化学机械抛光工艺(CMP)全解

1、化学机械抛光液（CMP）氧化铝抛光液具体添加剂摘要：本文首先定义并介绍 CMP：艺的基本工作原理，然后，通过介绍CM陈统，从工艺设备角度定性分析了解CMP勺工作过程，通过介2S分析 CMP：艺参数，对CMP乍定量了解。在文献精度中，介绍了一个 SiO2的CMP¥均磨除速率模型，其中考虑了磨粒尺寸，浓度，分 布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。经过实验，得到的实验结果与模型比较吻合。MRR模型可用于CMP莫拟，CMPi程参数最佳化以及下一代CM豉备的研发。最后，通过对VLSI制造技术的课程回顾，归纳了课程收获，总结了课程感悟。关键词：CMP、研磨液、平均磨除速率、设备Abstract

2、 ： This article first defined and introduces the basic working principle of the CMP process, and then, by introducing the CMP system, from the perspective of process equipment qualitative analysis to understand the working process of the CMP, and by introducing the CMP process parameters, make quant

3、itative understanding on CMP.In literature precision, introduce a CMP model of SiO2, which takes into account the particle size, concentration, distribution of grinding fluid velocity, polishing potential terrain, material performance.After test, the experiment result compared with the model.MRR mod

4、el can be used in the CMP simulation, CMP process parameter optimization as well as the next generation of CMP equipment research and development.Through the review of VLSI manufacturing technology course, finally sums up the course, summed up the course.Key word : CMP、slumry、MRRs、device1 .前言随着半导体工业

5、飞速发展，电子器件尺寸缩小，要求晶片表面平整度达到纳 米级。传统的平坦化技术，仅仅能够实现局部平坦化，但是当最小特征尺寸达到0.25 pm以下时，必须进行全局平坦化。常见的传统平面化技术很多。如热流法， 旋转玻璃法，回蚀法，电子环绕共振法，选择淀积，低压 CVD等离子增强CVD, 淀积-腐蚀-淀积法等。但它们都属于局部平面化工艺， 不能做到全局平面化。90 年代兴起的化学机械抛光技术(CMP则从加工性能和速度上同时满足硅片图形 加工的要求，具也是目前唯一可以实现全局平坦化的技术 1。2 .基本原理2.1 CMP定义CMP就是用化学腐蚀和机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行 平滑处理。2

6、.2 CMP工作原理2如图1,将硅片固定在抛光头的最下面，将抛光垫放置在研磨盘上，抛光时， 旋转的抛光头以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶 液组成的研磨液在硅片表面和抛光垫之间流动，然后研磨液在抛光垫的传输和离 心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层研磨液液体薄膜。 研磨液中的化学成分与硅片表面材料产生化学反应，将不溶的物质转化为易溶物质，或者将硬度高的物质进行软化，然后通过磨粒的微机械摩擦作用将这些化学 反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学去膜和机械去膜的交 替过程中实现平坦化的目的。其反应分为两个过程 3 :化学过程：研磨液中的化学品

7、和硅片表面发生化学反应， 生成比较容易去除 的物质；物理过程：研磨液中的磨粒和硅片表面材料发生机械物理摩擦，去除化学反应生成的物质。2.3 CMP主要参数4(1)平均磨除率(MRR在设定时间内磨除材料的厚度是工业生产所需要的。(2)CMP平整度与均匀性平整度是硅片某处CM而后台阶高度之差占CMB前 台阶高度的百分比。 选择比 在CMPt,对不同材料的抛光速率是影响硅片平整性和均匀性的一 个重要因素。(4)表面缺陷 CMP工艺造成的硅片表面缺陷一般包括擦伤或沟、凹陷、侵蚀、 残留物和颗粒污染。2.4 CMP系统CMP系统5 (图1)包括：CMP设备、研磨液(抛光液)、抛光垫、抛光终点 检测及工艺

8、控制设备、后 CMP青洗设备、浆料分布系统、废物处理和测量设备。 其中研磨液和抛光垫为消耗品。Pressur e 1MembraneWafer U7fer Hol6eRetaining F?ingPolishing Pad图1. CM毁备组成（1）抛光头组件新型的抛光头组件（图2）具有用于吸附晶圆的真空吸附装置，对晶圆施加压力（2）研磨盘研磨盘是CMFW磨的支撑平台，其作用是承载抛光垫并带动其转动。它是控 制抛光头压力大小、转动速度、开关动作、研磨盘动作的电路和装置。抛光垫抛光垫（图3）通常使用聚亚胺脂（Polyurethane）材料制造，利用这种多孔 性材料类似海绵的机械特性和多孔特性，表面

