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1、精品名师归纳总结CMP Slurry的蜕与进岳飞曾说： “阵而后战，兵法之常，运用之妙，存乎一心。”意思是说，摆好阵势以后出战，这是打仗的常规，但运用的神奇灵敏，全在于善于摸索。正是凭此理念，岳飞打破了宋朝对辽、 金作战讲究布阵而非灵敏变通的通病， 屡建战功。假如把化学机械抛光 CMP ，ChemicalMechanicalPolishing的全套工艺比作打仗用兵， 那么 CMP 工艺中的耗材， 特殊是 slurry的选择无疑是 “运用之妙 ” 的关键所在。“越来越平 ”的 IC 制造2006年，托马斯 .弗里德曼的专著世界是平的论述了世界的“平整化 ”大趋势，快速的把哥伦布苦心经营的理论 “
2、推到一边 ”。对于 IC 制造来说， “平整化 ” 就源于上世纪 80 岁月中期 CMP 技术的显现。CMP 工艺的基本原理是将待抛光的硅片在确定的下压力及slurry （由超细颗粒、化学氧化剂和液体介质组成的混合液）的存在下相对于一个抛光垫作旋转运动，借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面材料的去除，并获得光滑表面（图 1 ）。1988年 IBM 开头将 CMP 工艺用于 4MDRAM 器件的制造，之后各种规律电路和储备器件以不同的进展规模走向CMP。CMP 将纳 M 粒子的研磨作用与氧化剂的化学作用有机的结合起来，中意了特点尺寸在0.35 m 以下的全局平整化要求。目前，
3、 CMP 技术已成为几乎公认的惟一的全局平整化技术，其应用范畴正日益扩大。目前， CMP 技术已经进展成以化学机械抛光机为主体，集在线检测、终点检测、清洗等技术于一体的 CMP 技术，是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平整化工艺进展的产物。同时也是晶圆由200mm向 300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平整化所必需的工艺技术。Slurry的进展与蜕变“ CMP技术特殊复杂，牵涉众多的设备、耗材、工艺等，可以说CMP 本身代表了半导体产业的众多挑战。 ”安集微电子的 CEO 王淑敏博士说， “主要的挑战是影响 CMP 工艺和制程的诸多变量，而且这些变量之间的关系错综复
4、杂。其次是CMP 的应用范畴广， 几乎每一关键层都要求用到 CMP 进行平整化。 不同应用中的研磨过程各有差异， 往往一个微小的机台参数或耗材的变化就会带来完全不同的结果， slurry的选择也因此成为 CMP 工艺的关键之一。 ”CMP 技术所接受的设备及消耗品包括：抛光机、 slurry 、抛光垫、后 CMP 清洗设备、抛光终点检测及工艺把握设备、废物处理和检测设备等。其中 slurry 和抛光垫为消耗品。 Praxair 的研发总监黄丕成博士介绍说，一个完整的 CMP 工艺主要由抛光、后清洗和计量测量等部分组成。抛光机、 slurry 和抛光垫是 CM可编辑资料 - - - 欢迎下载精品
5、名师归纳总结P 工艺的 3 大关键要素，其性能和相互匹配准备CMP 能达到的表面平整水平（图2 ）。Slurry是 CMP 的关键要素之一，其性能直接影响抛光后表面的质量。Slurry 一般由超细固体粒子研磨剂 如纳 M 级 SiO2 、Al2O3粒子等 、表面活性剂、稳固剂、氧化剂等组成。 固体粒子供应研磨作用， 化学氧化剂供应腐蚀溶解作用。影响去除速度的因素有： slurry的化学成分、浓度。磨粒的种类、大小、形状 及浓度。 slurry的粘度、 pH 值、流速、流淌途径等。 Slurry的精确混合和批次之间的一样性对获得硅片与硅片、 批与批的重复性是至关重要的， 其质量是防止在抛光过程中
6、产生表面划痕的一个重要因素。CabotMicroelectronics的亚太的区研发总监吴国俊博士介绍说，抛光不同的 材料所需的 slurry组成、pH 值也不尽相同， 最早也是最成熟的是氧化物研磨用slurry 。用于氧化物介质的一种通用 slurry是含超精细硅胶颗粒（均匀悬浮） 的碱性氢氧化钾（ KOH ）溶液，或氢氧化胺（ NH4OH ）溶液。 KOH 类 slurry 由于其稳固的胶粒悬浮特性，是氧化物CMP 中应用最广的一种 slurry 。K+ 离子是一种可移动的离子弄脏，特殊简洁被互连氧化层，如硼磷硅玻璃（BPSG ） 俘获。 NH4OH 类的 slurry没有可动离子弄脏，但
