改后,ReclaimCMP表面缺陷的优化与研究报告

1、- . - .可修编-. z硕士研究生学位论文题目：Reclaim CMP外表缺陷的优化与研究*：王玉*：1301221682院系：软件与微电子学院专业：软件工程研究方向：集成电路设计导师：雷副教授二一六年九月声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经本论文作者同意，不得将本论文转借他人，亦不得随意复制、抄录、拍照或以任何方式传播。否则，引起有碍作者著作权之问题，将可能承当法律责任-. z摘要随着科技的开展，在当前社会中，大规模集成电路、半导体器件等得到了越来越广泛的应用，对其可靠性、电能性等性能的要求也越来越高。随着IC集成度越来越高，要求硅片衬底外表有更好的平整度和干净度。现在半导

2、体生产中常用无图形硅片，按照一定的设计淀积不同的膜层来模拟真实的产品，监测设备及工艺条件，这种硅片称之为控挡片。控挡片按照不同的工艺需求经过一次或屡次使用后，硅片外表产生很多损伤，这些外表损伤导致硅片无法再重复使用，这对半导体生产造成了非常大的开销，现在主流芯片厂靠从硅片制造厂家购置控挡片，使用后再进展循环加工满足生产需求，但要想控挡片满足工艺要求循环使用是一种降低本钱的途径。IC集成度的不断提高，随之带动的是设备要求越高，对满足检测设备的控挡片的品控进一步严格。再循环利用的控挡片必须控制外表平坦化、干净度、一定大小的颗粒数及缺陷在标准围以。目前平坦化工艺采用化学机械抛光的方法，在抛光过程中，

3、影响平坦化涉及因素很多，对于国外CMP设备如何逐步降低抛光后的缺陷数量提出了难题。同样，在硅片浸泡清洗过程中，由于清洗设备存在清洗不同种类硅片的状况，所以要始终保持硅片外表良好的清洗效果也面临困难。技术的不断革新，对控片的要求相应标准也随着提高，从当前0.12um提高到0.09um，甚至到0.06um、0.037um的工艺需求，常因wafer外表缺陷和沾污导致再加工的空档片合格率减低，文中依靠国产化学机械研磨设备为根底，对生产当中遇到的缺陷和沾污案例，逐步分析原因以及相应的解决的措施。通过大量DOE实验分析控片外表缺陷和沾污的因素，并对产生缺陷和沾污的环节进展优化改善。其实在硅片CMP工艺中，

4、外表缺陷和沾污并不能被完全防止。这些缺陷和沾污或者是物理性的，或者是基于化学性的。微粒缺陷主要是由于抛光过程中产生的微粒粘着在硅片外表造成的，这些微粒来源于抛光垫或抛光液。刮伤(Scratches)、空隙(void)、凹槽(grooves)、剩余抛光液(residual slurries)和凹坑(pits)是一些典型的外表缺陷，另一局部缺陷包括化学沾污，离子沾污，硅片外表金属的腐蚀在后续清洗过程中也不能完全被防止。文过大量的实验和生产中的数据研究了Reclaim wafer外表缺陷改善问题。得到了一组优化的工艺参数，大大降低了Reclaim wafer过程中外表缺陷现象，提高了Control

5、wafer的利用率，降低了运营本钱。关键字：化学机械研磨,缺陷,研磨液,研磨垫,整理器,清洗单元，兆声发声单元。- .可修编-. zInvestigation on Surface Defect of Reclaim wafer Chemical Mechanical Polishing for GLSIWang Yu(software engineering)Sun Lei AbstractIn todays highly developed of information, the IC industry has replacing the traditional industries an

6、d bee the basis for the information industry asa new core. It is not only deep into the basic lives of the masses, but also a national symbol of prehensive strength.Today,8-inch fab still occupy a certain position in the market, but 12-inch fabs has bee the mainstream of the industry, we are develop

7、ing 16-inch wafers, hope it can be put into the market in the near future , to pull in 16 inches fab building. 14nm, 28nm wafer have mass production in the United States and Taiwan foundry. With the improvement of IC integration, with the requirement of the equipment is higher, the quality of contro

8、l wafer need to continual improvement. Now the most of fab buy the control wafers form manufacturers and recycling wafer after use. However it must require lithography surface is very flat. Chemical mechanical polishing(CMP) is currently the only method that can offer a plete planarization VLSI prod

9、uction technique. In the CMP process, the impact of the flattening result involves many factors, how to reduce surface scratches after copper chemical mechanical polishing problem rarely studied.Base on 300mm production line, this paper analyzes the status quo and development of integrated circuit,

10、also introduce the study of copper produced by the CMP defect issues, through the analysis of principle on reclaim wafer surface scratch and particles. bined with the production of scratches case, obtained the scratch defect causes and solution methods. Defect es mainly from two aspects. First aspec

11、t es from the monitor cause wafer surface damage, Reclaim wafer polish not enough, resulting remain some hole on wafer surface. The second aspect is the research on the machine itself, include the pad, the slurry, the disk and clean module. Finally, through a lot of e*periments and production practi

12、ce systematic study of the Cu CMP scratch the surface of the problem. We got a set of optimized process parameters, greatly reducing the CMP process scratch of the surface, to avoid defects caused due Scratch, improved product yield. KEY WORDS: CMP, Defect, Slurry, Pad, Disk, Clean module,megasonic-

