原版Reclaim CMP表面缺陷的优化与研究.docx
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原版ReclaimCMP表面缺陷的优化与研究
硕士研究生学位论文
题目：
ReclaimCMP表面缺陷
的优化与研究
姓名：
王玉
学号：
1301221682
院系：
软件与微电子学院
专业：
软件工程
研究方向：
集成电路设计
导师姓名：
孙雷副教授
二〇一六年九月
版权声明
任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经本论文作者同意，不得将本论文转借他人，亦不得随意复制、抄录、拍照或以任何方式传播。
否则，引起有碍作者著作权之问题，将可能承担法律责任
摘要
随着科技的发展，在当前社会中，大规模集成电路、半导体器件等得到了越来越广泛的应用，对其可靠性、电能性等性能的要求也越来越高。
随着IC集成度越来越高，要求硅片衬底表面有更好的平整度和洁净度。
现在半导体生产中常用无图形硅片，按照一定的设计淀积不同的膜层来模拟真实的产品，监测设备及工艺条件，这种硅片称之为控挡片。
控挡片按照不同的工艺需求经过一次或多次使用后，硅片表面产生很多损伤，这些表面损伤导致硅片无法再重复使用，这对半导体生产造成了非常大的开销，现在主流芯片厂靠从硅片制造厂家购买控挡片，使用后再进行循环加工满足生产需求，但要想控挡片满足工艺要求循环使用是一种降低成本的途径。
IC集成度的不断提高，随之带动的是设备要求越高，对满足检测设备的控挡片的品控进一步严格。
再循环利用的控挡片必须控制表面平坦化、洁净度、一定大小的颗粒数及缺陷在标准范围以内。
目前平坦化工艺采用化学机械抛光的方法，在抛光过程中，影响平坦化涉及因素很多，对于国内外CMP设备如何逐步降低抛光后的缺陷数量提出了难题。
同样，在硅片浸泡清洗过程中，由于清洗设备存在清洗不同种类硅片的状况，所以要始终保持硅片表面良好的清洗效果也面临困难。
技术的不断革新，对控片的要求相应标准也随着提高，从当前0.12um提高到0.09um，甚至到0.06um、0.037um的工艺需求，常因wafer表面缺陷和沾污导致再加工的空档片合格率减低，文中依靠国产化学机械研磨设备为基础，对生产当中遇到的缺陷和沾污案例，逐步分析原因以及相应的解决的措施。
通过大量DOE实验分析控片表面缺陷和沾污的因素，并对产生缺陷和沾污的环节进行优化改善。
其实在硅片CMP工艺中，表面缺陷和沾污并不能被完全避免。
这些缺陷和沾污或者是物理性的，或者是基于化学性的。
微粒缺陷主要是由于抛光过程中产生的微粒粘着在硅片表面造成的，这些微粒来源于抛光垫或抛光液。
刮伤（Scratches）、空隙（void）、凹槽（grooves）、残余抛光液（residualslurries）和凹坑（pits）是一些典型的表面缺陷，另一部分缺陷包括化学沾污，离子沾污，硅片表面金属的腐蚀在后续清洗过程中也不能完全被避免。
文中通过大量的实验和生产中的数据研究了Reclaimwafer表面缺陷改善问题。
得到了一组优化的工艺参数，大大降低了Reclaimwafer过程中表面缺陷现象，提高了Controlwafer的利用率，降低了运营成本。
关键字：
化学机械研磨,缺陷,研磨液,研磨垫,整理器,清洗单元，兆声发声单元。
InvestigationonSurfaceDefectofReclaimwaferChemicalMechanicalPolishingforGLSI
WangYu（softwareengineering）
SunLei
Abstract
Intoday'shighlydevelopedofinformation,theICindustryhasreplacingthetraditionalindustriesandbecomethebasisfortheinformationindustryasanewcore.Itisnotonlydeepintothebasiclivesofthemasses,butalsoanationalsymbolofcomprehensivestrength.
Today,8-inchfabstilloccupyacertainpositioninthemarket,but12-inchfabshasbecomethemainstreamoftheindustry,wearedeveloping16-inchwafers,hopeitcanbeputintothemarketinthenearfuture,topullin16inchesfabbuilding.14nm,28nmwaferhavemassproductionintheUnitedStatesandTaiwanfoundry.WiththeimprovementofICintegration,withtherequirementoftheequipmentishigher,thequalityofcontrolwaferneedtocontinualimprovement.Nowthemostoffabbuythecontrolwafersformmanufacturersandrecyclingwaferafteruse.Howeveritmustrequirelithographysurfaceisveryflat.Chemicalmechanicalpolishing（CMP）iscurrentlytheonlymethodthatcanofferacompleteplanarizationVLSIproductiontechnique.IntheCMPprocess,theimpactoftheflatteningresultinvolvesmanyfactors,howtoreducesurfacescratchesaftercopperchemicalmechanicalpolishingproblemrarelystudied.
