化学机械抛光CMP技术的发展应用及存在问题
化学机械抛光(CMP)技术的发展、应用及存在问题
雷红 雒建斌 马俊杰
(清华大学摩擦学国家重点实验室 北京 100084)
摘要:在亚微米半导体制造中,器件互连结构的平坦化正越来越广泛采用化学机械抛光(C MP)技术,这几乎是目前唯一的可以提供在整个硅圆晶片上全面平坦化的工艺技术。本文综述了化学机械抛光的基本工作原理、发展状况及存在问题。
关键词:C MP 设备 研浆 平面化技术
Advances and Problems on Chemical Mechanical Polishing
Lei Hong Luo Jianbin Ma J unjie
(T he S tate K ey Lab oratery of T rib ology,Tsinghua University100084)
Abstract:Chemical mechanical polishing(C MP)has become widely accepted for the planarization of device interconnect structures in deep submicron semiconductor manu facturing1At present,it is the only technique kn own to provide global planarization within the wh ole wafers1The progress and problem of C MP are reviewed in the paper1
K eyw ords:CMP Equipment Slurry Planarization
1 C MP的发展、应用
随着半导体工业沿着摩尔定律的曲线急速下降,驱使加工工艺向着更高的电流密度、更高的时钟频率和更多的互联层转移。由于器件尺寸的缩小、光学光刻设备焦深的减小,要求片子表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级[1]。传统的平面化技术如基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃S OG、低压C VD、等离子体增强C VD、偏压溅射和属于结构的溅射后回腐蚀、热回流、淀积—腐蚀—淀积等,这些技术在IC工艺中都曾获得应用。但是,它们虽然也能提供“光滑”的表面,却都是局部平面化技术,不能做到全局平面化。目前,已被公认的是,对于最小特征尺寸在0135μm及以下的器件,必须进行全局平面化,为此必须发展新的全局平面化技术。
90年代兴起的新型化学机械抛光(Chem ical M echanical P olishing,简称C MP)技术则从加工性能和速度上同时满足了圆片图形加工的要求。C MP技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术,它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面[2、3]。C MP技术对于器件制造具有以下优点[1]:
(1)片子平面的总体平面度:C MP工艺可补偿亚微米光刻中步进机大像场的线焦深不足。
(2)改善金属台阶覆盖及其相关的可靠性:C MP 工艺显著地提高了芯片测试中的圆片成品率。
(3)使更小的芯片尺寸增加层数成为可能:C MP 技术允许所形成的器件具有更高的纵横比。
因而,自从1991年美国I BM公司首先将C MP工艺用于64Mb DRAM的生产中之后,该技术便顺利而迅速地在各种会议和研究报告中传播,并逐步进入工业化生产[4、5]。目前美国是C MP最大的市场,它偏重于多层器件,欧洲正在把C MP引入生产线,而日本和亚太地区将显著增长,绝大多数的半导体厂家采用了金属C MP,而且有能力发展第二代金属C MP工艺。据报道[6],1996年日本最大十家IC制造厂家中,有七家在生产0135μm器件时使用了C MP平坦化工艺,韩国和台湾也已开始C MP在内的亚微米技术。近年来,C MP发展迅猛,在过去三年中,化学机械抛光设备的需求量已增长了三倍,并且在今后的几年内,预计C MP设备市场仍将以60%的增长幅度上升。C MP 技术成为最好也是唯一的可以提供在整个硅圆晶片上全面平坦化的工艺技术,C MP技术的进步已直接影响着集成电路技术的发展。
C MP的研究开发工作已从以美国为主的联合体SE M ATECH发展到全球,如欧洲联合体J ESSI,法国研究公司LETI和C NET,德国Fraunhofer研究所等[7],日本和亚洲其它国家和地区如韩国、台湾等也在加速研究与开发,并呈现出高竞争势头。并且研究从居主导地位的半导体大公司厂家的工艺开发实验室正扩展到设备和材料供应厂家的生产发展实验室。
C MP技术的应用也将从半导体工业中的层间介质(I LD),绝缘体,导体,镶嵌金属W、Al、Cu、Au,多晶硅,硅氧化物沟道等的平面化[8],拓展到薄膜存贮磁盘,微电子机械系统(MFMS),陶瓷,磁头,机械磨具,精密阀门,光学玻璃,金属材料等表面加工领域。
2 C MP 技术
C MP 技术的目的是消除芯片表面的高点及波浪形。C MP 的基本原理是将圆晶体片在研磨浆(如含有
胶体S iO 2悬浮颗粒的K OH 溶液)的存在下相对于一个抛光垫旋转,并施加一定的压力,借助机械磨削及化学腐蚀作用来完成抛光。
C MP 技术[9～11]所采用的设备及消耗品包括:C MP 设备、研浆、抛光垫、后C MP 清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、研浆分布系统、废物处理和检测设备等。其中研浆和抛光垫为消耗品,其余为抛光及辅助设备。C MP 工艺是摩擦学、流体力学和化学的结合,因此会受到来自芯片本身和磨抛机械等因素的影响。一个完整的C MP 工艺主要由抛光、后清洗和计量测量等操作组成,C MP
工艺中的要素包括以下内容:
(1)抛光机