13、 .可修编-. z目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc12800 第一章绪论 PAGEREF _Toc12800 1HYPERLINK l _Toc1260 1.1 引言 PAGEREF _Toc1260 11.2硅片回收在半导体工艺生产中的作用 PAGEREF _Toc24459 4HYPERLINK l _Toc24459 1.3 化学机械研磨 PAGEREF _Toc24459 1HYPERLINK l _Toc32633 1.3.1 化学机械研磨简介 PAGEREF _Toc32633 1HYPERLINK l _Toc21119 1.3.2 化学机械研磨原

14、理 PAGEREF _Toc21119 1HYPERLINK l _Toc14958 1.3.3 化学机械研磨液 PAGEREF _Toc14958 1HYPERLINK l _Toc13134 1.3.4 影响化学机械研磨的因素 PAGEREF _Toc13134 1HYPERLINK l _Toc31641 1.4化学机械研磨在Reclaim CMP中的应用 PAGEREF _Toc31641 1HYPERLINK l _Toc31527 1.5 化学机械研磨过程中外表划伤的研究进展 PAGEREF _Toc31527 1HYPERLINK l _Toc24475 1.6 本论文的研究目的

15、与容 PAGEREF _Toc24475 1HYPERLINK l _Toc916 第二章 Reclaim CMP试验设备及理论方法 PAGEREF _Toc916 1HYPERLINK l _Toc29599 2.1 试验设备 PAGEREF _Toc29599 1HYPERLINK l _Toc24523 2.1.1 化学机械研磨设备 PAGEREF _Toc24523 1HYPERLINK l _Toc13776 后清洗设备 PAGEREF _Toc13776 1HYPERLINK l _Toc13782 2.1.3 SEM扫描电镜 PAGEREF _Toc13782 1HYPERLIN

16、K l _Toc31345 2.2 试验方法及原理 PAGEREF _Toc31345 1HYPERLINK l _Toc15814 2.2.1 化学机械研磨 PAGEREF _Toc15814 1HYPERLINK l _Toc25286 2.2.2 工艺测试方法和参数 PAGEREF _Toc25286 1HYPERLINK l _Toc32636 2.2.3 SEM扫描电镜原理 PAGEREF _Toc32636 1HYPERLINK l _Toc15403 2.3 Reclaim CMP 机理 20HYPERLINK l _Toc27607 第三章后道湿法洗清工艺对硅片沾污去除的影响研

17、究 PAGEREF _Toc27607 1HYPERLINK l _Toc4372 3.1湿法腐蚀 PAGEREF _Toc4372 1HYPERLINK l _Toc5198 3.2硅片的湿法清洗 PAGEREF _Toc5198 1HYPERLINK l _Toc17090 3.3利用湿法腐蚀去除控挡片膜层 PAGEREF _Toc17090 1HYPERLINK l _Toc7216 3.4 Reclaim CMP沾污与后续清洗工序的关联 PAGEREF _Toc7216 1HYPERLINK l _Toc31221 3.4.1 Reclaim CMP沾污现象分析 PAGEREF _To

18、c31221 1HYPERLINK l _Toc12029 3.6本章小结 PAGEREF _Toc12029 1HYPERLINK l _Toc8751 第四章研磨工艺参数对Reclaim CMP外表缺陷的影响研究 PAGEREF _Toc8751 1HYPERLINK l _Toc25082 4.1 研磨液对Reclaim CMP外表划伤的影响 PAGEREF _Toc25082 1HYPERLINK l _Toc9445 研磨液传输装置 PAGEREF _Toc9445 1HYPERLINK l _Toc10732 4.1.2 研磨液的组成及其特性 PAGEREF _Toc10732 1

19、HYPERLINK l _Toc29552 4.1.3 研磨液对Scratch的分析与原因 PAGEREF _Toc29552 1HYPERLINK l _Toc29313 4.2研磨垫对Reclaim CMP外表划伤的影响 PAGEREF _Toc29313 1HYPERLINK l _Toc11270 研磨垫承载装置 PAGEREF _Toc11270 1HYPERLINK l _Toc239 4.2.2 研磨垫特性 PAGEREF _Toc239 1HYPERLINK l _Toc5380 温度对研磨垫的影响 PAGEREF _Toc5380 1HYPERLINK l _Toc5540

20、4.3.4 研磨垫造成划伤现象与分析 PAGEREF _Toc5540 1HYPERLINK l _Toc26059 4.4研磨垫修理器对Reclaim CMP外表划伤的影响 PAGEREF _Toc26059 1HYPERLINK l _Toc18273 研磨垫修理器装置 PAGEREF _Toc18273 1HYPERLINK l _Toc9467 研磨垫修理器特性 PAGEREF _Toc9467 1HYPERLINK l _Toc21960 金刚石修整器器种类 PAGEREF _Toc21960 1HYPERLINK l _Toc13440 金刚石修整器造成划伤的分析 PAGEREF

21、_Toc13440 1HYPERLINK l _Toc6953 金刚石修整器程序设定对划伤的分析以及解决 PAGEREF _Toc6953 1HYPERLINK l _Toc7213 4.5 抛光头对CMP外表划伤的影响 PAGEREF _Toc7213 1HYPERLINK l _Toc472 4.5.1 抛光头装置 PAGEREF _Toc472 1HYPERLINK l _Toc16293 4.5.2 抛光头造成划伤的现象与分析 PAGEREF _Toc16293 1HYPERLINK l _Toc18205 抛光头对CMP外表划伤改善措施 PAGEREF _Toc18205 1HYPE

