化學(xué)機械拋光工藝(CMP)全解(可編輯修改word版)

化學(xué)機械拋光液（CMP）氧化鋁拋光液具體添加劑CMPCMPCMPCMPCMPSiO2CMPMRRCMP，CMPCMPVLSI制造技術(shù)的課程回顧，歸納了課程收獲，總結(jié)了課程感悟。關(guān)鍵詞：CMP、研磨液、平均磨除速率、設(shè)備Abstract：ThisarticlefirstdefinedandintroducesthebasicworkingprincipleoftheCMPprocess,andthen,byintroducingtheCMPsystem,fromtheperspectiveofprocessequipmentqualitativeanalysistounderstandtheworkingprocessoftheCMP,andbyintroducingtheCMPprocessparameters,makequantitativeunderstandingonCMP.Inliteratureprecision,introduceaCMPmodelofSiO2,whichtakesintoaccounttheparticlesize,concentration,distributionofgrindingfluidvelocity,polishingpotentialterrain,materialperformance.Aftertest,theexperimentresultcomparedwiththemodel.MRRmodelcanbeusedintheCMPsimulation,CMPprocessparameteroptimizationaswellasthenextgenerationofCMPequipmentresearchanddevelopment.ThroughthereviewofVLSImanufacturingtechnologycourse,finallysumsupthecourse,summedupthecourse.Keyword:CMP、slumry、MRRs、device前言0.25μmCVD，CVD,90年代興起的化學(xué)機械拋光技術(shù)（CMP）則從加工性能和速度上同時滿足硅片圖形加工的要求，其也是目前唯一可以實現(xiàn)全局平坦化的技術(shù)[1]。基本原理CMPCMPCMP[2]的物質(zhì)；應(yīng)生成的物質(zhì)。CMP[4](1)平均磨除率(MRR)在設(shè)定時間內(nèi)磨除材料的厚度是工業(yè)生產(chǎn)所需要的。(2)CMPCMPCMP臺階高度的百分比。CMP表面缺陷CMPCMPCMP[5]（1）CMPCMP其中研磨液和拋光墊為消耗品。圖1. CMP設(shè)備組成（1)拋光頭組件（的下壓力系統(tǒng)，以及調(diào)節(jié)晶圓的定位環(huán)系統(tǒng)。圖2.拋光頭組件（2）研磨盤CMP制拋光頭壓力大小、轉(zhuǎn)動速度、開關(guān)動作、研磨盤動作的電路和裝置。(3)拋光墊（通常使用聚亞胺脂(Polyurethane)4575拋光墊有軟墊，硬墊之分[6]。圖3.拋光墊（左軟，右硬）（（均性,拋光液中固體顆粒較小,因此可以增加光潔度,同時去除粗拋時留下的損傷層。故采用粗精拋相結(jié)合的辦法,既可保持晶片的平行度、平整度,又可達到去除損傷層及保持硅片表面高光潔度的目的。的磨蝕粒子送入硅片表面并去除副產(chǎn)品。在使用中,拋光墊在對若干片晶片進行拋光后被研磨得十分平整,同時孔內(nèi)填滿了磨料粒子和片子表面的磨屑聚集之下降,同時還會使硅片表面產(chǎn)生劃傷,對電路元件造成損傷。的使用壽命。（4）拋光墊修整器 圖4.拋光墊調(diào)整器 圖5.拋光墊調(diào)整器表面拋光墊調(diào)整器[7]（（CVD（5）(5)研磨液系統(tǒng)研磨液[8]1。被拋光材料磨粒研磨液添加物研磨液pH值介質(zhì)二氧化硅SiO2,CeO2,ZrO2Al2O3,Mn2O3KOH,NH2OH10~13金屬鎢Al2O3,Mn2O3KIO3,Fe(NO3)2,H2O22~6鋁SiO2KIO3,Fe(NO3)2,H2O22~6銅Al2O3KIO3,Fe(NO3)2,H2O22~6表1.研磨液成分研磨液供給與輸送系統(tǒng)CMPCMPCMPCMP平均拋光速率方面起著巨大的作用。②研磨液供給與輸送系統(tǒng)實現(xiàn)的目標(biāo)：通過恰當(dāng)設(shè)計和管理研磨液供給與輸送CMPCMP效果。研磨液組分通常是分開存儲（圖6），使用時按比例混合使用。圖6.研磨液混合系統(tǒng)（LFC:流量控制裝置）③研磨液混合和輸送設(shè)備的設(shè)計特點：可以為每種研磨液設(shè)置特定的淀積率和分散率。④拋光研磨液后處理：作為消耗品，研磨液一般是一次性使用。CMP本。拋光研磨液的后處理研究將是未來的新研究熱點。終點檢測設(shè)備[9]CMP1)檢測電流終點檢測。CMP改變來保證不變的旋轉(zhuǎn)速率，監(jiān)測馬達電流來測終點。2)光學(xué)干涉法終點檢測圖7.電介質(zhì)光干涉終點檢測 圖8.后CMP清洗刷子（期變化，電解質(zhì)薄膜厚度的變化可以由反射光的變化來監(jiān)測。圖9.光學(xué)測金屬CMP終點CMP（9金屬層被磨除（9）時表面反射率大幅減少，通過這種方法可測終點。CMP[10]三步法:清潔,沖洗,干燥。（允許化學(xué)物質(zhì)滲入并傳遞到晶圓表面CMP單拋光頭旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng) CMP轉(zhuǎn)動設(shè)備是用以玻璃陶瓷或其他金屬的磨平拋設(shè)備為基礎(chǔ)的，這種設(shè)備由單個研磨盤和單個拋光頭構(gòu)成。多拋光頭旋轉(zhuǎn)式CMP系統(tǒng) 隨著生產(chǎn)力需求和缺陷標(biāo)準提高出現(xiàn)了多研頭的旋轉(zhuǎn)體系，這類設(shè)備有很多種。多研磨盤CMP系統(tǒng) 由于Auriga公司和Symphony公司的設(shè)備缺乏靈活性，例如加工的硅片片數(shù)是22片而不是25片硅片就不能發(fā)揮它們生產(chǎn)力高的優(yōu)點軌道式CMP系（圖10） 由于對于工藝的靈活性和生產(chǎn)力的需求提高，IPEC公司開發(fā)出了676軌道式CMP系統(tǒng)。圖10.軌道式CMP系統(tǒng) 圖11.線性CMP系統(tǒng)線性CMP系（圖11） 最后有些公司開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)高線速度的線性CMP系統(tǒng)。CMP設(shè)備參數(shù)研磨液參數(shù)拋光墊/背墊參數(shù)CMP對象薄膜參數(shù)拋光時間磨粒大小硬度種類研磨盤轉(zhuǎn)速磨粒含量密度厚度拋光頭轉(zhuǎn)速磨粒的凝聚度空隙大小硬度拋光頭搖擺度酸堿度彈性化學(xué)性質(zhì)背壓氧化劑含量背墊彈性圖案密度下壓力流量修整粘滯系數(shù)2.CMP1.拋光頭壓力壓力越大，磨除速率越快。拋光頭與研磨盤間的相對速度拋光速率隨著拋光頭與研磨盤間的相對速度的增大而增大。拋光墊拋光墊是在CMP中決定拋光速率和平坦化能力的一個重要部件。①碎片后為防止缺陷而更換拋光墊。②優(yōu)化襯墊選擇以便取得好的硅片內(nèi)和硬膜內(nèi)的均勻性和平坦化(建議采用層疊或兩層墊)。③運用集成的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)進行研磨墊溫度控制。④孔型墊設(shè)計、表面紋理化、打孔和制成流動渠道等有利于研磨液的傳送。⑤CMP前對研磨墊進行修正、造型或平整。⑥有規(guī)律地對研磨墊用刷子或金剛石修整器做臨場和場外修整。CMP磨粒CMPCMPCMP，ILDCMP(CeO2SiO2磨粒的拋光速。

