CM化學(xué)機械拋光Slurry的蛻與進3

CMPSlurry的蛻與進岳飛曾說：“陣而后戰(zhàn)，兵法之常，運用之妙，存乎一心?！币馑际钦f，擺好陣勢以后出戰(zhàn)，這是打仗的常規(guī)，但運用的巧妙靈活，全在于善于思考。正是憑此理念，岳飛打破了宋朝對遼、金作戰(zhàn)講究布陣而非靈活變通的通病，屢建戰(zhàn)功。如果把化學(xué)機械拋光(CMP，ChemicalMechanicalPolishing)的全套工藝比作打仗用兵，那么CMP工藝中的耗材，特別是slurry的選擇無疑是“運用之妙”的關(guān)鍵所在?！霸絹碓狡健钡腎C制造2006年，托馬斯?弗里德曼的專著《世界是平的》論述了世界的“平坦化”大趨勢，迅速地把哥倫布苦心經(jīng)營的理論“推到一邊”。對于IC制造來說，“平坦化”則源于上世紀(jì)80年代中期CMP技術(shù)的出現(xiàn)。CMP工藝的基本原理是將待拋光的硅片在一定的下壓力及slurry（由超細顆粒、化學(xué)氧化劑和液體介質(zhì)組成的混合液）的存在下相對于一個拋光墊作旋轉(zhuǎn)運動，借助磨粒的機械磨削及化學(xué)氧化劑的腐蝕作用來完成對工件表面材料的去除，并獲得光潔表面（圖1）。1988年IBM開始將CMP工藝用于4MDRAM器件的制造，之后各種邏輯電路和存儲器件以不同的發(fā)展規(guī)模走向CMP。CMP將納米粒子的研磨作用與氧化劑的化學(xué)作用有機地結(jié)合起來，滿足了特征尺寸在0.35μm以下的全局平坦化要求。目前，CMP技術(shù)已成為幾乎公認的惟一的全局平坦化技術(shù)，其應(yīng)用范圍正日益擴大。目前，CMP技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成以化學(xué)機械拋光機為主體，集在線檢測、終點檢測、清洗等技術(shù)于一體的CMP技術(shù)，是集成電路向微細化、多層化、薄型化、平坦化工藝發(fā)展的產(chǎn)物。同時也是晶圓由200mm向300mm乃至更大直徑過渡、提高生產(chǎn)率、降低制造成本、襯底全局平坦化所必需的工藝技術(shù)。Slurry的發(fā)展與蛻變“CMP技術(shù)非常復(fù)雜，牽涉眾多的設(shè)備、耗材、工藝等，可以說CMP本身代表了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的眾多挑戰(zhàn)?！卑布㈦娮拥腃EO王淑敏博士說，“主要的挑戰(zhàn)是影響CMP工藝和制程的諸多變量，而且這些變量之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜。其次是CMP的應(yīng)用范圍廣，幾乎每一關(guān)鍵層都要求用到CMP進行平坦化。不同應(yīng)用中的研磨過程各有差異，往往一個微小的機臺參數(shù)或耗材的變化就會帶來完全不同的結(jié)果，slurry的選擇也因此成為CMP工藝的關(guān)鍵之一?！盋MP技術(shù)所采用的設(shè)備及消耗品包括：拋光機、slurry、拋光墊、后CMP清洗設(shè)備、拋光終點檢測及工藝控制設(shè)備、廢物處理和檢測設(shè)備等。其中slurry和拋光墊為消耗品。Praxair的研發(fā)總監(jiān)黃丕成博士介紹說，一個完整的CMP工藝主要由拋光、后清洗和計量測量等部分組成。拋光機、slurry和拋光墊是CMP工藝的3大關(guān)鍵要素，其性能和相互匹配決定CMP能達到的表面平整水平（圖2）。Slurry是CMP的關(guān)鍵要素之一，其性能直接影響拋光后表面的質(zhì)量。Slurry一般由超細固體粒子研磨劑(如納米級SiO2、Al2O3粒子等)、表面活性劑、穩(wěn)定劑、氧化劑等組成。固體粒子提供研磨作用，化學(xué)氧化劑提供腐蝕溶解作用。影響去除速度的因素有：slurry的化學(xué)成分、濃度；磨粒的種類、大小、形狀及濃度；slurry的粘度、pH值、流速、流動途徑等。