ZnO光电功能薄膜材料的CMP研究.pdf

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1、A b s t r a c t I I - V Is e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lz i n co x i d eh a sb e e nw i d e l y a p p l i e d i nt h ef i e l do f o p t o e l e c t r o n i c sf o rU V b l u el i g h te m i t t i n gd e v i c e sa n dl a s e r s ，p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r sa n d s e n s

2、o r sd u et oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e H o w e v e r ，t h ea s g r o w nz i n co x i d et h i nf i l mi s s u r f a c er o u g h n e s sa n dt os o m ee x t e n ta f f e c t st h o s ed e v i c e s p e r f o r m a n c ea n di t sf u r t h e r a p p l i c a t i o n H o w t oo b t a

3、i nah i g h l yf l a ts u r f a c eb yI Cc o m p a t i b l ep r o c e s sb e c o m e so n eo ft h e o b s t a c l e s f o rt h eZ n O - b a s e dd e v i c e s A sw ea l lk n o w , C h e m i c a lM e c h a n i c a lP l a n a r i z a t i o n ( C M P ) i st h en e c e s s a r ya n ds o l eg l o b a lp

4、l a n a r i z a t i o nm e t h o df o rs u b m i c r o nd e v i c e R e c e n t l y , t h ew o r ko fZ n O - C M Pb e g a nt oo b t a i na t t e n t i o n T h eK o r e a nr e s e a r c hg r o u pG u p t af i r s t l y b e g a nt os t u d yZ n O - C M Pa n do b t a i n e dl o ws u r f a c er o u g h

5、n e s s ( 6A ) ，b u tt h eR e m o v a lR a t e ( 1 浪) i so n l y6 7 n m m i n ，w h i c hi su n a b l et om e e tt h en e e d so fe f f i c i e n c yi nt h ep r o d u c t i o no f s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s H o wt oi m p r o v et h eR Ra n da tt h es a m et i m et Oo b t a i nt h eh i g h

6、 p l a n a r i z a t i o ns u r f a c eb e c o m e s0 n e o ft h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m s I nt h er e s e a r c h , t h ec o l l o i d a ls i l i c aw a su s e da sa b r a s i v e s ，t h e4 i n c hs i l i c o nz i n co x i d e t h i nf i l mw a sp o l i s h e db y6 E C - n s p i r em a

7、 c h i n ew h e r et h es l u r r ya n dp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r e o p t i m i z e d T h et h i c k n e s so fZ n O t h i nf i l m sb e f o r ea n da f t e rp o l i s h i n gW a Sm e a s u r e db yT h e D e k t a k15 0s y s t e m ( D e k t a k15 0o fV e e c oI n s t r u m e n t s ，I n c

8、 ) a n ds u r f a c et o p o g r a p h yW a S c h a r a c t e r i z e db yA t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( 5 6 0 0 L So fA g i l e n tT e c h n o l o g i e s ，I n c ) r e s p e c t i v e l y T h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa r ea sf o l l o w s ： F i r s t l y , t h ep o l i s h i

9、 n gs l u r r yc o m p o s i t i o nW a so p t i m i z e d ( 1 ) T h eR Rw a ss i g n i f i c a n t l yl a r g e ru s i n ga c i ds l u r r yt h a na l k a l i n e T h es u r f a c e r o u g h n e s sf i r s ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e s 谢mt h ep Hi n c r e a s e ( 4 一10 ) T h e s

10、c r a t c hi so b s e r v e do nz i n co x i d et h i nf i l m ss u r f a c ea tp Ho f7 ，t h es u r f a c er o u g h n e s s a c h i e v em a x i m u m6 3A ( 2 ) R Ri n c r e a S e sw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fp a n i c l eo fs l u r r yi n c r e a s i n g ；t h em a x i m u m R R11 5 5 n

11、 m m i nw a sa c h i e v e da tt h ec o n c e n t r a t i o no fs l u r r yp a r t i c l eo f1 2 w t ，a n d t h em i n i m u ms u r f a c er o u g h n e s s5 5Ai so b t a i n e da t4 w t T h ee f f e c to fp a r t i c l es i z e f o rR Ra l s oh a st h es a m er e g u l a r S e c o n d l y , t h ep