PA2A sp w2②磨含量磨含指研磨液中磨粒質(zhì)量的百分數(shù) E p pw即(磨粒質(zhì)量/研磨液質(zhì)量)×100%③磨粒大小及硬度：隨著微粒尺寸和硬度的增加，去除速率也隨之增加。但會去除材料的硬度小。要不能使平坦化的表面產(chǎn)生凹痕和擦傷等表面缺陷。拋光時其拋光速率的不同，這就是研磨液的選擇性。pHMRR溫度對去除率的影響 CMP在加工過程中無論是酸性液體還是堿性液體在與去除材料的化學(xué)反應(yīng)中都是放熱的反應(yīng)，造成溫度的上升，同時在加工過程中由于拋光頭的壓力作用和拋光頭及研磨盤的旋轉(zhuǎn)具有做功的情況所以有能量的釋放，造成溫度的上升。薄膜特性 CMP研磨薄膜材料的性質(zhì)(化學(xué)成分硬度密度表面狀況等)影響拋光速度和拋光效果。文獻精讀SiO2CMP（MRR）模型[13]CMP考慮磨粒尺寸，濃度，分布，研磨液流速，拋光勢地形，材料性能。模型推導(dǎo)根據(jù)G—W模型[14]和接觸原理[15],CMP中一個平滑晶圓和一個自由粗糙拋光墊在F作用力下真實接觸面積為：真實接觸壓力為：早期研究證明，顆粒尺寸分布滿足一個密度方程（Φ（D））[16],得到活躍顆粒數(shù)量表達式：根據(jù)活性粒子數(shù)量和顆粒密度，得到平均MRR：而MRR分布模型[17]可表示為：C