22、RLINK l _Toc19183 4.6本章小结 PAGEREF _Toc19183 1HYPERLINK l _Toc7910 第五章总结49HYPERLINK l _Toc26863 5.1 全文总结 PAGEREF _Toc26863 1HYPERLINK l _Toc19578 5.2 致 PAGEREF _Toc19578 1HYPERLINK l _Toc25240 参考文献 PAGEREF _Toc25240 1HYPERLINK l _Toc31489 大学学位论文原创性声明和使用授权说明 PAGEREF _Toc31489 1- .可修编-. z第一章绪论1.1 引言随着集

23、成电路IC，Integrated Circuit的不断开展，为了进一步降低芯片本钱和提高IC集成度，硅片尺寸在不断的变大，从200mm到300mm再到450mm，同样的工艺步骤产生出更多的芯片，降低了制造本钱；同时IC特征尺寸在不断的缩小，晶体管从180nm到90nm、65nm、45nm、32nm到现在的14nm，将几十亿甚至几百亿个器件集成到一个芯片，提高了IC的集成度。这就对检测机台稳定性与干净度所使用的硅片质量及后续的CMP reclaim硅片提出了挑战，其要求外表平坦化并到达纳米级的外表粗糙度和干净度。图1.1 控片出厂前的检测参数从大的方面来讲，硅片生产包括晶棒制造和硅片制造两大步骤

24、，它又可细分为以下几道主要工序(其中晶棒制造只包括下面的第一道工序，其余的全部属硅片制造，所以有时又统称它们为晶柱切片后处理工序)。图1.2硅片生产流程图符合要求的硅片在进厂后被用来日常验机，或者是机台异常故障后的复机审验后，往往会造成其外表有不同程度的损伤如图1.3所示，这些硅片被筛选后重新被CMP Reclaim重新抛光清洗，符合标准的再次投入到芯片制造车间使用，如此反复直到硅片厚度不能满足使用后报废。55/65nm产品延续使用0.12um标准的控片，符合0.09um要求的投入到14/28nm制程工艺中，目前以0.06、0.037um标准的控片也逐步投入生产线中，这对抛光及清洗工序提出更高

25、的要求。首先必须硅片在抛光后外表要非常平坦，当前平坦化工艺采用化学机械研磨Chemical Mechanical Polishing, CMP的方法，在CMP过程中，影响平坦化涉及很多因素，其中，对于CMP工艺及影响因素都有了广泛的研究3，但对于如何降低外表因划伤导致的缺陷却鲜有系统的研究。在CMP抛光过程中，严重的外表划伤Scratch将会导致晶格的损伤如图1.4所示。其次，通过大量实验证明，抛光后的硅片要经过去金属离子及氧化物工序的清洗，清洗槽的酸液随着经过的硅片数量的增多，酸液被洗掉的颗粒污染越来越严重，这些颗粒由于粒度太小在随着酸液循环时不能被过滤掉，导致在清洗硅片时附着在外表如图1.

26、5所示。如图1.3 使用后导致的外表缺陷如图1.4 抛光后导致的外表划伤如图1.5 O*ide工序清洗时造成的外表污染1.2硅片回收在半导体工艺生产中的作用最近几十年间，半导体技术飞速度开展，硅片由原来的200mm开展到300mm，同时电子器件的关键尺寸也在不断缩小，光学光刻设备焦深的减小，集成电路工艺对硅片要求也提升至纳米级别1。硅片外表的光滑度和平整度作为对集成电路的刻蚀线宽的重要因素，对其击穿特征、界面态有着直接影响，还会影响到其使用寿命及IC器件性能与成品率。因此，为有效满足上述要求，对硅片提出了更高的要求，其作为集成电路芯片的一个根底材料，要求能有效保障衬底加工更加平整，减少粗糙度和

27、降低制备本钱。半导体制造厂使用的控挡片作为一项根底性能的硅片，在生产过程中，要求对设备展开合理的监测，从而有效保障其能满足产品需求。但很多测试都存在着破坏性性质，造成产品在监测过程中，会造成损耗加大费用，因此，以控挡片的方式做热机或监测已开展为业经济型模式。半导体芯片的规模化生产制作过程中，研究者集中在对产品工艺研究的关注，对于控档片的使用则常被无视。由于半导体制造厂在生产过程中，要求对设备展开有效监测从而保障满足制程参数要求，由于众多测试均会接触到硅片外表，因此，直接运用产品展开监测会极大破坏产品功能模块，造成硅片无法继续使用，影响生产线的良品率，增加了生产本钱，经济性缺乏。基于这个原因，业

28、界选择了本钱较低的无图形硅片控片展开在线检测，到达降低本钱的目的。并按照不同制程所需，挑选使用光片，或者淀积薄膜的方式设计各类相应控片，用作离子注入、薄膜淀积、光刻、刻蚀、研磨等各类制程在线监测，如对电阻率、薄膜淀积速率、刻蚀速率、研磨速率及均匀性等进展检测2。该方式有效地降低了本钱，同时实现了更为便捷的设备监测。不过在控片运用过程中，也有问题引发笔者思索，比方薄膜积的控片，薄膜的厚度满足要求但外表被造成不同程度的损伤，经过Reclaim CMP工艺后外表有不同程度的缺陷和沾污导致无法再继续使用，其他制程控片也有着类似的问题，仅能报废控片，这样会加大制造业的制造本钱。因此，业为有效降低这类本钱

