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1、CMP Sluurryy的蜕与与进岳飞曾说说：“阵阵而后战战，兵法法之常，运运用之妙妙，存乎乎一心。”意意思是说说，摆好好阵势以以后出战战，这是是打仗的的常规，但但运用的的巧妙灵灵活，全全在于善善于思考考。正是是凭此理理念，岳岳飞打破破了宋朝朝对辽、金金作战讲讲究布阵阵而非灵灵活变通通的通病病，屡建建战功。如如果把化化学机械械抛光 (CMMP，CChemmicaal MMechhaniicall Poolisshinng)的的全套工工艺比作作打仗用用兵，那那么CMMP工艺艺中的耗耗材，特特别是sslurrry的的选择无无疑是“运运用之妙妙”的关关键所在在。“越来越越平”的的IC制制造20006
2、年年，托马马斯弗弗里德曼曼的专著著世界界是平的的论述述了世界界的“平平坦化”大大趋势，迅迅速地把把哥伦布布苦心经经营的理理论“推推到一边边”。对对于ICC制造来来说，“平平坦化”则则源于上上世纪880年代代中期CCMP技技术的出出现。CMP工工艺的基基本原理理是将待待抛光的的硅片在在一定的的下压力力及sllurrry（由由超细颗颗粒、化化学氧化化剂和液液体介质质组成的的混合液液）的存存在下相相对于一一个抛光光垫作旋旋转运动动，借助助磨粒的的机械磨磨削及化化学氧化化剂的腐腐蚀作用用来完成成对工件件表面材材料的去去除，并并获得光光洁表面面（图11）。19888年IBBM开始始将CMMP工艺艺用于4
3、4M DDRAMM器件的的制造，之之后各种种逻辑电电路和存存储器件件以不同同的发展展规模走走向CMMP。CCMP将将纳米粒粒子的研研磨作用用与氧化化剂的化化学作用用有机地地结合起起来，满满足了特特征尺寸寸在0.35m以下下的全局局平坦化化要求。目目前，CCMP技技术已成成为几乎乎公认的的惟一的的全局平平坦化技技术，其其应用范范围正日日益扩大大。目前，CCMP技技术已经经发展成成以化学学机械抛抛光机为为主体，集集在线检检测、终终点检测测、清洗洗等技术术于一体体的CMMP技术术，是集集成电路路向微细细化、多多层化、薄薄型化、平平坦化工工艺发展展的产物物。同时时也是晶晶圆由2200mmm向3300m
4、mm乃至至更大直直径过渡渡、提高高生产率率、降低低制造成成本、衬衬底全局局平坦化化所必需需的工艺艺技术。Slurrry的的发展与与蜕变“CCMP技技术非常常复杂，牵牵涉众多多的设备备、耗材材、工艺艺等，可可以说CCMP本本身代表表了半导导体产业业的众多多挑战。”安安集微电电子的CCEO王王淑敏博博士说，“主主要的挑挑战是影影响CMMP工艺艺和制程程的诸多多变量，而而且这些些变量之之间的关关系错综综复杂。其其次是CCMP的的应用范范围广，几几乎每一一关键层层都要求求用到CCMP进进行平坦坦化。不不同应用用中的研研磨过程程各有差差异，往往往一个个微小的的机台参参数或耗耗材的变变化就会会带来完完全不
5、同同的结果果，sllurrry的选选择也因因此成为为CMPP工艺的的关键之之一。”CMP技技术所采采用的设设备及消消耗品包包括：抛抛光机、sslurrry、抛抛光垫、后后CMPP清洗设设备、抛抛光终点点检测及及工艺控控制设备备、废物物处理和和检测设设备等。其其中sllurrry和抛抛光垫为为消耗品品。Prraxaair的的研发总总监黄丕丕成博士士介绍说说，一个个完整的的CMPP工艺主主要由抛抛光、后后清洗和和计量测测量等部部分组成成。抛光光机、sslurrry和和抛光垫垫是CMMP工艺艺的3大大关键要要素，其其性能和和相互匹匹配决定定CMPP能达到到的表面面平整水水平（图图2）。Slurrry