9、有特殊之沟槽，提高抛光的均匀性， 垫上有时开有可视窗，便于线上检测。通常抛光垫为需要定时整修和更换之耗材， 一个抛光垫虽不与晶圆直接接触，但使用售命约仅为45至75小时。图3.抛光垫（左软，右硬）硬垫（图3,右）：较硬，抛光液固体颗粒大，抛光速度较快，平行度、平整 度也较好，但表面较粗糙，损伤层较严重。软垫（图 3,左）具有更好的硅片内 平均性，抛光液中固体颗粒较小，因此可以增加光洁度，同时去除粗抛时留下的 损伤层。故采用粗精抛相结合的办法，既可保持晶片的平行度、平整度，又可达 到去除损伤层及保持硅片表面高光洁度的目的。抛光垫上有很多小孔，这些小孔有利于输送浆料和抛光，还可用于将浆料 中的磨蚀

10、粒子送入硅片表面并去除副产品。 在使用中，抛光垫在对若干片晶片进 行抛光后被研磨得十分平整，同时孔内填满了磨料粒子和片子表面的磨屑聚集 物，一旦产生釉化现象，就会使抛光垫失去部分保持研浆的能力，抛光速率也 随之下降，同时还会使硅片表面产生划伤，对电路元件造成损伤。因此，抛光垫表面须定期地用一个金刚石调节器修整，这样便可延长抛光 垫的使用寿命。（4）抛光垫修整器图4.抛光垫调整器Diamond Grits (20 pm)Diamond FilmDiabond图5.抛光垫调整器表面抛光垫调整器7 （图4）作用是扫过垫表面提高表面粗糙度，除去用过的浆料。包含一个不锈钢盘以及一个镀锲（CV跄刚石层）的

11、金刚石磨粒（图5）（5）研磨液系统1）研磨液网由磨粒、酸碱剂、纯水及添加物构成，其成分见表 1被抛光材料磨粒研磨液添加物研磨液pH 值介质二氧化硅SiO2, CeQ, ZrO2 Ag ,Mn2QKOH,NH20H1013金属鸨Al 2O,MnQKQ,Fe(NO3)2,HQ26铝SiO2:KIO3,Fe(NO3)2,H20226铜AI2QKQ,Fe(NO3)2,HQ26表1.研磨液成分2）研磨液供给与输送系统 研磨液供给与输送系统与 CMW艺之间的关系：研磨液中的化学品在配比混 合输送过程中可能有许多变化，这一点，使输送给机台的研磨液质量与抛光工艺 的成功形成了非常紧密的关系，具程度超过了与高纯

12、化学品的联系。尽管CMP设备是控制并影响CMW艺结果的主要因素，但是研磨液在避免缺陷和影响 CMP 的平均抛光速率方面起着巨大的作用。 研磨液供给与输送系统实现的目标：通过恰当设计和管理研磨液供给与输送 系统来保证CMPT艺的一致性。研磨液的混合、过滤、滴定以及系统的清洗等程 序会减轻很多与研磨液相关的问题。那么就要设计一个合适的研磨液的供给与输 送系统，完成研磨液的管理，控制研磨液的混合、过滤、浓度、滴定及系统的清 洗，减少研磨液在供给、输送过程中可能出现的问题和缺陷， 保证CMP勺平坦化 效果。研磨液组分通常是分开存储（图 6）,使用时按比例混合使用。图6.研磨液混合系统（LFC:流量控制

13、装置）研磨液混合和输送设备的设计特点：搅动：一般来讲，研磨液中的固体颗粒经过一段时间后会逐渐淀积， 为了满足特 定的工艺要求，必须保持桶中和储蓄罐中的液体均一， 专业的研磨液系统制造商 可以为每种研磨液设置特定的淀积率和分散率。抛光研磨液后处理：作为消耗品，研磨液一般是一次性使用。随着CMPT场的扩大，抛光研磨液的排放及后处理工作量也在增大 （出于环保原 因，即使研磨液不再重复利用，也必须先处理才可以排放 ）。而且，抛光研磨液 价格昂贵，如何对抛光研磨液进行后处理，补充必要的化学添加剂，重复利用其 中的有效成分，或降级使用，不仅可以减少环境污染，而且可以大大降低加工成 本。抛光研磨液的后处理研

