集成电路封装材料-化学机械抛光液

化学机械抛光液微细连接材料-凸点材料CMP(ChemicalMechanicalPolishing-CMP)发展史1983:CMP制程由IBM发明。1986:氧化硅CMP（Oxide-CMP）开始试行。1988:金属钨CMP（WCMP）试行。1992:CMP开始出现在SIARoadmap。1994:台湾的半导体生产厂第一次开始将化学机械研磨应用于生产中。1998:IBM首次使用铜制程CMP。化学机械抛光技术（ChemicalMechanicalPolishing,CMP）是集成电路制造中获得晶圆全局平坦化的一种手段，是目前机械加工中最好的可实现全局平坦化的超精密的工艺技术，这种技术是为了能够获得低损伤的、即平坦又无划痕和杂质等缺限的表面而专门设计的，加工后的表面具有纳米级面型精度及亚纳米级表面粗糙度，同时表面和亚表面无损伤，已接近表面加工的极限。图10-1化学机械抛光工艺示意图CMP机台的基本构造(I)压力pressure平台Platform研磨垫Pad芯片Wafer研磨液SlurryWafercarrier终点探测EndpointDetection钻石整理器DiamondConditionerIntroductionofCMP化学机械抛光基本原理：让待抛光的晶圆在施加一定的压力及抛光垫上有化学机械抛光液存在条件下相对于抛光垫做旋转运动，借助化学机械抛光液中存在的固体磨粒的机械磨削及抛光液的化学腐蚀等综合因素的作用来完成工件表面微突起的除。整个工艺过程，待抛光晶圆表面需要去除的材料首先与抛光液中化学成分发生化学反应，将不溶物质转化为易溶的化学反应物，然后通过超细固体粒子研磨剂的机械磨削作用将化学反应物去除，最终可获得超光滑表面。化学机械抛光技术的优势：（1）可同时实现局部和大面积的全局平坦化。（2）该技术结合了机械磨削抛光和化学腐蚀抛光两种作用，避免了单纯进行机械磨削抛光造成的表面损伤（划伤）和单纯进行化学腐蚀抛光带来的低效率等缺陷，在实现较高的去除速率的同时可以实现高的表面平整性和高度的一致性。（3）能够被化学机械抛光技术加工的材料适用范围广泛，包括集成电路结构中的半导体材料、介质材料及金属布线材料。没有平坦化情况下的PHOTOIntroductionofCMP（a）完全无平坦化（b）局部平坦化（c）全局平坦化图10-2

三种不同的平坦化的区别各种不同的平坦化状况

IntroductionofCMP没有平坦化之前平滑化局部平坦化全面平坦化StepHeight（高低落差）&LocalPlanarity（局部平坦化过程）高低落差越来越小H0=stepheight局部平坦化：高低落差消失IntroductionofCMP初始形貌对平坦化的影响ABCACBRRTimeIntroductionofCMP图10-3硅通孔铜化学机械抛光的主要缺陷DishingDielectricLossCuRecessCuErosionorCuPittingEdgeOverErosion（a）