12、o l i s h i n gp r o c e s sp a r a m e t e rw a so p t i m i z e d ( 1 ) A st h ed o w np r e s s u r ei n c r e a s e s ，t h eR Ri n c r e a s e s a n dt h es u r f a c er o u g h n e s s d e c r e a s e s ，t h eR R16 5 1n m m i na n dt h es u r f a c er o u g h n e s s1 9A i sa c h i e v e da t p

13、 r e s s u r eo f5 p s i ( 2 ) T h eR Ri n c r e a s e sw i t ht h er o t a t i o nr a t ei n c r e a s e d T h eR Ri S12 6 9 n m m i nw h e nt h e r o t a t i o nr a t ei s8 0 r p m T h es u r f a c er o u g h n e s si s4 5A ( 3 ) A st h es l u r r yf l o wr a t ei n c r e a s e s ，t h eR Ri n c r

14、e a s e s ，t h eR Ro f12 8 0 n m m i na n dt h e s u r f a c er o u g h n e s s7 4Ai so b t a i n e da tt h es l u r r yf l o wr a t e4 0 0 m l m i n 。 F i n a l l y , t h ep o l i s h i n gm e c h a n i s mW a Sa n a l y z e db o t hf r o mm e c h a n i c a la n dc h e m i c a l v i e w p o i n t ，

15、t h ef o r mo fP r e s t o ne q u a t i o nW a Si m p r o v e d 舔f o l l o w ：R R = K P V + R o ，R oi sa c o n s t a n tr e m o v a lr a t ed u et op u r e l yc h e m i c a lr e a c t i o n ，R ow a sc a l c u l a t e db ye x p e r i m e n ti s 4 6 9 n m m i n T os u mu p ，i nt h i sp a p e r , t h e

16、C M P s l u r r yo fz i n co x i d et h i nf i l m sa n dp o l i s h i n gp r o c e s s w e r eo p t i m i z e d 孔ep o l i s h i n gm e c h a n i s mw a se x p l o r e da n dh i g hR Ra n dh i g h - f l a ts u r f a c e W a So b t a i n e d I ti sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ef o l l o w

17、 - u pp r e p a r a t i o no fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s b a s e do nZ n Ot h i nf i l m s K e yw o r d s ：z i n co x i d et h i nf i l m s ，C M P , s u r f a c er o u g h n e s s ，r e m o v a lr a t e ，p o l i s h i n g m e c h a n i s m 第一章绪论 目录 l 1 1 化学机械平坦化技术的发展1 1 1 1 化学机械平坦化1 1 1

18、 2C M P 在I C 领域的应用、发展及面临的挑战2 1 2 光电功能材料氧化锌化学机械平坦化国内外研究状况7 1 3 本论文研究的目的和意义9 I A 本论文的研究的思路与内容1 0 1 4 1 本论文的研究思路1 0 1 A 2 本论文研究的主要内容1 0 第二章样品的制备与实验测试表征 1 2 2 1 样品的制备氧化锌薄膜的生长1 2 2 1 1 氧化锌薄膜的生长1 2 2 1 2 氧化锌薄膜表面形貌的表征1 3 2 1 3 氧化锌薄膜厚度的表征l5 2 2 抛光液的配制1 6 2 2 1 抛光液磨料的选择及其性质1 6 2 2 2 抛光液配制方法1 7 2 3 氧化锌薄膜的C M

19、P 实验1 7 第三章氧化锌薄膜抛光液的研究 2 0 3 1 抛光液P H 值对氧化锌薄膜抛光的影响2 0 3 1 1 抛光液p H 值实验条件2 0 3 1 2 抛光液p H 值对抛光速率及表面粗糙度的影响2 l 3 2 磨料粒径大小对抛光的影响2 4 3 2 1 不同磨料粒径实验条件2 5 3 2 2 不同磨料粒径对抛光的影响2 5 3 3 不同磨料浓度对抛光的影响2 7 3 3 1 不同磨料浓度对抛光的影响2 8 3 3 2 实验结果分析2 8 3 4d 、结3 0 第四章抛光工艺参数的研究 3 2 4 1 下压力对氧化锌薄膜抛光的影响3 2 4 1 1 下压力抛光实验条件3 2 4 1

