集成電路封裝材料-化學機械拋光液

化學機械拋光液微細連接材料-凸點材料CMP(ChemicalMechanicalPolishing-CMP)發(fā)展史1983:CMP制程由IBM發(fā)明。1986:氧化硅CMP（Oxide-CMP）開始試行。1988:金屬鎢CMP（WCMP）試行。1992:CMP開始出現(xiàn)在SIARoadmap。1994:臺灣的半導體生產廠第一次開始將化學機械研磨應用于生產中。1998:IBM首次使用銅制程CMP?；瘜W機械拋光技術（ChemicalMechanicalPolishing,CMP）是集成電路制造中獲得晶圓全局平坦化的一種手段，是目前機械加工中最好的可實現(xiàn)全局平坦化的超精密的工藝技術，這種技術是為了能夠獲得低損傷的、即平坦又無劃痕和雜質等缺限的表面而專門設計的，加工后的表面具有納米級面型精度及亞納米級表面粗糙度，同時表面和亞表面無損傷，已接近表面加工的極限。圖10-1化學機械拋光工藝示意圖CMP機臺的基本構造(I)壓力pressure平臺Platform研磨墊Pad芯片Wafer研磨液SlurryWafercarrier終點探測EndpointDetection鉆石整理器DiamondConditionerIntroductionofCMP化學機械拋光基本原理：讓待拋光的晶圓在施加一定的壓力及拋光墊上有化學機械拋光液存在條件下相對于拋光墊做旋轉運動，借助化學機械拋光液中存在的固體磨粒的機械磨削及拋光液的化學腐蝕等綜合因素的作用來完成工件表面微突起的除。整個工藝過程，待拋光晶圓表面需要去除的材料首先與拋光液中化學成分發(fā)生化學反應，將不溶物質轉化為易溶的化學反應物，然后通過超細固體粒子研磨劑的機械磨削作用將化學反應物去除，最終可獲得超光滑表面?；瘜W機械拋光技術的優(yōu)勢：（1）可同時實現(xiàn)局部和大面積的全局平坦化。（2）該技術結合了機械磨削拋光和化學腐蝕拋光兩種作用，避免了單純進行機械磨削拋光造成的表面損傷（劃傷）和單純進行化學腐蝕拋光帶來的低效率等缺陷，在實現(xiàn)較高的去除速率的同時可以實現(xiàn)高的表面平整性和高度的一致性。（3）能夠被化學機械拋光技術加工的材料適用范圍廣泛，包括集成電路結構中的半導體材料、介質材料及金屬布線材料。沒有平坦化情況下的PHOTOIntroductionofCMP（a）完全無平坦化（b）局部平坦化（c）全局平坦化圖10-2

三種不同的平坦化的區(qū)別各種不同的平坦化狀況

IntroductionofCMP沒有平坦化之前平滑化局部平坦化全面平坦化StepHeight（高低落差）&LocalPlanarity（局部平坦化過程）高低落差越來越小H0=stepheight局部平坦化：高低落差消失IntroductionofCMP初始形貌對平坦化的影響ABCACBRRTimeIntroductionofCMP圖10-3硅通孔銅化學機械拋光的主要缺陷DishingDielectricLossCuRecessCuErosionorCuPittingEdgeOverErosion（a）

蝶形坑缺陷

