化學機械拋光工藝CMP

化學機械拋光工藝（CMP）摘要：本文首先定義并介紹CMP工藝的基本工作原理，然后，通過介紹CMP系統(tǒng)，從工藝設備角度定性分析了解CMP的工作過程，通過介紹分析CMP工藝參數(shù)，對CMP作定量了解。在文獻精度中，介紹了一個SiO2的CMP平均磨除速率模型，其中考慮了磨粒尺寸，濃度，分布，研磨液流速，拋光勢地形，材料性能。經(jīng)過實驗，得到的實驗結(jié)果與模型比較吻合。MRR模型可用于CMP模擬，CMP過程參數(shù)最佳化以及下一代CMP設備的研發(fā)。最后，通過對VLSI制造技術的課程回顧，歸納了課程收獲，總結(jié)了課程感悟。關鍵詞：CMP、研磨液、平均磨除速率、設備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、deviceT 、乙、a.刖言隨著半導體工業(yè)飛速發(fā)展，電子器件尺寸縮小，要求晶片表面平整度達到納米級。傳統(tǒng)的平坦化技術，僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)局部平坦化，但是當最小特征尺寸達到0.25um以下時，必須進行全局平坦化。常見的傳統(tǒng)平面化技術很多。如熱流法，旋轉(zhuǎn)玻璃法，回蝕法，電子環(huán)繞共振法，選擇淀積，低壓CVD,等離子增強CVD,淀積-腐蝕-淀積法等。但它們都屬于局部平面化工藝，不能做到全局平面化。90年代興起的化學機械拋光技術(CMP)則從加工性能和速度上同時滿足硅片圖形加工的要求，其也是目前唯一可以實現(xiàn)全局平坦化的技術［1］。.基本原理CMP定義CMP就是用化學腐蝕和機械力對加工過程中的硅晶圓或其它襯底材料進行平滑處理。CMP工作原理⑵如圖1,將硅片固定在拋光頭的最下面，將拋光墊放置在研磨盤上，拋光時，旋轉(zhuǎn)的拋光頭以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，由亞微米或納米磨粒和化學溶液組成的研磨液在硅片表面和拋光墊之間流動，然后研磨液在拋光墊的傳輸和離心力的作用下，均勻分布其上，在硅片和拋光墊之間形成一層研磨液液體薄膜。研磨液中的化學成分與硅片表面材料產(chǎn)生化學反應，將不溶的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶物質(zhì)，或者將硬度高的物質(zhì)進行軟化，然后通過磨粒的微機械摩擦作用將這些化學反應物從硅片表面去除，溶入流動的液體中帶走，即在化學去膜和機械去膜的交替過程中實現(xiàn)平坦化的目的。其反應分為兩個過程⑶：化學過程：研磨液中的化學品和硅片表面發(fā)生化學反應，生成比較容易去除的物質(zhì)；物理過程：研磨液中的磨粒和硅片表面材料發(fā)生機械物理摩擦，去除化學反應生成的物質(zhì)。CMP主要參數(shù)⑷(1)平均磨除率(MRR)在設定時間內(nèi)磨除材料的厚度是工業(yè)生產(chǎn)所需要的。(2)CMP平整度與均勻性平整度是硅片某處CMP前后臺階高度之差占CMP之前臺階高度的百分比。⑶選擇比在CMP中，對不同材料的拋光速率是影響硅片平整性和均勻性的一個重要因素。(4)表面缺陷CMP工藝造成的硅片表面缺陷一般包括擦傷或溝、凹陷、侵蝕、殘留物和顆粒污染。