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引言：LPC對CMP制程工藝的影響

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的蓬勃發(fā)展，作為重要工藝段的CMP獲得了廣泛的關(guān)注。而作為此工藝段的重要原料-CMP slurry，更是諸多學(xué)者研究的對象。本文將重點結(jié)合Liu團隊2018年在ECS發(fā)布的論文：《Effects of Large Particles on MRR, WIWNU and Surface Quality in TEOS Chemical Mechanical Polishing Based on FA/O Alkaline Slurry》展開介紹[1]。

TEOS 是一種特殊的二氧化硅，以四乙基硅酸鹽為原料沉積而成，作為阻擋層下的犧牲層。TEOS的均勻性和表面質(zhì)量對集成電路的可靠性有著至關(guān)重要的作用，因此，本文探討了LPC對TEOS表面質(zhì)量和拋光過程的影響。

通過實驗驗證，LPC對MRR（材料去除率）、WIWUN（片內(nèi)非均勻性）、RMS（均方根粗糙度）都有顯著影響：LPC的存在導(dǎo)致邊緣MRR增加、WIWNU和RMS粗糙度惡化，使得TEOS晶圓表面質(zhì)量下降，影響到拋光效率和良品率。

關(guān)鍵詞：大顆粒計數(shù)；LPC；化學(xué)機械拋光；研磨液；Slurry

本文章的整體框架如下所示：

一、

該論文指出：在大規(guī)模集成電路(GLSI)制造中，化學(xué)機械拋光(CMP)是重要的平坦化工藝之一，用于提高芯片的性能和可靠性。其中，材料去除率（MRR）、片內(nèi)非均勻性（WIWNU）以及均方根粗糙度（RMS）是衡量CMP效果的關(guān)鍵指標。

以往的研究大多關(guān)注CMP中的機械因素，缺乏考慮slurry理化性質(zhì)（如pH、粘度、比重、Zeta電位等）對MRR、WIWNU和RMS粗糙度的影響，且大顆粒和大顆粒計數(shù)（LPC）對TEOS的MRR、WIWNU和RMS粗糙度的影響尚未得到廣泛研究。

文中應(yīng)用了一種新型FA/O堿性slurry來加速TEOS CMP的化學(xué)作用并提高MRR，對三個關(guān)鍵方面進行了研究并提出相關(guān)模型：

（1）MRR與LPC的關(guān)系

（2）LPC對TEOS WIWUN的影響

（3）LPC對表面質(zhì)量的影響

為了達到實驗?zāi)康?，需要對Slurry LPC等參數(shù)進行精確的檢測和控制。

為達到表征目的，文中使用了Entegris（PSS）的Accusizer A7000 APS顆粒計數(shù)器和Nicomp Z3000納米激光粒度儀提供精確的大顆粒計數(shù)和粒度分布分析，從而對CMP slurry的工藝進行優(yōu)化。這兩種儀器都具備高靈敏度和寬范圍的檢測能力，適用于CMP領(lǐng)域中的顆粒檢測需求。

二、

采用離子交換法制備4批膠體二氧化硅，參數(shù)相近（平均粒徑62-63nm），配制FA/O基slurry；C4#-UF為C4#超濾后的樣本。一共5個研磨液樣品用于實驗。詳見表2.1和表2.2樣品參數(shù)：

表2.1  C1#-C4# 膠體二氧化硅參數(shù)

表2.2  S1#-S4# Slurry配方

采用旋轉(zhuǎn)式CMP拋光機（E460, Alpsitec, France），IC1000 拋光墊 （DOW, USA），帶有XY槽，進行拋光。

每批研磨液進行3次實驗。為了消除墊片孔隙的容漿量對將漿料顆粒輸送到接觸區(qū)的影響，五種漿料的拋光順序每次都不同。第一次拋光 LPC 最大的S4# 研磨液，第二次拋光將（S4#）放在第三位，第三次拋光將（S4#）放在第五位。具體的CMP工藝參數(shù)如表 2.3 所示：

表2.3  CMP工藝參數(shù)