29、而不断努力。由于硅片的腐蚀和化学机械研磨机理的存在，同时参照硅片制造工艺经历，可建立一个控片优化工艺的模型，即先对硅片外表进展粗磨去掉外表损伤，再用化学机械研磨做平坦处理，使硅片外表恢复到比拟理想的平坦外表，然后再经湿法清洗去掉薄膜和外表沾污到达工艺要求循环使用。这是一个非常实用的过程，经过再生处理的控片到达工艺的要求可以重复使用几十次，很大程度延长了控片的寿命。湿法腐蚀很早便被运用至半导体制造中，其运用极为广泛，属于其中必不可少的步骤，在整个芯片的制备过程反复使用，被用作去除不需要的薄膜或表层杂质。其中晶圆表层的杂质包含各类金属杂质、微粒、其他有机氧化层等。伴随IC集成度的提升，硅片外表干净

30、度对器件性能与成品率的重要性越发凸显。硅片外表类型可分为亲水性与疏水性两类，亲水性二氧化硅层外表及单晶硅的表层有着逆水性；可透过枯燥法与湿法展开处理，逆水性外表无法被清洗掉，基于这个原因逆水性外表的处理十分关键。常用清洗衣方式包括RCA清洗、超声及兆声清洗3。RCA清洗工艺为工业标准下的湿法清洗工艺，其是由系列的有序性化学液所构成，透过调整化学液比例有助于有效改良清洗的效果；臭氧清洗的方式很容易操作，加进氧化物的氢氟酸偏便是去掉金属物的优良清洗法；最近几年，超声和兆声清洗被引进到湿法清洗中，超声波的工作原理为：令液体流动并形成强大的冲击力，进而到达颗粒缺陷遭受冲击力震落的目的；则，这样的气泡冲

31、击力也能有效地击落硅片外表凹痕处的缺陷颗粒，不过，该方式可能会对器件造成一些损伤。运用湿法清洗有效去除控档片外表的薄膜后，需要展开化学机械研磨，以便对硅片展开精细化处理，从而令其能有效满足工艺所需，化学机械研磨作为化学方式与机械功能结合的一类抛光方法，在硅片加工与芯片的制造中获得广泛运用，已开展成当前公认的有效的技术。当多层式金属化引进集成电路制造工艺之后，硅片外表受到的冲击更强烈。因此，引发了许多问题，极大制约了ULSL开展，尽管先后出现各类平坦化的技术，包括反刻、旋涂膜层等，但效果均不如人意。直至上世纪80年代开场，CMP技术的运用极大改良了外表的平坦效果4。化学机械研磨作为机械抛光根底上

32、按照所需抛光外表加进相应化学添加剂，从而到达了强化抛光及选择性抛光的效果。CMP对硅片展开平坦化过程主要通过两个机制：先是外表材料和研磨液产生化学反响，进而产生一层相对来讲较易去除的外表层，接着研磨液的研磨颗粒便会于施压之下，透过和新生外表层的相对性运动被磨掉，上述两个过程将反复运行，直至研磨完成。微电子工艺，控挡片在运用一次后，还能展开回收利用，当前业界已经有企业在开展控挡片回收，通常通过碱性研磨液直接去除外表膜厚，接着以去离子水与化学品展开清洗。该方法无视了控挡片膜的复杂情况和研磨液局限性，控挡片膜成份一般并不单一，多数研磨液仅与那些有针对性的成份产生反响，如此一来，会造成控挡片外表膜未能

33、有效被研磨掉，造成回收空挡片外表的缺陷与不均匀情况的产生，影响良品率。湿法腐蚀工艺通过不同的化学试剂能有效去除多类膜层，于控挡片展开研磨之前，先通过湿法腐蚀工艺有效去除外表膜，露出其中的硅衬底片，再通过化学机械研磨的方式展开外表平坦化处理，使硅片外表得到较好的平坦性，这种方法刚刚在业兴起，工艺稳定性有待进一步提高，有一定的研究意义。1.3 化学机械研磨1.3.1 化学机械研磨简介20世纪90年代初，光刻对平坦化的迫切需求，不断对平坦化提出新的要求，传统的的平坦化技术已经不能满足工艺的要求，化学机械研磨CMP便应运而生了。1983年IBM创造CMP制程，1998年IBM开场使用铜制程CMP。通过

34、CMP工艺，使其多层构造能够在一个平坦的平面上进展制备，如图1.5所示。与传统的机械或化学的研磨方法有所不同，CMP通过机械和化学的共同作用，防止了由机械研磨造成的外表损伤和化学研磨造成的研磨速率低、外表不平整和研磨一致性差等缺点。它利用研磨中软磨硬的原理，用材质较软的研磨垫来进展研磨以实现高质量的外表平坦化5。在一定压力和研磨液存在的条件下，被研磨工件相对于研磨垫作相对运动6，借助于纳米粒子的研磨作用和氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合，使被研磨的工作外表平整7。化学机械研磨是机械研磨作用、化学作用和吸附效应同时作用的过程。图1.6 CMP平坦化工艺化学机械研磨Chemical Mechanic