2.4CMP系統(tǒng)CMP系統(tǒng)⑸(圖1)包括：CMP設備、研磨液(拋光液)、拋光墊、拋光終點檢測及工藝控制設備、后CMP清洗設備、漿料分布系統(tǒng)、廢物處理和測量設備。其中研磨液和拋光墊為消耗品。MembraneP「E$SUMembraneP「E$SU「e1PolishingPadPlaten圖1.CMP設備組成（1）拋光頭組件新型的拋光頭組件（圖2）具有用于吸附晶圓的真空吸附裝置，對晶圓施加壓力的下壓力系統(tǒng)，以及調(diào)節(jié)晶圓的定位環(huán)系統(tǒng)。下壓力系真空吸附裝置定位環(huán)定位環(huán)調(diào)節(jié)下壓力系真空吸附裝置定位環(huán)定位環(huán)調(diào)節(jié)背膜圖2.拋光頭組件（2）研磨盤研磨盤是CMP研磨的支撐平臺，其作用是承載拋光墊并帶動其轉(zhuǎn)動。它是控制拋光頭壓力大小、轉(zhuǎn)動速度、開關動作、研磨盤動作的電路和裝置。（3）拋光墊拋光墊（圖3）通常使用聚亞胺脂（Polyurethane）材料制造，利用這種多孔性材料類似海綿的機械特性和多孔特性，表面有特殊之溝槽，提高拋光的均勻性，墊上有時開有可視窗，便于線上檢測。通常拋光墊為需要定時整修和更換之耗材，一個拋光墊雖不與晶圓直接接觸，但使用售命約僅為45至75小時。拋光墊有軟墊，硬墊之分[6]圖3.拋光墊（左軟，右硬）硬墊（圖3,右）：較硬，拋光液固體顆粒大，拋光速度較快,平行度、平整度也較好，但表面較粗糙,損傷層較嚴重。軟墊（圖3，左）具有更好的硅片內(nèi)平均性，拋光液中固體顆粒較小，因此可以增加光潔度，同時去除粗拋時留下的損傷層。故采用粗精拋相結(jié)合的辦法，既可保持晶片的平行度、平整度,又可達到去除損傷層及保持硅片表面高光潔度的目的。拋光墊上有很多小孔，這些小孔有利于輸送漿料和拋光，還可用于將漿料中的磨蝕粒子送入硅片表面并去除副產(chǎn)品。在使用中，拋光墊在對若干片晶片進行拋光后被研磨得十分平整，同時孔內(nèi)填滿了磨料粒子和片子表面的磨屑聚集物，一旦產(chǎn)生釉化現(xiàn)象，就會使拋光墊失去部分保持研漿的能力，拋光速率也隨之下降，同時還會使硅片表面產(chǎn)生劃傷,對電路元件造成損傷。因此，拋光墊表面須定期地用一個金剛石調(diào)節(jié)器修整，這樣便可延長拋光墊的使用壽命。（4）拋光墊修整器DiamondGrits(-20pm)DiamondFilmSiliconSubstrateConditionerStainlessSteelPlateDiabond圖4.DiamondGrits(-20pm)DiamondFilmSiliconSubstrateConditionerStainlessSteelPlateDiabond圖4.拋光墊調(diào)整器圖5.拋光墊調(diào)整器表面WaferCarrier^lurrvDispenserPolishing'+<\Pad 'Conditioner拋光墊調(diào)整器⑺（圖4）作用是掃過墊表面提高表面粗糙度，除去用過的漿料。包含一個不銹鋼盤以及一個鍍銀（CVD金剛石層）的金剛石磨粒（圖5）。⑸研磨液系統(tǒng)1）研磨液⑻由磨粒、酸堿劑、純水及添加物構(gòu)成，其成分見表1。被拋光材料磨粒研磨液添加物研磨液pH值介質(zhì)二氧化硅SiO2CeO2ZrO2,2AlQ,MnQKOH,NH2OH10~13金屬鴇AlOMnOKIO,Fe(NO)HO2~6鋁2 3, 2 3SiO a 3 3—2—2—2—KIO,Fe(NO)HO2~6銅AlQ 3 3-2―2—2—KIO,Fe(NO)HO。