如图1所示,其基本组成为一个转动的圆盘和一个圆晶片固定装置。两者都可施力于圆晶片并使其旋转,在研浆(如含有胶状S iO 2悬浮颗粒的K OH 溶液)的帮助下完成抛光,用一个自动研浆添加系统就可保证抛光垫湿润程度均匀,适当地送入新研浆及保持其成分不变。
图1 一种C MP 设备简图
目前世界上生产这类设备的厂家已达20家,12
家在太平洋沿线,两家在欧洲,其余在美国[12]。如美国IPEC —Planar 公司生产的IPEC372-u 、472、672型C MP 设备,都是单头、单板抛光工艺。672-Ⅱ型有两个抛光模块,生产能力40～50片/h ;四个抛光模块,生产能力80～100片/h 。英国Logitech 公司推出CP3000C MP 设备,可加工012032m 圆片,从去胶开始全部由机械手操作,使圆片受损最小。日本东芝机械公司推出C MS —200型单元单片式C MP 设备,可加工011524/012032m 圆片,生产能力20片/h ,加压具有自动分级功能,在抛光同时会自动清洗,甩干。国内迄今还未有一家公司生产C MP 设备,随着国内
0135μm 工艺的不断推进,多层布线中平坦化工艺的矛盾将日益突出,为此,及早在国内进行C MP 设备和工艺的开发已成为当务之急。C MP 设备目前正在由单头、双头抛光机向多头抛光机发展,结构逐步由旋转运动结构向轨道抛光方法[13]和线性抛光方法[14]方
面发展。0118μm 技术对C MP 设备提出了更高的要求,
如设备集成、干进干出、抛光头改进、多工序加工、
无研磨膏C MP 、终点检测、自动输送接口、干法清洗
圆片等,同时,对于0118μm 或更小图形尺寸的新材
料(低、高k 值绝缘材料和铜)的C MP 设备还有待开发。
(2)抛光垫
抛光垫是输送研磨浆的关键部件,它用于将研磨浆中的磨蚀粒子送入片子表面并去除副产品,平坦化的获得是因为圆晶片上那些较高的部分接触抛光垫而被去除。抛光垫的机械性能,如弹性和剪切模量、可压缩性及粗糙度对抛光速度及最终平整度起着重要作用。抛光垫的硬度对抛光均匀性有明显的影响,硬垫可获得较好的模内均匀性(WID )和较大的平面化距离,软垫可改善片内均匀性(WIW ),为获得良好的WID 和WIW ,可组合使用软、硬垫[15],在圆片及其固定装置间加一层弹性背膜(backing film ),可满足刚性及弹性的双重要求。抛光垫常为含有聚氨基甲酸酯的聚酯纤维毡。抛光垫使用后会逐渐“釉化”,使去除速度下降,用修整的方法可以恢复抛光垫的粗糙面,改善其容纳浆料的能力,从而使去除速度得到维持且延长抛光垫的寿命。因而改进抛光垫、延长其使用寿命从而减小加工损耗是C MP 技术的主要挑战之一。
(3)研浆
研浆是C MP 的关键要素之一,研浆的化学作用在金属C MP 中起主要作用,研浆的组成、pH 值、颗粒粒度[16]及浓度、流速、流动途径对去除速度都有影响。研浆一般由研磨剂(S iO 2、Al 2O 3等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成[17～19],最具代表性的抛光浆液由一个S iO 2抛光剂和一个碱性组分水溶液组成,S iO 2粒度范围为1～100nm ,且非常均匀,S iO 2浓度为115～50%,碱性组成一般使用K OH 、氨或有机胺,pH 值为915～11。抛光不同的材料所需的抛光浆液组成均不同,在镶嵌W C MP 工艺中典型使用铁氰酸盐、磷酸盐和胶体S iO 2或悬浮Al 2O 3粒子的混合物,溶液的pH 值在510～615之间。抛光氧化物的浆料一般以S iO 2为磨料,pH 值一般控制在pH >10,而抛光金属则以Al 2O 3作添加剂的基础材料,以便控制粘性和腐蚀及去除副产品,研磨料的性能、分散稳定性对于C MP 浆都是很重要的。
浆料的研究仍集中于I LD C MP ,最近逐渐转向金属C MP (如W C MP 等),随着IC 工艺的发展,研究的重点已转移到用铜做层间引线的领域上来,铜的C MP 作为微型器件的主要加工工艺,各国均在加紧工艺研究。浆料研究的最终目标是找到化学作用和机械作用的最佳结合,以正确获得高去除速度、平面度好、膜
厚均匀性好及选择性高的浆料,同时还要兼顾易清洗性、对设备的腐蚀性、废料的处理费用及安全性。
(4)C MP后清洗
圆晶片经C MP加工后,会有少量浆料残留在片子上,从而影响其表面的质量及下道工序,因而C MP 的后清洗是C MP加工的重要部分,其目的是把C MP 中的残留粒子和金属沾污减少到可接受的水平。现在对0135μm及以下的C M OS工艺,要求后清洗提供的片子上附着物不多于500个/m2×0112μm,碱金属粒子数不大于5×1011原子/cm2[20]。C MP后清洗已成功地使用了湿式化学浴处理、喷射处理、去离子水及NH4OH擦洗、超声及两步抛光等方法,这些方法单用或组合使用[20～22]。湿式化学处理台、酸处理器、用PVA刷加去离子水擦洗对氧化物C MP后处理特别有效。稀HF作为湿式化学浴处理的一部分可去除大部分粒子和金属玷污,在浸泡时使用超声亦可加强清洗效果。
氧化物C MP后处理的新进展是把PVA刷擦洗与氧化物腐蚀组合成一台设备,既改善了性能,又降低了处理费用。在W C MP后清洗时,由于氧化铝磨料和氧化硅磨料性质上的差别,使用NH4OH机构刷擦洗是最有效的。随着器件特征尺寸的持续减小及C MP 应用领域的扩大,将会出现新的介质材料,研浆的组成也会出现相应的变化,因而必将给后清洗工艺提出更多的课题[23]。
(5)终点检测
C MP设备开发的难点之一就是如何精确控制和检测被抛去的量[24],在C MP工艺中,必须有性能良好的检测技术,以避免过抛或抛光不足而导致的成品率下降。
对于W C MP,常常利用底层的I LD作为终止的参考,对于I LD C MP,终点比较难以监测,有一些测量方法如测量I LD层电容、动态光学干涉测量、声学膜厚跟踪、电导法等,但都尚未达到可以实用的水平[23]。目前有两种基本的检测方法可用于C MP工艺,即间接地利用一些物理特性或是直接检测片子[1]。当表面抛光后,下层露出,此时片子和抛光垫之间的摩擦就会发生变化,检测由上一层向下一层过渡的简单方法是监测驱动电机的电流。
