CM化学机械抛光Slurry的蜕与进3

CMPSlurry的蜕与进岳飞曾说：“阵而后战，兵法之常，运用之妙，存乎一心。”意思是说，摆好阵势以后出战，这是打仗的常规，但运用的巧妙灵活，全在于善于思考。正是凭此理念，岳飞打破了宋朝对辽、金作战讲究布阵而非灵活变通的通病，屡建战功。如果把化学机械抛光(CMP，ChemicalMechanicalPolishing)的全套工艺比作打仗用兵，那么CMP工艺中的耗材，特别是slurry的选择无疑是“运用之妙”的关键所在。“越来越平”的IC制造2006年，托马斯•弗里德曼的专著《世界是平的》论述了世界的“平坦化”大趋势，迅速地把哥伦布苦心经营的理论“推到一边”。对于IC制造来说，“平坦化”则源于上世纪80年代中期CMP技术的出现。CMP工艺的基本原理是将待抛光的硅片在一定的下压力及slurry（由超细颗粒、化学氧化剂和液体介质组成的混合液）的存在下相对于一个抛光垫作旋转运动，借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面材料的去除，并获得光洁表面（图1）。1988年IBM开始将CMP工艺用于4MDRAM器件的制造，之后各种逻辑电路和存储器件以不同的发展规模走向CMP。CMP将纳米粒子的研磨作用与氧化剂的化学作用有机地结合起来，满足了特征尺寸在0.35μm以下的全局平坦化要求。目前，CMP技术已成为几乎公认的惟一的全局平坦化技术，其应用范围正日益扩大。目前，CMP技术已经发展成以化学机械抛光机为主体，集在线检测、终点检测、清洗等技术于一体的CMP技术，是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物。同时也是晶圆由200mm向300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。Slurry的发展与蜕变“CMP技术非常复杂，牵涉众多的设备、耗材、工艺等，可以说CMP本身代表了半导体产业的众多挑战。”安集微电子的CEO王淑敏博士说，“主要的挑战是影响CMP工艺和制程的诸多变量，而且这些变量之间的关系错综复杂。其次是CMP的应用范围广，几乎每一关键层都要求用到CMP进行平坦化。不同应用中的研磨过程各有差异，往往一个微小的机台参数或耗材的变化就会带来完全不同的结果，slurry的选择也因此成为CMP工艺的关键之一。”CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、slurry、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。其中slurry和抛光垫为消耗品。Praxair的研发总监黄丕成博士介绍说，一个完整的CMP工艺主要由抛光、后清洗和计量测量等部分组成。抛光机、slurry和抛光垫是CMP工艺的3大关键要素，其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平（图2）。Slurry是CMP的关键要素之一，其性能直接影响抛光后表面的质量。Slurry一般由超细固体粒子研磨剂(如纳米级SiO2、Al2O3粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。固体粒子提供研磨作用，化学氧化剂提供腐蚀溶解作用。影响去除速度的因素有：slurry的化学成分、浓度；磨粒的种类、大小、形状及浓度；slurry的粘度、pH值、流速、流动途径等。Slurry的精确混合和批次之间的一致性对获得硅片与硅片、批与批的重复性是至关重要的，其质量是避免在抛光过程中产生表面划痕的一个重要因素。CabotMicroelectronics的亚太地区研发总监吴国俊博士介绍说，抛光不同的材料所需的slurry组成、pH值也不尽相同，最早也是最成熟的是氧化物研磨用slurry。用于氧化物介质的一种通用slurry是含超精细硅胶颗粒（均匀悬浮）的碱性氢氧化钾（KOH）溶液，或氢氧化胺（NH4OH）溶液。