2~6表1.研磨液成分2）研磨液供給與輸送系統(tǒng)①研磨液供給與輸送系統(tǒng)與CMP工藝之間的關系：研磨液中的化學品在配比混合輸送過程中可能有許多變化，這一點，使輸送給機臺的研磨液質(zhì)量與拋光工藝的成功形成了非常緊密的關系，其程度超過了與高純化學品的聯(lián)系。盡管CMP設備是控制并影響CMP工藝結(jié)果的主要因素，但是研磨液在避免缺陷和影響CMP的平均拋光速率方面起著巨大的作用。②研磨液供給與輸送系統(tǒng)實現(xiàn)的目標：通過恰當設計和管理研磨液供給與輸送系統(tǒng)來保證CMP工藝的一致性。研磨液的混合、過濾、滴定以及系統(tǒng)的清洗等程序會減輕很多與研磨液相關的問題。那么就要設計一個合適的研磨液的供給與輸送系統(tǒng)，完成研磨液的管理，控制研磨液的混合、過濾、濃度、滴定及系統(tǒng)的清洗，減少研磨液在供給、輸送過程中可能出現(xiàn)的問題和缺陷，保證CMP的平坦化研磨液組分通常是分開存儲（圖6）,使用時按比例混合使用。圖6.研磨液混合系統(tǒng)（LFC:流量控制裝置）③研磨液混合和輸送設備的設計特點：攪動：一般來講，研磨液中的固體顆粒經(jīng)過一段時間后會逐漸淀積，為了滿足特定的工藝要求，必須保持桶中和儲蓄罐中的液體均一，專業(yè)的研磨液系統(tǒng)制造商可以為每種研磨液設置特定的淀積率和分散率。④拋光研磨液后處理：作為消耗品，研磨液一般是一次性使用。隨著CMP市場的擴大，拋光研磨液的排放及后處理工作量也在增大（出于環(huán)保原因，即使研磨液不再重復利用，也必須先處理才可以排放）。而且，拋光研磨液價格昂貴，如何對拋光研磨液進行后處理，補充必要的化學添加劑，重復利用其中的有效成分，或降級使用，不僅可以減少環(huán)境污染，而且可以大大降低加工成本。拋光研磨液的后處理研究將是未來的新研究熱點。（6）終點檢測設備[9]終點檢測是檢測CMP工藝把材料磨除到一個正確的厚度的能力。檢測方法大致分為間接地對拋光晶片進行物理測定（電流），直接檢測晶片（光學）兩種。1）檢測電流終點檢測。CMP接近終點時，拋光墊與硅片摩擦力開始改變，拋光頭轉(zhuǎn)動馬達的電流會改變來保證不變的旋轉(zhuǎn)速率，監(jiān)測馬達電流來測終點。2）光學干涉法終點檢測圖7.電介質(zhì)光干涉終點檢測 圖圖7.電介質(zhì)光干涉終點檢測 圖8.后CMP清洗刷子電解質(zhì)光干涉法（圖7），反射光相互干涉，薄膜厚度的變化引起干涉狀態(tài)的周期變化，電解質(zhì)薄膜厚度的變化可以由反射光的變化來監(jiān)測。LaserPhotodetectorPhotodetectorUSGMetalFilmUSGLaserPhotodetectorPhotodetectorUSGMetalFilmUSG圖9.光學測金屬CMP終點反射率的改變可用來測金屬CMP終點，金屬表面有很高反射率(圖9左)，金屬層被磨除(圖9右)時表面反射率大幅減少，通過這種方法可測終點。(7)CMP后清洗[10]三步法:清潔，沖洗,干燥。后清洗目的主要是去除顆粒和其他化學污染物，用到去離子水及刷子，去離子水量越大，刷子壓力越大清洗效率越高。刷子(圖8)通常是多孔聚合物材質(zhì),允許化學物質(zhì)滲入并傳遞到晶圓表面2.5CMP設備的發(fā)展(1)單拋光頭旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)CMP轉(zhuǎn)動設備是用以玻璃陶瓷或其他金屬的磨平拋光設備為基礎的，這種設備由單個研磨盤和單個拋光頭構(gòu)成。