7、它的悬浮特性不稳固，并且成本较高。此类 slurry的 pH 值通常为 10-11 ，其中的水含量对表面的水合作用和后面的氧化物平整化至关重要。在金属钨（ W）的 CMP 工艺中，使用的典型 slurry是硅胶或悬浮 Al2O3粒子的混合物，溶液的 pH 值在 5.0 6.5 之间。金属的 CMP 大多项用酸性条件， 主要是为了保持较高的材料去除速率。一般来说，硅胶粉末比Al2O3要软，对硅片表面不太可能产生擦伤，因而使用更为普遍。WCMP 使用的 slurry的化学成分是过氧化氢 （ H2O2 ）和硅胶或 Al2O3 研磨颗粒的混合物。抛光过程中， H 2O2 分解为水和溶于水的 O2 ，
8、O2 与 W 反应生成氧化钨（ WO3 ）。WO3 比W 软，由此就可以将 W 去除了。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Slurry争论的最终目的是找到化学作用和机械作用的正确结合，以致能获得去 除速率高、平面度好、膜厚均匀性好及选择性高的slurry 。此外仍要考虑易清洗性、对设备的腐蚀性、废料的处理费用及安全性等问题。与二十多年前相比， slurry的争论已经从基于体会转变为成熟的基于理论和实践的结合。因此，最 终用户可以更好的把握并提高系统和工艺的稳固性、牢靠性及可重复性。Slurry急需“与时俱进 ”尽管 CMP 工艺在 0.35 m 节点就被广为接受，但是其进展和进步
9、仍是随着IC集成的进展 “与时俱进 ”，特殊是新材料和新结构为其带来了不少进步良机。“ CMP工艺相当复杂，其进展速度始终处于IC 制造工艺的前沿。 ” Entrepix 的总裁兼 CEO TimTobin说， “新材料包括了掺杂氧化物、稀有金属、聚合物、 高 k/ 低 k 材料以及 III-V族半导体材料等，比较热门的前沿结构就有MEMS 、TSV 、3D 结构以及新的纳 M 器件等（图 3 ），全部这些新兴技术都是摆在CM P 面前亟待解决的课题。也正由于如此，CMP 在半导体整个制造流程中的重要性不言而喻，成本与性能的博弈是将来不得不面对的问题。”那么，全部这些芯片制造的 “新宠儿 ”对
10、于 slurry来说意味着什么了？ “随着芯片制造技术的提升，对 slurry性能的要求也愈发的严格。除了最基本的质量要求 外，如何保证 CMP 工艺整体足够牢靠、 如何保证 slurry在全部供应链 （包括运输及贮存）过程中稳固等，始终是slurry过去和现在面对的关键。摩尔定律推 动技术节点的代代前进，这将使slurry的性能、质量把握、工艺牢靠性及供应 稳固性面临更大的挑战。 ”王淑敏博士说。对于新材料来说， slurry不仅要有去除材料的才能，仍要保证能够适时恰当的 停留在所要求的薄膜层上。 对于某些新材料，如低 k 材料，其亲水性差，亲油性强，多孔性和脆性等特点仍要求slurry的性
11、能要足够温存，否就会造成材料的 垮塌和剥离。 因此，如何去除线宽减小和低 k 材料带来的新缺陷， 如何在减低研磨压力的情形下提高生产率等也是研发的重点。“Cabot 目前传统材料的 slurry就包括氧化物（D3582和 D7200 ）、Cu（ C8800 ）、Barrier（B7000 ）等，”可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结吴国俊博士说， “同时，其它一些新材料，如 Ru 、Nitride、SiC 等的 slurry也有所涉足。 ”在新结构方面， 直接浅沟槽隔离 DSTI ，DirectSTI ）就是典型的代表。 由于 D STICMP 应用高选择比的 slurry ，相较
