化学机械研磨後清洗技术简介

第六卷第一期

化學機械研磨後清洗技術簡介

蔡明蒔

國家奈米元件實驗室

前言

自1997年開始，半導體製程邁進0.5微米元件線幅以下，幾乎所有半導體製造廠開始採用化學機械研磨技術(Chemical Mechanical Polishing, CMP)。此乃由於愈來愈嚴苛的曝光景深要求，對於曝光區內晶圓表面之起伏輪廓必須借助研磨方式才能獲得全域性平坦化(Global planarity)。故在多層導線結構製程之IMD介電層平坦化及鎢金屬栓塞(W plugs)之製作，以CMP取代傳統以乾式蝕刻回蝕法，不但可確保晶圓表面之平整度且製程簡化，大幅提昇製程良率。除了應用在後段導線之製作，CMP亦應用於前段元件隔離之oxide回蝕製程，即淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation, STI)，大幅增加晶圓上元件之可用面積。當元件線幅小於0.18微米，傳統鋁銅合金導線之RC延遲將大過於元件開關速度，此時較低電阻之銅導線則勢必被採用。由於銅之電漿乾蝕不易，應用Cu-CMP金屬嵌入式導線之大馬士革製程(Metal Inlaid Damascene Process)則為形成導線製作之主要方式。

CMP製程雖為先進半導體製程之關鍵技術，但在無塵室中卻屬高污染性之製程(dirty process)。由於製程中必須引入研磨泥漿(slurry)於晶圓表面進行研磨，泥漿中包含約5-10%，30-100奈米之微細研磨粉體(abrasive)，種類包括SiO2、Al2O3、CeO2、ZrO2等。此外還必須加入化學助劑，有pH緩衝劑如KOH、NH4OH、HNO3或有機酸等；氧化劑如雙氧水、硝酸鐵、碘酸鉀等；亦必須加入界面活性劑(Surfactants)幫助粉體在水溶液中之懸浮穩定性。故晶圓經過研磨之後，晶圓表面勢必殘留大量之研磨粉體(>10k/wafers)、金屬離子(>1012 atoms/cm2)及其他不純物之污染。若無有效之清洗製程去除此外來之污染物及因研磨產生之表面損傷，則將影響後續薄膜沈積、微影等製程良率，故過研磨後CMP清洗製程為成功應用CMP於半導體製程之關鍵技術。

清洗機制、原理及方法

1. 微塵吸附原理及清洗方法

在設計一清洗系統可以去除吸附在晶圓上微塵之前，必須先檢視有那些作用力促使塵粒吸附於晶圓表面上。主要之作用力包含有分子吸附力(molecular adhesion)、靜電作用力(electrostatic interactions)、液體介質橋接(liquid bridges)、電雙層排斥力及化學共價鍵結(chemical bonding)

等。分子吸附力即所謂凡得瓦爾力(Van der Waals dispersion force)，屬於分子間之瞬間誘發偶極作用力(induced-dipole/induced-dipole interaction)，此作用力與分子內電子雲之極化性(polarizability)相關，通常分子量愈大之分子其外層電子雲之擴散度較高，代表其可被極化程度愈高，則其凡得瓦爾作用力愈強。此作用力與重力之性質頗為類似，一是只存在有引力而無斥力，二是與物體之質量成正比而與其相距距離平方成反比。此意謂當兩分子距離較遠時，凡得瓦爾力小至可忽略其存在。但在相距甚短之距離時（在數奈米之微距時），此引力將會以級數增加而變為主要之分子間作用力，甚至大過於靜電庫倫力。故研磨後，若不考慮其他作用力，粉體是傾向於吸附於晶圓表面的。避免粉體與晶圓表面之直接接觸，增加其間距離可有效降低凡得瓦爾力（平方反比關係），故濕式清洗以水分子作為其間介質，對於微塵去除會比乾式清洗方式有效。但濕法清洗必須注意洗淨後之乾燥方式(drying)，若晶圓表面之表面張力太大（即水分子水分子間引力大於水分子與晶圓表面之吸附力時），容易造成粉體與晶圓表面之溶液橋接現象，如圖一所示，形成所謂水痕(Water mark)。

粉體與晶圓表面間之靜電作用力。一般而言，懸浮或浸潤於水溶液中之粉體或固體表面氫氧基易與水分子進行質子交換，故視周遭水溶液之質子濃度（即pH值），其表面可被質子化(protonation)而帶正電荷，或去質子化(deprotonation)而帶負電荷，如圖二所示。此時，水溶液中相同電量但異性電荷之離子(counter ions)因其表面電場吸引靠近以平衡其電荷，形成所謂之電雙層(Electric double layer)，如圖三所示。其包含離子緊密吸附之內層(Stern layer)及外層擴散層(Diffusion layer)。當此粉體移動時，Stern layer是緊隨粉體運動，而Diffusion外層是隨溶液移動，此內外層接面邊界即稱為剪面(Shear plane)，剪面電位稱為Zeta電位，其可藉由電泳法(Electrophoresis)測得。

以去除吸附表面粉體之觀點，我們希望粉體與晶圓表面於水溶液中存在相斥之靜電作用力，亦即保持相同電性之Zeta電位勢且其值愈大愈好。以上述懸浮粉體表面之電雙層模型得知，Zeta電位勢與水溶液之pH值（影響其帶電極性）及溶液中異性電荷離子濃度（影響外層diffusion layer範圍大小）相關。此電雙層靜電斥力與凡得瓦爾力加成後，如圖四所示。此即為DLVO塵粒吸附理論。在塵粒與固體表面距離甚近時，凡得瓦爾吸引力促使塵粒吸附（負作用能），在相距一段距離後，靜電斥力才開始發揮作用，如圖四中曲線a所示。此粉體與吸附表面之靜電斥力作用距離取決於電雙層外層之範圍大小，若溶液中之離子強度太高，則表面Zeta電位勢很快即被異性離子所平衡，電雙層作用範圍縮減，促成凡得爾作用力主導塵粒吸附，即圖四中曲線b-e所示。總而言之，清洗之水溶液除了要使粉體及晶圓表面存在有效之電雙層靜電斥力外，並要儘可能降低水溶液之離子強度，擴大電雙層作用範圍以抗拒近距離時強大凡得瓦爾吸附力。

由圖五所示，在鹼性水溶液中(pH>7)時，大部份之陶瓷粉體或固體表面皆荷負Zeta 電位勢，包括SiO2, WOx等。但Al2O3粉體須在水溶液pH值大於9以上時，Zeta 電位勢才會由正轉負。故不論是應用於IMD平坦化製程，或是鎢金屬栓Damascene 製程，在CMP研磨後之晶圓大部份表面為SiO2膜，而殘留研磨粉體為SiO2或Al2O3。只要在pH>10之鹼水溶液中，就可保持兩者同為負電位勢，則有利於粉體脫附。故目前皆以0.5-4.0 %NH4OH水溶液為主要粉體去除清洗液。如圖六所示，在氨水中清洗可以降低晶圓上之塵粒總數（粒徑大於0.2微米）少於100顆，而在純去離