Baseon300mmproductionline,thispaperanalyzesthestatusquoanddevelopmentofintegratedcircuit,alsointroducethestudyofcopperproducedbytheCMPdefectissues,throughtheanalysisofprincipleonreclaimwafersurfacescratchandparticles.Combinedwiththeproductionofscratchescase,obtainedthescratchdefectcausesandsolutionmethods.Defectcomesmainlyfromtwoaspects.Firstaspectcomesfromthemonitorcausewafersurfacedamage,Reclaimwaferpolishnotenough,resultingremainsomeholeonwafersurface.Thesecondaspectistheresearchonthemachineitself,includethepad,theslurry,thediskandcleanmodule.Finally,throughalotofexperimentsandproductionpracticesystematicstudyoftheCuCMPscratchthesurfaceoftheproblem.Wegotasetofoptimizedprocessparameters,greatlyreducingtheCMPprocessscratchofthesurface,toavoiddefectscauseddueScratch,improvedproductyield.
KEYWORDS:
CMP,Defect,Slurry,Pad,Disk,Cleanmodule,megasonic
目录
第一章绪论1
1.1引言1
1.2硅片回收在半导体工艺生产中的作用4
1.3化学机械研磨4
1.3.1化学机械研磨简介4
1.3.2化学机械研磨原理5
1.3.3化学机械研磨液5
1.3.4影响化学机械研磨的因素7
1.4化学机械研磨在ReclaimCMP中的应用8
1.5化学机械研磨过程中表面划伤的研究进展8
1.6本论文的研究目的与内容9
第二章ReclaimCMP试验设备及理论方法10
2.1试验设备10
2.1.1化学机械研磨设备10
2.1.2后清洗设备10
2.1.3SEM扫描电镜11
2.2试验方法及原理12
2.2.1化学机械研磨12
2.2.2工艺测试方法和参数15
2.2.3SEM扫描电镜原理15
2.3ReclaimCMP机理20
第三章后道湿法洗清工艺对硅片沾污去除的影响研究16
3.1湿法腐蚀16
3.2硅片的湿法清洗17
3.3利用湿法腐蚀去除控挡片膜层17
3.4ReclaimCMP沾污与后续清洗工序的关联18
3.4.1ReclaimCMP沾污现象分析18
3.6本章小结19
第四章研磨工艺参数对ReclaimCMP表面缺陷的影响研究20
4.1研磨液对ReclaimCMP表面划伤的影响20
4.1.1研磨液传输装置20
4.1.2研磨液的组成及其特性20
4.1.3研磨液对Scratch的分析与原因21
4.2研磨垫对ReclaimCMP表面划伤的影响22
4.2.1研磨垫承载装置22
4.2.2研磨垫特性23
4.2.3温度对研磨垫的影响24
4.3.4研磨垫造成划伤现象与分析24
4.4研磨垫修理器对ReclaimCMP表面划伤的影响26
4.4.1研磨垫修理器装置26
4.4.2研磨垫修理器特性27
4.4.3金刚石修整器器种类28
4.4.4金刚石修整器造成划伤的分析29
4.4.5金刚石修整器程序设定对划伤的分析以及解决30
4.5抛光头对CMP表面划伤的影响31
4.5.1抛光头装置31
4.5.2抛光头造成划伤的现象与分析32
4.5.3抛光头对CMP表面划伤改善措施33
4.6本章小结33
第五章总结49
5.1全文总结34
5.2致谢34