Slurry的精確混合和批次之間的一致性對獲得硅片與硅片、批與批的重復(fù)性是至關(guān)重要的，其質(zhì)量是避免在拋光過程中產(chǎn)生表面劃痕的一個重要因素。CabotMicroelectronics的亞太地區(qū)研發(fā)總監(jiān)吳國俊博士介紹說，拋光不同的材料所需的slurry組成、pH值也不盡相同，最早也是最成熟的是氧化物研磨用slurry。用于氧化物介質(zhì)的一種通用slurry是含超精細硅膠顆粒（均勻懸?。┑膲A性氫氧化鉀（KOH）溶液，或氫氧化胺（NH4OH）溶液。KOH類slurry由于其穩(wěn)定的膠粒懸浮特性，是氧化物CMP中應(yīng)用最廣的一種slurry。K+離子是一種可移動的離子玷污，非常容易被互連氧化層，如硼磷硅玻璃（BPSG）俘獲。NH4OH類的slurry沒有可動離子玷污，但它的懸浮特性不穩(wěn)定，并且成本較高。此類slurry的pH值通常為10-11，其中的水含量對表面的水合作用和后面的氧化物平坦化至關(guān)重要。在金屬鎢（W）的CMP工藝中，使用的典型slurry是硅膠或懸浮Al2O3粒子的混合物，溶液的pH值在5.0～6.5之間。金屬的CMP大多選用酸性條件，主要是為了保持較高的材料去除速率。一般來說，硅膠粉末比Al2O3要軟，對硅片表面不太可能產(chǎn)生擦傷，因而使用更為普遍。WCMP使用的slurry的化學(xué)成分是過氧化氫（H2O2）和硅膠或Al2O3研磨顆粒的混合物。拋光過程中，H2O2分解為水和溶于水的O2，O2與W反應(yīng)生成氧化鎢（WO3）。WO3比W軟，由此就可以將W去除了。Slurry研究的最終目的是找到化學(xué)作用和機械作用的最佳結(jié)合，以致能獲得去除速率高、平面度好、膜厚均勻性好及選擇性高的slurry。此外還要考慮易清洗性、對設(shè)備的腐蝕性、廢料的處理費用及安全性等問題。與二十多年前相比，slurry的研究已經(jīng)從基于經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓幕诶碚摵蛯嵺`的結(jié)合。因此，最終用戶可以更好地控制并提高系統(tǒng)和工藝的穩(wěn)定性、可靠性及可重復(fù)性。Slurry急需“與時俱進”盡管CMP工藝在0.35μm節(jié)點就被廣為采用，但是其發(fā)展和進步還是隨著IC集成的發(fā)展“與時俱進”，特別是新材料和新結(jié)構(gòu)為其帶來了不少進步良機?！癈MP工藝相當(dāng)復(fù)雜，其發(fā)展速度一直處于IC制造工藝的前沿?！盓ntrepix的總裁兼CEOTimTobin說，“新材料包括了摻雜氧化物、稀有金屬、聚合物、高k/低k材料以及III-V族半導(dǎo)體材料等，比較熱門的前沿結(jié)構(gòu)則有MEMS、TSV、3D結(jié)構(gòu)以及新的納米器件等（圖3），所有這些新興技術(shù)都是擺在CMP面前亟待解決的課題。也正因為如此，CMP在半導(dǎo)體整個制造流程中的重要性不言而喻，成本與性能的博弈是未來不得不面對的問題?！甭媚敲慈f，所且有這賀些芯基片制沉造的侍“新焦寵兒是”對擺于s雪lu斜rr怕y來饑說意攏味著再什么熔呢？脹“隨豎著芯既片制路造技保術(shù)的譯提升捐，對鐮sl北ur兆ry把性能待的要洞求也沫愈發(fā)盜的嚴(yán)薦格。厚除了知最基蘇本的宅質(zhì)量軋要求炭外，剝?nèi)绾胃疟ＷC遮CM趕P工冠藝整夫體足勉夠可塊靠、壽如何泉保證嘗sl肉ur鵝ry攤在全蛋部供像應(yīng)鏈及（包豆括運妥輸及狼儲藏負）過靠程中豆穩(wěn)定驚等，仇一直盲是s盤lu極rr病y過忍去和儲現(xiàn)在哨面對仗的關(guān)陣鍵。坡摩爾雞定律款推動勉技術(shù)活節(jié)點遍的代艦代前吩進，樸這將咸使s亂lu哲rr賠y的柱性能堆、質(zhì)立量控陪制、欠工藝悲可靠血性及掩供應(yīng)嚷穩(wěn)定雜性面票臨更目大的歸挑戰(zhàn)樓?！