20、 2 下压力工艺参数对抛光的影响3 3 4 2 抛光盘转速对氧化锌薄膜抛光的影响3 5 4 2 1 抛光盘转速实验条件3 5 4 2 2 抛光盘转速影响分析3 6 4 3 氧化锌薄膜化学机械平坦化机理研究3 8 4 4 不同的抛光液流量对氧化锌薄膜抛光的影响4 0 4 4 1 抛光液流量的实验条件4 0 4 4 2 抛光液流量对抛光影响分析4 0 4 5 小结4 2 第五章总结与展望 参考文献 发表论文和科研情况说明 致谢 5 l 5 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 化学机械平坦化技术的发展 化学机械平坦化( C h e m i c a lM e c h a n i c a lP l a

21、n a r i z a t i o n 简称C M P ) 工艺是I B M 公司 K l a u sD B e y e 一1 】在1 9 8 0 年提出来用于制造高平整度材料表面以防止后续光刻技术出现 严重偏差变形的新技术。在I C 领域，化学机械平坦化技术首先应用于用介质填充沟槽 的结构中，比如先用二氧化硅填充沟槽，然后利用C M P 将沟槽外多余的二氧化硅去除。 从那时起，C M P 工艺就一直被用来平坦化介质、金属、聚合物、化合物等半导体材料。 目前，C M P 已经发展成为一种对微处理器和各种集成电路器件性能有着至关重要影响【2 J 的半导体工艺。从应用角度来看C M P 工艺主要目

22、的就是实现各种材料表面的平坦化， 但是随着器件尺寸不断缩小至深亚微米级，除要求材料表面具有高平坦度之外，还对表 面缺陷的控制有了更高的要求。 1 1 1 化学机械平坦化 化学机械平坦化顾名思义就是通过将化学腐蚀作用和机械研磨作用相结合方式来 达到去除材料、实现材料表面光滑、高平整度的目的。C M P 不同于磨削、研磨等纯机 械抛光工艺和刻蚀、电化学刻蚀、电化学抛光等纯化学腐蚀工艺，在很大程度上克服了 单一化学腐蚀或者机械研磨的方式引起的腐蚀或划痕等缺陷。 现代C M P 工艺是一种高度发展和复杂精密的包含好几个学科的工艺技术，比如抛 光液的发展与革新涉及胶体化学、表面活性剂、聚合电解质等学科；

23、抛光垫的进步主要 得益于聚合物化学、聚合物工程学、材料科学等这些学科在抛光垫领域的成功应用。C M P 工具采用了最先进的电子机械控制系统，机器自动化和软件应用使得该工艺能够达到非 常理想的性能和成品率；而终点检测设备、工艺控制系统、测量设备和抛光液供给系统 对一个生产工艺可变的系统来说也变的至关重要。要想清楚理解C M P 工艺，其中一个 基本要求就是要理解诸如表面动力学、电化学界面、接触力学、应力力学、流体力学和 摩擦力学等学科对C M P 建立的一个个先进的工艺模型。在过去三十年中，许多学者和 业界工程师通过不懈努力使得这方面的研究和应用取得了非凡的进步和惊人的成就。有 关C M P 工

24、具、抛光垫【3 卅、C M P 测量学、抛光液供给系统、抛光液分析、过滤、应用 等方面【5 】和C M P 摩擦掣6 】在参考文献【7 1 0 】中都有详细介绍。 第一章绪论 1 1 2C M P 在I C 领域的应用、发展及面临的挑战 在半导体器件制造整个过程中C M P 主要有以下三个方面的应用：晶体管器件部分 通常被称为前端工艺( f r o n te n do f t h el i n e 简称F E O L ) 又称为器件级应用；接触金属层 ( 通常是W ) 被称为中端工艺( m i d d l eo ft h el i n e 简称M O L ) 、互连部分被称为后端工 艺( b

25、a c ke n do f t h el i n e 简称B E O L ) 。图1 1 展示了含有F E O L 、M O L 、B E O L 这三种具 体应用的结构S E M 截面图。 o L F E O L 图1 1S E M 截面图( a ) 为器件和接触金属层( b ) 六层铜互连结构 F E O L 中一个重要应用就是浅沟槽隔哥1 1 1 ( S h a l l o wT r e n c hI s o l a t i o n 简称S T I ) C M P ； 在M O L 中应用主要集中在接触层金属W 的抛光和层间介质( i n t e r c o n n e c td i e