（b）銅腐蝕坑缺陷圖10-4蝶形坑缺陷和銅腐蝕坑缺陷的掃描電鏡照片化學機械拋光工藝是硅通孔全套工藝制程中的關鍵工藝之一，用到的主要材料是化學機械拋光液，通過化學和機械兩方面作用，將晶圓表面的多余的材料和不規(guī)則結構除去而達到平坦化的目的。目錄10.1化學機械拋光液在先進封裝中的應用10.2化學機械拋光液類別和材料特性10.3化學機械拋光液的應用趨勢10.4新技術與材料發(fā)展硅通孔化學機械拋光液（ChemicalMechanicalPolishingSlurry,CMPSlurry）是基于硅通孔技術的三維集成等先進集成電路封裝中的關鍵材料。影響CMP質量的主要因素包括CMPSlurry的成分、黏度、比重、pH、磨料直徑、磨料分散度；拋光墊的形狀和質量；CMP的工藝參數(shù)和環(huán)境。10.1化學機械拋光液在先進封裝中的應用拋光墊主要含有微量填充物（氧化鈰、氧化鋯等）的聚氨酯材料組成，拋光墊的作用是在CMP過程中基于離心力的作用將CMP液均勻地拋灑到拋光墊表面，確保晶圓能夠全面接觸到拋光液，同時CMP過程中的反應產物帶出拋光墊。其質量、力學性能和表面組織性能將直接影響晶圓CMP后的表面質量，是關系到CMP效果的直接因素之一。10.1化學機械拋光液在先進封裝中的應用化學機械拋光液參數(shù)設計要求全局平坦性表面形成鈍化層最小化刻蝕速率拋光效果快速形成薄的表面控制拋光表面屬性在拋光過程中盡可能降低內應力表面缺陷表面缺陷的尺寸與機械特性（硬度等）拋光液中固體含量盡可能低拋光液的處理表現(xiàn)穩(wěn)定（化學穩(wěn)定性、壽命等）表面與表面膜下層微粒反應的控制10.1化學機械拋光液在先進封裝中的應用表10-1化學機械拋光工藝對化學機械拋光液的要求CMP主要性能指標：高的腐蝕拋光速率、好的全局平坦性、高的選擇性、好的表面均勻性、CMP后清洗容易、殘留物少及外界環(huán)境好壞和安全問題、CMP液自身壽命和化學穩(wěn)定性等。10.1化學機械拋光液在先進封裝中的應用硅通孔CMP液用戶：涵蓋芯片制造的前道工藝的各大芯片生產商，英特爾（Intel）、臺積電（TSMC）、三星（Samsung）、意發(fā)半導體（STMicroelectronics）、格羅方半導體（GlobalFoundries）、中芯國際（SMIC）、聯(lián)華電子（UnitedMicroelectronicsCorporationUMC）、海力士（Hynix）、美光（Micro）及后道工藝OSAT廠商，包括日月光（ASE）、矽品（SPIL）、安靠（Amkor）、長電科技（JCET,JiangsuChangdianTechnologyCo.JiangsuChangjiangElectronicsTechnologyCo.,Ltd.）同時硅通孔CMP液被生產微機電系統(tǒng)和光電芯片廠商使用。10.1化學機械拋光液在先進封裝中的應用SemiconductorManufactuningInternationalCorporation

SMIC硅通孔CMP液供應商：卡博特（Cabot）、安集（Anji）、陶氏化學（DowChemical）、慧瞻材料（VersumMatrials）、日立成化（HitachiChemical）、Fujifilm等。均有自己的硅通孔CMP液產品線。卡博特和安集與國際上主要客戶、主流設備供應商一起協(xié)作進行產品開發(fā)，產品覆蓋率相對領先。10.1化學機械拋光液在先進封裝中的應用硅通孔CMP液競爭關鍵點：技術指標和價格。技術指標包括研磨速率、選擇比、表面缺陷的控制等，如對硅通孔銅拋光液來說，超高的銅拋光速率是首要的技術要求。