监测终点最精确的方法是直接测量膜的厚度,但这种测量必须在一枚运动的片子上通过旋转的压盘和使用成份不断变化的研磨膏来完成。目前,许多C MP 设备制造者已开发了大量的解决这一问题的方式,如Applied M aterials公司开发了一种在位激光干涉仪,安装在压盘上从片子的背面进行监测,Luxtron公司则提供了一种红外线传感器固定在载片台上,通过无线电与系统控制器联络,由多路传感器给出片子上抛光加工的已达范围。
(6)抛光片的监测
抛光片的监测项目主要有:平整度、表面缺陷及损伤情况。
1)平整度:抛光片的平整度一般用平整度测试仪测试,表面轮廓仪可用于检测氧化层C MP的平面化效果和镶嵌金属C MP的蝶形化和侵蚀程度,AFM 用于检查表面微粗糙度也有过报道。
2)表面缺陷:抛光片的表面宏观缺陷较多,一般有划道、蚀坑、波纹、桔皮、麻点、雾状等,常用激光粒子计数器、TE M、FTIR、TXRF(全反射X射线荧光光谱分析技术)、C—V法等[8]检测表面缺陷。
3 C MP技术发展中存在的问题
随着计算机、通信及网络技术的高速发展,对作为其基础的集成电路的性能要求越来越高,集成电路芯片增大而单个晶体管元件减小及多层集成电路芯片是发展的必然趋势,这对C MP技术提出了更高的要求。
尽管C MP技术发展的速度很快,但它们需要解决的理论及技术问题还很多。如人们对诸如抛光参数(如压力、转速、温度等)对平面度的影响、抛光垫—浆料—片子之间的相互作用、浆料化学性质(如组成、pH值、颗粒度等)对各种参数的影响等比较基本的基础机理了解甚少,因而定量确定最佳C MP工艺,系统地研究C MP工艺过程参数,建立完善的C MP理论模型,满足各种超大型集成电路生产对C MP 工艺的不同要求,是研究C MP技术的重大课题;由于还缺乏有效的在线终点检测技术,维持稳定的、一次通过性的生产运转过程还存在困难,因而迫切需要开发实用的在线检测手段;C MP工艺一般在芯片工艺的最后几个阶段才使用,此时每个芯片的价值已达到数千至数十万美元,若要将一个价值很高的、经历了数星期谨慎辛劳制作的芯片送到一个难以清洗的浆料中去加工,是难以下决心的[25],因而,片子表面残留浆料的清除确实是C MP后清洗的主要课题;研制合适的C MP工艺、设备及研浆以使去除速度高而稳定、片子的模内均匀性和片内均匀性都理想,而且产生的缺陷不多,是C MP技术发展的主要难题。
同时,在下一代器件制造中新材料如铜和低、高k值介质材料的抛光加工也对C MP技术提出了新的挑战,Cu C MP在世界范围内仍然处于攻关研究阶段。
参考文献
[1]John Schuler,C MP technology and markets,SE MIC ON China99
T echanical Sym posium,M arch17～18,1999,Beijing,China1 [2]M alik F1,Hasan M1,M anu facturability of the C MP process,Thin
S olid Films,1995,270:612～6151
[3]Jairath R1,Farkas J1,Huang C1K1et al,Chem ical2M echanical
P olishing:Process manu facturability,S olid S tate T echnology, 1994,7:71～751
[4]M ichael A1Fury,The early days of C MP,S olid S tate T echnol1,
1997,40(5):81～861
[5]M inoru T1,Oxide C MP mechanisms,S olid S tate T echnol1,1997,
40(7):1701
[6]谢中生,C MP平坦化工艺技术中的发展应用与设备前景,
电子工业专用设备,1997,26(1):12～14。
[7]M artinez M1A1,A year later,C MP market has grown even hotter,
S olid S tate T echnol1,1995,38(9):441
[8]Fury M1A1,Emerging developments in C MP for Sem iconductor
Planarization,S olid S tate T echnology,1995,38(4):471
[9]S teigermald J1M1,Murarka S1P1,G utmann R1J1,Chem ical
mechanical planarization of m icroelectronic materials,A W iley2 Interscience Publication,John W iley&s ons,Inc1,New Y ork, US A,1996:3241
[10]K au fman F1B1,Thom ps on D1B1,Broabie R1E1et al1
Chem ical2mechanical polishing for fabricating patterned W metal features as chip interconnects1J1E lectrochem1S oc1,1991,138
(11):3460～34641
[11]S ivaram S1,Bath H1,Leggett R1et al,Planarizing interlevel
dielectrics by chem ical2mechanical polishing,S olid S tate T echnology,1992,5:87～911
[12]董志义,C MP设备市场及技术现状,电子工业专用设备,
2000,29(4):11～18。
[13]USP55540641