26、 l e c t r i c 简 称I L D ) 的抛光；互连部分C M P 应用主要集中在C u 、T a N T a 和其它金属互连线的抛光。 F E O L 应用：工艺节点进入0 2 5 微米，浅沟槽隔离结构替换了传统硅局部氧化结构 ( L o c a lO x i d a t i o no fS i l i c o n 简称L O C O S ) 为器件提供更好隔离，但是这种结构主要是 依靠控制沟槽剖面和极大提高封装密度来实现的【1 2 1 。尽旨S T I 结构为器件性能稳定提供 了可靠保障，但是引入这种结构使制造工艺变的复杂了。S T I C M P 工艺过程主要受以下 三个方面

27、的影响：( 1 ) 芯片上图形密度；( 2 ) 沟槽刻蚀工艺对构槽壁倾斜度的影响和沟 槽氧化物填充情况；( 3 ) 氧化物类型和氮化物的应用。上述三方面影响导致了氧化物薄 膜厚度的变化，如果氧化物抛光后有残留，将进一步影响后续对氮化物的剥离，而导致 氮化物残留【1 3 J ，所以在S T I C M P 工艺后都会增加一步用稀释了的H F 溶液刻蚀工艺。 整个工艺过程如图1 2 所示，这样做使工艺变的更加复杂化。 第一章绪论 r b u f f e r e dH F k h - n dn “州旧b 竹I p 图1 2S T I C m 工艺示意图 图1 3 含有粗线和细线的多层互连结构S E

28、M 截面图 M O L 应用：金属w 由于其良好的电迁移特性而被广泛用作垂直通孑L 中的接触金 属，同时被用作良好的扩散阻挡层，可以阻挡金属A l 和C u 扩散到器件结构中，保护器 件性能不受扩散的影响。因为抛光后W 表面形貌会对后端工艺过程中互联线产生重要 的影响，所以W - C M P 工艺应该提供非常好的平坦化性能。如果抛光后产生d i s h i n g 和 e r o s i o n 缺陷将会产生严重的断路问题，导致器件不可用。随着器件工艺发展，使用硬度 比二氧化硅软的硼磷硅玻璃( B P S G ) 和硼磷四乙基原硅酸盐( B P T E O S ) 作为介质使上述 w 材料停止

29、在T i N T i 层上；( 2 ) 去除T i N T i 层停止在介质层上；( 3 ) 抛光后清洗。 B E O L 应用：一个芯片上的互连线可以分为局部互连线和全局互连线两种，它们 联系着不同电器元件和传递着能量，是器件和封装之间的桥梁，这就要求互连线要有极 好的电学性能和机械性能，这两方面性能的稳定性是互连技术成功的关键因素。多层结 构平坦化技术增强了互连线结构的整体性，通过C M P 技术可以提高金属和介质材料电 学性能和机械性能的稳定性。互连线电学性能主要是由对门延迟和晶体管性能产生影响 的电阻和电容来决定的【1 4 1 。长度较长的互连线延迟主要受阻抗影响，这可以通过增加横 截

30、面积来使其延迟降到最小，对于短互连线来说，互连线延迟主要受电容的影响，可以 通过增加横截面积来使其减小。为了解决长互连线R C 延迟问题，两种互连线电路被应 用于高性能微处理器设计中：平均长度短的细导线电路被缩短至最小尺寸，这样的互连 线通常应用于最初几个互连线层；对于粗长的互连线对延迟也有重要影响，通常按照占 用C P U 周期时间最小的方式来设计它们互连结构，而这些结构通常应用在上面几个互 联层【l 川7 】。图1 3 为含有粗线和细线多层互连结构的S E M 截面图。 图1 4C u - C M P 工艺过程中出现的深划痕 1 9 9 7 年铜互连线被引进工业界，不久便成为业界的标准，伴