價格方面：需要控制硅通孔銅拋光液的價格接近于傳統(tǒng)集成電路中銅拋光液的價格。10.1化學機械拋光液在先進封裝中的應用10.2化學機械拋光液類別和材料特性圖10-5化學機械拋光的過程與機理化學機械拋光液主要由納米磨料和化學試劑組成。化學機械拋光液通過化學試劑溶液的化學反應提供化學腐蝕作用，通過納米磨料提供機械磨削作用?；瘜W機械拋光液在化學機械拋光過程中同時起到冷卻潤滑、在拋光墊表面均勻分布磨料的排屑作用，一般用純水來配制。10.2化學機械拋光液類別和材料特性納米磨料是主要組成部分之一，承擔CMP過程中的機械作用，在很多CMP體系中承擔化學作用。分類：二氧化硅、氧化鈰和氧化鋁。本身特性：顆粒形狀、硬度、粒徑大小及分布，純度，會對研磨特性和拋光質量產生影響。實際應用中，氧化鋁硬度高，容易造成機械劃傷，產生劃痕，一般少用；二氧化硅溶膠黏度低，和CMP液中的其他成分共同作用可提高去除速率，是硅通孔CMP液常使用的磨料。10.2化學機械拋光液類別和材料特性化學試劑主要有氧化劑、金屬絡合劑、表面抑制劑、分散劑及其它助劑。氧化劑的作用是對銅進行氧化，形成一層致密的鈍化膜，不同氧化劑對銅氧化效果不同，常用氧化劑有過氧化氫、高錳酸鉀等。不溶的鈍化膜與金屬絡合劑發(fā)生化學反應，生成可溶的絡合物，被流動的拋光液帶走（去除）。10.2化學機械拋光液類別和材料特性金屬絡合劑分為氨基類、羥基羧酸類、羥基銨酸類和有機磷酸等。其在酸性條件下對銅離子的絡合效果較好，但酸性拋光液對銅的腐蝕性較強，需要引入表面抑制劑來抑制對銅的腐蝕。常用表面抑制劑為苯并三唑（1H-Benzotriazole，BTA）。分散劑減少溶液中納米磨料的團聚，提高拋光液的分散穩(wěn)定性。10.2化學機械拋光液類別和材料特性依據(jù)pH分：銅CMP拋光液主要分為酸性、中性和堿性拋光液體系。以酸性為主，具有腐蝕速率高、氧化穩(wěn)定特點。缺點：（1）化學成分復雜。（2）選擇比不高。（3）BTA給后續(xù)的清洗過程帶來困難。（4）酸性溶液腐蝕易帶來銅離子，給清洗帶來困難。（5）Cu-BTA單分子膜只能在強機械作用下去除，在這種條件下Low-K介質層容易被破壞，損傷芯片結構。（6）對設備腐蝕性強，揮發(fā)嚴重。10.2化學機械拋光液類別和材料特性針對具體拋光工藝制程和被拋光材料的不同，不同種類的磨粒和化學試劑通過化學反應和機械拋光機理，達到芯片表面平坦化或特殊形貌的要求。依據(jù)正面、背面進行研磨拋光不同，分為1）正面銅/擴散阻擋層化學機械拋光液2）晶圓背面化學機械拋光液10.2化學機械拋光液類別和材料特性1）正面銅/擴散阻擋層化學機械拋光液硅通過芯片正面CMP工藝在實施之前要求使用銅、種子層、擴散阻擋層對一定深寬比（AspectRatio）的硅通孔進行填充，填充完成后晶圓正面被銅完全覆蓋，下面依次為種子層、擴散阻擋層和絕緣層。10.2化學機械拋光液類別和材料特性10.2化學機械拋光液類別和材料特性圖10-6填充完成的硅通孔典型結構硅通孔正面拋光三個過程：覆蓋面銅的去除、表面殘余銅的去除并停留在擴散阻擋層、擴散阻擋層和介質層的去除并停留在介質層。覆蓋面銅（CuOver-burden）厚度一般為數(shù)微米到數(shù)十微米，要求高的拋光速率。硅通孔的濃度在數(shù)十到上百微米，而通孔的孔徑為數(shù)微米到數(shù)十微米，硅通孔擴散阻擋層和絕緣層的厚度在幾百納米，對擴散阻擋層或絕緣層都有高拋光速率的要求。