[14]Jairath R1,S olid S tate T echnology,1996,39(10):1071
[15]Ali I1,R oy S1,Shinn G1,Chem ical2mechanical polishing of
interlayer dielectric:A review,S olid S tate T echnol1,1994,37
(10):631
[16]Basim G1B1,Adler J1J1,M ahajan U1et al,E ffect of particle
size of chem ical mechanical polishing slurries for enhanced polishing with m inimal defects,Journal of the E lectrochem ical S ociety,2000,147(9):3523～35281
[17]C N1244033A1
[18]C N1166805A1
[19]C N1223308A1
[20]De Larios J1M1,P ost2C MP cleaning for oxide and tungsten
applications,Sem iconductor Int’l,1996,19(5):1211 [21]W ang Y1L1,Liu C1,Feng M1S1,Tseng W1T1,A m odified
muti2chem icals spray cleaning process for post2C MP cleaning application,M aterials Chem istry and Physics,1998,52(1):23～301
[22]M yers T1L1,Fury M1A1,K rusell W1C1,P ost2tungsten C MP
cleaning:Issues and s olutions1S olid S tate T echnol1,1995,38
(6):1091
[23]江瑞生,集成电路多层结构中的化学机械抛光技术,半
导体技术,1998,23(1):6～91
[24]Fury M1A1,Emerging developments in C MP for sem iconductor
planarization—part2,S olid S tate T echnol1,1995,38(7):811 [25]S inger P1,Chem ical2mechanical polishing:A new focus on
consumables,Sem iconductor Int’l,1994,17(2):481
书 讯
11《无油润滑压缩机》,朱圣东等编著,机械工业出版社,2001年,28100元。该书共分十二章:(1)概述,(2)自润滑材料,(3)塑料的摩擦磨损机理, (4)活塞压缩机的无油润滑结构与设计,(5)无油润滑压缩机的常见故障及失效分析,(6)活塞式无油润滑压缩机的运行操作,(7)有油润滑压缩机的技术改造,(8)压缩机的故障诊断,(9)螺杆式无油润滑压缩机,(10)隔膜式无油润滑压缩机,(11)滑片式和斜轴无油润滑压缩机,(12)迷宫活塞和组合式无油润滑压缩机。
21《设备润滑基础》,胡邦喜编,治金工业出版社,2002年,89元。该书共分十章:(1)摩擦磨损与润滑,(2)润滑材料,(3)润滑元件和装置,(4)润滑系统和集中润滑系统的设计计算,(5)典型零部件润滑,(6)通用设备的润滑,(7)润滑设备的安装及维修,(8)润滑油的运行状态监测,(9)液压润滑系统的污染控制,(10)润滑油脂的质量鉴别方法、贮存、保管、运输及再生。附录:(1)各种润滑脂性能,(2)润滑脂对照表。
31《新编润滑油品选用手册》,王先会编,机械工业出版社,2001年,25100元。该书共分四大部份;
(1)车辆润滑油;(2)工业设备润滑油;(3)金属加工油剂;(4)润滑脂与防锈油脂。
41《内燃机润滑油应用原理》,关子杰编著,中国石化出版社,2001年,17100元。该书共分五章: (1)内燃机与内燃机油基础,(2)内燃机油使用性能,(3)内燃机质量评定,(4)内燃机润滑管理, (5)几种内燃机油。
张怀良
CMP化学机械抛光Slurry的蜕与
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M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CM和抛光垫是slurry艺主要由抛光、后清洗和计量测量等部分组成。抛光机、．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）。
化学机械抛光工艺(CMP)全解
化学机械抛光液（CMP）氧化铝抛光液具体添加剂 摘要：本文首先定义并介绍CMP工艺的基本工作原理，然后，通过介绍CMP系统，从工艺设备角度定性分析了解CMP的工作过程，通过介绍分析CMP工艺参数，对CMP作定量了解。在文献精度中，介绍了一个SiO2的CMP平均磨除速率模型，其中考虑了磨粒尺寸，浓度，分布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。经过实验，得到的实验结果与模型比较吻合。MRR 模型可用于CMP模拟，CMP过程参数最佳化以及下一代CMP设备的研发。最后，通过对VLSI 制造技术的课程回顾，归纳了课程收获，总结了课程感悟。 