35、al Polishing, CMP是目前唯一能实现全局平坦化的方法7。其优点有：1提高硅片的全局平坦化效果；2增加芯片的布线层数；3能一次平坦化多层材料；4改善台阶的覆盖性。1.3.2 化学机械研磨原理如图1.7 化学机械研磨构造示意图CMP将化学研磨机当成主要载体，透过高速旋转研磨台所安装的研磨垫，将被研磨的硅片吸附在高速度旋转研磨头中，研磨头吸附硅片并产生向下压力，硅片被研磨头朝下压住，同时面对研磨垫，令硅片与研磨垫展开高速旋转运动，伴随研磨液的输入，再透过研磨垫调整器及垫自身的作用，将研磨液均匀地分布于研磨垫的外表；由于加进了化学添加剂及研磨颗粒，有效地推动了研磨液和硅片表层间的反响，产

36、生了软性的易去除物质。此外，基于硅片与研磨颗粒及研磨垫的接触所产生的机械作用，让原本产生的化学软物质层极易去掉；化学与机械研磨作用结合下实现目标材料的移除，到达对硅片外表的平坦化8。如上图1.7所示为化学机械研磨。目前CMP已经成为极大规模集成电路制造的工艺，然而，对于化学作用和机械作用的相对机理仍然缺乏严密的解释，这主要是对于硅片在研磨过程中所发生的作用缺乏了解，而且还欠缺完整严密的理论知识。现在有四种类型来描述CMP的研磨机理。第一种类型是基于CMP过程的研究。在1927年，经过大量的研究分析总结，Preston得到了CMP机理模型，这个模型解释了在机械研磨中下压力和线速度在实际研磨过程中

37、的关系。即经典的Preston方程9(如1-1所示): R=KPV1-1其中，R代表研磨去除速率，P代表研磨过程的压力，K代表Preston系数，V是硅片相对于研磨垫的线速度。这种模型主要从物理上来考虑，其实并未完全阐述研磨机理。第二种类型基于流体力学理论10,11, 这种类型认为研磨液的化学作用是主要研磨机理，而忽略了在研磨垫中外表磨料的机械磨损。第三种类型基于接触理论的研究12,13, 其认为研磨机理是由研磨液中的磨料产生的。最后一种类型是在流体力学和接触力学的根底上建立的14。但是这些类型在解释CMP研磨过程中实质上还是有一定的局限性。1.3.3 化学机械研磨液研磨液主要包括化学组分和磨

38、料两局部。对于不同的材料，研磨液的化学成分和磨料组不一样。其中化学组分主要包括促进反响的氧化剂、加速反响物溶解的螯合剂、阻止金属外表腐蚀的抑制剂以及降低研磨液外表力易于清洗的外表活性剂等。介绍一下研磨液中一些重要的组分作用：1.螯合剂螯合剂能与金属粒子形成稳定的螯合物，有效的降低金属离子污染。化学机械研磨时，金属的去除包含了机械摩擦去除和化学腐蚀溶解。如果在研磨时金属氧化物及金属颗粒不能及时溶解，则氧化物将会重新覆盖在金属外表影响研磨速率，金属离子将会进入介质层使漏电流急剧增加。因此，研磨产物必须被及时的溶解并被研磨液输运出去。一般在研磨液中常用的螯合剂有：甘氨酸15、氨水16、柠檬酸17等。

39、2.抑制剂抑制剂是指能使金属外表上形成吸附膜，从而抑制金属腐蚀。抑制剂在CMP研磨液中的用量很少，但是对防止金属腐蚀有很好的作用。在CMP过程中，凸起的地方由于受化学腐蚀和机械摩擦的双重作用研磨速率较高，但低凹的地方由于机械摩擦较小，并且有抑制剂形成膜的保护，腐蚀速率较小，从而使整个硅片外表容易到达理想的平坦化效果。3.外表活性剂外表活性剂分为离子型和非离子型外表活性剂。其具有固定的亲水亲油基团，可以在溶液的外表定向的排列，还能使外表力显著降低。通过在研磨液中参加外表活性剂，可以增加磨料的分散度，防止磨料颗粒的团聚，提高磨料的稳定性。同时参加外表活性剂可以降低硅片外表与研磨垫的外表力，快速润湿

40、外表并减小划伤。并且在研磨完毕后使硅片外表粘附的磨料颗粒及残留物易于清洗。4.磨料在CMP过程中，磨料的作用是加强研磨垫的机械作用并把压力传递到硅片上，去除硅片外表金属的反响产物。常用的氧化剂有氧化铝AlO、二氧化硅SiO、氧化铈CeO等。目前，SiO水溶胶是在CMP广泛应用的一种磨料，SiO磨料比AlO软，分散度及悬浮性能较好，研磨后硅片外表划伤较少。但是小粒径的硅溶胶研磨去除速率较慢，并且利用生长法制备大粒径的硅溶胶难度较大。除了有磨料研磨外，近年来无磨料研磨液也得到了一定的研究，其最大的特点就是研磨液中不含磨料，研磨过程中硅片与研磨垫直接接触，利用研磨垫与硅片之间的摩擦力将反响产物磨掉。