蝶形坑缺陷

（b）铜腐蚀坑缺陷图10-4蝶形坑缺陷和铜腐蚀坑缺陷的扫描电镜照片化学机械抛光工艺是硅通孔全套工艺制程中的关键工艺之一，用到的主要材料是化学机械抛光液，通过化学和机械两方面作用，将晶圆表面的多余的材料和不规则结构除去而达到平坦化的目的。目录10.1化学机械抛光液在先进封装中的应用10.2化学机械抛光液类别和材料特性10.3化学机械抛光液的应用趋势10.4新技术与材料发展硅通孔化学机械抛光液（ChemicalMechanicalPolishingSlurry,CMPSlurry）是基于硅通孔技术的三维集成等先进集成电路封装中的关键材料。影响CMP质量的主要因素包括CMPSlurry的成分、黏度、比重、pH、磨料直径、磨料分散度；抛光垫的形状和质量；CMP的工艺参数和环境。10.1化学机械抛光液在先进封装中的应用抛光垫主要含有微量填充物（氧化铈、氧化锆等）的聚氨酯材料组成，抛光垫的作用是在CMP过程中基于离心力的作用将CMP液均匀地抛洒到抛光垫表面，确保晶圆能够全面接触到抛光液，同时CMP过程中的反应产物带出抛光垫。其质量、力学性能和表面组织性能将直接影响晶圆CMP后的表面质量，是关系到CMP效果的直接因素之一。10.1化学机械抛光液在先进封装中的应用化学机械抛光液参数设计要求全局平坦性表面形成钝化层最小化刻蚀速率抛光效果快速形成薄的表面控制抛光表面属性在抛光过程中尽可能降低内应力表面缺陷表面缺陷的尺寸与机械特性（硬度等）抛光液中固体含量尽可能低抛光液的处理表现稳定（化学稳定性、寿命等）表面与表面膜下层微粒反应的控制10.1化学机械抛光液在先进封装中的应用表10-1化学机械抛光工艺对化学机械抛光液的要求CMP主要性能指标：高的腐蚀抛光速率、好的全局平坦性、高的选择性、好的表面均匀性、CMP后清洗容易、残留物少及外界环境好坏和安全问题、CMP液自身寿命和化学稳定性等。10.1化学机械抛光液在先进封装中的应用硅通孔CMP液用户：涵盖芯片制造的前道工艺的各大芯片生产商，英特尔（Intel）、台积电（TSMC）、三星（Samsung）、意发半导体（STMicroelectronics）、格罗方半导体（GlobalFoundries）、中芯国际（SMIC）、联华电子（UnitedMicroelectronicsCorporationUMC）、海力士（Hynix）、美光（Micro）及后道工艺OSAT厂商，包括日月光（ASE）、矽品（SPIL）、安靠（Amkor）、长电科技（JCET,JiangsuChangdianTechnologyCo.JiangsuChangjiangElectronicsTechnologyCo.,Ltd.）同时硅通孔CMP液被生产微机电系统和光电芯片厂商使用。10.1化学机械抛光液在先进封装中的应用SemiconductorManufactuningInternationalCorporation