关键词：CMP、研磨液、平均磨除速率、设备 Abstract：This article first defined and introduces the basic working principle of the CMP process, and then, by introducing the CMP system, from the perspective of process equipment qualitative analysis to understand the working process of the CMP, and by introducing the CMP process parameters, make quantitative understanding on CMP.In literature precision, introduce a CMP model of SiO2, which takes into account the particle size, concentration, distribution of grinding fluid velocity, polishing potential terrain, material performance.After test, the experiment result compared with the model.MRR model can be used in the CMP simulation, CMP process parameter optimization as well as the next generation of CMP equipment research and development.Through the review of VLSI manufacturing technology course, finally sums up the course, summed up the course. Key word: CMP、slumry、MRRs、device 1.前言 随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸缩小，要求晶片表面平整度达到纳米级。传统的平坦化技术，仅仅能够实现局部平坦化，但是当最小特征尺寸达到
化学机械抛光液配方组成,抛光液成分分析及技术工艺
化学机械抛光液配方组成，抛光原理及工艺导读：本文详细介绍了化学机械抛光液的研究背景，机理，技术，配方等，需要注意的是，本文中所列出配方表数据经过修改，如需要更详细的内容，请与我们的技术工程师联系。 禾川化学专业从事化学机械抛光液成分分析，配方还原，研发外包服务，提供一站式化学机械抛光液配方技术解决方案。 1.背景 基于全球经济的快速发展，IC技术（Integrated circuit, 即集成电路）已经渗透到国防建设和国民经济发展的各个领域，成为世界第一大产业。IC 所用的材料主要是硅和砷化镓等,全球90%以上IC 都采用硅片。随着半导体工业的飞速发展，一方面，为了增大芯片产量，降低单元制造成本，要求硅片的直径不断增大；另一方面，为了提高IC 的集成度，要求硅片的刻线宽度越来越细。半导体硅片抛光工艺是衔接材料与器件制备的边沿工艺，它极大地影响着材料和器件的成品率，并肩负消除前加工表面损伤沾污以及控制诱生二次缺陷和杂质的双重任务。在特定的抛光设备条件下，硅片抛光效果取决于抛光剂及其抛光工艺技术。 禾川化学技术团队具有丰富的分析研发经验，经过多年的技术积累，可以运用尖端的科学仪器、完善的标准图谱库、强大原材料库，彻底解决众多化工企业生产研发过程中遇到的难题，利用其八大服务优势，最终实现企业产品性能改进及新产品研发。 样品分析检测流程：样品确认—物理表征前处理—大型仪器分析—工程师解谱—分析结果验证—后续技术服务。有任何配方技术难题，可即刻联系禾川
化学技术团队，我们将为企业提供一站式配方技术解决方案！ 2.硅片抛光技术的研究进展 20世纪60年代中期前，半导体抛光还大都沿用机械抛光，如氧化镁、氧化锆、氧化铬等方法，得到的镜面表面损伤极其严重。1965年Walsh和Herzog 提出SiO2溶胶-凝胶抛光后，以氢氧化钠为介质的碱性二氧化硅抛光技术就逐渐代替旧方法，国内外以二氧化硅溶胶为基础研究开发了品种繁多的抛光材料。 随着电子产品表面质量要求的不断提高, 表面平坦化加工技术也在不断发展，基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃SOG( spin-on-glass) 、低压CVD( chemical vapor deposit) 、等离子体增强CVD、偏压溅射和属于结构的溅射后回腐蚀、热回流、淀积-腐蚀-淀积等方法也曾在IC艺中获得应用, 但均属局部平面化技术,其平坦化能力从几微米到几十微米不等, 不能满足特征尺寸在0. 35 μm 以下的全局平面化要求。 1991 年IBM 首次将化学机械抛光技术( chemical mechanical polishing , 简称CMP)成功应用到64 Mb DRAM 的生产中, 之后各种逻辑电路和存储器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. 35微米以下的全局平面化要求。CMP 可以引人注目地得到用其他任何CMP 可以引人注目地得到用其他任何平面化加工不能得到的低的表面形貌变化。目前, 化学机械抛光技术已成为几乎公认为惟一的全局平面化技术，逐渐用于大规模集成电路(LSI) 和超大规模集成电路(ULSI) ，可进一步提高硅片表面质量，减少表面缺陷。
化学机械抛光液(CMP)氧化铝抛光液具汇总
化学机械抛光液（CMP）氧化铝抛光液 一、行业的界定与分类 (2) （一）化学机械抛光 (2) 1、化学机械抛光概念 (2) 2、CMP工艺的基本原理 (2) 3、CMP技术所采用的设备及消耗品 (2) 4、CMP过程 (2) 5、CMP技术的优势 (2) （二）化学机械抛光液 (3) 1、化学机械抛光液概念 (3) 2、化学机械抛光液的组成 (3) 3、化学机械抛光液的分类 (3) 4、CMP过程中对抛光液性能的要求 (3) （三）化学机械抛光液的应用领域 (3) 二、原材料供应商 (4) 三、化学机械抛光液行业现状 (4) （一）抛光液行业现状 (4) 1、国际市场主要抛光液企业分析 (4) 2、我国抛光液行业运行环境分析 (4) 3、我国抛光液行业现状分析 (5) 4、我国抛光液行业重点企业竞争分析 (5) （二）抛光液行业发展趋势 (5) （三）抛光液行业发展的问题 (5) 四、需求商 (6) （一）半导体硅材料 (6) 1、电子信息产业介绍 (6) 2、半导体硅材料的简单介绍 (6) （二）分立器件行业 (7) （三）抛光片 (8)