6、是是CMPP的关键键要素之之一，其其性能直直接影响响抛光后后表面的的质量。SSlurrry一一般由超超细固体体粒子研研磨剂(如纳米米级SiiO2、AAl2OO3粒子子等)、表表面活性性剂、稳稳定剂、氧氧化剂等等组成。固固体粒子子提供研研磨作用用，化学学氧化剂剂提供腐腐蚀溶解解作用。影影响去除除速度的的因素有有：sllurrry的化化学成分分、浓度度；磨粒粒的种类类、大小小、形状状及浓度度；sllurrry的粘粘度、ppH值、流流速、流流动途径径等。SSlurrry的的精确混混合和批批次之间间的一致致性对获获得硅片片与硅片片、批与与批的重重复性是是至关重重要的，其其质量是是避免在在抛光过过程中产
7、产生表面面划痕的的一个重重要因素素。Caboot MMicrroellecttronnicss的亚太太地区研研发总监监吴国俊俊博士介介绍说，抛抛光不同同的材料料所需的的sluurryy组成、ppH值也也不尽相相同，最最早也是是最成熟熟的是氧氧化物研研磨用sslurrry。用用于氧化化物介质质的一种种通用sslurrry是是含超精精细硅胶胶颗粒（均均匀悬浮浮）的碱碱性氢氧氧化钾（KKOH）溶溶液，或或氢氧化化胺（NNH4OOH）溶溶液。KKOH类类sluurryy由于其其稳定的的胶粒悬悬浮特性性，是氧氧化物CCMP中中应用最最广的一一种sllurrry。KK+离子子是一种种可移动动的离子子玷污，
8、非非常容易易被互连连氧化层层，如硼硼磷硅玻玻璃（BBPSGG）俘获获。NHH4OHH类的sslurrry没没有可动动离子玷玷污，但但它的悬悬浮特性性不稳定定，并且且成本较较高。此此类sllurrry的ppH值通通常为110-111，其其中的水水含量对对表面的的水合作作用和后后面的氧氧化物平平坦化至至关重要要。在金属钨钨（W）的的CMPP工艺中中，使用用的典型型sluurryy是硅胶胶或悬浮浮Al22O3粒粒子的混混合物，溶溶液的ppH值在在5.006.5之间间。金属属的CMMP大多多选用酸酸性条件件，主要要是为了了保持较较高的材材料去除除速率。一一般来说说，硅胶胶粉末比比Al22O3要要软，对
9、对硅片表表面不太太可能产产生擦伤伤，因而而使用更更为普遍遍。WCCMP使使用的sslurrry的的化学成成分是过过氧化氢氢（H22O2）和和硅胶或或Al22O3研研磨颗粒粒的混合合物。抛抛光过程程中，HH2O22分解为为水和溶溶于水的的O2，OO2与WW反应生生成氧化化钨（WWO3）。WWO3比比W软，由由此就可可以将WW去除了了。Slurrry研研究的最最终目的的是找到到化学作作用和机机械作用用的最佳佳结合，以以致能获获得去除除速率高高、平面面度好、膜膜厚均匀匀性好及及选择性性高的sslurrry。此此外还要要考虑易易清洗性性、对设设备的腐腐蚀性、废废料的处处理费用用及安全全性等问问题。与与
10、二十多多年前相相比，sslurrry的的研究已已经从基基于经验验转变为为成熟的的基于理理论和实实践的结结合。因因此，最最终用户户可以更更好地控控制并提提高系统统和工艺艺的稳定定性、可可靠性及及可重复复性。Slurrry急急需“与与时俱进进”尽管管CMPP工艺在在0.335mm节点就就被广为为采用，但但是其发发展和进进步还是是随着IIC集成成的发展展“与时时俱进”，特特别是新新材料和和新结构构为其带带来了不不少进步步良机。“CMPP工艺相相当复杂杂，其发发展速度度一直处处于ICC制造工工艺的前前沿。”EEntrrepiix的总总裁兼CCEO Timm Toobinn说，“新新材料包包括了掺掺杂氧