SMIC硅通孔CMP液供应商：卡博特（Cabot）、安集（Anji）、陶氏化学（DowChemical）、慧瞻材料（VersumMatrials）、日立成化（HitachiChemical）、Fujifilm等。均有自己的硅通孔CMP液产品线。卡博特和安集与国际上主要客户、主流设备供应商一起协作进行产品开发，产品覆盖率相对领先。10.1化学机械抛光液在先进封装中的应用硅通孔CMP液竞争关键点：技术指标和价格。技术指标包括研磨速率、选择比、表面缺陷的控制等，如对硅通孔铜抛光液来说，超高的铜抛光速率是首要的技术要求。价格方面：需要控制硅通孔铜抛光液的价格接近于传统集成电路中铜抛光液的价格。10.1化学机械抛光液在先进封装中的应用10.2化学机械抛光液类别和材料特性图10-5化学机械抛光的过程与机理化学机械抛光液主要由纳米磨料和化学试剂组成。化学机械抛光液通过化学试剂溶液的化学反应提供化学腐蚀作用，通过纳米磨料提供机械磨削作用。化学机械抛光液在化学机械抛光过程中同时起到冷却润滑、在抛光垫表面均匀分布磨料的排屑作用，一般用纯水来配制。10.2化学机械抛光液类别和材料特性纳米磨料是主要组成部分之一，承担CMP过程中的机械作用，在很多CMP体系中承担化学作用。分类：二氧化硅、氧化铈和氧化铝。本身特性：颗粒形状、硬度、粒径大小及分布，纯度，会对研磨特性和抛光质量产生影响。实际应用中，氧化铝硬度高，容易造成机械划伤，产生划痕，一般少用；二氧化硅溶胶黏度低，和CMP液中的其他成分共同作用可提高去除速率，是硅通孔CMP液常使用的磨料。10.2化学机械抛光液类别和材料特性化学试剂主要有氧化剂、金属络合剂、表面抑制剂、分散剂及其它助剂。氧化剂的作用是对铜进行氧化，形成一层致密的钝化膜，不同氧化剂对铜氧化效果不同，常用氧化剂有过氧化氢、高锰酸钾等。不溶的钝化膜与金属络合剂发生化学反应，生成可溶的络合物，被流动的抛光液带走（去除）。10.2化学机械抛光液类别和材料特性金属络合剂分为氨基类、羟基羧酸类、羟基铵酸类和有机磷酸等。其在酸性条件下对铜离子的络合效果较好，但酸性抛光液对铜的腐蚀性较强，需要引入表面抑制剂来抑制对铜的腐蚀。常用表面抑制剂为苯并三唑（1H-Benzotriazole，BTA）。分散剂减少溶液中纳米磨料的团聚，提高抛光液的分散稳定性。10.2化学机械抛光液类别和材料特性依据pH分：铜CMP抛光液主要分为酸性、中性和碱性抛光液体系。以酸性为主，具有腐蚀速率高、氧化稳定特点。缺点：（1）化学成分复杂。（2）选择比不高。（3）BTA给后续的清洗过程带来困难。（4）酸性溶液腐蚀易带来铜离子，给清洗带来困难。（5）Cu-BTA单分子膜只能在强机械作用下去除，在这种条件下Low-K介质层容易被破坏，损伤芯片结构。（6）对设备腐蚀性强，挥发严重。10.2化学机械抛光液类别和材料特性针对具体抛光工艺制程和被抛光材料的不同，不同种类的磨粒和化学试剂通过化学反应和机械抛光机理，达到芯片表面平坦化或特殊形貌的要求。依据正面、背面进行研磨抛光不同，分为1）正面铜/扩散阻挡层化学机械抛光液2）晶圆背面化学机械抛光液10.2化学机械抛光液类别和材料特性1）正面铜/扩散阻挡层化学机械抛光液硅通过芯片正面CMP工艺在实施之前要求使用铜、种子层、扩散阻挡层对一定深宽比（AspectRatio）的硅通孔进行填充，填充完成后晶圆正面被铜完全覆盖，下面依次为种子层、扩散阻挡层和绝缘层。10.2化学机械抛光液类别和材料特性10.2化学机械抛光液类别和材料特性图10-6填充完成的硅通孔典型结构硅通孔正面抛光三个过程：覆盖面铜的去除、表面残余铜的去除并停留在扩散阻挡层、扩散阻挡层和介质层的去除并停留在介质层。覆盖面铜（CuOver-burden）厚度一般为数微米到数十微米，要求高的抛光速率。硅通孔的浓度在数十到上百微米，而通孔的孔径为数微米到数十微米，硅通孔扩散阻挡层和绝缘层的厚度在几百纳米，对扩散阻挡层或绝缘层都有高抛光速率的要求。制程不同，绝缘层的下面分为氮化硅和没有氮化硅两种情况，对就要求抛光扩散阻挡层的抛光液有高选择比和非选择比两种。对于氮化硅去除制程，还需要高氮化硅/氧化硅选择比的抛光液。