(2)多拋光頭旋轉(zhuǎn)式CMP系統(tǒng)隨著生產(chǎn)力需求和缺陷標準提高，出現(xiàn)了多研磨頭的旋轉(zhuǎn)體系，這類設備有很多種。(3)多研磨盤CMP系統(tǒng)由于Auriga公司和Symphony公司的設備缺乏靈活性，例如加工的硅片片數(shù)是22片而不是25片硅片，就不能發(fā)揮它們生產(chǎn)力高的優(yōu)點。(4)軌道式CMP系統(tǒng)(圖10)由于對于工藝的靈活性和生產(chǎn)力的需求提高，IPEC公司開發(fā)出了676軌道式CMP系統(tǒng)。RelajnngRing-口山「刮Mogon.DowmForceWaferSuppQflFtoiCBeanrgEgftian。Pu幅hngCsriEfFilmRelajnngRing-口山「刮Mogon.DowmForceWaferSuppQflFtoiCBeanrgEgftian。Pu幅hngCsriEfFilmPcHiSftPad圖10.軌道式CMP系統(tǒng)(5)線性CMP系統(tǒng)(圖11)最后CMP系統(tǒng)。摘由以南n圍巾Sluny-oondlloner1U-圖11.線性CMP系統(tǒng)有些公司開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)高線速度的線性戶俅we 3kl用口窄力建f?Membrare2.6影響CMP效果的主要參數(shù)設備參數(shù)研磨液參數(shù)拋光墊/背墊參數(shù)CMP對象薄膜參數(shù)拋光時間磨粒大小硬度種類研磨盤轉(zhuǎn)速磨粒含量密度厚度拋光頭轉(zhuǎn)速磨粒的凝聚度空隙大小硬度拋光頭搖擺度酸堿度彈性化學性質(zhì)背壓氧化劑含量背墊彈性圖案密度下壓力流量修整粘滯系數(shù)表2.影響CMP效果的主要參數(shù).拋光頭壓力壓力越大，磨除速率越快。.拋光頭與研磨盤間的相對速度拋光速率隨著拋光頭與研磨盤間的相對速度的增大而增大。.拋光墊拋光墊是在CMP中決定拋光速率和平坦化能力的一個重要部件。①碎片后為防止缺陷而更換拋光墊。優(yōu)化襯墊選擇以便取得好的硅片內(nèi)和硬膜內(nèi)的均勻性和平坦化（建議采用層疊或兩層墊）。運用集成的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)進行研磨墊溫度控制。④孔型墊設計、表面紋理化、打孔和制成流動渠道等有利于研磨液的傳送。⑤CMP前對研磨墊進行修正、造型或平整。⑥有規(guī)律地對研磨墊用刷子或金剛石修整器做臨場和場外修整。4.研磨液研磨液是影響CMP速率和效果的重要因素，在半導體工藝中，針對SiO2、鴇栓、多晶硅和銅，需要用不同的研磨液來進行研磨。1）磨粒①磨粒材料：對不同的薄膜CMP和不同工藝的CMP要精心選擇磨粒材料。即使是對同種薄膜材料進行CMP，其磨粒材料不同，拋光速率也不同。例如對于ILD氧化硅進行CMP，采用二氧化鈰（CeO）作為磨粒的拋光速率比用氣相納米SiO為磨粒的拋光速率大約快3倍。 2 2②磨粒含量：磨粒含量是指研磨液中磨粒質(zhì)量的百分數(shù)。即（磨粒質(zhì)量/研磨液質(zhì)量）X100%,又叫磨粒濃度。