化学机械抛光工艺(CMP)全解(可编辑修改word版)

化学机械抛光液（CMP）氧化铝抛光液具体添加剂CMPCMPCMPCMPCMPSiO2CMPMRRCMP，CMPCMPVLSI制造技术的课程回顾，归纳了课程收获，总结了课程感悟。关键词：CMP、研磨液、平均磨除速率、设备Abstract：ThisarticlefirstdefinedandintroducesthebasicworkingprincipleoftheCMPprocess,andthen,byintroducingtheCMPsystem,fromtheperspectiveofprocessequipmentqualitativeanalysistounderstandtheworkingprocessoftheCMP,andbyintroducingtheCMPprocessparameters,makequantitativeunderstandingonCMP.Inliteratureprecision,introduceaCMPmodelofSiO2,whichtakesintoaccounttheparticlesize,concentration,distributionofgrindingfluidvelocity,polishingpotentialterrain,materialperformance.Aftertest,theexperimentresultcomparedwiththemodel.MRRmodelcanbeusedintheCMPsimulation,CMPprocessparameteroptimizationaswellasthenextgenerationofCMPequipmentresearchanddevelopment.ThroughthereviewofVLSImanufacturingtechnologycourse,finallysumsupthecourse,summedupthecourse.Keyword:CMP、slumry、MRRs、device前言0.25μmCVD，CVD,90年代兴起的化学机械抛光技术（CMP）则从加工性能和速度上同时满足硅片图形加工的要求，其也是目前唯一可以实现全局平坦化的技术[1]。基本原理CMPCMPCMP[2]的物质；应生成的物质。CMP[4](1)平均磨除率(MRR)在设定时间内磨除材料的厚度是工业生产所需要的。(2)CMPCMPCMP台阶高度的百分比。CMP表面缺陷CMPCMPCMP[5]（1）CMPCMP其中研磨液和抛光垫为消耗品。图1. CMP设备组成（1)抛光头组件（的下压力系统，以及调节晶圆的定位环系统。图2.抛光头组件（2）研磨盘CMP制抛光头压力大小、转动速度、开关动作、研磨盘动作的电路和装置。(3)抛光垫（通常使用聚亚胺脂(Polyurethane)4575抛光垫有软垫，硬垫之分[6]。图3.抛光垫（左软，右硬）（（均性,抛光液中固体颗粒较小,因此可以增加光洁度,同时去除粗抛时留下的损伤层。故采用粗精抛相结合的办法,既可保持晶片的平行度、平整度,又可达到去除损伤层及保持硅片表面高光洁度的目的。的磨蚀粒子送入硅片表面并去除副产品。在使用中,抛光垫在对若干片晶片进行抛光后被研磨得十分平整,同时孔内填满了磨料粒子和片子表面的磨屑聚集之下降,同时还会使硅片表面产生划伤,对电路元件造成损伤。的使用寿命。（4）抛光垫修整器 图4.抛光垫调整器 图5.抛光垫调整器表面抛光垫调整器[7]（（CVD（5）(5)研磨液系统研磨液[8]1。被抛光材料磨粒研磨液添加物研磨液pH值介质二氧化硅SiO2,CeO2,ZrO2Al2O3,Mn2O3KOH,NH2OH10~13金属钨Al2O3,Mn2O3KIO3,Fe(NO3)2,H2O22~6铝SiO2KIO3,Fe(NO3)2,H2O22~6铜Al2O3KIO3,Fe(NO3)2,H2O22~6表1.研磨液成分研磨液供给与输送系统CMPCMPCMPCMP平均抛光速率方面起着巨大的作用。②研磨液供给与输送系统实现的目标：通过恰当设计和管理研磨液供给与输送CMPCMP效果。研磨液组分通常是分开存储（图6），使用时按比例混合使用。图6.研磨液混合系统（LFC:流量控制装置）③研磨液混合和输送设备的设计特点：可以为每种研磨液设置特定的淀积率和分散率。④抛光研磨液后处理：作为消耗品，研磨液一般是一次性使用。CMP本。抛光研磨液的后处理研究将是未来的新研究热点。终点检测设备[9]CMP1)检测电流终点检测。CMP改变来保证不变的旋转速率，监测马达电流来测终点。2)光学干涉法终点检测图7.电介质光干涉终点检测 图8.后CMP清洗刷子（期变化，电解质薄膜厚度的变化可以由反射光的变化来监测。图9.光学测金属CMP终点CMP（9金属层被磨除（9）时表面反射率大幅减少，通过这种方法可测终点。CMP[10]三步法:清洁,冲洗,干燥。（允许化学物质渗入并传递到晶圆表面CMP单抛光头旋转式系统 CMP转动设备是用以玻璃陶瓷或其他金属的磨平抛设备为基础的，这种设备由单个研磨盘和单个抛光头构成。多抛光头旋转式CMP系统 随着生产力需求和缺陷标准提高出现了多研头的旋转体系，这类设备有很多种。多研磨盘CMP系统 由于Auriga公司和Symphony公司的设备缺乏灵活性，例如加工的硅片片数是22片而不是25片硅片就不能发挥它们生产力高的优点轨道式CMP系（图10） 由于对于工艺的灵活性和生产力的需求提高，IPEC公司开发出了676轨道式CMP系统。图10.轨道式CMP系统 图11.线性CMP系统线性CMP系（图11） 最后有些公司开发出能够实现高线速度的线性CMP系统。CMP设备参数研磨液参数抛光垫/背垫参数CMP对象薄膜参数抛光时间磨粒大小硬度种类研磨盘转速磨粒含量密度厚度抛光头转速磨粒的凝聚度空隙大小硬度抛光头摇摆度酸碱度弹性化学性质背压氧化剂含量背垫弹性图案密度下压力流量修整粘滞系数2.CMP1.抛光头压力压力越大，磨除速率越快。抛光头与研磨盘间的相对速度抛光速率随着抛光头与研磨盘间的相对速度的增大而增大。抛光垫抛光垫是在CMP中决定抛光速率和平坦化能力的一个重要部件。①碎片后为防止缺陷而更换抛光垫。②优化衬垫选择以便取得好的硅片内和硬膜内的均匀性和平坦化(建议采用层叠或两层垫)。③运用集成的闭环冷却系统进行研磨垫温度控制。④孔型垫设计、表面纹理化、打孔和制成流动渠道等有利于研磨液的传送。⑤CMP前对研磨垫进行修正、造型或平整。⑥有规律地对研磨垫用刷子或金刚石修整器做临场和场外修整。CMP磨粒CMPCMPCMP，ILDCMP(CeO2SiO2磨粒的抛光速。