41、相对于有磨料而言，无磨料研磨更易于CMP后清洗，简化了工艺过程，降低了研磨液本钱。1.3.4 影响化学机械研磨的因素影响化学机械研磨的因素主要有：研磨液流量、研磨温度、研磨头压力、研磨垫、研磨垫修整器以及研磨头和修整器的转速。1.研磨液流量研磨液流量是化学机械研磨过程中一个重要的参数。其对研磨去除速率、研磨后外表粗糙度有很大影响。流量较小时，硅片与研磨垫之间的摩擦力较大，使得研磨后外表缺陷增大。并且摩擦力增大还会使研磨过程中硅片局部温度过高，使硅片外表缺陷增加；流量过大时，研磨过程中局部化学作用大于机械作用，导致金属外表腐蚀严重，外表粗糙度增大，并造成研磨液的浪费。2.研磨温度在化学机械研磨过

42、程中，随着研磨液温度的变化，将会影响化学反响的速度。当温度升高时，研磨去除速率会提高，但是如果温度过高，化学反响过于剧烈，容易造成硅片外表划伤增多，因此，为了满足CMP的平坦化要求，温度必须控制在适宜的围。3.压力研磨头的压力对硅片外表均匀性和去除速率影响很大。通常在研磨过程中，研磨头不同半径所给的压力是不同的，这样可以将硅片外表均匀性控制在较好的围。为了提高去除速率可以增大压力，但同时压力增大到一定值也会带来一些缺陷。4.转速在CMP中，转速主要包括研磨头、研磨垫以及修整器的转速。一般研磨头和研磨垫是同向转动的，并且它们的转速也是不同的，不同的研磨头和研磨垫转速选择对研磨去除速率和研磨后外表

43、粗糙度都有很大影响。另外，研磨修整器在研磨过程中对研磨垫进展修正，保证研磨垫的微观构造保持不变，同时将研磨反响产物带出，将新的研磨液带入。5.研磨垫研磨垫对研磨过程中起着重要的作用，研磨垫主要分为硬质和软质研磨垫，硬质研磨垫提供较高的研磨速率，材料去除量大，但是外表粗糙度大，容易对产品造成缺陷；软质研磨垫研磨速率底，去除量小，提高硅片的外表质量。所以研磨垫也是影响着产品的主要因素之一。6.研磨垫修理器每个研磨台有一个专注的研磨垫修理器。因为在重复的研磨工作中，研磨垫会变得平滑。研磨垫修理器可以令研磨垫变粗糙，它也帮助有效地维持了研磨垫的水平。如果研磨垫的效率降低，直接影响着研磨速率，降低研磨垫

44、使用年限，同样也给产品带来缺陷。研磨垫修整器对于研磨起着相当重要的作用。1.4 化学机械研磨在Reclaim CMP中的应用作为控片的硅片在运用之后，通过各类工艺，包括薄膜淀积、腐蚀、注入等，无法防止地对外表造成损伤，比方极其微小的裂纹与网络位错，这些操作终造成控片不能再次使用，要求对其展开平整化的处理，该过程与原始硅片加工过程极为相似，硅片加工时，通常会产生大量的机械过程，会有热能的产生，为其带来机械应力及热应力，上述应力加注在一起，同时还有机械研磨，造成硅片外表极易生成裂纹，严重时将造成破片的出现18。控挡片在运用后基于被操作的仅仅表现在硅片外表的几百埃的厚度畴，因而，考虑去除外表受损薄层

45、，并进展抛光，从而令硅片能恢复平滑干净，便能实现屡次运用了，有效节省本钱。硅片抛光对于改良芯片性能和提升芯片的工艺稳定发挥着重要作用。理论来讲，湿法腐蚀与化学机械的研磨技术也能对硅片外表展开重新处理和平坦化处理，到达再次使用的标准。在Reclaim CMP工艺中，需要对硅片进展化学机械研磨，目的去除划痕和深坑到达外表平坦化。一般研磨包括两步：第一步是粗磨(图1.7)，通过相对去除量较快但相对粗糙的研磨机抛去约10-12um的厚度；第二步是CMP细磨图1.8，通过降低研磨速率去除外表剩余的划痕；此过程移除大概3um的厚度。图1.7 FAM 50SPAM抛光机图1.8 unversal-300抛光

46、机1.5 化学机械研磨过程中外表划伤的研究进展目前对于CMP过程中外表划伤已经有了一些研究成果，比方通过改变工艺参数和调整研磨液成分有效的降低了硅片外表划伤问题。但是都没有系统的研究过各个因素对外表划伤的影响，只是针对*一个特定的因素进展研究。在研磨过程中一局部划伤是来自研磨液中的杂质，一般这种杂质如果被带入到研磨垫上，将会在硅片外表形成一道巨大的划伤，这对硅片的影响是致命的，为了防止这种情况发生，那就需要在研磨液的供给端加一微米级的过滤器。这种方法可有效的减少了外表划伤。磨料的选择对划伤也有很大影响。随着特种尺寸的不断减小，对外表划伤的控制也越来越严格。对于硬度大的磨料，虽然在去除速率上会有