三、

（1）LPC對MRR的影響

圖3.1 四組不同Slurry對TEOS的去除率曲線

圖3.1展示了在相同的CMP參數(shù)下，四組不同的slurry對正硅酸乙酯（TEOS）進行拋光的材料去除率（MRR）曲線。S4# Slurry的MRR是其他三組的2.34倍，使用 S4# Slurry拋光TEOS 后，邊緣MRR明顯高于其他三組。為了便于后續(xù)理解，此處對于MRR（公式1）以及WIWNU)（公式2）的含義羅列如下:

h1、h2 分別是拋光前和拋光后 TEOS的厚度。MRRAvg 和 σMRR 分別是平均 MRR 和 MRR 的標準偏差。

首先考慮機械因素的影響，在Slurry流速和拋光時間不變的情況下，手動調(diào)整背壓、工作壓力、機頭速度和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，再測定MRR，結(jié)果如圖3.2所示：

圖3.2 采用S4# Slurry調(diào)整壓力和速度后的MRR曲線

調(diào)整后 S4# Slurry的邊緣 MRR 仍然明顯高于中心，并且仍然高于 S1# - S3#，這表明機械因素，如壓力、旋轉(zhuǎn)速度不是原因；隨即對Slurry的化學(xué)參數(shù)進行詳細分析:

表3.1  Slurry化學(xué)參數(shù)

由表3.1分析可知，S1# - S4# Slurry的Zeta 電位略有不同，其他參數(shù)在誤差范圍內(nèi)相似，沒有明顯偏差。然而，從圖3.3可知，C4# 膠體二氧化硅和 S4# Slurry的 LPC（≥0.5μm）分別為 1340 萬個/毫升和 800 萬個/毫升，明顯大于其他三組。

圖 3.3 膠體二氧化硅和漿料中的大顆粒計數(shù)

過濾對其平均粒徑影響不大，對LPC影響巨大。因此，推測大顆粒與邊緣 MRR 有關(guān)。為了驗證LPC對邊緣 MRR 的影響，對 C4# 膠體二氧化硅進行了超濾，以減少大顆粒的數(shù)量。過濾后的膠體二氧化硅（C4#-UF）制成了新漿料 S4#-UF。用 S4#-UF 漿料拋光 TEOS，并將拋光后的數(shù)據(jù)與 S4# 漿料進行比較，以研究LPC對 TEOS CMP 的影響。測量結(jié)果表明，0.5μm過濾膠體二氧化硅的 LPC 從 1228萬個/ml降至180萬個/ml，過濾效果明顯。如圖3.4 所示，1μm LPC 的數(shù)量從58萬個/ml 降至 4.9萬個/ml，其他粒徑的 LPC 也有所減少。

圖3.4預(yù)過濾和過濾后膠體二氧化硅的 C4# 研磨液的LPC

圖3.5顯示了未過濾和超濾后二氧化硅膠體制備的研磨液S4的LPC。0.5μm LPC的過濾數(shù)量從800萬顆/ml下降至約54萬顆/ml。1μm LPC數(shù)量由38萬顆/ml減少至16000顆/ml， 2μm LPC數(shù)量由原來的2.5萬顆/ml減少至4000顆/ml。漿料的LPC與膠體二氧化硅的LPC有明顯的關(guān)系。

通過對比圖3.4和圖3.5可知；漿料的 LPC 與膠體二氧化硅的 LPC 之間有明顯的關(guān)系。

圖3.5預(yù)過濾和過濾后膠體二氧化硅的 S4# 研磨液的LPC

S4#-UF 研磨液的 pH 值、粘度、Zeta 電位和 LPC 見表3.2。其粒徑分布圖如圖3.6所示。超濾對漿料的其他參數(shù)影響不大。

圖3.6 S1#-S4#和S# -UF粒度分布圖

過濾效果明顯，達到了預(yù)期效果。測試點位于距離晶片邊緣 5 毫米處。

表3.2 S1#-S4#漿料參數(shù)