11、化化物、稀稀有金属属、聚合合物、高高k/低低k材料料以及IIII-V族半半导体材材料等，比比较热门门的前沿沿结构则则有MEEMS、TTSV、33D结构构以及新新的纳米米器件等等（图33），所所有这些些新兴技技术都是是摆在CCMP面面前亟待待解决的的课题。也也正因为为如此，CCMP在在半导体体整个制制造流程程中的重重要性不不言而喻喻，成本本与性能能的博弈弈是未来来不得不不面对的的问题。”那么，所所有这些些芯片制制造的“新新宠儿”对对于sllurrry来说说意味着着什么呢呢？“随随着芯片片制造技技术的提提升，对对sluurryy性能的的要求也也愈发的的严格。除除了最基基本的质质量要求求外，如如何保
12、证证CMPP工艺整整体足够够可靠、如如何保证证sluurryy在全部部供应链链（包括括运输及及储藏）过过程中稳稳定等，一一直是sslurrry过过去和现现在面对对的关键键。摩尔尔定律推推动技术术节点的的代代前前进，这这将使sslurrry的的性能、质质量控制制、工艺艺可靠性性及供应应稳定性性面临更更大的挑挑战。”王王淑敏博博士说。对于新材料来说，slurry不仅要有去除材料的能力，还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还要求slurry的性能要足够温和，否则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
13、新缺陷，如何在减低研磨压力的情况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，”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。”在新结构构方面，直直接浅沟沟槽隔离离(DSSTI，DDireect STII）就是是典型的的代表。由由于DSSTI CMPP应用高高选择比比的sllurrry，相相较于传传统的SSTI CMPP，它不不需要额额外的刻刻蚀步骤骤将大块块的有源源区上的的氧化硅硅薄膜反反刻，可可以直接接研磨。显显然，传传统的氧
14、氧化物sslurrry已已无法满满足DSSTI CMPP工艺的的要求，以以Ce为为主要成成分的sslurrry成成为900nm以以下节点点DSTTI CCMP工工艺的首首选。BBASFF已经开开始与专专业化学学品厂商商Evoonikk Inndusstriies AG进进行基于于二氧化化铈（CCeO22）的sslurrry研研发工作作。另一新集集成结构构的典型型代表就就是高kk/金属属栅结构构。“在在45nnm技术术节点，高高k/金金属栅结结构得以以采用，它它在为芯芯片带来来更好性性能的同同时，也也为CMMP工艺艺和sllurrry带来来了诸多多问题。”TTim Tobbin说说。金属属栅的C
15、CMP过过程通常常可分为为两步：氧化物物的CMMP和金金属栅的的CMPP（图44）。在在氧化物物CMPP中，首首先是要要求氧化化物的有有效平坦坦化，其其次是多多晶硅的的打开，这这要求CCMP后后的薄膜膜要能够够停留在在恰当位位置。在在金属栅栅的CMMP中，栅栅极材料料具有一一定的特特殊性，特特别是未未来极有有可能被被采用的的钌（RRuthheniium）、铂铂（Pllatiinumm）等金金属很有有可能成成为金属属栅材料料的新选选择。这这就要求求所选择择的sllurrry能够够将栅极极材料去去除，eendppoinnt的控控制是关关键和难难点。此此外不能能有金属属残留和和尽可能能少的ddish