参考文献36
北京大学学位论文原创性声明和使用授权说明40
第一章绪论
1.1引言
随着集成电路（IC，IntegratedCircuit）的不断发展，为了进一步降低芯片成本和提高IC集成度，硅片尺寸在不断的变大，从200mm到300mm再到450mm，同样的工艺步骤产生出更多的芯片，降低了制造成本；同时IC特征尺寸在不断的缩小，晶体管从180nm到90nm、65nm、45nm、32nm到现在的14nm，将几十亿甚至几百亿个器件集成到一个芯片，提高了IC的集成度。
这就对检测机台稳定性与洁净度所使用的硅片质量及后续的CMPreclaim硅片提出了挑战，其要求表面平坦化并达到纳米级的表面粗糙度和洁净度。
图1.1控片出厂前的检测参数
从大的方面来讲，硅片生产包括晶棒制造和硅片制造两大步骤，它又可细分为以下几道主要工序（其中晶棒制造只包括下面的第一道工序，其余的全部属硅片制造，所以有时又统称它们为晶柱切片后处理工序）。
图1.2硅片生产流程图
符合要求的硅片在进厂后被用来日常验机，或者是机台异常故障后的复机审验后，往往会造成其表面有不同程度的损伤（如图1.3所示），这些硅片被筛选后重新被CMPReclaim重新抛光清洗，符合标准的再次投入到芯片制造车间使用，如此反复直到硅片厚度不能满足使用后报废。
55/65nm产品延续使用0.12um标准的控片，符合0.09um要求的投入到14/28nm制程工艺中，目前以0.06、0.037um标准的控片也逐步投入生产线中，这对抛光及清洗工序提出更高的要求。
首先必须硅片在抛光后表面要非常平坦，当前平坦化工艺采用化学机械研磨（ChemicalMechanicalPolishing,CMP）的方法，在CMP过程中，影响平坦化涉及很多因素，其中，对于CMP工艺及影响因素都有了广泛的研究[3]，但对于如何降低表面因划伤导致的缺陷却鲜有系统的研究。
在CMP抛光过程中，严重的表面划伤（Scratch）将会导致晶格的损伤（如图1.4所示）。
其次，通过大量实验证明，抛光后的硅片要经过去金属离子及氧化物工序的清洗，清洗槽内的酸液随着经过的硅片数量的增多，酸液被洗掉的颗粒污染越来越严重，这些颗粒由于粒度太小在随着酸液循环时不能被过滤掉，导致在清洗硅片时附着在表面（如图1.5所示）。
如图1.3使用后导致的表面缺陷
如图1.4抛光后导致的表面划伤
如图1.5Oxide工序清洗时造成的表面污染
1.2硅片回收在半导体工艺生产中的作用
半导体技术在过去几十年间发展得到了迅速的发展，硅片从200mm到300mm越做越大，电子器件的关键尺寸正在不断的缩小，由于器件尺寸逐渐缩小以及光学光刻设备焦深的减小，集成电路制造工艺对硅片表面的要求也随之提高到纳米级[1]。
硅片表面粗糙度和表面平整度是影响集成电路刻蚀线宽的重要因素，直接影响击穿特性、界面态和少子寿命，关系到IC器件的性能质量和成品率。
为了满足这样的严格要求，硅片作为集成电路芯片的基础材料，它的制备技术也日益完善，关键要求就是保证衬底加工中的更高平整、更低粗糙度与低成本。
半导体制造厂所使用的控挡片就是一种基础硅片，在日常生产中需要对机器设备进行监测以保证能够满足产品的要求，由于很多测试是破坏性的，直接使用产品进行这种监测要额外产生很多费用，所以用控挡片去做一些热机或者监测成为业界通用的一种经济实惠的方法。
半导体芯片规模生产制造过程中，大家集中关注的都是产品的工艺研究，有一块应用往往被忽略那就是控档片的使用。
半导体制造厂的日常生产中需要对机器设备进行监测以保证能够满足制程参数的要求，由于很多测试需要接触硅片的表面，直接使用产品进行这种监测破坏了产品的功能模块，使硅片不能继续使用，影响了整个生产线的良率，增大了生产成本，这显然是不现实的，因此业界都选用相对低成本的无图形硅片，简称控片来进行在线测试。
根据不同制程的需要，选择使用光片，或者淀积薄膜来设计各种相应的控片，用来做离子注入、薄膜淀积、光刻、刻蚀、研磨等各种制程的在线监测，如电阻率、薄膜淀积速率、刻蚀速率、研磨速率及均匀性等[2]。
这种方法降低了成本，也是对设备的监测更为实时便捷。
