用于大规模集成电路化学机械抛光的新材料制备及应用

杨华明 宋晓岚 邱冠周

（中南大学无机材料系，湖南长沙 410083）

本项目是科技部国际合作重点项目。

一、内容简介

（一）目的与意义

世界半导体产业进入大尺寸晶圆时代后，要求IC元件有最优的表面平整度，以满足微米及亚微米集成电路的制造工艺。化学机械抛光（CMP）是目前全局平坦化中最好的技术，也是解决多层绝缘介质层和多层金属布线全程平坦化的唯一有效的办法，加工工艺简单、成本低。

CMPA光液和微米级磨料全球仅有少数供货商，国内半导体厂之需求皆仰赖进口，相对于国外进口的CMPA光液产品，国产的CMPA光液产品除新鲜外，还有价格适宜、送货迅速、配套服务与专业的技术支持及时等优点。

（二）关键技术

1.锆英砂-Al2O3体系的高温熔盐相平衡规律及颗粒分级技术的研究

锆英砂-Al2O3体系的高温熔盐相平衡的测定，利用XRD技术研究平衡物种的组成，确定形成高性能的ZrSiO4-α-Al2O3磨料的条件；研究超细粉碎与控制分级技术，确定得到粒度分布均匀、分散性良好且具有一定规律棱角的研磨料的工艺条件；开发出一种天然资源的高价值利用的途径，利用天然的锆英砂生产高附加值的电子器件研磨料。

2.复合纳米颗粒的制备与稳定分散技术

研究内容包括：通过纳米SiO2-Al2O3、SiO2-CeO2、Al2O3-CeO2的控制生长基础研究，确定球状纳米复合颗粒的形成条件，以及Na＋的脱除工艺条件；研究纳米复合粉体的表面化学性质和溶液化学性质；研究复合颗粒体系的悬浮液在不同离子强度、pH值及溶液性质条件下的颗粒表面电荷变化规律；研究浆料体系的动力性质、电学性质以及浆料聚沉作用机理和聚沉动力学，确定抛光液的稳定化工艺条件。在SiO2系、SiO2-Al2O3系、SiO2-CeO2系纳米粗抛和精抛液理论的基础上，开发具有国际先进水平的多种用途的CMP抛光浆料产品。

3.分子模拟技术研究抛光液的配方

以计算化学为基础，利用cerius2.0和gaussian 98等软件在SGI工作站上进行模拟抛光液中各组分和硅晶圆表面的相互作用，指导抛光液配方的设计。

二、推广应用

在国内外首次由天然锆英砂制备微米级研磨料及纳米颗粒的均一稳定化技术，其技术关键为均一的ZrSiO4-α-Al2O3相形成及合适的破碎分级技术和纳米颗粒的制备及均一稳定化技术和工艺。在高温熔盐相图方面，成功地采用神经网络技术预测多元熔盐体系的相图，并在KBr-MnSO4-CsCl体系中得到应用；在细粒分级技术研究方面，能在实验室得到平均粒径为7.21μm且粒径分布集中的ZrSiO4-α-Al2O3颗粒，说明以锆英砂为原料完全可以制备高档次的研磨料，但是该产品的核心技术还在于相图的控制以得到组分均匀的产品。其思路是先通过实验得到二元相图，然后通过神经网络技术模拟锆英砂中的主要杂质Fe2O3、MgO、CaO、TiO2的影响及熔化类型进行预测，确定平衡固相物种及组成，从而达到分离杂质得到均一的ZrSiO4-α-Al2O3产品的目的。

三、鉴定、获奖、专利情况

本项目已申请国家发明专利4项，相关产品已在国内一些单位进行了试用，效果较为理想，在半导体领域具有重大的推广价值。

抛光和研磨的步骤在传统半导体的封装中或是晶圆制造完后的加工工艺,工艺流程就叫研磨(grinding)和抛光(polish).所有的晶圆基本上都会经过研磨,但不一定都要抛光,只有要达到的厚度比较薄,或是对背面强度要求比较高的才会做抛光.

1965年美国孟山都公司在世界上首先提出了二氧化硅溶胶和凝胶应用于硅晶圆片的抛光加工的专利。从此，半导体用抛光液（slurry）成为了半导体制造中的重要的、必不缺少的辅助材料。半导体硅片抛光工艺是衔接材料与器件制备的边沿工艺，它极大地影响着材料和器件的成品率，并肩负消除前加工表面损伤沾污以及控制诱生二次缺陷和杂质的双重任务。在特定的抛光设备条件下，硅片抛光效果取决于抛光剂及其抛光工艺技术。随着集成电路的集成度的不断提高，相应的要求亦有所提高，不但直径要增大，技术要求也相应地提高，并不断有新的要求出现。

采用SiO2抛光液进行硅片抛光加工，目前多采用化学机械抛光（CMP）技术。抛光工艺中有粗抛光和精抛光之分，故有粗抛光液和精抛光液品种之分。预计在2005年-2010年期间，在我国半导体抛光片业内整体需求抛光液量，每年会以平均增长率为25%比率的增长。2004年间使用SiO2抛光液总共约是157吨。其中粗抛液有约126吨, 精抛液有约31.5吨。

目前在我国半导体硅抛光片加工中，所使用的抛光液绝大多数都靠进口。国外半导体硅抛光液的市场占有率较高生产厂家，主要有美国Rodel &Onden Nalco、美国的DUPONT公司、日本FUJIMI公司等。尽管我国目前在抛光液行业现已发展到有几十家的企业，但是真正涉足到半导体硅片抛光液制造、研发方面的企业很少。无论是产品质量上、还是在市场占有率方面，国内企业都表现出与国外厂家具有相当的差距。

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