16、hingg缺陷。当当然，sslurrry本本身也不不能在栅栅极部分分带来额额外的残残留物。降低缺陷陷是CMMP工艺艺，乃至至整个芯芯片制造造的永恒恒话题。王王淑敏博博士介绍绍说，半半导体业业界对于于CMPP工艺也也有相应应的“潜潜规则”，即即CMPP工艺后后的器件件材料损损耗要小小于整个个器件厚厚度的110%。也也就是说说sluurryy不仅要要使材料料被有效效去除，还还要能够够精准的的控制去去除速率率和最终终效果。随随着器件件特征尺尺寸的不不断缩小小，缺陷陷对于工工艺控制制和最终终良率的的影响愈愈发的明明显，致致命缺陷陷的大小小至少要要求小于于器件尺尺寸的550%（图图5）。新新缺陷的的不断
17、出出现，为为sluurryy的研发发带来了了极大的的困难。新型sslurrry创创意无限限吴国俊俊博士认认为，尽尽管目前前的研磨磨颗粒仍仍为SiiO2、AAl2OO3和CCeO22为主，但但是sllurrry的整整体趋势势朝着更更强的化化学反应应活性、更更温和的的机械作作用的方方向发展展。这将将促进柔柔软研磨磨颗粒的的研发，从从而减少少在低kk绝缘材材料表面面产生线线状划痕痕的可能能。在sslurrry中中采用混混合型的的颗粒，即即聚合物物与传统统陶瓷颗颗粒的结结合体，在在平整度度改善以以及缺陷陷度降低低方面展展示出了了良好的的前景。陶瓷颗粒粒通常具具有较强强的研磨磨能力，因因此去除除率较高高
18、，但同同时这也也会在与与硅片接接触点附附近产生生更强的的局部压压强。很很多时候候，这会会导致缺缺陷的产产生。因因此，研研磨颗粒粒的形状状变得至至关重要要（边缘缘尖锐的的或是圆圆滑的），而而通常这这依赖于于sluurryy颗粒的的合成工工艺。与与陶瓷颗颗粒相反反，聚合合物颗粒粒通常比比较柔软软，具有有弹性且且边缘圆圆滑，因因此能够够将所施施加的应应力以一一种更加加温和、分分布均匀匀的方式式传递到到硅片上上。理论论上讲，带带聚合物物外壳的的陶瓷颗颗粒能够够将这两两者的优优点完美美的结合合在一起起，因为为坚硬的的颗粒可可以以一一种非损损伤的方方式施加加局部应应力。这这种结合合体具有有提高研研磨移除除
19、率、改改善平整整度、降降低缺陷陷发生率率的潜力力。在sluurryy中添加加抑制剂剂或其它它添加剂剂也是未未来sllurrry发展展的趋势势之一。TTim Tobbin认认为，在在IC器器件进一一步向着着体积更更小，速速度更快快的技术术要求驱驱动下，互互连技术术平坦化化要求集集中体现现在：提提高平面面度、减减少金属属损伤、降降低缺陷陷率。对对于铜互互连结构构来说，由由于铜本本身无法法产生自自然钝化化层，发发生在宽宽铜线上上的分解解或腐蚀蚀力，可可能对窄窄线条产产生极大大的局部部影响，造造成严重重的失效效。对于于先进的的铜互连连工艺，sslurrry中中的抑制制剂成分分至关重重要。已已有研究究人
20、员正正在研究究采用阴阴离子吸吸附的铜铜钝化工工艺中的的热力学学问题。用用贵金属属钌作为为阻挡层层材料可可以减少少甚至消消除对籽籽晶层的的需要，这这样就可可以直接接在钌的的阻挡层层上电镀镀金属铜铜，这也也是如今今铜互连连的研究究重点之之一。但但是，金金属钌在在电化学学腐蚀中中具有更更高的驱驱动力，因因此需要要更为有有效或者者浓度更更高的阳阳极抑制制剂。此此外，向向sluurryy中添加加吸附剂剂也可以以使CMMP工艺艺所造成成的碟形形凹陷得得以降低低。越来越平平的ICC制造是是不可逆逆转的趋趋势，同同样不可可逆转的的还有更更多的新新兴材料料和集成成结构闯闯入半导导体的大大家族。当当大家还还在揣测测“摩尔尔定律的的发展如如何为继继？”的的时候，身身处其中中的人已已经明白白：不断断的研发发进步乃乃是最好好的应对对之策。