CMP化學(xué)機械拋光Slurry的蛻與進(jìn)

1、CMP Slurry 的蛻與進(jìn)岳飛曾說： “陣而后戰(zhàn)，兵法之常，運用之妙，存乎一心。 ”意思是說，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 ，Chemical Mechanical Polishing） 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?”的 IC 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

2、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(xì)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 4M DRAM 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 0.35 m 以

3、下的全局平坦化 要求。目前， CMP 技術(shù)已成為幾乎公認(rèn)的惟一的全局平坦化技術(shù)，其應(yīng)用范圍 正日益擴(kuò)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(xì)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“ CMPJ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)。 ”安集微電子的 CEO 王淑敏博士說， “主要的挑戰(zhàn)是 影響 CMP 工藝和制程

4、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(jìn)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。 ”CMP 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

5、 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(dá)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(xì)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

6、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。Cabot Microelectronics 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SIUrry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(xì)硅膠顆粒（均勻懸?。?的堿性氫氧化鉀（KOH ）溶液，或氫氧化胺（NH40H ）溶液。KOH類SIUrry 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SIUrry。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 SIUrry 沒有可動離

7、子玷污，但它的懸浮特性不穩(wěn)定，并且 成本較高。此類 SIUrry 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SIUrry是硅膠或懸浮AI2O3粒子 的混合物，溶液的PH值在5.06.5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 AI2O3 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 SIUrry 的化學(xué) 成分是過氧化氫 （H2O2 ）和硅膠或 AI2O3 研磨顆粒的混合物。拋光過程中， H 202分解為水和溶于水的 02，0

8、2與W反應(yīng)生成氧化鎢（W03 ）。W03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(jìn) ”盡管 CMP 工藝在 0.35 m 節(jié)點就被廣為采用，但是其發(fā)展和進(jìn)步還是隨著 IC 集成的發(fā)展 “與時俱進(jìn) ”，特別

9、是新材料和新結(jié)構(gòu)為其帶來了不少進(jìn)步良機。“ CMF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?！?Entrepix的 總裁兼 CEO Tim Tobin 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 CMF 面前亟待解決的課題。也正因為如此， CMF 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。 ”那么，所有這些芯片制造的 “新寵兒 ”對于 slurry 來說意味著什么呢？ “

10、隨著芯片 制造技術(shù)的提升，對 slurry 性能的要求也愈發(fā)的嚴(yán)格。除了最基本的質(zhì)量要求 外，如何保證 CMF 工藝整體足夠可靠、 如何保證 slurry 在全部供應(yīng)鏈 （包括運 輸及儲藏）過程中穩(wěn)定等，一直是 slurry 過去和現(xiàn)在面對的關(guān)鍵。摩爾定律推 動技術(shù)節(jié)點的代代前進(jìn)，這將使 slurry 的性能、質(zhì)量控制、工藝可靠性及供應(yīng) 穩(wěn)定性面臨更大的挑戰(zhàn)。 ”王淑敏博士說。對于新材料來說， slurry 不僅要有去除材料的能力，還要保證能夠適時恰當(dāng)?shù)?停留在所要求的薄膜層上。 對于某些新材料，如低 k 材料，其親水性差，親油性 強，多孔性和脆性等特點還要求 slurry 的性能要足夠溫和，

11、否則會造成材料的 垮塌和剝離。 因此，如何去除線寬減小和低 k 材料帶來的新缺陷， 如何在減低研 磨壓力的情況下提高生產(chǎn)率等也是研發(fā)的重點?！癈abot目前傳統(tǒng)材料的SIurry就包括氧化物 （D3582 和 D7200 ）、Cu（C8800 ）、Barrier （B7000 ）等，” 吳國俊博士說， “同時，其它一些新材料，如 Ru 、Nitride 、SiC 等的 slurry 也 有所涉足。 ”在新結(jié)構(gòu)方面， 直接淺溝槽隔離 (DSTI ，Direct STI )就是典型的代表。 由于 D STl CMP應(yīng)用高選擇比的SIUrry ,相較于傳統(tǒng)的STl CMP ,它不需要額外的 刻蝕步驟

12、將大塊的有源區(qū)上的氧化硅薄膜反刻， 可以直接研磨。 顯然，傳統(tǒng)的氧 化物 SIurry 已無法滿足 DSTl CMP 工藝的要求,以 Ce 為主要成分的 SIurry 成為90nm以下節(jié)點DSTI CMP工藝的首選。BASF已經(jīng)開始與專業(yè)化學(xué)品廠 商 Evonik lnduStrieS AG 進(jìn)行基于二氧化鈰( CeO2 )的 SIurry 研發(fā)工作。 另一新集成結(jié)構(gòu)的典型代表就是高 k/ 金屬柵結(jié)構(gòu)。 “在 45nm 技術(shù)節(jié)點,高 k/ 金屬柵結(jié)構(gòu)得以采用,它在為芯片帶來更好性能的同時,也為 CMP 工藝和 SIur ry 帶來了諸多問題。 ”Tim Tobin 說。金屬柵的 CMP 過程通

