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![參考資料
[1] 半導體平坦化 CMP 技術
[2] 微機械加工概論
[3] 柰米通訊第六卷第一期 21](https://image.slidesharecdn.com/cmp-251223045303-e9dd69a0/85/CMP-Chemical-mechanical-polisation-lecture-42-320.jpg)
CMP Chemical mechanical polisation lecture
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- 2. 導論 半導體製程技術 ,隨著摩爾定律 (Moore Law) 不斷推向更高功能、速率及更細線化， 積集度。而為解決晶圓表面平整性及光學 系統聚焦深度 (depth focus) 等需求 , 平坦 化 (planarization) 技術亦不斷更新 , 到了深 次微米 (deep submicron) (0.35 微米 micron 以下 ) 線路時 , 化學機械研磨平坦 (Chemical Mechanical Polishing, CMP) 技 術遂應運而生 , 滿足了全面平坦化之需求。
- 3. 傳統平坦化 種類 流程 特徵 (1)回蝕法 金屬濺鍍後進行 RIE 或電漿 輔助蝕刻 容易進行但蝕刻效果 不易控制 (2) 薄膜成長法 偏壓濺鍍法或電漿輔助 CVD 薄膜成長與平坦化同 時進行，容易產生損 壞及微塵污染 (3) 流動化法 SOG ， Reflow 成本低廉但膜值疏鬆 不安定 (4) 選擇性成長法 選擇性 CVD 薄膜成長 只在必要的部份成長 薄膜，但選擇性成長 效果不易控制
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- 5. 何謂 CMP? 化學機械研磨是利用研磨劑(Slurry) 和研磨 墊 (Pad) 配合機械研磨的動作 , 將積體電路 晶圓 (IC Wafer) 上的介電層 (oxide layer) 與金屬層 (metal layer) 磨平 , 達到全面平坦 化而減少設計佈局限制 , 提升配線密度 (pattern density), 同時亦降低缺陷密度 (defect density), 提升製程良率。
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- 7. CMP 的基本應用工程 氧化矽膜的CMP 層間絕緣膜的 CMP 淺溝槽隔離製程的 CMP 多晶矽的 CMP 金屬膜的 CMP
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- 10. CMP 製程參數 機械運動參數 化學反應參數 機台本身的影響 研磨材料與研磨液的影響
- 11. CMP 之變因 機台本身 研磨液研磨墊 / 背墊 薄膜材料 平台轉速 握持器轉速 握持器搖擺速度 背壓 下壓力 磨粒大小 磨粒含量 磨粒的凝聚 酸鹼值 氧化劑含量流量 黏滯係數 研磨墊硬度 研磨墊密度 研磨墊孔隙大小 研磨墊彈性 背墊彈性 種類 厚度 硬度 化學性質 圖案密度
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- 13. 層間絕緣層所用的研磨液 Fumed Silica系列現在廣泛使用於層間絕 緣層膜 (ILD) 。一般我們會把原液稀釋成 10~15wt% 來使用。 Fumed Silica 在超純 水中會均勻的分散開來。二次凝集後的粒 徑大小為 100~200nm 左右，一般而言它 可以安定的存在 K+ 或 NH4+ 這類陽離子 水溶液中，而呈現懸浮渾濁狀態。其適合 pH 大約為 10~11 左右。
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- 18. CMP 製程研磨墊基本條件 對研磨液的保持性要很好→得到高效率的研磨 表面要有是當的硬度→確保平坦化較好及較高的 品質 表面能隨著晶片的彎曲而變形→可得到較好的均 勻性 可以把研磨的”副產物”排出→以便有好的研磨再 現性 減少研磨墊材料的不純物→得到好的清洗效果