47、优势，但是这种磨料更容易产生划伤问题，因此CMP一般选择硬度适中的SiO水溶胶作为磨料。通过改变研磨液的组成，使外表划伤得到修正。通过参加少量的外表活性剂，可以使外表粗糙度得到改善，对于一些小的划伤有一定的修正作用。但对于大的划伤改善作用有限。虽然目前这些研究成果对降低外表划伤有很大的作用，但是研究并不系统，没有一套完整的工艺条件，只是针对*一个特定的问题提出了解决方法，有一定的局限性。1.6 本论文的研究目的与容在本论文中，主要研究国产CMP设备在reclaim工艺过程中外表缺陷优化问题，通过对抛光管单元对硅片外表划伤的影响，以及对后清洗工序对外表清洗效果的研究和分析，得到了一组完整的优化方

48、案，有效的改善了硅片外表缺陷问题。主要容如下：第一章介绍了CMP工艺以及CMP工艺应用在集成电路中的优点和面临的问题。第二章对本文用到的实验设备、实验方法和CMP机理进展了介绍。第三章主要对CMP的后道清洗工艺对硅片外表沾污的影响进展了分析。第四章主要研究了以下几个局部：1.研磨液对硅片外表划伤的影响；3.研磨垫对硅片外表划伤的影响；4.研磨垫修整器对硅片外表划伤的影响；5.抛光头硅片外表划伤的影响最后将得到的优化参数条件应用在Reclaim CMP工艺中，CMP后外表缺陷和沾污得到了有效的控制。第五章对全文进展了总结，并做出了展望。-. z第二章Reclaim CMP试验设备及理论方法2.1

49、 试验设备2.1.1 化学机械研磨设备为了确保硅片的抛光加工精度，根据工艺要求对硅片进展三道抛光工序，分别是粗抛光、细抛光和精抛光。粗抛工序的目的是去重复利用的控挡片外表损伤层，一般抛光加工量约15um20um；细抛工序的目的是进一步降低硅片外表平整度以及粗糙度，一般抛光加工量约为3um6um；精抛工序的目的是去雾，确保硅片外表有极高的纳米形貌特性，一般抛光加工量约小于1um。目前，12英寸CMP设备市场中主要是应用材料占有率70%和EBARA占有率30%，国专注于CMP设备研发的*华海清科公司也初具规模。本文实验过程中细抛光和精抛光工序正是采用华海清科公司的Universal 300型化学机

50、械抛光机CMP。该型设备可实现300mm12英寸晶圆wafer干进干出的化学机械抛光工艺，适用于集成电路制造、晶圆基片生产、抛光耗材研发、抛光工艺探索等领域。其构造采用独立单元、模块化组合设计，共有2个抛光单元，每个单元含1个研磨头，1个platen，即在2个独立的抛光单元上使用不同研磨液实现细抛光和精抛光2步工序。每个抛光单元用单头固定在稳定的基座上面，不同研磨头在不同的platen上面研磨，这种类型设计其优势在于消除了研磨头之间的相互影响，保证了更稳定的工艺结果。且硅片在每个platen磨完，都会经过Loadcup清洗，消除了*公司LK型号platen1磨完，硅片将platen1的研磨液带

51、到platen2造成穿插污染的影响。设备如图2.1所示。图2.1 CMP Universal 300设备后清洗设备由于抛光片的分界面化学反响和研磨微粒的存在，在CMP(chemical mechanical planarization)工艺中，必然会引入外表缺陷和沾污。在硅片外表全局平坦化以后，必须进展有效的清洗来实现CMP工艺的优点。为了确保得到进一步金属化所需要的无缺陷无沾污硅片外表，CMP后清洗工艺是必需步骤。硅片外表的沾污主要有两种，微粒沾污和金属杂质。针对造成这两种缺陷的成因，选择化学湿法清洗的方法对其外表进展清洗。出CMP后的硅片首先要经过含有具有腐蚀金属离子的化学品机台清洗，然后

52、再经过能去除外表微粒化学品的机台进展清洗从而到达最终的理想效果，整个流程如图可以说CMP后清洗是是整个工艺过程必不可少的一环，它影响着整个工艺平坦化的质量。图2.2 Reclaim CMP 后清洗流程2.1.3 SEM扫描电镜 SEMscanning electron microscopy扫描电子显微镜简称扫描电镜，它介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观的观察工具，利用固体外表物质的性能进展电镜扫描成像。电镜扫描镜的优点：1.较高的方法倍数。2.视野大，景深，立体感强，其凹凸不平的外表构造可直接观察。3.SEM设备简单。SEM在半导体制造行业里必不可少的设备。它能及时的发现问题，分析成分，找

53、出原因。其构造如图2.3所示。图2.3 SEM设备构造示意图图2.4 KLA-Tencor公司 eDR7280型缺陷扫描设备KLA-Tencor公司是工艺控制与良率管理解决方案的领先提供商，它与全球客户合作，开发先进的检测与量测技术。该公司的eDR7280电子束检查系统具备增强型影像记录和自动缺陷分类能力，能够准确表述由宽波段等离子检测仪侦测出的缺陷群，从而大幅度缩短缺陷发现所需的时间。2.2 试验方法及原理2.2.1 化学机械研磨Universal 300主要分为三大局部：研磨Polish、清洗Cleaner和机械传送EFEM，如图2.5所示。图2.5 Universal 300的示意图-.