14、究将是未来的新研究热点。（6）终点检测设备9终点检测是检测CMPT艺把材料磨除到一个正确的厚度的能力。检测方法大 致分为间接地对抛光晶片进行物理测定（电流），直接检测晶片（光学）两种。 1）检测电流终点检测。抛光头转动马达的电流会图8.后CMP青洗刷子CMP接近终点时,抛光垫与硅片摩擦力开始改变， 改变来保证不变的旋转速率，监测马达电流来测终点。 2）光学干涉法终点检测图7.电介质光干涉终点检测电解质光干涉法（图7）,反射光相互干涉，薄膜厚度的变化引起干涉状态的周 期变化，电解质薄膜厚度的变化可以由反射光的变化来监测。图9.光学测金属CM繇点反射率的改变可用来测金属 CM繇点，金属表面有很高反

15、射率（图 9左）， 金属层被磨除（图9右）时表面反射率大幅减少，通过这种方法可测终点。（7） CMPt清洗 10三步法：清洁，冲洗，干燥。后清洗目的主要是去除颗粒和其他化学污染物， 用到去离子水及刷子，去离 子水量越大，刷子压力越大清洗效率越高。刷子(图8)通常是多孔聚合物材质， 允许化学物质渗入并传递到晶圆表面2.5 CMP设备的发展(1)单抛光头旋转式系统 CMP转动设备是用以玻璃陶瓷或其他金属的磨平抛光设备为基础的，这种设备由单个研磨盘和单个抛光头构成。(2)多抛光头旋转式CMP8统随着生产力需求和缺陷标准提高，出现了多研磨 头的旋转体系，这类设备有很多种。多研磨盘CMPS统 由于Aur

16、iga公司和Symphon公司的设备缺乏灵活性， 例如加工的硅片片数是22片而不是25片硅片，就不能发挥它们生产力高的优点。(4)轨道式CMPg统(图10)由于对于工艺的灵活性和生产力的需求提高，IPEC 公司开发出了 676轨道式CM朦统。own ForceWaferSupped Fbid BatingPolishCarrieFWnOrbiLal MoEiari,叫pf*KLjreSlLiry Dispense1 MembraneWafefC而eP±1H I° raoShiny； CondMoierWaferRetiiningi Ring图10.轨道式CM朦统(5)线性C

17、M朦统(图11) 最后,CM朦统。Bett and Polishing图11.线性CMPS统有些公司开发出能够实现高线速度的线性2.6影响CM晚果的主要参数设备参数研磨液参数抛光垫/背垫参数CMP寸象薄膜参数抛光时间磨粒大小硬度种类研磨盘转速磨粒含量密度厚度抛光头转速磨粒的凝聚度空隙大小硬度抛光头摇摆度酸碱度弹性化学性质背压氧化剂含量背垫弹性图案密度下压力修整粘滞系数表2.影响CM呦果的主要参数1.抛光头压力压力越大，磨除速率越快。2.抛光头与研磨盘问的相对速度抛光速率随着抛光头与研磨盘问的相对速度的增大而增大。3.抛光垫抛光垫是在CMP中决定抛光速率和平坦化能力的一个重要部件。碎片后为防止缺

18、陷而更换抛光垫。 优化衬垫选择以便取得好的硅片内和硬膜内的均匀性和平坦化（建议采用层登或两层垫）。 运用集成的闭环冷却系统进行研磨垫温度控制。 孔型垫设计、表面纹理化、打孔和制成流动渠道等有利于研磨液的传送。CMPW对研磨垫进行修正、造型或平整。有规律地对研磨垫用刷子或金刚石修整器做临场和场外修整。4.研磨液 研磨液是影响CMP速率和效果的重要因素，在半导体工艺中，针对 SiO2、鸨栓、多晶硅和铜，需要用不同的研磨液来进行研磨。1）磨粒 磨粒材料：对不同的薄膜 CMPF口不同工艺的CMPS精心选择磨粒材料。即使 是对同种薄膜材料进行 CMP其磨粒材料不同，抛光速率也不同。例如对于ILD氧化硅进