KOH类slurry由于其稳定的胶粒悬浮特性，是氧化物CMP中应用最广的一种slurry。K+离子是一种可移动的离子玷污，非常容易被互连氧化层，如硼磷硅玻璃（BPSG）俘获。NH4OH类的slurry没有可动离子玷污，但它的悬浮特性不稳定，并且成本较高。此类slurry的pH值通常为10-11，其中的水含量对表面的水合作用和后面的氧化物平坦化至关重要。在金属钨（W）的CMP工艺中，使用的典型slurry是硅胶或悬浮Al2O3粒子的混合物，溶液的pH值在5.0～6.5之间。金属的CMP大多选用酸性条件，主要是为了保持较高的材料去除速率。一般来说，硅胶粉末比Al2O3要软，对硅片表面不太可能产生擦伤，因而使用更为普遍。WCMP使用的slurry的化学成分是过氧化氢（H2O2）和硅胶或Al2O3研磨颗粒的混合物。抛光过程中，H2O2分解为水和溶于水的O2，O2与W反应生成氧化钨（WO3）。WO3比W软，由此就可以将W去除了。Slurry研究的最终目的是找到化学作用和机械作用的最佳结合，以致能获得去除速率高、平面度好、膜厚均匀性好及选择性高的slurry。此外还要考虑易清洗性、对设备的腐蚀性、废料的处理费用及安全性等问题。与二十多年前相比，slurry的研究已经从基于经验转变为成熟的基于理论和实践的结合。因此，最终用户可以更好地控制并提高系统和工艺的稳定性、可靠性及可重复性。Slurry急需“与时俱进”尽管CMP工艺在0.35μm节点就被广为采用，但是其发展和进步还是随着IC集成的发展“与时俱进”，特别是新材料和新结构为其带来了不少进步良机。“CMP工艺相当复杂，其发展速度一直处于IC制造工艺的前沿。”Entrepix的总裁兼CEOTimTobin说，“新材料包括了掺杂氧化物、稀有金属、聚合物、高k/低k材料以及III-V族半导体材料等，比较热门的前沿结构则有MEMS、TSV、3D结构以及新的纳米器件等（图3），所有这些新兴技术都是摆在CMP面前亟待解决的课题。也正因为如此，CMP在半导体整个制造流程中的重要性不言而喻，成本与性能的博弈是未来不得不面对的问题。”旅那么万，所且有这贺些芯基片制沉造的侍“新焦宠儿是”对摆于s雪lu斜rr怕y来饥说意拢味着再什么熔呢？胀“随竖着芯既片制路造技保术的译提升捐，对镰sl北ur兆ry把性能待的要洞求也沫愈发盗的严荐格。厚除了知最基苏本的宅质量轧要求炭外，剥如何概保证遮CM赶P工冠艺整夫体足勉够可块靠、寿如何泉保证尝sl肉ur鹅ry摊在全蛋部供像应链及（包豆括运妥输及狼储藏负）过靠程中豆稳定惊等，仇一直盲是s盘lu极rr病y过忍去和储现在哨面对仗的关阵键。坡摩尔鸡定律款推动勉技术活节点遍的代舰代前吩进，朴这将咸使s乱lu哲rr赔y的柱性能堆、质立量控陪制、欠工艺悲可靠血性及掩供应嚷稳定杂性面票临更目大的归挑战楼。”而王淑冒敏博枝士说箭。脚对于脖新材秩料来现说，政sl糠ur掠ry汪不仅以要有喇去除携材料蝶的能泊力，甚还要托保证界能够索适时牧恰当奶的停剖留在葵所要其求的傅薄膜稍层上旁。对惭于某祸些新尽材料街，如滨低k建材料穴，其叨亲水零性差睁，亲桶油性辛强，今多孔乌性和扯脆性表等特尊点还吉要求糕sl秒ur资ry裳的性荡能要饭足够满温和塔，否怒则会莲造成建材料道的垮组塌和屈剥离意。因岸此，香如何纤去除士线宽矛减小充和低葬k材转料带晒来的其新缺粱陷，剂如何货在减尚低研蝇磨压萄力的刊情况租下提绪高生步产率啦等也与是研时发的墨重点阳。“熄Ca只bo防t目荡前传掏统材阶料的钳sl丛ur烫ry育就包器括氧辟化物彼（D括35锣82坑和D防72粉00伙）、治Cu盼（C湾88缘00谋）、瓦Ba写rr友ie气r度（B险70骑00皆）等司，”命吴国绕俊博玉士说蠢，“误同时旷，其香它一责些新雹材料技，如级Ru绣、N悉it爷ri站de遗、S隆iC何等的越sl患ur古ry恭也有俩所涉同足。收”迷在新盖结构寄方面蚂，直玉接浅僻沟槽物隔离拿(D易ST煤I，摔Di际re书ct础S旨TI投）就扩是典党型的映代表否。由缴于D休ST闯I流CM君P应场用高叙选择塞比的倚sl锣ur婶ry耳，相伴较于害传统占的S贵TI好C冒MP也，它晶不需雄要额喇外的蜘刻蚀宵步骤蜜将大森块的疯有源椒区上纤的氧睡化硅粮薄膜街反刻台，可瑞以直右接研啊磨。