倍跏缑懊舨┲κ空f箭。腳對于脖新材秩料來現(xiàn)說，政sl糠ur掠ry汪不僅以要有喇去除攜材料蝶的能泊力，甚還要托保證界能夠索適時牧恰當(dāng)奶的停剖留在葵所要其求的傅薄膜稍層上旁。對慚于某禍些新盡材料街，如濱低k建材料穴，其叨親水零性差睜，親桶油性辛強，今多孔烏性和扯脆性表等特尊點還吉要求糕sl秒ur資ry裳的性蕩能要飯足夠滿溫和塔，否怒則會蓮造成建材料道的垮組塌和屈剝離意。因岸此，香如何纖去除士線寬矛減小充和低葬k材轉(zhuǎn)料帶曬來的其新缺粱陷，劑如何貨在減尚低研蠅磨壓萄力的刊情況租下提緒高生步產(chǎn)率啦等也與是研時發(fā)的墨重點陽?！跋–a只bo防t目蕩前傳掏統(tǒng)材階料的鉗sl叢ur燙ry育就包器括氧辟化物彼（D括35鑼82坑和D防72粉00伙）、治Cu盼（C灣88緣00謀）、瓦Ba寫rr友ie氣r度（B險70騎00皆）等司，”命吳國繞俊博玉士說蠢，“誤同時曠，其香它一責(zé)些新雹材料技，如級Ru繡、N悉it爺ri站de遺、S隆iC何等的越sl患ur古ry恭也有倆所涉同足。收”迷在新蓋結(jié)構(gòu)寄方面螞，直玉接淺僻溝槽物隔離拿(D易ST煤I，摔Di際re書ct礎(chǔ)S旨TI投）就擴是典黨型的映代表否。由繳于D休ST闖I流CM君P應(yīng)場用高敘選擇塞比的倚sl鑼ur嬸ry耳，相伴較于害傳統(tǒng)占的S貴TI好C冒MP也，它晶不需雄要額喇外的蜘刻蝕宵步驟蜜將大森塊的瘋有源椒區(qū)上纖的氧睡化硅糧薄膜街反刻臺，可瑞以直右接研啊磨。折顯然醉，傳霉統(tǒng)的甲氧化績物s伍lu屆rr辛y已壘無法攜滿足另DS真TI僑C迫MP仔工藝鄉(xiāng)的要視求，夏以C付e為心主要繩成分育的s鈴lu別rr壽y成役為9幻0n片m以仿下節(jié)拔點D燃ST軟I盯CM茶P工擺藝的窮首選重。B幫AS朋F已置經(jīng)開搏始與培專業(yè)允化學(xué)晝品廠岡商E領(lǐng)vo欠ni余k摘In巴du成st犯ri婦es武A戶G進丙行基呀于二挪氧化亭鈰（吃Ce手O2言）的糊sl俱ur淺ry扣研發(fā)驅(qū)工作承。秤另一畫新集倦成結(jié)腔構(gòu)的扎典型蛾代表色就是伸高k渠/金還屬柵咱結(jié)構(gòu)號?！八?緞5n倆m技診術(shù)節(jié)刪點，掀高k趙/金坐屬柵把結(jié)構(gòu)桑得以見采用只，它嘉在為易芯片燥帶來壯更好承性能著的同正時，秘也為予CM株P(guān)工哀藝和津sl碑ur售ry土帶來側(cè)了諸蜓多問浩題。瓜”T鋪im罷T昨ob心in雨說。贏金屬唇柵的頓CM拖P過玩程通倍?？珊薹譃闃銉刹角玻貉蹁摶锉獾腃太MP帳和金鏡屬柵摘的C憤MP斤（圖四4）柔。在敢氧化軍物C賤MP催中，零首先丈是要敢求氧躲化物斑的有銷效平慕坦化捏，其柄次是貧多晶縣硅的網(wǎng)打開構(gòu)，這熱要求永CM輛P后俱的薄畫膜要距能夠元停留謀在恰翅當(dāng)位山置。再在金著屬柵襯的C漠MP偷中，沖柵極豪材料趙具有校一定貞的特魄殊性危，特練別是己未來步極有罪可能滋被采溜用的時釕（匠Ru中th乳en襪iu茂m）章、鉑綠（P身la矩ti陰nu惹m）爹等金傲屬很仆有可奏能成煮為金權(quán)屬柵閱材料競的新傲選擇篩。這礎(chǔ)就要詢求所爹選擇傍的s冤lu紐rr愚y能膝夠?qū)⒂罇艠O恢材料峽去除濤，e趕nd膠po挺in粱t的傍控制幻是關(guān)室鍵和洋難點臂。此差外不禁能有拒金屬稻殘留桌和盡賤可能陳少的糖di叔sh視in者g缺孩陷?？甬?dāng)然搭，s界lu沙rr炭y本飼身也況不能層在柵告極部之分帶以來額糠外的索殘留性物。秘降低壟缺陷牌是C隨MP堡工藝展，乃邀至整放個芯灘片制什造的戀永恒每話題睛。王協(xié)淑敏架博士才介紹爭說，耳半導(dǎo)收體業(yè)寺界對劑于C泳MP患工藝爹也有似相應(yīng)昂的“莖潛規(guī)被則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