31、随着工艺节点进入 9 0 n m ，掺碳氧化物( c a r b o n d o p e do x i d e 简称C D O ) 和碳硅氢氧化物( S i C O H ) 成为新 的介质材料( K - 2 7 3 ) 。当工艺结点进入3 2 n m 以后，超低K 材料( u l t r a l o w - k ) 多孔介 质碳硅氢氧化物成为主要介质材料( K 2 0 2 4 ) 。这些介质材料应用到互联结构中主要 通过减小传输延迟、降低相邻互连线间的串扰噪音、降低功耗来提高芯片的整体性能 第一章绪论 【m 1 9 1 。但是这些材料每次引入都会对C M P 工艺提出巨大挑战，比如介质材料的机

32、械特 性对于互联结构稳定性至关重要，而l o w k 材料和u l t r a l o w k 材料机械性能远不如氧化 硅以至于它对化学损害非常敏感，图1 4 和1 5 分别为C u 互连线C M P 过程中出现的深 划痕损伤和C u - u l t r a l o w - K 互联结构中出现机械损伤的S E M 截面图，图1 6 为C u C M P 后表面含有残留物的S E M 截面图。这就要求对新介质材料设计新抛光液和抛光工艺I l 引， 同时新工艺的提出会引入一些新缺陷。 图1 5C u - u l t r a l o w - K 互联结构中出现的机械损伤 曩 藐 翻 j t 注镥 鼍

33、：o i二I ? 一 一 一一 图1 6C u - C M P 过程后表面有残留物的示意图 随着I C 工艺不断发展以及工艺结点不断缩小，C M P 工艺出现了许多新的应用及面 一 第一章绪论 临着很多挑战，表1 1 列出了近几年C M P 的新应用以及面临的挑战。 O 表1 1C M P 技术新应用及面临的挑战【2 0 】 一一一 一一一n w n I kn w m l l 一一一n M O S l 槲由雕l 蛳翻呻蚋啊蛳 - t 蝴 图1 7 替代金属栅极的工艺流程及C M Pq - 艺 第一章绪论 工业经典的C M O S 工艺由于制造的器件性能特别稳定而获得很大成功，但是随着 工艺结点

34、不断缩小，经典C M O S 工艺制造的器件稳定性逐渐变差，其中一个主要的原 因就是栅极介质氧化物厚度越来越薄【2 M 2 1 ，导致栅极漏电流不断增大，这严重影响了器 件性能，h i g h K 材料替代二氧化硅作为栅极介质被证明是失败的替代品【2 ”4 】。C h a u 等 人f 2 5 】证实用具有适合功函数的金属可以提供正确的门槛电压，采用这种金属和h i g h K 材料相结合的方法使得在工艺结点进入5 0 n m 以下，大幅度提高晶体管性能成为可能。 由于新材料的引入，传统C M O S 工艺必须进行必要的改进，与此同时各大制造商还必 须为引进新材料和工艺改进引起的各种缺陷做好足

35、够准备。图1 7 为替代金属栅极工艺 流程以及包含的C M P 步骤，表1 2 为替代金属栅极中C M P 工艺引入的缺陷。 表1 2 替代金属栅极中C M P 工艺引入的缺陷【2 0 】 从图1 7 和表1 2 可以看出在新型器件应用中，传统晶体管C M P 方案已经不能满足 器件性能的要求，这些新出现的器件或结构类型都要求多步C M P 来提高器件性能。其 他领域如3 D 集成、新型磁存储器、相变存储器领域也都需要C M P 工艺技术，这些新 应用对C M P 技术提出了诸多挑战，但同时为C M P 技术发展提供了很好的机会。 1 2 光电功能材料氧化锌化学机械平坦化国内外研究状况 随着人

36、们对氧化锌薄膜及晶体性质的不断研究，氧化锌材料在半导体器件领域的应 用越来越广泛。1 9 6 8 年D r a p a k l 2 6 】率先制造了基于氧化锌薄膜用C u 0 2 作为P 型层具有异 质结构的发光二级管，随后相继报道了有关氧化锌薄膜作为P 型层发光二级管2 7 2 引。氧 第一章绪论 锌还可以用作光泵浦激光器( O p t i c a l l yP u m p e dL a s e r s ) 功能材料2 9 3 2 1 和薄膜晶体管 T F T s ) 透明导电氧化物【3 3 】，这些应用主要属于光电领域。氧化锌薄膜在压电器件领域 广泛应用于声表面波器件f 3 8 】中。除这