折显然醉，传霉统的甲氧化绩物s伍lu届rr辛y已垒无法携满足另DS真TI侨C迫MP仔工艺乡的要视求，夏以C付e为心主要绳成分育的s铃lu别rr寿y成役为9幻0n片m以仿下节拔点D燃ST软I盯CM茶P工摆艺的穷首选重。B帮AS朋F已置经开搏始与培专业允化学昼品厂冈商E领vo欠ni余k摘In巴du成st犯ri妇es武A户G进丙行基呀于二挪氧化亭铈（吃Ce手O2言）的糊sl俱ur浅ry扣研发驱工作承。秤另一画新集倦成结腔构的扎典型蛾代表色就是伸高k渠/金还属栅咱结构号。“爽在4缎5n俩m技诊术节删点，掀高k赵/金坐属栅把结构桑得以见采用只，它嘉在为易芯片燥带来壮更好承性能着的同正时，秘也为予CM株P工哀艺和津sl碑ur售ry土带来侧了诸蜓多问浩题。瓜”T铺im罢T昨ob心in雨说。赢金属唇栅的顿CM拖P过玩程通倍常可恨分为朴两步遣：氧钢化物扁的C太MP帐和金镜属栅摘的C愤MP斤（图四4）柔。在敢氧化军物C贱MP催中，零首先丈是要敢求氧躲化物斑的有销效平慕坦化捏，其柄次是贫多晶县硅的网打开构，这热要求永CM辆P后俱的薄画膜要距能够元停留谋在恰翅当位山置。再在金著属栅衬的C漠MP偷中，冲栅极豪材料赵具有校一定贞的特魄殊性危，特练别是己未来步极有罪可能滋被采溜用的时钌（匠Ru中th乳en袜iu茂m）章、铂绿（P身la矩ti阴nu惹m）爹等金傲属很仆有可奏能成煮为金权属栅阅材料竞的新傲选择筛。这础就要询求所爹选择傍的s冤lu纽rr愚y能膝够将永栅极恢材料峡去除涛，e赶nd胶po挺in粱t的傍控制幻是关室键和洋难点臂。此差外不禁能有拒金属稻残留桌和尽贱可能陈少的糖di叔sh视in者g缺孩陷。筐当然搭，s界lu沙rr炭y本饲身也况不能层在栅告极部之分带以来额糠外的索残留性物。秘降低垄缺陷牌是C随MP堡工艺展，乃邀至整放个芯滩片制什造的恋永恒每话题睛。王协淑敏架博士才介绍争说，耳半导收体业寺界对剂于C泳MP患工艺爹也有似相应昂的“茎潜规被则”畅，即创CM要P工愁艺后伞的器畅件材型料损巨耗要躲小于守整个猴器件伐厚度肯的1可0%丑。也界就是图说s连lu税rr于y不蒙仅要限使材盏料被晋有效可去除缩，还即要能勾够精的准的野控制趟去除竞速率道和最择终效省果。稼随着度器件三特征贷尺寸掀的不西断缩房小，参缺陷添对于距工艺含控制未和最梯终良砖率的叹影响茄愈发辽的明于显，向致命瓣缺陷痛的大厌小至雕少要愁求小课于器片件尺捕寸的按50拣%（敲图5洞）。姓新缺宗陷的超不断姿出现艳，为爽sl些ur等ry似的研搞发带告来了聋极大绕的困影难。妙东新型贴sl籍ur钢ry选创意嗓无限朗吴国居俊博飘士认嫩为，杏尽管么目前吃的研味磨颗猫粒仍扒为S裕iO奴2、醋Al求2O菠3和横Ce辞O2孝为主摄，但炎是s魄lu袖rr境y的与整体很趋势出朝着机更强盛的化旗学反蓄应活栋性、鸡更温睛和的馒机械淹作用幼的方唱向发深展。悉这将我促进角柔软意研磨闯颗粒衬的研砌发，岸从而腐减少葡在低万k绝及缘材垄料表药面产喷生线岭状划鹅痕的泊可能宣。在窄sl著ur蝶ry坐中采该用混吹合型摘的颗罚粒，努即聚冒合物简与传门统陶爽瓷颗箱粒的苏结合陷体，烤在平趋整度望改善龙以及荣缺陷被度降寻低方古面展底示出寺了良污好的搅前景谱。碌陶瓷唯颗粒辣通常飘具有偏较强折的研这磨能汉力，宪因此宵去除鄙率较郑高，律但同居时这陶也会梅在与董硅片提接触祥点附阀近产误生更税强的悲局部不压强虾。很际多时项候，辜这会赛导致劳缺陷勾的产苏生。稼因此纱，研秘磨颗挠粒的捏形状者变得省至关爽重要误（边篮缘尖稿锐的池或是乌圆滑衰的）彼，而仇通常秤这依雨赖于刘sl吗ur隙ry选颗粒幕的合哈成工则艺。逃与陶卵瓷颗论粒相榴反，就聚合电物颗俊粒通絮常比锹较柔见软，稠具有耐弹性弟且边手缘圆踩滑，歌因此饺能够弓将所河施加评的应熊力以测一种寄更加复温和昆、分铃布均天匀的麻方式滥传递竹到硅籍片上设。理旦论上脚讲，特带聚床合物肥外壳批的陶骆瓷颗受粒能利够将再这两桃者的股优点暗完美废的结坟合在败一起截，因勿为坚工硬的拜颗粒文可以骆以一蛾种非台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