化学机械抛光液行业研究 一、行业的界定与分类 （一）化学机械抛光 1、化学机械抛光概念 化学机械抛光（英语：Chemical-Mechanical Polishing，缩写CMP），又称化学机械平坦化（英语：Chemical-Mechanical Planarization），是半导体器件制造工艺中的一种技术，用来对正在加工中的硅片或其它衬底材料进行平坦化处理。 2、CMP工艺的基本原理 基本原理是将待抛光工件在一定的下压力及抛光液(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的材料去除,并获得光洁表面。 3、CMP技术所采用的设备及消耗品 主要包括，抛光机、抛光液、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，其中抛光液和抛光垫为消耗品。 4、CMP过程 过程主要有抛光、后清洗和计量测量等部分组成，抛光机、抛光液和抛光垫是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。 5、CMP技术的优势 最初半导体基片大多采用机械抛光的平整方法,但得到的表面损伤极其严重，基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃SOG(spin-on-glass)、低压CV D(chemicalvaporde-posit)、等离子体增强CVD、偏压溅射和属于结构的溅射后回腐蚀、热回流、淀积-腐蚀-淀积等方法也曾在IC工艺中获得应用,但均属局部平面化技术,其平坦化能力从几微米到几十微米不等,不能满足特征尺寸在
化学机械抛光液行业研究
化学机械抛光液行业研究 一、行业的界定与分类 (2) （一）化学机械抛光 (2) 1、化学机械抛光概念 (2) 2、CMP工艺的基本原理 (2) 3、CMP技术所采用的设备及消耗品 (2) 4、CMP过程 (2) 5、CMP技术的优势 (2) （二）化学机械抛光液 (3) 1、化学机械抛光液概念 (3) 2、化学机械抛光液的组成 (3) 3、化学机械抛光液的分类 (3) 4、CMP过程中对抛光液性能的要求 (3) （三）化学机械抛光液的应用领域 (3) 二、原材料供应商 (4) 三、化学机械抛光液行业现状 (4) （一）抛光液行业现状 (4) 1、国际市场主要抛光液企业分析 (4) 2、我国抛光液行业运行环境分析 (4) 3、我国抛光液行业现状分析 (5) 4、我国抛光液行业重点企业竞争分析 (5) （二）抛光液行业发展趋势 (5) （三）抛光液行业发展的问题 (5) 四、需求商 (6) （一）半导体硅材料 (6) 1、电子信息产业介绍 (6) 2、半导体硅材料的简单介绍 (6) （二）分立器件行业 (7) （三）抛光片 (8)
化学机械抛光液行业研究 一、行业的界定与分类 （一）化学机械抛光 1、化学机械抛光概念 化学机械抛光（英语：Chemical-Mechanical Polishing，缩写CMP），又称化学机械平坦化（英语：Chemical-Mechanical Planarization），是半导体器件制造工艺中的一种技术，用来对正在加工中的硅片或其它衬底材料进行平坦化处理。 2、CMP工艺的基本原理 基本原理是将待抛光工件在一定的下压力及抛光液(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的材料去除,并获得光洁表面。 3、CMP技术所采用的设备及消耗品 主要包括，抛光机、抛光液、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，其中抛光液和抛光垫为消耗品。 4、CMP过程 过程主要有抛光、后清洗和计量测量等部分组成，抛光机、抛光液和抛光垫是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。 5、CMP技术的优势 最初半导体基片大多采用机械抛光的平整方法,但得到的表面损伤极其严重，基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃SOG(spin-on-glass)、低压CV D(chemicalvaporde-posit)、等离子体增强CVD、偏压溅射和属于结构的溅射后回腐蚀、热回流、淀积-腐蚀-淀积等方法也曾在IC工艺中获得应用,但均属局部平面化技术,其平坦化能力从几微米到几十微米不等,不能满足特征尺寸在
化学机械抛光工艺(CMP)
化学机械抛光工艺（CMP） 摘要：本文首先定义并介绍CMP工艺的基本工作原理，然后，通过介绍CMP系统，从工艺设备角度定性分析了解CMP的工作过程，通过介绍分析CMP工艺参数，对CMP作定量了解。在文献精度中，介绍了一个SiO2的CMP平均磨除速率模型，其中考虑了磨粒尺寸，浓度，分布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。经过实验，得到的实验结果与模型比较吻合。MRR 模型可用于CMP模拟，CMP过程参数最佳化以及下一代CMP设备的研发。最后，通过对VLSI 制造技术的课程回顾，归纳了课程收获，总结了课程感悟。 