13、?？煞譃閮刹剑貉?化物的CMP和金屬柵的CMP (圖4)。在氧化物CMP中，首先是要求氧化物 的有效平坦化,其次是多晶硅的打開,這要求 CMP 后的薄膜要能夠停留在恰當(dāng) 位置。在金屬柵的 CMP 中,柵極材料具有一定的特殊性,特別是未來極有可能 被采用的釕( Ruthenium )、鉑( PIatinum )等金屬很有可能成為金屬柵材料 的新選擇。 這就要求所選擇的 SIurry 能夠?qū)艠O材料去除, endpoint 的控制是 關(guān)鍵和難點。此外不能有金屬殘留和盡可能少的 diShing 缺陷。當(dāng)然, SIurry 本身也不能在柵極部分帶來額外的殘留物。降低缺陷是 CMP 工藝,乃至整個芯片制

14、造的永恒話題。王淑敏博士介紹說,半 導(dǎo)體業(yè)界對于 CMP 工藝也有相應(yīng)的 “潛規(guī)則”,即 CMP 工藝后的器件材料損耗 要小于整個器件厚度的 10% 。也就是說 SIurry 不僅要使材料被有效去除, 還要 能夠精準(zhǔn)的控制去除速率和最終效果。 隨著器件特征尺寸的不斷縮小, 缺陷對于 工藝控制和最終良率的影響愈發(fā)的明顯, 致命缺陷的大小至少要求小于器件尺寸 的 50% (圖 5) 。新缺陷的不斷出現(xiàn),為 SIurry 的研發(fā)帶來了極大的困難。新型 slurry 創(chuàng)意無限 吳國俊博士認(rèn)為，盡管目前的研磨顆粒仍為 SiO2 、Al2O3 和 CeO2 為主，但 是 slurry 的整體趨勢朝著更強的

15、化學(xué)反應(yīng)活性、 更溫和的機械作用的方向發(fā)展。 這將促進(jìn)柔軟研磨顆粒的研發(fā)， 從而減少在低 k 絕緣材料表面產(chǎn)生線狀劃痕的可 能。在 slurry 中采用混合型的顆粒，即聚合物與傳統(tǒng)陶瓷顆粒的結(jié)合體，在平 整度改善以及缺陷度降低方面展示出了良好的前景。 陶瓷顆粒通常具有較強的研磨能力， 因此去除率較高， 但同時這也會在與硅片接 觸點附近產(chǎn)生更強的局部壓強。很多時候，這會導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。因此，研磨顆 粒的形狀變得至關(guān)重要（邊緣尖銳的或是圓滑的），而通常這依賴于 slurry 顆 粒的合成工藝。 與陶瓷顆粒相反， 聚合物顆粒通常比較柔軟， 具有彈性且邊緣圓 滑，因此能夠?qū)⑺┘拥膽?yīng)力以一種更加溫和、

16、分布均勻的方式傳遞到硅片上。 理論上講， 帶聚合物外殼的陶瓷顆粒能夠?qū)⑦@兩者的優(yōu)點完美的結(jié)合在一起， 因 為堅硬的顆粒可以以一種非損傷的方式施加局部應(yīng)力。 這種結(jié)合體具有提高研磨 移除率、改善平整度、降低缺陷發(fā)生率的潛力。在 slurry 中添加抑制劑或其它添加劑也是未來 slurry 發(fā)展的趨勢之一。 Tim T obin 認(rèn)為， 在 IC 器件進(jìn)一步向著體積更小， 速度更快的技術(shù)要求驅(qū)動下， 互連 技術(shù)平坦化要求集中體現(xiàn)在：提高平面度、減少金屬損傷、降低缺陷率。對于銅 互連結(jié)構(gòu)來說， 由于銅本身無法產(chǎn)生自然鈍化層， 發(fā)生在寬銅線上的分解或腐蝕 力，可能對窄線條產(chǎn)生極大的局部影響， 造成嚴(yán)重的失效。 對于先進(jìn)的銅互連工 藝， slurry 中的抑制劑成分至關(guān)重要。已有研究人員正在研究采用陰離子吸附 的銅鈍化工藝中的熱力學(xué)問題。 用貴金屬釕作為