37、些应用外氧化锌还用在传感裂3 9 1 1 、基于氧化 的太阳能电池中【4 2 枷】等等。随着人们对这些器件原理及结构不断深入研究，器件性能 求在不断提升而器件尺寸却不断减小。随着器件尺寸减小和工艺结点进入亚微米级， 功能材料表面粗糙度及薄膜质量对器件性能的影响越来越严重，因此器件对氧化锌薄膜 性质及表面平整度提出了严格的要求。这一点在光电器件和声表面波器件领域表现得尤 为明显。D J C h a n n i n t 4 7 硼】等人通过理论和实验证明氧化锌薄膜表面粗糙度引起的光散射 问题严重影响了基于氧化锌薄膜的发光器件性能。M K a d o t a 4 螂】等人通过实验证明表面 粗糙的氧化

38、锌薄膜对Z n O I D T g l a s s 这种结构的声表面波器件传播速度有着非常大的影 响，M M i n a k a t a 5 1 1 通过建模证明了这一实验结论。由此可以看出要生产制备性能更加稳 定的器件，必须对氧化锌薄膜功能材料进行表面处理。 氧化锌薄膜优异的光电性质以及潜在的使用价值引起了广大科研工作者的关注，大 批科研工作者投入到有关氧化锌薄膜在不同领域不同器件应用的研究中来。通过近年来 不断研究，很多基于氧化锌薄膜的器件都已经出现，但是为了制造体积更小、性能更高 器件就对其加工工艺、薄膜质量、器件结构等方面提出更大的挑战。其中对功能材料氧 化锌薄膜的质量及表面平整度的高

39、要求使之成为了相关器件发展的瓶颈。目前，国内外 对于光电功能材料氧化锌薄膜化学机械平坦化的研究相对较少，整个研究工作尚处于起 步阶段。 2 0 0 1 年，美国俄克拉荷马州州立大学的D A L u c c a 研究小组【5 2 】研究了化学机械抛光 对室温下发光块体材料氧化锌的光致发光特性的影响。研究发现化学机械抛光导致了 F X 2 L O 峰值减小，而F X 1 L O 峰值却在增大，这主要是由于抛光过程中引入原子乱序 导致的。 随后D W H a m b y 5 3 】和D A L u c c a 合作共同研究了纯机械抛光、化学机械抛光、不同 抛光磨料粒径对光致发光单晶材料氧化锌抛光的影

40、响，研究发现发光光谱和光谱强度都 发生了变化。相对化学机械抛光而言，纯机械抛光导致了发光强度减小了两个数量级， 而且在纯机械抛光中用O 2 5 微米和l 微米磨料粒径对氧化锌单晶进行抛光之后，其发光 强度衰减程度明显不同。这种现象出现主要是由于抛光过程中引入了单晶原子结构混乱 而导致的，而且随着乱序原子数目的增加其衰减越强。 2 0 0 5 年，H C h e n 5 4 J 等人采用粒子束的方法对氧化锌薄膜抛光，研究发现氧化锌薄 膜表面粗糙度由原来的1 6 1 n m 减小到0 9 r i m 。其抛光原理是溅射出来的原子迁移或者 重新沉积到低洼处来达到平滑氧化锌薄膜表面的目的，但是这种平坦

41、化方法会对薄膜表 面及内部晶格造成损坏。利用相同原理，早在1 9 9 2 年就有学者提出利用电子回旋共振 系统( E l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e 简称E C R ) 【5 5 】来抛光氧化锌薄膜表面，但是这种方 法同样会引起氧化锌薄膜晶体结构的损伤和紊乱。 第一章绪论 2 0 0 9 年，W S L e e 5 6 】等人研究了化学机械抛光对磁控离子溅射生长的氧化锌薄膜表 面质量影响，验证化学机械平坦化方法是不是适用于氧化锌薄膜。研究发现在典型的 C M P 工艺参数下进行抛光实验，获得了较高的抛光速率，较低的表面粗糙度和较好