10.2化学机械抛光液类别和材料特性2）晶圆背面化学机械抛光液晶圆正面工艺制程结束后，正面会采用临时键合工艺与硅或玻璃等晶圆载体黏接，再对晶圆背面进行减薄和抛光。首先使用机械粗磨工艺把晶圆减薄到离硅通孔顶端约数微米的高度，然后使用CMP抛光。根据流程不同，分为硅/铜晶圆背面CMP液和铜/绝缘层晶圆背面CMP液。10.2化学机械抛光液类别和材料特性2）晶圆背面化学机械抛光液硅/铜晶圆背面CMP液的一种流程是使用对硅和铜有相近的抛光速率的抛光液直接进行研磨。同时对氧化硅、扩散阻挡层金属（钽或钛）有一定的研磨速率的要求。重要的是如何解决铜在硅表面污染和扩散问题。10.2化学机械抛光液类别和材料特性图10-7硅/铜晶圆背面化学机械抛光工艺示意图2）晶圆背面化学机械抛光液铜/绝缘层晶圆背面CMP工艺流程是精抛后使用刻蚀工艺，首先将硅的厚度进一步减薄，将硅通孔的铜柱在背面显露出来，一般露出的铜柱高度为十几微米；然后使用CVD工艺对表面进行绝缘材料镀膜，绝缘材料一般为氮化硅或氮化硅加氧化硅；接着进行CMP，对抛光液的要求是具有高的氧化硅和氮化硅抛光速率，同时可以很快对表面的铜柱进行平坦化。10.2化学机械抛光液类别和材料特性2）晶圆背面化学机械抛光液10.2化学机械抛光液类别和材料特性图10-8铜/绝缘层晶圆背面化学机械抛光工艺示意图第一代CMP液2008-2011年，包括硅通孔铜CMP液、硅通孔非选择比扩散阻挡层CMP液（分高TEOS/SiN选择比和高SiN/Si选择比），硅通孔晶圆背面BVR（经由背侧显露）CMP液、硅通孔晶圆背面Si/Cu抛光液。已实现商业化。新型（第二代）硅通孔CMP液研发从2013左右开始，价格成竞争力要求是第一位的。材料配方和应用方面开展创新优化，以大幅度降低成本。一些新型型更有价格优势的材料会研发。10.3化学机械抛光液的应用趋势新的技术指标要求：提高选择比、减小蝶形坑和腐蚀坑等缺陷，实现不同CMP工艺后的平进化控制，对表面缺陷的大小和数目提出了更高要求。10.3化学机械抛光液的应用趋势一方面，对硅通孔工艺成本不断挑战，产业界需要不断探索更低成本的新材料和新工艺来提供低成本解决方案，CMP液成分需要随之进行调整。如TEOS/SiN介质不断被尝试由Epoxy,DryFilm或PI一类的高分子有机物替代，随之要对这类介质进行CMP，需要开发新型的CMP液。另一方面，在类似硅通孔应用中，提出了同时抛光环氧塑封料和铜的需求，在一个制程中同时实现对硬度高但化学活泼性低的环氧塑封料和速度低但化学活泼性高的铜的CMP，对CMP液材料及相关工艺提出新挑战。10.4新技术与材料发展CMP制程的应用前段制程中的应用Shallowtrenchisolation(STI-CMP)后段制程中的应用Pre-mealdielectricplanarization(ILD-CMP)Inter-metaldielectricplanarization(IMD-CMP)Contact/Viaformation(W-CMP)DualDamascene(Cu-CMP)另外还有Poly-CMP,RGPO-CMP等。STI&OxideCMP什么是STICMP?所谓STI（ShallowTrenchIsolation），即浅沟槽隔离技术，它的作用是用氧化层来隔开各个门电路（GATE），使各门电路之间互不导通。STICMP主要就是将wafer表面的氧化层磨平，最后停在SIN上面。STICMP的前一站是CVD区，后一站是WET区。

STISTIOxideSINSTISTISINCMP前CMP后所谓OxideCMP包括ILD(Inter-levelDielectric)CMP和IMD(Inter-metalDielectric)CMP,它主要是磨氧化硅(Oxide),将Oxide磨到一定的厚度，从而达到平坦化。Oxide

CMP的前一站是长Oxide的CVD区，后一站是Photo区。

什么是OxideCMP?CMP前CMP后STI&OxideCMPW（钨）CMP流程-1Ti/TiNPVDWCMPTi/TiNN-WellP-WellP+P+N+N+WCVDTi/TiNN-WellP-WellP+P+N+N+WWCVD功能：Glue（粘合）andbarrier（阻隔）layer。以便W得以叠长。功能：长