关键词：CMP、研磨液、平均磨除速率、设备 Abstract：This article first defined and introduces the basic working principle of the CMP process, and then, by introducing the CMP system, from the perspective of process equipment qualitative analysis to understand the working process of the CMP, and by introducing the CMP process parameters, make quantitative understanding on CMP.In literature precision, introduce a CMP model of SiO2, which takes into account the particle size, concentration, distribution of grinding fluid velocity, polishing potential terrain, material performance.After test, the experiment result compared with the model.MRR model can be used in the CMP simulation, CMP process parameter optimization as well as the next generation of CMP equipment research and development.Through the review of VLSI manufacturing technology course, finally sums up the course, summed up the course. Key word: CMP、slumry、MRRs、device 1.前言
化学机械抛光CMP技术的发展应用及存在问题
化学机械抛光(CMP)技术的发展、应用及存在问题 雷红 雒建斌 马俊杰 (清华大学摩擦学国家重点实验室 北京 100084) 摘要:在亚微米半导体制造中,器件互连结构的平坦化正越来越广泛采用化学机械抛光(C MP)技术,这几乎是目前唯一的可以提供在整个硅圆晶片上全面平坦化的工艺技术。本文综述了化学机械抛光的基本工作原理、发展状况及存在问题。 关键词:C MP 设备 研浆 平面化技术 Advances and Problems on Chemical Mechanical Polishing Lei Hong Luo Jianbin Ma J unjie (T he S tate K ey Lab oratery of T rib ology,Tsinghua University100084) Abstract:Chemical mechanical polishing(C MP)has become widely accepted for the planarization of device interconnect structures in deep submicron semiconductor manu facturing1At present,it is the only technique kn own to provide global planarization within the wh ole wafers1The progress and problem of C MP are reviewed in the paper1 K eyw ords:CMP Equipment Slurry Planarization 1 C MP的发展、应用 随着半导体工业沿着摩尔定律的曲线急速下降,驱使加工工艺向着更高的电流密度、更高的时钟频率和更多的互联层转移。由于器件尺寸的缩小、光学光刻设备焦深的减小,要求片子表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级[1]。传统的平面化技术如基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃S OG、低压C VD、等离子体增强C VD、偏压溅射和属于结构的溅射后回腐蚀、热回流、淀积—腐蚀—淀积等,这些技术在IC工艺中都曾获得应用。但是,它们虽然也能提供“光滑”的表面,却都是局部平面化技术,不能做到全局平面化。目前,已被公认的是,对于最小特征尺寸在0135μm及以下的器件,必须进行全局平面化,为此必须发展新的全局平面化技术。 90年代兴起的新型化学机械抛光(Chem ical M echanical P olishing,简称C MP)技术则从加工性能和速度上同时满足了圆片图形加工的要求。C MP技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术,它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面[2、3]。C MP技术对于器件制造具有以下优点[1]: (1)片子平面的总体平面度:C MP工艺可补偿亚微米光刻中步进机大像场的线焦深不足。 (2)改善金属台阶覆盖及其相关的可靠性:C MP 工艺显著地提高了芯片测试中的圆片成品率。 (3)使更小的芯片尺寸增加层数成为可能:C MP 技术允许所形成的器件具有更高的纵横比。 因而,自从1991年美国I BM公司首先将C MP工艺用于64Mb DRAM的生产中之后,该技术便顺利而迅速地在各种会议和研究报告中传播,并逐步进入工业化生产[4、5]。目前美国是C MP最大的市场,它偏重于多层器件,欧洲正在把C MP引入生产线,而日本和亚太地区将显著增长,绝大多数的半导体厂家采用了金属C MP,而且有能力发展第二代金属C MP工艺。据报道[6],1996年日本最大十家IC制造厂家中,有七家在生产0135μm器件时使用了C MP平坦化工艺,韩国和台湾也已开始C MP在内的亚微米技术。近年来,C MP发展迅猛,在过去三年中,化学机械抛光设备的需求量已增长了三倍,并且在今后的几年内,预计C MP设备市场仍将以60%的增长幅度上升。C MP 技术成为最好也是唯一的可以提供在整个硅圆晶片上全面平坦化的工艺技术,C MP技术的进步已直接影响着集成电路技术的发展。 C MP的研究开发工作已从以美国为主的联合体SE M ATECH发展到全球,如欧洲联合体J ESSI,法国研究公司LETI和C NET,德国Fraunhofer研究所等[7],日本和亚洲其它国家和地区如韩国、台湾等也在加速研究与开发,并呈现出高竞争势头。并且研究从居主导地位的半导体大公司厂家的工艺开发实验室正扩展到设备和材料供应厂家的生产发展实验室。 C MP技术的应用也将从半导体工业中的层间介质(I LD),绝缘体,导体,镶嵌金属W、Al、Cu、Au,多晶硅,硅氧化物沟道等的平面化[8],拓展到薄膜存贮磁盘,微电子机械系统(MFMS),陶瓷,磁头,机械磨具,精密阀门,光学玻璃,金属材料等表面加工领域。