但是实际上控片的使用中也有一定的问题引起作者的思考，比如用于薄膜淀积的控片，薄膜的厚度满足要求但表面被造成不同程度的损伤，经过ReclaimCMP工艺后表面有不同程度的缺陷和沾污导致不能再继续使用，其他制程控片也存在类似的问题，只能将控片报废，渐渐的，报废的控片对半导体制造企业产生了很多运营成本，减少这种成本成为了值得思考和实践的事情。
基于硅片腐蚀和化学机械研磨的机理以及参照硅片制造工艺的经验，可以建立一个控片优化工艺的模型，即先对硅片表面进行粗磨去掉表面损伤，再用化学机械研磨做平坦处理，使硅片表面恢复到比较理想的平坦表面，然后再经湿法清洗去掉薄膜和表面沾污达到工艺要求循环使用。
这是一个非常实用的过程，经过“再生”处理的控片达到工艺的要求可以重复使用几十次，很大程度延长了控片的寿命。
湿法腐蚀在半导体制造中的应用很早而且非常广泛，是必不可少的步骤，在整个芯片制造过程中重复使用次数很多，被用于去除不需要的薄膜或者清除表层杂质。
晶圆表层的杂质物种类包含金属杂质物、微粒、以及其他一些有机物氧化层等。
随着IC集成度的提高，硅片表面的洁净度对器件的性能和成品率越发重要。
硅片表面类型分为亲水性和疏水性，亲水性的二氧化硅层表面，还有单晶硅的表层是逆水性的；亲水性的表面可以通过干燥和湿法来进行处理，而逆水性的表面很难被清洗，因此如何处理逆水性的表面非常重要。
常用的清洗方法有RCA清洗、臭氧清洗、超声及兆声清洗[3]。
RCA清洗工艺被称为是工业标准湿法清洗工艺，由一系列有序的化学液组成，通过调整化学液比例可以改进清洗效果；臭氧清洗这种方法比较容易实现，加入氧化物的氢氟酸偏是去除金属物的有效清洗法；近年来超声及兆声清洗被引入湿法清洗，超声波使液体流动产生很多微小气泡，这些大量的微小气泡在液体中破裂，可以对颗粒缺陷产生较大的冲击力，使颗粒缺陷能被冲击力震落；同样的这种气泡产生的冲击力对匿藏于硅片表面中凹坑的缺陷颗粒也有较好的清洗效果，这种清洗方式可能会对器件产生损伤。
使用湿法清洗去除了控挡片表面的薄膜后，需要进行化学机械研磨对硅片进行精细处理以使其再次满足工艺要求，化学机械研磨是化学作用和机械作用结合的抛光方法，在硅片加工和芯片制造中都有广泛的应用，是当今公认的全局平坦化技术。
在多层金属化引入到集成电路制造工艺中后，使硅片表面不平整度加剧，由此引发的一系列问题严重影响了ULSL的发展，先后有多种平坦化技术，如反刻，玻璃回流，旋涂膜层等，效果并不理想，直到80年代CMP技术的使用，使表面平坦化效果得到了极大的改善[4]。
化学机械研磨是在机械抛光的基础上根据所要抛光的表面加入相应的化学添加剂来达到增强抛光和选择性抛光的效果。
CMP对硅片进行平坦化的过程中主要是两个机制：
先是表面材料与研磨液发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层，然后研磨液中的研磨颗粒在被施压的情况下，通过与新生表面层的相对运动将其磨去，两个过程反复交替进行完成研磨。
在微电子工艺中，控挡片在使用一次后，可以进行再回收利用，当前业界已经有企业在做控挡片的回收，通常使用碱性的研磨液直接研磨去除表面的膜厚，然后用去离子水和化学品进行磨后清洗。
这种方法通常忽略了控挡片膜的复杂性以及研磨液的局限性，控挡片膜的成份通常不是单一的，而大部分的研磨液只和有针对性的成份发生反应，这样控挡片表面的膜不能很好的被研磨掉，使回收的空挡片表面型貌不均匀，缺陷也很多，良率不高。
湿法腐蚀工艺，使用不同的化学试剂可以对多种膜层进行腐蚀去除，在控挡片研磨前先使用湿法腐蚀工艺去除表面的膜，露出硅衬底片后再用化学机械研磨的方法对表面进行平坦化处理，使硅片表面得到较好的平坦性，这种方法刚刚在业内兴起，工艺稳定性有待进一步提高，有一定的研究意义。
1.3化学机械研磨
1.3.1化学机械研磨简介
20世纪90年代初，光刻对平坦化的迫切需求，不断对平坦化提出新的要求，传统的的平坦化技术已经不能满足工艺的要求，化学机械研磨（CMP）便应运而生了。
1983年IBM发明CMP制程，1998年IBM开始使用铜制程CMP。
通过CMP工艺，使其多层结构能够在一个平坦的平面上进行制备，如图1.5所示。
