化学机械研磨(CMP)工艺和设备介绍

只在必要部分(孔洞孤立部分)
成長薄膜，但選擇性成長效果
不易控制選擇性CVD 薄膜成長
選擇性成長法(4)成本低廉，但膜質疏鬆不安定
SOG (Spin on Glass)，再熱流(Reflow)
流動化法(3)薄膜成長及平坦化同時進行，但容易產生損壞(Damage)及
微塵污染
偏壓濺鍍法或電漿輔助
CVD 薄膜成長法(2)容易進行，但蝕刻效果不易控制金屬濺鍍後進行RIE 或電漿輔助蝕刻回蝕法
(Etchback)
(1)特徵
流程種類
各種平坦化的形態
Smoothing Plus
Partial Planarization
Local Planarization
Global Planarization
膜、硼磷矽玻璃膜(BPSG) (Thermal oxide) 等。

Metal CMP
W CMP
Cu CMP
AI CMP
Dishing, thinning or erosion uniformity & rounding
•Global Planarization => R>100um, Φ<0.5deg
•Polish-rate variation•Ineffective planarization of
Platen
Wafer Polishing pad
Slurry
Polishing pad
CMP process integration
元件製造
晶片直徑及厚度晶片平坦及反射
晶片表面凹凸元件圖案的組成
材料構成
加工性，耐蝕性
研磨條件
研磨速度
研磨壓力
研磨時間
研磨整理
研磨平滑度
研磨墊
研磨墊表面構造
研磨墊機械性質
研磨墊的溝型態
與密度
研磨墊的磨耗與
壽命
研磨墊的耐熱性
研磨劑
砥粒種類
砥粒純度與粒
徑
研磨液種類
研磨液供給方
法
研磨液溫度
研磨液再生
晶片洗淨
洗淨方式
洗淨液及
廢液的處理
化學及物理洗淨
作用
洗淨後乾燥
研磨現象
研磨阻力
研磨溫度
研磨面生成
切屑生成
實際晶片上
的凹凸構造CMP 全面平坦化研磨平坦化終了
研磨裝置
多片式同時研磨單片式研磨
主軸精度與剛性上下震動程度晶片回轉精度研磨壓力附加方法
裝置材料
加工部及洗淨部晶片保持
接著法
非接著法
晶片抓取型法
晶片吸引方法
固定部構造與精
度
固定面形狀精度
固定面洗淨
單片式與多片式
計測系統
研磨量與均一性
平坦度與平面度
研磨厚度與表面
粗糙度
表面污染
研磨阻力
研磨墊表面溫度
研磨終點檢測
廢液分析
自動化系統
研磨前準備
晶片移動
工具交換
工具面洗淨
研磨結果
研磨面精度及形
狀
表面粗糙度
研磨傷痕及應力
的控制
研磨變質層
研磨歪斜與污染
的防治
CMP 要求項目中研磨液與研磨墊的關係
要求項目研磨的基本要素要因
無擾亂鏡面化
無歪斜鏡面)
高效率化
高精度化
清淨化
降低不純物濃度)
加工液
(反應藥液)
砥粒(微粒子)
(研磨液)
+漆加劑
(分散劑，界面活性劑
...)
研磨墊/ (研磨布)
精密洗淨
z加工物反應性/ 反應形態
z化學液之濃度，種類
z溫度
z粒徑分布
z硬度
z形狀
z彈性變形特性
z硬度厚度
z厚度精度
z表面形狀(研磨液機能保持
z環境
z化學藥品
：純度，種類，濃度，溫度
Slurry abrasive & application
研磨液中的研磨粒子之特性及其應用( 的部分是用於半體導的製程)
研磨液中的粒子Silics(SiO2)
Caria(CeO2)
Alumina(Al2O3) (粉碎粒子)…………………Al，
Zirconia(Zro2) (i)
玻璃
Magnum(MnO2)………………………………
z沈澱性(粉碎粒子)……………….Si
z粉末狀[Fume](燒結氧化/SiCl4)….
z膠羽狀[Colloidal]…………………Si, ,GGG,
(離子交換/ NaSiO3) Sapphire,LiTaO3
z合成的(溶液化學反應/TEOS)
SiO2(ILD)
SiO2(ILD)
SiO2(ILD)
Al，Ｃu，W(wire)
SiO2(ILD)
SiO2(ILD)
Al，Ｃu，W(wire)
z低純度（電解法）………………光學玻璃
z高純度（溶解法）………………，光罩
，玻璃基板
SiO2(ILD)
CMP製程中所用之Slurry種類及研磨的對象CMP所用的研磨液之分類
CMP 的研磨對象
研磨液製造商砥粒添加劑
SiO2(ILD)SiO2
CeO2
ZrO2
Al2O3(γ)
Mn2O3
KOH，NH4OH
-
-
-(有機分散劑)
Cabot,Rodel,
Fujimi
Rodel,昭和電工,三
井金屬礦業
日產化學
住友化學工業
Metal
W(plug)
Al(wire/plug)
Cu(wire/plug)
Al2O3
MnO3
SiO2
SiO2
Al2O3
H2O2,Fe(NO3)3
,KIO3
H2O2
Cabot,Rodel,
住友化學工業
Fujimi,
三井金屬工業
Cabot
H2O2,Fe(NO3)3,KIO3
H2O2,Fe(NO3)3,KIO
Cabot,Rodel,Fujim
i Cabot,Rodel,
住友化學工業
Fujimi,
Oxide-CMP chemical mechanism
基本反應式：個別反應式：SiO2 + 2AOHÆA2SiO + H2O
(不溶於水) (可溶於水)
A代表鹼金族(Alkali) 元素
z在氫氧化鈉中
SiO2 + 2NaOHÆNa2SiO3 + H2O
(可溶於水)
z在氫氧化鉀中
SiO2 + 2KOHÆK2SiO3 + H2O
(可溶於水)
z在氨水中
SiO2 + 2NH4OHÆ(NH4)
2
SiO3 + H2O
(可溶於水)
基本反應式：
氧化劑及氧化物生成物是可溶性的)
個別反應式：(舉Tungsten的例子)M + n y[OX]ÆMO n
(金屬氧化物)
MO n+ m y AOHÆA m MO N+m2 + m/2 y H2O
M是金屬，[OX]是氧化劑，AOH化表一價的鹼金族(Alkali)元素
鎢在雙氧水中
W + 3H2O2 ÆWO3+ 3H2O
(氧化鎢)
氧化鎢在氫氧化鉀中
WO3+ 2KOHÆK2WO4+ H2O
(可溶於水)
本例是以雙氧水為氧化劑，以氫氧化鉀為水溶劑
Metal-CMP chemical mechanism
Removal rate = (T o –) / time
Non –uniformity = Standard deviation of removal thickness
Uniformity = Standard deviation of remained thickness
Preston equation ：Removal rate = Kp(F / A)Vr
T 0T 1
Polish
(a)(b)(c)(d)ω2=ω1ω2=4ω2=-ω2= ω121The loci of different points on a wafer : (a) When the wafer rotates at the same angular speed as the platen; (b) when the wafer rotates at a higher speed than FIGURE
)。