54、 z- .可修编-. z研磨CMP：共有2个研磨头，2个研磨盘，第一步，粗磨，在CMP1研磨盘上研磨液的帮助下用高效的研磨速率来去除硅片外表大局部缺陷层。第二步，在CMP2研磨盘上采用精磨，修复CMP1导致的细小划伤。CMP构造如图2.6所示。抛光头图2.6 Universal 300 CMP 示意图清洗Cleaner：硅片完成抛光后，在兆声清洗单元进展兆声波清洗，去除硅片外表的大颗粒，并初步去除晶圆外表残留的化学品，硅片完成兆声清洗后，进展两道刷洗单元进展清洗。晶圆在刷洗单元串行加工，逐步清洗掉晶圆外表的颗粒和残留的化学品。硅片完成刷洗后，进入枯燥单元进展甩干，去除晶圆外表残留的去离子水，完

55、成晶圆加工工艺。CMP后道清洗是CMP很重要的一局部，其目的是把硅片的残留颗粒清洗下去。清洗模块如图2.5所示图2.7 Universal 300 cleaner 示意图清洗的第一步为超声波振荡单元Meg，其工作原理mega中兆声波清洗的机理是由高频振效应对硅片展开清洗的。图2.8为mega示意图，清洗时，晶圆支撑滚轮以及晶圆夹持机将wafer固定住并开场转动，mega换能器产生高能声波，水溶液分子于该类声波推动下展开加速运动，以高速流体波形式，通过兆声喷头连续冲击wafer外表,令硅片外表所附着污染物的细小微粒被强制除去。兆声喷头晶片图2.8 MEG构造图与工作示意图然后经过刷子Brush，

56、刷洗是去除硅片微粒最古老和有效的一种方法，材料去除力的机械分力由刷毛提供。刷子作用于硅片一面或两面来去除硅片外表的微粒。刷子用聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)制成，潮湿时质地松软，它利用液体水动力对外表微粒施加去除作用。去离子水在脱落微粒和硅片外表之间产生静电作用，用它可以防止微粒再度沉淀。在Brush刷洗过程中会有添加活性添加剂喷硅片的正面，通过活性添加剂降低硅片外表颗粒与外表之间的引力，活性添加剂渗透到硅片与颗粒之间使其分开，颗粒很容易的脱离硅片外表，快速清理硅片外表，提高清洗效率19,20,21。如图2.9所示。图2.9 brush工作示意图及其原理图枯燥是后清洗

57、流程中最后一道工序。Universal 300机台采用高速甩干与氮气吹扫相结合的枯燥方式。使其硅片外表的水分快速挥发，到达枯燥的效果。如图2.10所示。图2.10 枯燥箱体构造图EFEM单元是流程的起始与完毕单元，干的控挡片从EFEM单元流去，经过制成后在回到EFEM单元。EFEM单元只要包括：三个Loadport，R1机械手送硅片实现干进干出，R1机械手臂传送硅片实现干进干出，控挡片经过Dryer甩干后，由R1机械手臂传送回晶盒里。在晶盒到达之后，取出晶盒里面的控挡片传送至移动buffer,移动buffer在EFEM的枯燥机械手和CMP机械手之间转移控挡片。然后经过R2机械手传送至CMP1单

58、元。EFEM部如图2.9所示。图2.10 EFEM室图2.2.2 工艺条件硅片在抛光过程中，机械作用参数和化学作用参数都会直接影响到抛光过程中硅片去除率，想要到达高效率和高品质抛光效果，要求令化学作用过程和机械作用过程展开优良的匹配。假设化学腐蚀的作用超过了机械磨削功能，便会于抛光外表出现腐蚀坑及橘皮状波纹；假设机械磨削的功能超过了化学腐蚀作用，则则会于抛光外表产生高损伤层与划伤。实验确定的加工工艺条件见下表1所示；抛光过程中，硅片外表将产生各种问题，针对在生产中加工硅硅片时遇到的缺陷问题及相应的原因在本文中逐一解析。工程硅片外表的化学机械抛光粗抛光细抛光精抛光研磨对象硅单硅片的外表研磨垫Su

59、ba 800Suba 400Polite*抛光液液DPP1550DPP1550NP8040PH值10-1110-1110-11抛光盘转速 n /rmin-110100约62108059108059抛光温度 /212521242124抛光速率 v /ummin-10.81.20.40.60.20.5抛光压力 Psi2.503.001.509.500.503.5抛光加工量 b /um16.015.016.04.03.06.01.0表2.1 硅片抛光工艺条件2.2.3 SEM扫描电镜原理扫描电镜SEM通过电子束打到样品外表产生的电子作为分析对象，从而分析出其固体外表的构造、成分和形貌。其工作原理是由

60、电子枪发射出电子，电子在电场下加速，经过电子透镜聚焦，在固体样品外表聚焦成极细小的电子束。固体样品与电子束两者发生相互作用，激发固体样品产生出各种物理信号，其强度随固体样品外表特征而改变。这些特征信号被按种类、成比例的转换为视频信号，再经过视频放大和信号处理，在萤光屏上获得能反响固体样品外表的特征的电镜扫面图像。其放大倍数可以得到调节。其主要构造由三大局部组成：电子束系统、真空系统和成像系统。如图2.16所示。图2.16 扫描电镜原理2.3 Reclaim CMP 机理CMP化学反响属于复杂化机理,由于面临着不同的抛光对象，因此有着不同的反响机理，本文仅对化学反响机理的研究现状展开简单介绍。透