与传统的机械或化学的研磨方法有所不同，CMP通过机械和化学的共同作用，避免了由机械研磨造成的表面损伤和化学研磨造成的研磨速率低、表面不平整和研磨一致性差等缺点。
它利用研磨中“软磨硬”的原理，用材质较软的研磨垫来进行研磨以实现高质量的表面平坦化[5]。
在一定压力和研磨液存在的条件下，被研磨工件相对于研磨垫作相对运动[6]，借助于纳米粒子的研磨作用和氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合，使被研磨的工作表面平整[7]。
化学机械研磨是机械研磨作用、化学作用和吸附效应同时作用的过程。
图1.6CMP平坦化工艺
化学机械研磨（ChemicalMechanicalPolishing,CMP）是目前唯一能实现全局平坦化的方法[7]。
其优点有：
（1）提高硅片的全局平坦化效果；
（2）增加芯片的布线层数；（3）能一次平坦化多层材料；（4）改善台阶的覆盖性。
1.3.2化学机械研磨原理
如图1.7化学机械研磨结构示意图
CMP以化学研磨机太为主要载体，通过在高速旋转的研磨台上安装研磨垫，同时将被研磨的硅片吸附于高速旋转的研磨头内，研磨头吸附硅片同时研磨头内部施加向下的压力，硅片被研磨头朝下压并面对着研磨垫，使硅片和研磨垫做着高速相对旋转运动，伴随着研磨液的输入，通过研磨垫调整器和研磨垫本身的作用将研磨液均匀的分布在研磨垫表面；而研磨液中由于加入了化学添加剂和研磨颗粒，研磨液能够与硅片表层发生化学反应，从而生成较软的容易去除的物质。
同时由于硅片和研磨颗粒、研磨垫接触，机械作用力使之前产生的化学软物质层很容易去除；在化学和机械研磨作用结合下实现目标材料的移除，达到对硅片表面的平坦化[8]。
如上图1.7所示为化学机械研磨。
目前CMP已经成为极大规模集成电路制造的工艺，然而，对于化学作用和机械作用的相对机理仍然缺乏严密的解释，这主要是对于硅片在研磨过程中所发生的作用缺乏了解，而且还欠缺完整严密的理论知识。
现在有四种类型来描述CMP的研磨机理。
第一种类型是基于CMP过程的研究。
在1927年，经过大量的研究分析总结，Preston得到了CMP机理模型，这个模型解释了在机械研磨中下压力和线速度在实际研磨过程中的关系。
即经典的Preston方程[9]（如1-1所示）:
R=KPV（1-1）
其中，R代表研磨去除速率，P代表研磨过程的压力，K代表Preston系数，V是硅片相对于研磨垫的线速度。
这种模型主要从物理上来考虑，其实并未完全阐述研磨机理。
第二种类型基于流体力学理论[10,11],这种类型认为研磨液的化学作用是主要研磨机理，而忽略了在研磨垫中表面磨料的机械磨损。
第三种类型基于接触理论的研究[12,13],其认为研磨机理是由研磨液中的磨料产生的。
最后一种类型是在流体力学和接触力学的基础上建立的[14]。
但是这些类型在解释CMP研磨过程中实质上还是有一定的局限性。
1.3.3化学机械研磨液
研磨液主要包括化学组分和磨料两部分。
对于不同的材料，研磨液的化学成分和磨料组成都不一样。
其中化学组分主要包括促进反应的氧化剂、加速反应物溶解的螯合剂、阻止金属表面腐蚀的抑制剂以及降低研磨液表面张力易于清洗的表面活性剂等。
介绍一下研磨液中一些重要的组分作用：
1.螯合剂
螯合剂能与金属粒子形成稳定的螯合物，有效的降低金属离子污染。
在化学机械研磨过程中，金属的去除包含了机械摩擦去除和化学腐蚀溶解。
如果在研磨过程中金属氧化物及金属颗粒不能及时溶解，那么氧化物将会重新覆盖在金属表面影响研磨速率，金属离子将会进入介质层使漏电流急剧增加。
因此，研磨产物必须被及时的溶解并被研磨液输运出去。
一般在研磨液中常用的螯合剂有：
甘氨酸[15]、氨水[16]、柠檬酸[17]等。
2.抑制剂
抑制剂是指能使金属表面上形成吸附膜，从而抑制金属腐蚀。
抑制剂在CMP研磨液中的用量很少，但是对防止金属腐蚀有很好的作用。
在CMP过程中，凸起的地方由于受化学腐蚀和机械摩擦的双重作用研磨速率较高，但低凹的地方由于机械摩擦较小，并且有抑制剂形成膜的保护，腐蚀速率较小，从而使整个硅片表
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