19、行CMP，采用二氧化铀（CeO）作为磨粒的抛光速率比用气相纳米 SiO2为 磨粒的抛光速率竹与快印tRv PA W含量：心脸量*指财pt巾磨粒E证的百分数。即（磨粒质量/力磨液质盒）x100%'又叫磨杖浓度。对于硅抛光，在低磨粒含量时，在一定范围内对硅的抛光速率随着磨粒含量的增加而增加，平整度趋于更好。这主要是由于，随着磨粒含量的提高，研磨液中参与机械研磨的有效粒子数增多， 抛光液的质量传递作用提高，使平坦化速率增加，可以减小塌边情况的发生。但 并不是磨粒含量越高越好，当磨粒含量达到一定值之后，平坦化速率增加缓慢， 且流动性也会受影响，成本也增加，不利于抛光。要通过实验对确定的抛光对象

20、 找出一个最优的磨粒含量。磨粒大小及硬度：随着微粒尺寸和硬度的增加，去除速率也随之增加。但会产生更多的凹痕和划伤。所以要很细心地选择颗粒的大小和硬度， 颗粒硬度要比 去除材料的硬度小。要不能使平坦化的表面产生凹痕和擦伤等表面缺陷。2）研磨液的选择性：对确定的研磨液，在同样条件下对两种不同的薄膜材料进行 抛光时其抛光速率的不同，这就是研磨液的选择性。3）研磨液中添加物的浓度与pH值：与MRRt直接关系。5 .温度对去除率的影响CMF&加工过程中无论是酸性液体还是碱性液体，在与去除材料的化学反应中都是放热的反应，造成温度的上升，同时在加工过程中， 由于抛光头的压力作用和抛光头及研磨盘的旋转

21、具有做功的情况，所以有能量的释放，造成温度的上升。6 .薄膜特性 CMFW磨薄膜材料的性质（化学成分、硬度、密度、表面状况等）也 影响抛光速度和抛光效果。3 .文献精读3.1 半经验SiOzCMPS除速率（MRR模型13为预测CMFH程的MRR建立了半经验的模型公式。假定晶圆磨粒表面是塑 性接触，抛光垫与磨粒弹性接触，磨粒尺寸分布，抛光垫粗糙度无序分布；模型 考虑磨粒尺寸，浓度，分布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。3.2 模型推导根据品W模型14和接触原理15 ,CMP中一个平滑晶圆和一个自由粗糙抛光垫在F作用力下真实接触面积为：真实接触压力为:（D） 16,得到活跃颗早期研究证明，颗粒尺

22、寸分布满足一个密度方程（ 粒数量表达式：根据活性粒子数量和颗粒密度，得到平均 MRR而MR的布模型17可表示为：P r =Epw3.3 实验过程抛光垫七层用型号IC1000A解断中甲髭用fSupRV毡型带A这种设计易用，性育斑qA。r用epECVBfc 200mm晶句秘积1.5 #曲|飞通包CMPW:备制D旋防DA_wC C UpJ Epw d抛光器（GnPPOLI500 。工作压力是晶圆压力 27.5KPa；定位环压力cr34.74KPa； 研磨液流速是150ml/min ;转速40rpm；用到四种不同直径研磨液（表 4）;颗 粒浓度为12.5Wt%;（CM+ 调"肖程用压儿用混长

23、段别机器转速40rpm，、鄂转 迪RR0rpm;抛光石min比人川反川计（Kfbc ST5030-SL）测胰：草；每张品蚪选 41个点测MRRs边绘去除3mW,"PPWMRR (x , y )= MRR avg " 0 n(X, y) V 'x, y) ： sw变量p名称 I 1垫粗糙度标准误差a-：-Tn.avg值<'30年单管 Ja mR垫粗糙读平均半径25a m8垫材料杨氏模里10MPau p垫材料泊松比率0.2-ESiO2颗粒杨氏模量94GPaU aSiO2颗粒泊松比率0.26-P aSiO2颗粒密度2270Kg/m3P s研磨液密度1040K