12、于传统的 STICMP，它不需要额外的刻蚀步骤将大块的有源区上的氧化硅薄膜反刻，可以直接研磨。 明显，传统的氧化物 slurry已无法中意 DSTICMP 工艺的要求，以 Ce 为主要成分的 slurry成为 90nm以下节点 DSTICMP 工艺的首选。BASF 已经开头与专业化学品厂商 EvonikIndustriesAG 进行基于二氧化铈（ CeO2 ）的 slurry研发工作。另一新集成结构的典型代表就是高k/ 金属栅结构。 “在 45nm技术节点，高 k/ 金属栅结构得以接受，它在为芯片带来更好性能的同时，也为CMP 工艺和 slur ry 带来了诸多问题。 ” Tim Tobin说
13、。金属栅的 CMP 过程通常可分为两步：氧化物的 CMP 和金属栅的 CMP（图 4 ）。在氧化物 CMP 中，第一是要求氧化物的有效平整化，其次是多晶硅的打开，这要求CMP 后的薄膜要能够停留在恰当位置。在金属栅的 CMP 中，栅极材料具有确定的特殊性，特殊是将来极有可能被接受的钌（ Ruthenium）、铂（ Platinum）等金属很有可能成为金属栅材料的新选择。这就要求所选择的 slurry能够将栅极材料去除， endpoint的把握是关键和难点。此外不能有金属残留和尽可能少的dishing缺陷。当然， slurry 本身也不能在栅极部分带来额外的残留物。降低缺陷是 CMP 工艺，乃至
14、整个芯片制造的永恒话题。王淑敏博士介绍说，半导体业界对于 CMP 工艺也有相应的 “潜规章 ”，即 CMP 工艺后的器件材料损耗 要小于整个器件厚度的10% 。也就是说 slurry不仅要使材料被有效去除， 仍要能够精准的把握去除速率和最终成效。随着器件特点尺寸的不断缩小， 缺陷对于工艺把握和最终良率的影响愈发的明显， 致命缺陷的大小至少要求小于器件尺寸的 50% （图 5 ）。新缺陷的不断显现，为 slurry的研发带来了极大的困难。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结新型 slurry创意无限吴国俊博士认为，尽管目前的研磨颗粒仍为SiO2 、Al2O3和 CeO2 为主，但是
15、slurry的整体趋势朝着更强的化学反应活性、 更温存的机械作用的方向进展。这将促进松软研磨颗粒的研发， 从而削减在低 k 绝缘材料表面产生线状划痕的可能。在 slurry中接受混合型的颗粒，即聚合物与传统陶瓷颗粒的结合体，在平 整度改善以及缺陷度降低方面呈现出了良好的前景。陶瓷颗粒通常具有较强的研磨才能， 因此去除率较高， 但同时这也会在与硅片接触点邻近产生更强的局部压强。很多时候，这会导致缺陷的产生。因此，研磨颗 粒的形状变得至关重要（边缘尖锐的或是圆滑的），而通常这依靠于slurry颗粒的合成工艺。 与陶瓷颗粒相反， 聚合物颗粒通常比较松软， 具有弹性且边缘圆滑，因此能够将所施加的应力以
16、一种更加温存、分布均匀的方式传递到硅片上。理论上讲， 带聚合物外壳的陶瓷颗粒能够将这两者的优点完善的结合在一起，由于坚硬的颗粒可以以一种非损耗的方式施加局部应力。这种结合体具有提高研磨移除率、改善平整度、降低缺陷发生率的潜力。在 slurry 中添加抑制剂或其它添加剂也是将来 slurry 进展的趋势之一。 Tim T obin 认为， 在 IC 器件进一步向着体积更小， 速度更快的技术要求驱动下， 互连技术平整化要求集中表达在：提高平面度、削减金属损耗、降低缺陷率。对于铜互连结构来说， 由于铜本身无法产生自然钝化层， 发生在宽铜线上的分解或腐蚀力，可能对窄线条产生极大的局部影响， 造成严肃的
17、失效。 对于先进的铜互连工艺， slurry中的抑制剂成分至关重要。已有争论人员正在争论接受阴离子吸附的铜钝化工艺中的热力学问题。 用贵金属钌作为阻挡层材料可以削减甚至排除对籽晶层的需要， 这样就可以直接在钌的阻挡层上电镀金属铜， 这也是如今铜互连的争论重点之一。 但是，金属钌在电化学腐蚀中具有更高的驱动力，因此需要更为有效或者浓度更高的阳极抑制剂。此外，向slurry中添加吸附剂也可以使C MP 工艺所造成的碟形凹陷得以降低。越来越平的 IC 制造是不行逆转的趋势，同样不行逆转的仍有更多的新兴材料和集成结构闯入半导体的大家族。当大家仍在揣测“摩尔定律的进展如何为继？ ” 的时候，身处其中的人已经明白：不断的研发进步乃是最好的应对之策。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载