使用S4#和S4#-UF 漿料對TEOS進行拋光。測試點（距晶片邊緣 5 毫米處）的 MRRS，采用S4#-UF 漿料進行拋光的，其值明顯低很多。如圖 7 所示，測試點的 MRR 從未經(jīng)過濾前的 1400 ?/min 下降到過濾后的 600 ?/min，詳情見圖3.7。CMP過程中，墊子和載體在不同的中心上以一定的速度順時針旋轉(zhuǎn)。載體在襯墊上與晶圓同步地往復(fù)運動。粒子進入晶圓區(qū)域并隨著墊旋轉(zhuǎn)。一些粒子最終重新進入晶圓區(qū)域。這可能導(dǎo)致邊緣的有效粒子濃度高于中心。

圖3.7 邊緣MRR作為S4#和S4#-UF的LPC的函數(shù)。

（2）LPC計數(shù)對TEOS WIWUN的影響

LPC與WIWUN之間存在顯著的關(guān)系：

圖3.8 超濾前和超濾后S4#Slurry對TEOS的去除率曲線

如圖3.8所示，邊緣MRR比中心處高很多，也說明其σMRR 也增加。根據(jù)前文公式2所知，WIWNU與σMRR 成正比，也意味著WIWNU也同步增加。

圖3.9 WIWNU 和邊緣 MRR 與 LPC 的函數(shù)關(guān)系

從圖3.9中可知，使用4# slurry后其WIWNU為 57%, 當使用 1#-3# slurry 是分別是15%, 13%, and 16%。使用 S4# 研磨液的 WIWNU 是其他三組的 3.5-4.3 倍。Hejun的混合磨料率是普通磨料的三倍，這與我們的實驗趨勢相似。但是，我們沒有考慮 LPC 的影響。S4# 研磨液的 LPC 為860萬 顆/毫升，WIWNU 為 57.08%。S4#-UF 研磨液的 LPC 為56萬 顆/毫升，WIWNU 為 12.78%，如圖 3.8 所示。LPC與WIWNU 之間存在明顯的關(guān)系，其主要機理可分別從以下幾個方面進行解釋。

隨著 LPC 的增加，濃度和壓痕將同時增大，當研磨液的 LPC 達到適當值時，大顆粒（≥0.5μm）和納米顆粒（1 - 100nm）可能混合形成混合顆粒研磨液（MPS），當大顆粒參與固 - 固接觸并去除表面時，MRR會大幅增加。MPS 隨著拋光墊的旋轉(zhuǎn)進入拋光墊和晶圓之間的界面，并形成固 - 固接觸（拋光墊、顆粒和晶圓）。圖 3.10 顯示了 TEOS CMP 中大活性顆粒的接觸情況，磨料顆粒嵌入在拋光墊的粗糙處，摩擦方式是滑動而不是旋轉(zhuǎn)。H.Lee的研究表明，只有活性粒子參與到CMP中。在三體情況下，磨粒（漿料、顆粒和晶圓）大約90%的時間用于滾動，因此不會產(chǎn)生磨粒磨損，只有10%的時間用于滑動和去除表面。當大顆粒參與固-固接觸并去除表面時，MRR急劇增加。

圖3.10 考慮LPC的拋光墊/大顆粒/晶圓微接觸示意圖

LPC 越大，TEOS 的犁溝越深。隨著犁溝深度的增大，氨化作用越強烈，導(dǎo)致 WIWNU 更高。

與LPC試驗數(shù)據(jù)對比，當料漿LPC（≥0.5 μm）達到860萬 顆/ml時，邊緣MRR顯著升高，WIWNU惡化，如圖3.11a、3.11c所示。對當前大顆粒數(shù)據(jù)的分析表明，當漿料LPC（≥0.5 μm）小于1.47萬 顆/ml，它會如圖 3.10b 和圖 3.10d所示。具有更低的MRR，但是WIWNU 更好，結(jié)果與文獻中的純數(shù)學(xué)模型一致。

