(zhǔn)備量為20kPa。

通過(guò)對(duì)納米/微壓痕和抓痕的廣泛研究，人們已經(jīng)了解到，磨料顆粒對(duì)硅施加的力的大小對(duì)地下表面的微觀結(jié)構(gòu)變化至關(guān)重要。較小的力會(huì)引起非晶形相變和一些堆積斷層，但較大的力會(huì)進(jìn)一步引入位錯(cuò)、R8/BC8相和開(kāi)裂。理論上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在磨料加載過(guò)程中，硅的b-tin相在的微觀結(jié)構(gòu)形成中起著關(guān)鍵作用。在兩體接觸情況中，即當(dāng)磨料在與硅晶片的相互作用中沒(méi)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果磨料載荷引起的應(yīng)力可以小于b錫形成的閾值，則磨料顆粒離開(kāi)后不會(huì)發(fā)生硅的地下?lián)p傷。在三體接觸的情況下，即當(dāng)磨料具有旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)時(shí)，材料去除的粘附模式將留下一個(gè)完美的硅下表面。這些理論研究表明，如果我們可以在拋光過(guò)程中控制磨料和硅之間的相互作用應(yīng)力，以確保b-錫相沒(méi)有被啟動(dòng)，那么如果不使用CMP過(guò)程中的化學(xué)物質(zhì)，無(wú)損傷拋光是可能的。

這封信通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討了不使用任何化學(xué)物質(zhì)的單晶硅無(wú)損傷拋光的可能性。實(shí)驗(yàn)在商用（100）硅晶片上進(jìn)行，使用羅技PM5自動(dòng)片圈精密捕獲/拋光機(jī)。磨料為氧化鋁，平均粒徑分別為15lm、300nm和50nm。表1總結(jié)了所使用的拋光條件。當(dāng)磨料尺寸較大時(shí)，當(dāng)拋光漿中磨料的重量百分比相同時(shí)，拋光單位面積內(nèi)的磨料的平均數(shù)量較少。因此，當(dāng)使用較大的磨料進(jìn)行拋光時(shí)，磨料硅的相互作用力較大，反之亦然。

實(shí)驗(yàn)在商用（100）硅晶片上進(jìn)行，使用自動(dòng)片圈精密捕獲/拋光機(jī)。磨料為氧化鋁，平均粒徑分別為15lm、300nm和50nm。表1總結(jié)了所使用的拋光條件。當(dāng)磨料尺寸較大時(shí)，當(dāng)拋光漿中磨料的重量百分比相同時(shí)，拋光單位面積內(nèi)的磨料的平均數(shù)量較少。因此，當(dāng)使用較大的磨料進(jìn)行拋光時(shí)，磨料硅的相互作用力較大，反之亦然。

?表一 拋光條件總結(jié)

我們使用高分辨率透射電子顯微鏡，研究了拋光后樣品地下的微觀結(jié)構(gòu)。所有的透射電子顯微鏡研究都是在橫截面視圖樣品上進(jìn)行的。<110>橫截面透射電鏡樣品采用三腳架改進(jìn)技術(shù)制備。在樣品制備過(guò)程中，溫度保持在100℃以下，以避免任何結(jié)構(gòu)的改變。此外，使用改進(jìn)的通用摩擦計(jì)，在20kPa壓力和1mm/s滑動(dòng)速度下對(duì)50nm磨料進(jìn)行不同拋光時(shí)間后，測(cè)量了磨料與硅之間的摩擦系數(shù)。

圖1顯示了磨料尺寸對(duì)拋光后硅地下微觀結(jié)構(gòu)變化的影響。很明顯，非晶態(tài)轉(zhuǎn)化的深度隨著磨料尺寸的增加而增加，即隨著單個(gè)磨料上的力的大小的增大而增大。

圖1 在標(biāo)稱(chēng)壓力37kPa下，使用(a) 15 μm、(b)300nm和(c)50nm磨料進(jìn)行拋光硅的橫截面HRTEM圖像

這與理論預(yù)測(cè)是一致的。此外，在使用15μm和300nm磨料拋光后，也可以觀察到其他類(lèi)型的應(yīng)力致對(duì)硅晶體的損傷。

當(dāng)負(fù)載減少時(shí)，界面上方的結(jié)構(gòu)變得完全無(wú)定形。如圖1c所示，用50nm磨料拋光產(chǎn)生光滑、均勻的非晶層。這得出結(jié)論，與大磨料拋光不同，納米磨料拋光不會(huì)產(chǎn)生R8/BC8相和脫位，這證實(shí)了單個(gè)磨料上的力的減小幅度降低了地下?lián)p傷的程度。

當(dāng)磨料-硅相互作用力的大小減小時(shí)，通過(guò)使用50nm磨料降低標(biāo)稱(chēng)磨壓力到25kPa，如圖2a，非晶層幾乎消失，只有少數(shù)孤立的非晶袋。通過(guò)進(jìn)一步降低壓力到20kPa，我們實(shí)現(xiàn)了不需要任何化學(xué)添加劑所需要的無(wú)損傷拋光，如圖2b。

圖2 由于不同壓力而引起的橫截面HRTEM圖像：(a) 25 kPa和(b)20kPa。

上述無(wú)損傷拋光的機(jī)理可以用硅中應(yīng)力相關(guān)的相變活動(dòng)來(lái)解釋。如果磨硅接觸區(qū)附近的八面體剪切應(yīng)力搖桿在4.6GPa以上，但相應(yīng)的流體靜力應(yīng)力保持在8GPa以下，則在不形成硅b-tin相的情況下進(jìn)行材料去除。因此，當(dāng)磨料滑動(dòng)時(shí)，硅基底將完全恢復(fù)到原來(lái)的晶體結(jié)構(gòu)，沒(méi)有任何殘留損傷。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，讓我們將拋光過(guò)程中的磨晶硅相互作用看作是帶摩擦的接觸滑動(dòng)。根據(jù)接觸力學(xué)，臨界條件（搖桿>4.6GPa，流紋<8GPa）發(fā)生的位置取決于磨料與表面之間的摩擦系數(shù)μ。當(dāng)μ接近0.5左右時(shí)，磨硅接觸區(qū)附近達(dá)到臨界應(yīng)力條件。圖3顯示了我們?cè)趻伖膺^(guò)程中測(cè)量的摩擦系數(shù)(磨料尺寸50nm，拋光壓力20kPa)，這確實(shí)表明μ在臨界值附近，驗(yàn)證了上述材料去除機(jī)制發(fā)生在機(jī)械無(wú)損傷拋光過(guò)程中，得到了圖2b的結(jié)果。

圖3 50nm磨料顆粒下磨料與硅的摩擦系數(shù)

在這種關(guān)鍵的磨光條件下單個(gè)磨料的加載/接觸條件，將有助于設(shè)計(jì)使用不同磨料尺寸和拋光壓力的無(wú)損拋光。

綜上所述，本文探討了采用無(wú)化學(xué)添加劑的機(jī)械工藝對(duì)單晶硅進(jìn)行無(wú)損傷拋光的可能性和機(jī)理。我們得出的結(jié)論是，根據(jù)磨料尺寸和所施加的公稱(chēng)壓力，文中指出的所有類(lèi)型的損傷都可以通過(guò)避免b-tin的啟動(dòng)來(lái)消除。
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　　審核編輯人：鄢夢(mèng)凡