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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
slu
rry
的选择无疑是
“
运用之妙
”
的关键所在。
“
越来越平
”
的
IC
制造
2006
< br>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
”<
/p>
则源于上世纪
80
年代中期
CMP
技术的出现。
CM
P
工艺的基本原理是将待抛光的硅片在一定的下压力及
slur
ry
（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
< br>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<
/p>
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。<
/p>
”
安集微电子的
CEO
< br>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<
/p>
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
< br>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
< br>一般由超细固体粒子研磨剂
(
如纳
M
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
slur
ry
。
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
< br>，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<
/p>
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
< br>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
）。<
/p>
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
sl
urry
。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。
Slurr
y
急需
“
与时俱进
”
尽管
CMP
< br>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、
< br>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
M
器件等（图
3
），所有这些新兴技术都是摆
在
CM
P
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。
”
< br>
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
slur
ry
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
sl
urry
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，
slurr
y
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
< br>）
、
Cu
（
C8800
）
、
Barrier
（
B7000
）
等，
”
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