對于硅拋光，在低磨粒含量時，在一定范圍內(nèi)對硅的拋光速率隨著磨粒含量的增加而增加，平整度趨于更好。這主要是由于，隨著磨粒含量的提高，研磨液中參與機械研磨的有效粒子數(shù)增多，拋光液的質(zhì)量傳遞作用提高，使平坦化速率增加，可以減小塌邊情況的發(fā)生。但并不是磨粒含量越高越好，當磨粒含量達到一定值之后，平坦化速率增加緩慢，且流動性也會受影響，成本也增加，不利于拋光。要通過實驗對確定的拋光對象找出一個最優(yōu)的磨粒含量。③磨粒大小及硬度：隨著微粒尺寸和硬度的增加，去除速率也隨之增加。但會產(chǎn)生更多的凹痕和劃傷。所以要很細心地選擇顆粒的大小和硬度，顆粒硬度要比去除材料的硬度小。要不能使平坦化的表面產(chǎn)生凹痕和擦傷等表面缺陷。2）研磨液的選擇性：對確定的研磨液，在同樣條件下對兩種不同的薄膜材料進行拋光時其拋光速率的不同，這就是研磨液的選擇性。3）研磨液中添加物的濃度與pH值：與MRR有直接關系。

.溫度對去除率的影響CMP在加工過程中無論是酸性液體還是堿性液體，在與去除材料的化學反應中都是放熱的反應，造成溫度的上升，同時在加工過程中，由于拋光頭的壓力作用和拋光頭及研磨盤的旋轉(zhuǎn)具有做功的情況，所以有能量的釋放，造成溫度的上升。.薄膜特性CMP研磨薄膜材料的性質(zhì)（化學成分、硬度、密度、表面狀況等）也影響拋光速度和拋光效果。.文獻精讀半經(jīng)驗SiOCMP磨除速率（MRR）模型［13］一. 2考慮磨粒尺寸，濃度，3.2模型推導根據(jù)G—W模型,在考慮磨粒尺寸，濃度，3.2模型推導根據(jù)G—W模型,在F作用力下真實接分布，研磨液流速，拋光勢地形，材料性能。接觸原理［斗也生中一個平滑晶圓和一個自由粗糙拋光墊Epw2Epw2Epw真實接觸壓力為:早期研究證明，粒數(shù)量表達熟（Da rDcrPV12））［16］,得到活躍顆早期研究證明，粒數(shù)量表達熟（Da rDcrPV12））［16］,得到活躍顆J+f>（D加EPWmrt根據(jù)活性粒

avg re.avgEPWW顆ATWavgrV(x,y))B-re.avg VV)' re.avg )實驗過程拋光墊上層用型號IC1000聚氨酯，基層用SubaIV氈型墊，這種設計易用，性能連續(xù)。用PECVD在200mm晶圓淀積1.5um厚SiO?層。CMP設備用的是旋轉(zhuǎn)拋光器（GnPP0LI500）。工作壓力是晶圓壓力27.5KP2；定位環(huán)壓力34.74KPa；研磨液流速是150ml/min；轉(zhuǎn)速40rpm；用到四種不同直徑研磨液（表4）；顆粒濃度為12.5wt%；CMP中，調(diào)節(jié)進程用壓力5.88KPa,調(diào)機器轉(zhuǎn)速40rpm，盤轉(zhuǎn)速60rpm；拋光1min后，用反射計（K-MacST5030-SL）測膜厚；每張晶圓選41個點測MRRs；邊緣去除3mm。

變量名稱值單位0墊粗糙度標準誤差30口m p R墊粗糙讀平均半徑25口m pE墊材料楊氏模量10MPa pU墊材料泊松比率0.2- pESiO顆粒楊氏模量 2 94GPaUSiO顆粒泊松比率 2 0.26-PSiO顆粒密度 2 2270Kg/m3P研磨液密度1040Kg/m3sESiO2楊氏模量66GPauSiO：泊松比率0.3-HSiO。硬度18GPa表3.模型參量數(shù)值實驗過程拋光墊上層用型號IC1000聚氨酯，基層用SubaIV氈型墊，這種設計易用，性能連續(xù)。用PECVD在200mm晶圓淀積1.5口m厚SiO2層。