圖3.11 使用4#Slurry CMP前后TEOS直徑分布圖

隨著在邊緣處軌跡密度變密，大顆粒的濃度與納米級顆粒的濃度同時增加。MPS 濃度的增加導(dǎo)致晶圓和拋光墊之間的活性顆粒增多。同時，晶圓和顆粒之間的實際接觸面積增大。當 MPS 與晶片接觸并嵌入襯墊中進行滑動時，摩擦力會隨著 MPS 濃度的增加而增大。Hojun Lee 的實驗也顯示了類似的現(xiàn)象，即在氧化 CMP 上使用混合研磨漿時，摩擦力增大。當 MPS 磨料與 TEOS 層摩擦時，拋光液起到了冷卻劑的作用。因此，磨料得到了有效冷卻。由于 TEOS 的導(dǎo)熱性較差，局部溫度會升高。氧化硅的硬度隨溫度升高而降低。高溫易導(dǎo)致TEOS層塑性變形。

TEOS CMP 是晶圓表面化學(xué)和機械活動的協(xié)同效應(yīng)。TEOS 作為一種酸性氧化物，在堿性條件下會與羥基離子發(fā)生反應(yīng)，副產(chǎn)品是可溶性硅酸鹽。由于二氧化硅顆粒在漿料中對 TEOS 的壓痕作用，水合層迅速在 TEOS 表面形成。本文在漿料中加入了螯合劑 FA/O。它是一種有機胺堿 R（NH2）4，可與硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物 ［R（NH3）4]（SiO3）2是一種易溶于水的水合酸銨鹽。隨著研磨液的流動，它很容易從 TEOS 中去除。如果 OH- 和 ［R（NH3）4］4+ 的濃度增加，則 TEOS 的水解速度會加快。當 FA/O 螯合劑與水反應(yīng)時，［R（NH3）4］4+ 離子會加速水合硅酸鹽的溶解?？紤]到化學(xué)機制，由于 FA/O 和 TEOS 之間的相互作用，邊緣的較大接觸面積也會增強表面的化學(xué)活性。LPC 越大，TEOS 的壓痕就越深。隨著壓痕越深，氨化作用越強烈，導(dǎo)致WIWNU越高。當漿料LPC達到860萬 顆/ml時，黏度會變差。然而，當LPC不到860萬 顆/ml，對WIWNU只有輕微的影響。

（3）LPC對表面質(zhì)量的作用

隨著LPC的增加，更多的大顆粒參與到CMP過程中。因此，壓痕會變深，表面質(zhì)量會下降。

為了找出表面質(zhì)量與大顆粒之間的關(guān)系，使用四組不同的Slurry進行拋光之后，進行AFM測量以評估拋光后的表面質(zhì)量，表面形貌結(jié)果以均方根粗糙度RMS表示。

如圖3.11所示，S1# - S3# 拋光之后的TEOS的RMS粗糙度值小于1 nm，如圖3.12所示，S4# 拋光之后的TEOS的RMS粗糙度值為1.65 nm，表明參與 CMP 過程的大顆粒會影響表面質(zhì)量。

圖3.11  1#-4#漿料拋光后TEOS的AFM概況

這些結(jié)果表明，CMP 工藝中參與的大顆粒會影響表面質(zhì)量。主要機理可從以下幾個方面解釋。

大顆粒磨料比普通顆粒大，壓痕深度也更大。在磨料顆粒的機械作用下，軟化的 TEOS 層被去除。

根據(jù)如下公式可知，顆粒進入 TEOS 的壓痕深度δw 由顆粒直徑 D 和晶片表面硬度 Hw 決定。壓痕深度越深，TEOS 的表面水解層就越深。隨著摩擦力的增加，表面溫度也隨之升高。在溫度的作用下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的表面會變得更軟，在大顆粒的作用下，可以去除更大的面積。

如圖 3.13 所示，顆粒尺寸的增加導(dǎo)致每個顆粒的壓痕深度增加，這一點可以通過粗糙度均根值得到證實。每個顆粒壓痕深度的增加是摩擦力和拋光率增加的原因。

當大顆粒參與 TEOS CMP 時，在機械作用下會產(chǎn)生更大的壓痕，化學(xué)反應(yīng)區(qū)域也會更大。在氫氧化物和螯合劑的共同作用下，TEOS 的水解率和（SiO3）2- 溶解率同時增加。由于邊緣的大顆粒濃度大于中心，在 FA/O 的作用下，邊緣的 MRR 會更高。因此，相較于大顆粒較少的研磨液而言，晶片邊緣的表面粗糙度也會增加。