PA2A sp w2②磨含量磨含指研磨液中磨粒质量的百分数 E p pw即(磨粒质量/研磨液质量)×100%③磨粒大小及硬度：随着微粒尺寸和硬度的增加，去除速率也随之增加。但会去除材料的硬度小。要不能使平坦化的表面产生凹痕和擦伤等表面缺陷。抛光时其抛光速率的不同，这就是研磨液的选择性。pHMRR温度对去除率的影响 CMP在加工过程中无论是酸性液体还是碱性液体在与去除材料的化学反应中都是放热的反应，造成温度的上升，同时在加工过程中由于抛光头的压力作用和抛光头及研磨盘的旋转具有做功的情况所以有能量的释放，造成温度的上升。薄膜特性 CMP研磨薄膜材料的性质(化学成分硬度密度表面状况等)影响抛光速度和抛光效果。文献精读SiO2CMP（MRR）模型[13]CMP考虑磨粒尺寸，浓度，分布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。模型推导根据G—W模型[14]和接触原理[15],CMP中一个平滑晶圆和一个自由粗糙抛光垫在F作用力下真实接触面积为：真实接触压力为：早期研究证明，颗粒尺寸分布满足一个密度方程（Φ（D））[16],得到活跃颗粒数量表达式：根据活性粒子数量和颗粒密度，得到平均MRR：而MRR分布模型[17]可表示为：C