CMP設備用的是旋轉(zhuǎn)拋光器（GnPPOLI500）。工作壓力是晶圓壓力27.5KP；；定位環(huán)壓力34.74KPa；研磨液流速是150ml/min；轉(zhuǎn)速40rpm；用到四種不同直徑研磨液（表4）；顆粒濃度為12.5wt%；CMP中，調(diào)節(jié)進程用壓力5.88KPa,調(diào)機器轉(zhuǎn)速40rpm，盤轉(zhuǎn)速60rpm；拋光1min后，用反射計（K-MacST5030-SL）測膜厚；每張晶圓選41個點測MRRs；邊緣去除3mm。研磨液平均直徑（nm）標準誤差（nm）D1313.33.7D2222.44.4D6160.912.5D118117.726.4表4.CMP實驗研磨液實驗結(jié)果分析測得顆粒尺寸分布為離散分布，離散密度公式用來計算顆粒總數(shù)

圖13.平均顆粒尺寸與平均MRRs關系圖13.平均顆粒尺寸與平均MRRs關系圖12.研磨液顆粒尺寸分布圖14.顆粒質(zhì)量百分比與平均MRRs關系以平均顆粒尺寸為變量測平均磨除速率，得到結(jié)果曲線圖13,并與公式模型所得曲線比較，可以看出，公式模型與試驗結(jié)果相吻合，從D13到D61，磨除速率上升，到D118稍有下降，說明有一個最適尺寸。以顆粒質(zhì)量百分比為變量測平均磨除速率，得到結(jié)果曲線圖14，并與公式模型所得曲線比較，可以看出，公式模型與試驗結(jié)果相吻合，從5wt%到17.5wt%，MRR一直增加，說明活性顆粒數(shù)量與磨除速率成正比。-10C口電偃吶—7,5(Medel)u-10C口電偃吶—7,5(Medel)u12.5wlW(Eicp}-12.5(iModel)口17.5wi%任中j—IT,5un%解“叫Distancefromwafercenter(mm)100圖15.不同顆粒直徑下試驗與模型MRR分布圖16.不同顆粒密度下實驗與模型MRR分布圖15和圖16表明，試驗結(jié)果符合模型假設，驗證了模型的正確性。結(jié)論基于接觸力學，本文提供了一個SiO2的CMP模型，其中考慮了磨粒尺寸，濃度，分布，研磨液流速，拋光勢地形，材料性能。經(jīng)過試驗，得到的實驗結(jié)果與模型比較吻合。MRR模型可用于CMP模擬，CMP過程參數(shù)最佳化以及下一代CMP設 備 的 研 發(fā)。.學習體會在本學期的VLSI制造技術的課程學習中，我收獲很多。首先，因為上課人數(shù)少，獲得了兩次講報告的機會，使我閱讀文獻的能力得到很大提升，也鍛煉了作報告能力，同時學到很多新知識，其次，在聽其他同學報告時，也了解了很多各方面知識，最后，通過金老師對第一次報告的點評，我在第二次報告中改正了很多第一次中的不足，報告能力再次得到提升，同時，金老師淵博的專業(yè)知識以及對每次上臺作報告同學的點評，都使我獲益匪淺。參考文獻：[1]劉玉嶺，檀柏梅，張楷亮.超大規(guī)模集成電路襯底材料性能及加工測試工程[M].北京：冶金工業(yè)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.JournalofNonCrystallineSolids1990;120:152-71.TomozawaM.OxideCMPmechanisms.SolidStateTechnology1997;40:39-53.ShouhongTang,高仰月譯.用白光干涉測量法描述化學機械拋光面[J].電