1p2r

EpwR fsR

p實驗過程IC10TlfSuaIV2設(shè)計易用，n qA

2 1DdD W sP W

DdD能連續(xù)rPECVD200mmT1.5O2。CME用的是旋轉(zhuǎn)D W

P

PWD拋光器（GnPOLI500）27.5KPa34.74KP；研磨液流速是150ml/min；轉(zhuǎn)速40rpm；用到四種不同直徑研磨液（表4）；顆4

W/l

2PVre.avg

,212.wt%CMPT5.88Ka40rpm3轉(zhuǎn)0g1min-McT500SL)141個3

C

2MRRs；3mmW

P

PW x,yV

x,yMRRx,yMRRn

re.avg 變量名稱 變量名稱 n.avg re.avg單 σp墊粗糙度標(biāo)準誤差30μmRp墊粗糙讀平均半徑25μmEp墊材料楊氏模量10MPaυp墊材料泊松比率0.2-EaSiO2顆粒楊氏模量94GPaυaSiO2顆粒泊松比率0.26-ρaSiO2顆粒密度2270Kg/m3ρs研磨液密度1040Kg/m3EwSiO2楊氏模量66GPaυwSiO2泊松比率0.3-HwSiO2硬度18GPa

V 表3.模型參量數(shù)值實驗過程IC1000SubaIVPECVD200mm1.5μmSiO2CMPPOLI500）150ml/min40rpm；用到四種不同直徑研磨液（4）；顆5.88KPa40rpm，盤轉(zhuǎn)1min(K-MacST5030-SL)41MRRs；3mm。研磨液平均直徑（nm）標(biāo)準誤差（nm）D1313.33.7D2222.44.4D6160.912.5D118117.726.4表4.CMP實驗研磨液實驗結(jié)果分析測得顆粒尺寸分布為離散分布，離散密度公式用來計算顆粒總數(shù)圖12.研磨液顆粒尺寸分布圖13.平均顆粒尺寸與平均MRRs關(guān)系圖14.顆粒質(zhì)量百分比與平均MRRs關(guān)系13，并與公式模D13D11814模型所得曲線比較5wt%一直增加，說明活性顆粒數(shù)量與磨除速率成正比。圖15.不同顆粒直徑下試驗與模型MRR分布 圖16.不同顆粒密度下實驗與模型MRR分布圖15和圖16表明，試驗結(jié)果符合模型假設(shè)，驗證了模型的正確性。結(jié)論SiO2CMPMRRCMP設(shè)備的研發(fā)。學(xué)習(xí)體會VLSI及對每次上臺作報告同學(xué)的點評，都使我獲益匪淺。參考文獻：劉玉嶺,檀柏梅,張楷亮.超大規(guī)模集成電路襯底材料性能及加工測試工程北京：冶金工業(yè)出版社,2002.LeeHS,JeongHD.Chemicalandmechanicalbalanceinpolishingofelectronicmaterialsfordefect-freesurfaces.CIRPAnnals-ManufacturingTechnology2009;58:485–90.ZantyePB,KumarA,SikderAK.Chemicalmechanicalplanarizationformicroelectronicsapplications.MaterialsScienceandEngineeringR2004;45:89–220.SteigerwaldJM,ShyamP,GutmannM,GutmannRJ.Chemicalmechanicalplanarizationofmicroelectronicmaterials.NewYork:Wiley;1997.LeeH,JooS,JeongH.Mechanicaleffectofcolloidalsilicaincopperchemicalmechanicalplanarization.JournalofMaterialsProcessingTechnology2009;209:6134–9.Larsen-BasseJ,LiangH.Probableroleofabrasioninchemo-mechanicalpolishingoftungsten.Wear1999;233-235:647–54.CookLM.Chemicalprocessinglasspolishing.JournalofNon-CrystallineSolids1990;120:152–71.TomozawaM.OxideCMPmechanisms.SolidStateTechnology1997;40:39–53.ShouhongTang,高仰月譯.用白光干涉測量法描述化學(xué)機械拋光面[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2006,141,19-23.雷紅,CMP后清洗技術(shù)的研究進展[J].上海大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)研究中心,2008;200444.NogamiM,TomozawaM.Effectofstressonwaterdiffusioninsilicaglass.JournaloftheAmericanCeramicSociety1984;67:151–4.PrestonFW.Thetheoryanddesignofplateglasspolishingmachine.JournaloftheSocietyofGlassTechnology1927;11:214–56.H.S.Leea,H.D.Jeonga,D.