圖3.13 顆粒直徑和顆粒進入晶圓表面的壓痕深度示意圖

為了進一步研究大顆粒對表面質(zhì)量的影響，在相同的配方下，用 C4#-UF 膠體二氧化硅的 S4#- UF 研磨液對新的 TEOS 晶片進行了拋光。在 CMP 之后，用原子力顯微鏡在測試點對 TEOS 晶圓進行測試。每個樣品選取四個測試點，平均有效值和變化情況如圖 3.14a 所示。表面粗糙度從過濾前的1.65nm 降至過濾后的 0.63nm，如圖 3.14b 所示。這表明采用過濾后的研磨液拋光時可以降低表面粗糙度，說明大顆粒會影響 TEOS 的表面質(zhì)量。

圖 3.14（a）晶片上的原子力顯微鏡測試點 （b）經(jīng) 0.5 μm 過濾器超濾后由 4# 漿料拋光的 TEOS 的原子力顯微鏡剖面圖

四、

本文全面研究了大顆粒（LPC）對 TEOS CMP 的影響。結(jié)果表明，在漿料其他參數(shù)不變的情況下，LPC可以提高邊緣 MRR 和平均 MRR。LPC對 TEOS 的 WIWNU 有明顯的影響，當LPC達到860萬顆/毫升時，WIWNU 會變差。原子力顯微鏡（AFM）圖像顯示，大顆粒對 TEOS 的均方根粗糙度有負面影響。過濾方式是一種有效的過濾掉較大顆粒（直徑≥0.5μm）的方法，是獲得更好拋光效果和漿料批次穩(wěn)定性的有效方法。作為配制漿料的基本原料之一，膠體二氧化硅的LPC是影響 MRR、WIWNU 和 RMS 粗糙度的重要參數(shù)。FA/O 堿性漿料可提高TEOS CMP的化學(xué)作用和材料去除率。

五、

通過前面的文章論述可知，研磨液中的LPC是影響 MRR、WIWNU 和 RMS 粗糙度的重要參數(shù)。此外，磨料中的LPC與最后配置成的研磨液中LPC有直接關(guān)系。這就意味著在CMP（化學(xué)機械拋光）過程中的LPC檢測，提供一個涵蓋全流程的全面的解決方案非常關(guān)鍵，因為這關(guān)系到工藝控制的精確性以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量。要成功地實施這一方案，必須合理選擇使用lab型（實驗室型）還是online型（在線型）檢測設(shè)備，并清晰地認識到它們各自的優(yōu)勢和應(yīng)用場景。

Lab型檢測設(shè)備通常用于更加詳細和精確的分析。它們能夠在更嚴格的控制條件下，提供高度準確的粒子檢測數(shù)據(jù)，適用于以下場景的使用：

• CMP slurry的制造商：對于CMP slurry的制造商而言，Lab型設(shè)備即是其產(chǎn)品質(zhì)量確認的裁判，檢測判定是否滿足出廠要求。更重要的是一個“教練”角色，可以通過檢測LPC的數(shù)據(jù)來合理優(yōu)化其生產(chǎn)、制備工藝。如配方的調(diào)整、如制備設(shè)備的選擇、如制備工藝參數(shù)的優(yōu)化等等。為CMP slurry的研發(fā)、制備、質(zhì)檢保駕護航。

  
  

• CMP slurry使用方的原料監(jiān)控和根因分析：CMP slurry使用法可以通過對于來料的檢驗來確保供應(yīng)商提供的產(chǎn)品符合其質(zhì)量控制要求。另外，更重要的是，當出現(xiàn)工藝異?；虍a(chǎn)品缺陷時，lab型設(shè)備能夠幫助工程師進行詳細的根因分析，找出問題的源頭并提供修正建議。

  
  

