CMP化学机械抛光 Slurry的蜕与进

CMPSlurry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，ChemicalMechanicalPolishing)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4MDRAM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CMP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。CabotMicroelectronics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，H2O2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CEOTimTobin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外，如何保证CMP工艺整体足够可靠、如何保证slurry在全部供应链（包括运输及储藏）过程中稳定等，一直是slurry过去和现在面对的关键。摩尔定律推动技术节点的代代前进，这将使slurry的性能、质量控制、工艺可靠性及供应稳定性面临更大的挑战。”王淑敏博士说。对于新材料来说，slurry不仅要有去除材料的能力，还要保证能够适时恰当的停留在所要求的薄膜层上。对于某些新材料，如低k材料，其亲水性差，亲油性强，多孔性和脆性等特点还要求slurry的性能要足够温和，否则会造成材料的垮塌和剥离。因此，如何去除线宽减小和低k材料带来的新缺陷，如何在减低研磨压力的情况下提高生产率等也是研发的重点。“Cabot目前传统材料的slurry就包括氧化物（D3582和D7200）、Cu（C8800）、Barrier（B7000）等，”吴国俊博士说，“同时，其它一些新材料，如Ru、Nitride、SiC等的slurry也有所涉足。”在新结构方面，直接浅沟槽隔离(DSTI，DirectSTI）就是典型的代表。由于DSTICMP应用高选择比的slurry，相较于传统的STICMP，它不需要额外的刻蚀步骤将大块的有源区上的氧化硅薄膜反刻，可以直接研磨。显然，传统的氧化物slurry已无法满足DSTICMP工艺的要求，以Ce为主要成分的slurry成为90nm以下节点DSTICMP工艺的首选。BASF已经开始与专业化学品厂商EvonikIndustriesAG进行基于二氧化铈（CeO2）的slurry研发工作。另一新集成结构的典型代表就是高k/金属栅结构。“在45nm技术节点，高k/金属栅结构得以采用，它在为芯片带来更好性能的同时，也为CMP工艺和slurry带来了诸多问题。”TimTobin说。金属栅的CMP过程通常可分为两步：氧化物的CMP和金属栅的CMP（图4）。在氧化物CMP中，首先是要求氧化物的有效平坦化，其次是多晶硅的打开，这要求CMP后的薄膜要能够停留在恰当位置。在金属栅的CMP中，栅极材料具有一定的特殊性，特别是未来极有可能被采用的钌（Ruthenium）、铂（Platinum）等金属很有可能成为金属栅材料的新选择。这就要求所选择的slurry能够将栅极材料去除，endpoint的控制是关键和难点。此外不能有金属残留和尽可能少的dishing缺陷。当然，slurry本身也不能在栅极部分带来额外的残留物。降低缺陷是CMP工艺，乃至整个芯片制造的永恒话题。王淑敏博士介绍说，半导体业界对于CMP工艺也有相应的“潜规则”，即CMP工艺后的器件材料损耗要小于整个器件厚度的10%。也就是说slurry不仅要使材料被有效去除，还要能够精准的控制去除速率和最终效果。随着器件特征尺寸的不断缩小，缺陷对于工艺控制和最终良率的影响愈发的明显，致命缺陷的大小至少要求小于器件尺寸的50%（图5）。新缺陷的不断出现，为slurry的研发带来了极大的困难。新型slurry创意无限吴国俊博士认为，尽管目前的研磨颗粒仍为SiO2、Al2O3和CeO2为主，但是slurry的整体趋势朝着更强的化学反应活性、更温和的机械作用的方向发展。这将促进柔软研磨颗粒的研发，从而减少在低k绝缘材料表面产生线状划痕的可能。在slurry中采用混合型的颗粒，即聚合物与传统陶瓷颗粒的结合体，在平整度改善以及缺陷度降低方面展示出了良好的前景。陶瓷颗粒通常具有较强的研磨能力，因此去除率较高，但同时这也会在与硅片接触点附近产生更强的局部压强。很多时候，这会导致缺陷的产生。因此，研磨颗粒的形状变得至关重要（边缘尖锐的或是圆滑的），而通常这依赖于slurry颗粒的合成工艺。与陶瓷颗粒相反，聚合物颗粒通常比较柔软，具有弹性且边缘圆滑，因此能够将所施加的应力以一种更加温和、分布均匀的方式传递到硅片上。理论上讲，带聚合物外壳的陶瓷颗粒能够将这两者的优点完美的结合在一起，因为坚硬的颗粒可以以一种非损伤的方式施加局部应力。这种结合体具有提高研磨移除率、改善平整度、降低缺陷发生率的潜力。在slurry中添加抑制剂或其它添加剂也是未来slurry发展的趋势之一。TimTobin认为，在IC器件进一步向着体积更小，速度更快的技术要求驱动下，互连技术平坦化要求集中体现在：提高平面度、减少金属损伤、降低缺陷率。对于铜互连结构来说，由于铜本身无法产生自然钝化层，发生在宽铜线上的分解或腐蚀力，可能对窄线条产生极大的局部影响，造成严重的失效。对于先进的铜互连工艺，slurry中的抑制剂成分至关重要。已有研究人员正在研究采用阴离子吸附的铜钝化工艺中的热力学问题。用贵金属钌作为阻挡层材料可以减少甚至消除对籽晶层的需要，这样就可以直接在钌的阻挡层上电镀金属铜，这也是如今铜互连的研究重点之一。但是，金属钌在电化学腐蚀中具有更高的驱动力，因此需要更为有效或者浓度更高的阳极抑制剂。此外，向slurry中添加吸附剂也可以使CMP工艺所造成的碟形凹陷得以降低。越来越平的IC制造是不可逆转的趋势，同样不可逆转的还有更多的新兴材料和集成结构闯入半导体的大家族。当大家还在揣测“摩尔定律的发展如何为继？”的时候，身处其中的人已经明白：不断的研发进步乃是最好的应对之策。