1p2r

EpwR fsR

p实验过程IC10TlfSuaIV2设计易用，n qA

2 1DdD W sP W

DdD能连续rPECVD200mmT1.5O2。CME用的是旋转D W

P

PWD抛光器（GnPOLI500）27.5KPa34.74KP；研磨液流速是150ml/min；转速40rpm；用到四种不同直径研磨液（表4）；颗4

W/l

2PVre.avg

,212.wt%CMPT5.88Ka40rpm3转0g1min-McT500SL)141个3

C

2MRRs；3mmW

P

PW x,yV

x,yMRRx,yMRRn

re.avg 变量名称 变量名称 n.avg re.avg单 σp垫粗糙度标准误差30μmRp垫粗糙读平均半径25μmEp垫材料杨氏模量10MPaυp垫材料泊松比率0.2-EaSiO2颗粒杨氏模量94GPaυaSiO2颗粒泊松比率0.26-ρaSiO2颗粒密度2270Kg/m3ρs研磨液密度1040Kg/m3EwSiO2杨氏模量66GPaυwSiO2泊松比率0.3-HwSiO2硬度18GPa

V 表3.模型参量数值实验过程IC1000SubaIVPECVD200mm1.5μmSiO2CMPPOLI500）150ml/min40rpm；用到四种不同直径研磨液（4）；颗5.88KPa40rpm，盘转1min(K-MacST5030-SL)41MRRs；3mm。研磨液平均直径（nm）标准误差（nm）D1313.33.7D2222.44.4D6160.912.5D118117.726.4表4.CMP实验研磨液实验结果分析测得颗粒尺寸分布为离散分布，离散密度公式用来计算颗粒总数图12.研磨液颗粒尺寸分布图13.平均颗粒尺寸与平均MRRs关系图14.颗粒质量百分比与平均MRRs关系13，并与公式模D13D11814模型所得曲线比较5wt%一直增加，说明活性颗粒数量与磨除速率成正比。图15.不同颗粒直径下试验与模型MRR分布 图16.不同颗粒密度下实验与模型MRR分布图15和图16表明，试验结果符合模型假设，验证了模型的正确性。结论SiO2CMPMRRCMP设备的研发。学习体会VLSI及对每次上台作报告同学的点评，都使我获益匪浅。参考文献：刘玉岭,檀柏梅,张楷亮.超大规模集成电路衬底材料性能及加工测试工程北京：冶金工业出版社,2002.LeeHS,JeongHD.Chemicalandmechanicalbalanceinpolishingofelectronicmaterialsfordefect-freesurfaces.CIRPAnnals-ManufacturingTechnology2009;58:485–90.ZantyePB,KumarA,SikderAK.Chemicalmechanicalplanarizationformicroelectronicsapplications.MaterialsScienceandEngineeringR2004;45:89–220.SteigerwaldJM,ShyamP,GutmannM,GutmannRJ.Chemicalmechanicalplanarizationofmicroelectronicmaterials.NewYork:Wiley;1997.LeeH,JooS,JeongH.Mechanicaleffectofcolloidalsilicaincopperchemicalmechanicalplanarization.JournalofMaterialsProcessingTechnology2009;209:6134–9.Larsen-BasseJ,LiangH.Probableroleofabrasioninchemo-mechanicalpolishingoftungsten.Wear1999;233-235:647–54.CookLM.Chemicalprocessinglasspolishing.JournalofNon-CrystallineSolids1990;120:152–71.TomozawaM.OxideCMPmechanisms.SolidStateTechnology1997;40:39–53.ShouhongTang,高仰月译.用白光干涉测量法描述化学机械抛光面[J].电子工业专用设备,2006,141,19-23.雷红,CMP后清洗技术的研究进展[J].上海大学纳米科学与技术研究中心,2008;200444.NogamiM,TomozawaM.Effectofstressonwaterdiffusioninsilicaglass.JournaloftheAmericanCeramicSociety1984;67:151–4.PrestonFW.Thetheoryanddesignofplateglasspolishingmachine.JournaloftheSocietyofGlassTechnology1927;11:214–56.H.S.Leea,H.D.Jeonga,D.