• CMP slurry使用方的研發(fā)和工藝優(yōu)化：在工藝開發(fā)階段，lab型設(shè)備可以對CMP工藝參數(shù)進行詳細研究，提供深入的不同工藝參數(shù)下各個點位的LPC數(shù)據(jù)分析，從而幫助優(yōu)化CMP工藝。諸如濾芯、管閥件、泵的選型；濾芯壽命的確認；研磨壓力，CMP slurry流速等等參數(shù)的設(shè)置。

Online型檢測設(shè)備則主要用于實時監(jiān)控CMP過程中的粒子濃度，確保工藝穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。其主要應(yīng)用場景包括：

• 實時過程監(jiān)控：在CMP生產(chǎn)過程中，online型設(shè)備可以實時檢測和反饋粒子濃度，幫助工程師迅速發(fā)現(xiàn)并糾正工藝波動，減少因工藝偏差引起的質(zhì)量問題。

  
  

• 自動化生產(chǎn)控制：對于大批量生產(chǎn)，online型設(shè)備能夠與工藝控制系統(tǒng)集成，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)控制，確保每個批次的產(chǎn)品都能符合質(zhì)量標準，減少人工干預(yù)。

  
  

• 成本和時間效率：在線監(jiān)控能夠大幅度降低檢測和處理的時間成本，提高整體生產(chǎn)效率，特別適用于生產(chǎn)速度要求高的工廠環(huán)境。

通過結(jié)合lab型和online型檢測設(shè)備，可以為客戶提供一個綜合性的解決方案，解決他們在不同階段遇到的痛點。Lab型設(shè)備提供了詳細分析和優(yōu)化工具，適合深度研究和問題根因分析；而online型設(shè)備則確保了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和高效性，適用于實時監(jiān)控和自動化控制。這兩種設(shè)備的相輔相成，可以為客戶提供更高的工藝可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，滿足不同階段的需求。

Entegris生產(chǎn)的AccuSizer系列顆粒計數(shù)器（原美國 PSS 粒度儀公司）采用單顆粒光學(xué)傳感技術(shù)（Single Particle Optical Sizing，SPOS）和自動稀釋技術(shù)，檢測范圍從納米級到微米級，不僅能給出粒徑大小，還能對樣本中顆粒數(shù)目進行定量計數(shù)。尤其能精準地計數(shù)出對于光散射和激光衍射方法檢測不到的極少數(shù)的大粒子（Large Particle Count，LPC）。自動稀釋技術(shù)解決了其他技術(shù)手段無法解決的對高濃度樣本進行顆粒計數(shù)的難題。另外，AccuSizer Mini系列在線大顆粒計數(shù)器，可用于產(chǎn)線實時監(jiān)測LPC變化，省時省力。Entegris提供從Fab POU端到CMP slurry制造端整套的LPC監(jiān)控解決方案。

Entegris提供從Fab POU端到CMP slurry制造端整套LPC監(jiān)控方案（藍色-Lab型顆粒計數(shù)器；紅色-Online型顆粒計數(shù)器）

六、

LPC（Large Particle Count）檢測在半導(dǎo)體CMP工藝中具有重要意義。通過控制研磨液中的大顆粒數(shù)量，可以有效提高晶圓表面平整度，減少缺陷，保證拋光速率和均勻性，減少設(shè)備和材料損耗。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，LPC檢測的精度和效率不斷提高，為CMP工藝的優(yōu)化和質(zhì)量控制提供了有力支持。

未來，隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進步，對研磨液的要求也將越來越高。LPC檢測作為研磨液質(zhì)量控制的重要手段，將在CMP工藝中發(fā)揮更加重要的作用。通過不斷優(yōu)化LPC檢測技術(shù)，半導(dǎo)體制造企業(yè)可以進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位。

參考文獻

[1] Liu G , Liu Y , Niu X ,et al.Effects of Large Particles on MRR, WIWNU and Surface Quality in TEOS Chemical Mechanical Polishing Based on FA/O Alkaline Slurry[J].ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2018, 7(11):P624-P633.DOI:10.1149/2.0101811jss.