42、的 薄膜质量，并且提高了光电转换效率。研究还发现不管是用二氧化硅抛光液还是去离子 水作为抛光液，氧化锌薄膜去除速率都随着抛光头转速增长而提高，而且还满足泊松方 程，特别是当抛光头转速为l O O r p m 时，抛光速率最高可达2 2 n m m i n 。通过降低抛光头 转速可以获得较高的表面质量，而且用胶体二氧化硅作为抛光液的C M P 工艺完全适用 于光电器件。 2 0 1 1 年，S u s h a n tG u p t a 5 7 】等人研究了氧化锌薄膜化学机械平坦化技术，研究表明经 过C M P 处理之后，氧化锌表面粗糙度由原来的2 6 A 减小到6 A ，而且抛光速率为 6 7

43、n m m i n ，研究还从抛光粒子表面电荷和表面Z e t a 电势角度详细探讨了抛光的机理， 发现抛光液p H 值对抛光速率有很大影响。 综上所述，目前对于光电功能材料氧化锌化学机械平坦化的研究还处于起步阶段， 相关的文献和专利甚少，但是化学机械平坦化技术在蓝宝石【5 8 1 、氧化镁【5 9 1 、氧化硅【6 0 1 、 氧化铟锡【6 1 1 、铁电存储【6 2 都圾相变存储材料G S T 薄膜 6 4 - 6 s 的成功运用，为氧化锌薄膜 C M P 研究提供了有利的理论依据和技术参考。 1 3 本论文研究的目的和意义 目前，化学机械抛光( C M P ) 技术在超大规模集成电路工艺

44、中显示出越来越重要的作 用，被广泛应用于深亚微米多层铜互连和光刻系统当中【6 9 1 。国际半导体技术发展路线图 ( I n t e r n a t i o n a lT e c h n o l o g yR o a d m a pf o rS e m i c o n d u c t o r s ，I T R S ) 在2 0 0 9 提出，对于前段工 艺C M P 将越发重要，尤其是在器件制备和后端栅极工艺当中，深沟槽结构的形成和多 余材料的去除都需要C M P 来完成。均匀性、选择性和图案密度仍然是C M P 工艺的挑战 r 加l 。为不断提高半导体器件封装密度，降低器件所需电压、功耗，这

45、就要求器件单元中 特征尺寸缩小至纳米级。鉴于半导体工艺中0 2 5 微米以下的技术，材料表面必须通过化 学机械抛光进行全局平坦化，方可利用通用的光刻曝光工艺进行亚微米尺寸加工。其次， 通过C M P ，可以提高薄膜平整度，增加功能材料和其他介质材料介面间的接触性能， 进而改善光电材料薄膜材料光电特性和抗疲劳性，同时降低缺陷，增强器件可靠性。然 而目前氧化锌薄膜平坦化技术的研究还处于起步阶段，去除速率较低而且具体的抛光机 理尚不清楚，所以本论文将通过实验优化抛光液成分及抛光工艺参数，初步探究氧化锌 薄膜化学机械平坦化机理。希望通过优化抛光液成分含量及抛光工艺参数，能够提高去 除速率，得到表面粗糙

46、度低、平整度高的氧化锌薄膜，为后续生长各功能材料及制作不 同器件结构打好基础。 第一章绪论 由上一小节的分析可以看出，表面粗糙的氧化锌薄膜对其应用领域的光电器件，声 表面波器件性质有着重要影响，这将阻碍氧化锌薄膜光电器件的进一步性能的提高和尺 寸的微小化。目前已经应用于氧化锌薄膜表面处理的方法有着各自的缺陷，且不能提供 一个地粗糙度、高平整度、无缺陷的抛光后氧化锌薄膜。氧化锌薄膜化学机械平坦化工 艺的研究只是处于起步阶段，具体的研究并不是很透彻，所以研究氧化锌薄膜化学机械 平坦化工艺不仅具有较大的科学意义，而且潜伏着较大的商业价值。 1 4 本论文的研究的思路与内容 1 4 1 本论文的研究思路 对于任何材料体系其化学机械平坦化的研究主要从两个方面来考虑：一是抛光液优 化配制；二是抛光工艺参数优化。对于Z n O 薄膜化学机械平坦化也主要从以上两个方 面来研究，研究主要分为以下三步进行： 首先优化抛光液的配制。集成电路工艺对抛光液配方的要求是抛光速率可控，抛光 均匀性好，对电路不会污染和抛光后便于清洗。抛光液主要由两部分组成：磨料和化学 成