化学机械抛光的主要要素
孔洞和Te原子在快速可逆相变过程中起重要作用 日前Gartner发布的2017年全球半导体市场初步统计显示，三星去年在全球半导体市场的份额达到14.6%，首次超越英特尔公司成为全球最大芯片制造商。去年全球半导体收入为4197亿美元，同比增长22.2%。供应不足局面推动存储芯片收入增长64%，它在半导体总收入中的占比达到31%。除了三星首度登上全球第一大半导体厂，SK海力士跃居全球第3，美光排名也跃升至第4位。供应不足引发的价格上涨成为了推动存储芯片收入增长的关键动力。 在半导体存储器中，市场主导的三种存储器技术为动态随机存储器(DRAM)、闪存(Flash)和静态随机存储器(SRAM)。随着工艺技术节点推进至45nm 以下，目前这三种存储器技术都已经接近各自的基本物理极限，DRAM的进一步发展对光刻精度提出了巨大挑战；Flash中电容变得异常的高和薄，为了延伸进一步提升密度，Flash 的栅介质必须选用高k值的材料；而SRAM 则随着工艺的演进开始面临信噪比和故障率方面的挑战。 相变存储器就是基于O v s h i n s k y效应的元件，被命名为O v s h i n s k y电效应统一存储器.(O v s h i n s k y [3]首次描述了基于相变理论的存储器，材料在非晶态—晶态—非晶态相变过程中，其非晶态和晶态呈现不同的光学和电学特性，因此可以用非晶态代表“0”，晶态代表“1”实现信息存储，这被称为O v s h i n s k y电子效应。) 相变存储器利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转换，实现信息的读取、写入和擦除，工作原理是将数据的写入和读取分为3个过程——分别是“设置（Set ）”、“重置（Res et ）”和“读取（Re ad）”。“Se t”过程就是施加一个宽而低的脉冲电流于相变材料上，使其温度升高到晶化温度T x以上、熔点温度T m以下，相变材料形核并结晶，此时相变材料的电阻较低，代表数据“1”。“R e s e t”过程就是施加一个窄而强的脉冲电流于相变材料上，使其温度升高到熔点温度T m以上，随后经过一个快速冷却的淬火过程（降温速率＞ 109K / s），相变材料从晶态转变成为非晶态，此时相变材料的电阻很高，代表数据“0”。“Re ad”过程则是在器件2端施加低电压，如果存储的数据是“0”，那么器件的电阻较高，因而产生的电流较小，所以系统检测到较小的电流回馈时就判断是数据“0”；如果存储的数据是“1”，那么器件的电阻较低，因而产生的电流较大，所以系统检测到较大的电流回馈时就判断是数据“1” 早期的相变存储材料由于结晶时会发生相变分离等原因，晶速率较慢（约微秒量级），如碲（T e）基合金，而到20世 纪80年代初，科研人员发现了一批具有高速相变能力、晶态和非晶态具有明显光学性质差异的相变材料,其中G e - S b - T e体系是最成熟的相变材料，G e -S b - T e合金结晶速度快，因此写入和擦除速度都非常快，能够满足高速存储性能的要求，由I n t e l和意法半导体（STMicroelectronics）组建的恒忆（Numo n yx）公司开发的相变存储器（图2）就基于Ge-Sb-Te合金 相变材料在非晶态和晶态之间的纳秒级相变导致的电阻巨大差异是相变存储器的进行数据储存的重要依据。虽然很多材料在固态时都具有多重相态，但并不是所有的这些材料都具备相变材料的特征。首先，材料在非晶态与晶态之间的电阻差异要大，才可以满足相变存储器的数据储存要求，比如王国祥[9]测量了Ge-Sb-Te薄膜的电阻，从GST薄膜的R-T曲线（图4）可以看到，非晶态- f c c - h e x的两个转变温度分别为168℃和约300℃，非晶与h e x结构的薄膜电阻率相差约为6个数量级，非晶与f c c结构则相差4个数量级,这样的电阻差异就能够满足存储要求；其次，材料的结晶速度要很快（纳秒级），且相变前后材料的体积变化要小，晶态和非晶态可循环次数高，以保证数据能够高速重复写入，这就意味着用作存储材料可以获得更快的操作速度；最后对材料的热稳定性也有一定要求，结晶温度足够高，材料的热稳定性会好，以保证相变存储器可以在较高的温度下工作，数据才能够保存足够长时间，但是结晶温度过高也会带来负面影响，比如需要更高的操作电压或电流等。 首先，在相变存储单元中，选通器件（MOS 晶体管或二极管）的驱动能力是有限的（0.5 mA/m），而器件RESET 操作固有的能耗决定了器件的能量效率，因此我们需要降低相变材料层中有效相变区域的非晶化电流，以降低器件操作驱动的难度，有效降低器件的操作功耗；其次，GST 材料本身的结晶温度过低，造成了材料的非晶态热稳定性较差的问题，使GST 材
CMP化学机械抛光Slurry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。 2006年，托马斯?弗里德曼的专著《世界是平的》论“越来越平”的ＩC制造? 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ｓluｒr y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）。