(机械制造行业)CMP化学机械抛光S的蜕与进

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，但运用的巧妙灵活，全在于善于思考。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活变通的通病，屡建战功。如果把化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)的全套工艺比作打仗用兵，那么CMP工艺中的耗材，特别是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“平坦化”大趋势，迅速地把哥伦布苦心经营的理论“推到一边”。对于IC制造来说，“平坦化”则源于上世纪80年代中期CMP技术的出现。

CMP工艺的基本原理是将待抛光的硅片在一定的下压力及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，并获得光洁表面（图1）。

1988年IBM开始将CMP工艺用于4M DRAM器件的制造，之后各种逻辑电路和存储器件以不同的发展规模走向CMP。CMP将纳米粒子的研磨作用与氧化剂的化学作用有机地结合起来，满足了特征尺寸在0.35μm以下的全局平坦化要求。目前，CMP技术已成为几乎公认的惟一的全局平坦化技术，其应用范围正日益扩大。

目前，CMP技术已经发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、平坦化工艺发展的产物。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、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。

Slurry的发展与蜕变

“CMP技术非常复杂，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杂。其次是CMP的应用范围广，几乎每一关键层都要求用到CMP进行平坦化。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技术所采用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控制设备、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 P工艺的3大关键要素，其性能和相互匹配决定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(如纳米级SiO2、Al2O3粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。固体粒子提供研磨作用，化学氧化剂提供腐蚀溶解作用。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、流动途径等。Slurry的精确混合和批次之间的一致性对获得硅片与硅片、批与批的重复性是至关重要的，其质量是避免在抛光过程中产生表面划痕的一个重要因素。

Cabot Microelectronics的亚太地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 由于其稳定的胶粒悬浮特性，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玷污，非常容易被互连氧化层，如硼磷硅玻璃（BPSG）

俘获。NH4OH类的slurry没有可动离子玷污，但它的悬浮特性不稳定，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坦化至关重要。

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大多选用酸性条件，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，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。

Slurry研究的最终目的是找到化学作用和机械作用的最佳结合，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。此外还要考虑易清洗性、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的研究已经从基于经验转变为成熟的基于理论和实践的结合。因此，最终用户可以更好地控制并提高系统和工艺的稳定性、可靠性及可重复性。Slurry急需“与时俱进”

尽管CMP工艺在0.35μm节点就被广为采用，但是其发展和进步还是随着IC 集成的发展“与时俱进”，特别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，其发展速度一直处于IC制造工艺的前沿。”Entrepix的总裁兼CEO Tim Tobin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则有MEMS、TSV、3D结构以及新的纳米器件等（图3），所有这些新兴技术都是摆在CMP 面前亟待解决的课题。也正因为如此，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未来不得不面对的问题。”

那么，所有这些芯片制造的“新宠儿”对于slurry来说意味着什么呢？“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