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- 23. CMP 的汙染 製程中必須引入研磨泥漿(slurry) 於晶圓表 面進行研磨，泥漿中包含約 5-10% ， 30- 100 奈米之微細研磨粉體 (abrasive) ，此外 還必須加入化學助劑，有 pH 緩衝劑，氧化 劑；亦必須加入界面活性劑 (Surfactants) 幫助粉體在水溶液中之懸浮穩定性。故晶 圓經過研磨之後，晶圓表面勢必殘留大量 之研磨粉體 (>10k/wafers) 、金屬離子 (>1012 atoms/cm2) 及其他不純物之污染。
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- 25. 物理的剝離 刷洗法 在晶片表面加上洗淨液，再用 PVA的海綿 或是尼龍、羊毛做成的纖維狀刷子在晶片 表面刷，以除去微塵污染。 超音波洗淨 以純水或是鹼性藥水使之在洗淨中產生“氣 穴現象”利用此衝擊力將微塵從晶片表面分 離。
- 26. 刷洗法 在 CMP後的洗淨中，刷洗法是最普及的方法， 刷子的材質大多是使用 PVA 海綿。優點有除去能 力強、洗淨工作時間短及對晶片造成的損傷少等。
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- 29. 溶解污染物 利用藥液溶解除去污染物質。其目的是除 去晶片表面的有機物及無機物。在半導體 洗淨的製程中，使用 HPM對除去金屬離子 很有效；而另一種 SPM 的溶液，則可以有 效地除去有機物及金屬污染。另外，對於 以二氧化錳為成分的研磨液， HPM 也具有 溶解作用。
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- 31. CMP 終點偵測 在CMP 製程中，要如何知道是否已經研磨 達到我們所要的厚度，所以研磨終點量測 也是一個不可或缺的技術，適用 CMP 平坦 化的 LSI 製程有種種的情況。各個情況其 研磨前與研磨終點時的狀態不同，決定終 點時間所使用的量測技術也不同。下圖是 各種研磨平坦化工程其研磨前與研磨終點 時的結構剖面圖 。
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- 34. CMP 中的量測技術 扭力力矩偵測法 靜電容量法 光學方法 震動解析法
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- 36. 扭力力矩偵測法 上圖是結構複雜的產品實例，如果研磨劑是以氨水為溶劑 的燒結粉狀 Silica，研磨表面到達 B 時多晶矽露出而馬達 驅動電流增加，在研磨終點 C 點時底層的氧化矽膜露出而 再次減少。這個例子是將摩擦係數差異甚大的材料插入作 為”變化層”，可檢測平常難以偵測到的氧化矽膜到氮化矽 膜的變化。
- 37. 靜電容量法 上圖是靜電容量檢測器的電極構造以及寄生電容、電阻分 佈的位置。電極設在研磨平台的同一面上，研磨墊與研磨 液則是介在它與矽晶片之間。雖然實際上要測量的電容值 是 C1，但是研磨液中的離子傳導會引起漏電，為了避免 其等效電阻 R1 ， R2 的影響，在主電極周圍設置保護環 強制驅動令其與主電極同電位。 寄生電容
- 38. 光學方法 上圖是矽基板上的氧化矽膜的分光反射率的一個例子。因為由氧化矽 膜與矽基板所反射的光會干涉，產生了反射率的波峰與波谷。由這些 波峰或波谷的位置或距離便可得知膜厚。實際上為了正確地求得大範 圍的膜厚，會用比對法，以已知的光學常數做基礎去計算分光反射光 譜，與實測資料比較。這個方法在目前並未廣泛的用於 CMP中的量 測。但是，它在膜厚測定上的高精密度、空間上的高解析力、幾乎可 以廣泛的應用於透明及半透明材料，這正是其優點。
- 39. 其他光學量測方法 左圖的光波峰擷取法。對著反射面的位置分成四部份的偵 測器，利用它上面的光點在縱向或是橫向上歪斜的形狀可 以做金屬配線表面或基板表面上覆蓋的絕緣膜的距離的量 測。為了使決定研磨終點時所得知的量就是絕緣膜的殘膜 厚度，有如右圖所示地併用流體 Micrometer。如果以一 定的壓力供給操作流體，噴嘴內的背壓由噴嘴頂端開口部 與晶片間的間隙 d 來決定，因而能測到絕緣膜研磨面的距 離。
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- 42. 參考資料 [1] 半導體平坦化 CMP技術 [2] 微機械加工概論 [3] 柰米通訊第六卷第一期 21