24、g/m3EwSiO2杨氏模里66GPaU wSiO2泊松比率0.3-HWSiO2硬度18GPa表3,模型参量数值3.4 实验过程抛光垫上层用型号IC1000聚氨酯，基层用SubaIV毡型垫，这种设计易用， 性能连续。用PECV而ZOOmnfi圆淀积1.5Nm厚SiO2层。CM所备用的是旋转 抛光器（GnPPOLI500）。工作压力是晶圆压力 27.5KPa；定位环压力34.74KPa； 研磨液流速是150ml/min ;转速40rpm；用到四种不同直径研磨液（表 4）；颗 粒浓度为12.5wt%; CMPK 调节进程用压力5.88KPa,调机器转速40rpm,盘转 速60rpm；抛光1min后

25、，用反射计（K-Mac ST5030-SL）测膜厚；每张晶圆选 41 个点测MRRs边缘去除3mm研磨液平均直往（nm标准误差（nnj）D1313.33.7D2222.44.4D6160.912.5D118117.726.4表4.CMP实验研磨液3.5 实验结果分析测得颗粒尺寸分布为离散分布，离散密度公式用来计算颗粒总数图12.研磨液颗粒尺寸分布QQ 2=-E=UJS皂 mHA 口 Ea 一 E-JSEE图13.平均颗粒尺寸与平均 MRR或系图14.颗粒质量百分比与平均 MRR或系以平均颗粒尺寸为变量测平均磨除速率，得到结果曲线图 13,并与公式模 型所得曲线比较，可以看出，公式模型与试验结果

26、相吻合，从 D13到D61,磨除 速率上升，到D118稍有下降，说明有一个最适尺寸。以颗粒质量百分比为变量测平均磨除速率，得到结果曲线图 14 ,并与公式 模型所得曲线比较，可以看出，公式模型与试验结果相吻合，从5wt哪M7.5wt%, MRR-直增加，说明活性颗粒数量与磨除速率成正比。-匚-EfEU) Q+IQJHACIEE -ra-JCJJIEzC_E_UJSg 正-EAcUJaJ 一-<2g 两震Distance from wafer eenler (mmDistance from wafer center (mm图15.不同颗粒直径下试验与模型 MR曲布 图16.不同颗粒密度下实

27、验与模型 MR的布图15和图16表明，试验结果符合模型假设，验证了模型的正确性。3.6 结论基于接触力学，本文提供了一个 SiO2的CMP真型，其中考虑了磨粒尺寸， 浓度，分布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。经过试验，得到的实验结果 与模型比较吻合。MRR真型可用于CMP时H, CMPi程参数最佳化以及下一代 CMP 设备的研发。4 .学习体会在本学期的VLSI制造技术的课程学习中，我收获很多。首先，因为上课人 数少，获得了两次讲报告的机会，使我阅读文献的能力得到很大提升， 也锻炼了 作报告能力，同时学到很多新知识，其次，在听其他同学报告时，也了解了很多 各方面知识，最后，通过金老师对第一

28、次报告的点评， 我在第二次报告中改正了 很多第一次中的不足，报告能力再次得到提升，同时，金老师渊博的专业知识以 及对每次上台作报告同学的点评，都使我获益匪浅。参考文献：1刘玉岭，檀柏梅，张楷亮.超大规模集成电路衬底材料性能及加工测试工程M.北京：冶金工业出版社,2002.2 Lee HS, Jeong HD. Chemical and mechanical balance in polishing of electronic materials for defect-free surfaces. CIRP Annals-Manufacturing Technology 2009;58:485

29、久0.3 Zantye PB, Kumar A, Sikder AK.Chemical mechanical planarization for microelectronics applications.Materials Science and Engineering R 2004; 45:8 9220.4 Steigerwald JM, Shyam P, Gutmann M, Gutmann RJ. Chemical mechanical planarization of microelectronic materials. New York: Wiley; 1997.5 Lee H,

30、Joo S, Jeong H. Mechanical effect of colloidal silica in copper chemical mechanical planarization. Journal of Materials Processing Technology 2009;209:61346 Larsen-Basse J, Liang H. Probable role of abrasion in chemo-mechanical polishing of tungsten. Wear 1999;233-235:64754.7 Cook LM. Chemical process in glass polishing. Journal of Non- Crystalline Solids 1990;120:152 71.8 Tomozawa M. Oxide CMP mechanisms. Solid State Technology 1997;40:3953.9 Shouhong Tang,高仰月译.用白光干涉测量法描述化学机械抛光面J.电子工