制程不同，絕緣層的下面分為氮化硅和沒有氮化硅兩種情況，對就要求拋光擴散阻擋層的拋光液有高選擇比和非選擇比兩種。對于氮化硅去除制程，還需要高氮化硅/氧化硅選擇比的拋光液。10.2化學機械拋光液類別和材料特性2）晶圓背面化學機械拋光液晶圓正面工藝制程結束后，正面會采用臨時鍵合工藝與硅或玻璃等晶圓載體黏接，再對晶圓背面進行減薄和拋光。首先使用機械粗磨工藝把晶圓減薄到離硅通孔頂端約數(shù)微米的高度，然后使用CMP拋光。根據(jù)流程不同，分為硅/銅晶圓背面CMP液和銅/絕緣層晶圓背面CMP液。10.2化學機械拋光液類別和材料特性2）晶圓背面化學機械拋光液硅/銅晶圓背面CMP液的一種流程是使用對硅和銅有相近的拋光速率的拋光液直接進行研磨。同時對氧化硅、擴散阻擋層金屬（鉭或鈦）有一定的研磨速率的要求。重要的是如何解決銅在硅表面污染和擴散問題。10.2化學機械拋光液類別和材料特性圖10-7硅/銅晶圓背面化學機械拋光工藝示意圖2）晶圓背面化學機械拋光液銅/絕緣層晶圓背面CMP工藝流程是精拋后使用刻蝕工藝，首先將硅的厚度進一步減薄，將硅通孔的銅柱在背面顯露出來，一般露出的銅柱高度為十幾微米；然后使用CVD工藝對表面進行絕緣材料鍍膜，絕緣材料一般為氮化硅或氮化硅加氧化硅；接著進行CMP，對拋光液的要求是具有高的氧化硅和氮化硅拋光速率，同時可以很快對表面的銅柱進行平坦化。10.2化學機械拋光液類別和材料特性2）晶圓背面化學機械拋光液10.2化學機械拋光液類別和材料特性圖10-8銅/絕緣層晶圓背面化學機械拋光工藝示意圖第一代CMP液2008-2011年，包括硅通孔銅CMP液、硅通孔非選擇比擴散阻擋層CMP液（分高TEOS/SiN選擇比和高SiN/Si選擇比），硅通孔晶圓背面BVR（經由背側顯露）CMP液、硅通孔晶圓背面Si/Cu拋光液。已實現(xiàn)商業(yè)化。新型（第二代）硅通孔CMP液研發(fā)從2013左右開始，價格成競爭力要求是第一位的。材料配方和應用方面開展創(chuàng)新優(yōu)化，以大幅度降低成本。一些新型型更有價格優(yōu)勢的材料會研發(fā)。10.3化學機械拋光液的應用趨勢新的技術指標要求：提高選擇比、減小蝶形坑和腐蝕坑等缺陷，實現(xiàn)不同CMP工藝后的平進化控制，對表面缺陷的大小和數(shù)目提出了更高要求。10.3化學機械拋光液的應用趨勢一方面，對硅通孔工藝成本不斷挑戰(zhàn)，產業(yè)界需要不斷探索更低成本的新材料和新工藝來提供低成本解決方案，CMP液成分需要隨之進行調整。如TEOS/SiN介質不斷被嘗試由Epoxy,DryFilm或PI一類的高分子有機物替代，隨之要對這類介質進行CMP，需要開發(fā)新型的CMP液。另一方面，在類似硅通孔應用中，提出了同時拋光環(huán)氧塑封料和銅的需求，在一個制程中同時實現(xiàn)對硬度高但化學活潑性低的環(huán)氧塑封料和速度低但化學活潑性高的銅的CMP，對CMP液材料及相關工藝提出新挑戰(zhàn)。10.4新技術與材料發(fā)展CMP制程的應用前段制程中的應用Shallowtrenchisolation(STI-CMP)后段制程中的應用Pre-mealdielectricplanarization(ILD-CMP)Inter-metaldielectricplanarization(IMD-CMP)Contact/Viaformation(W-CMP)DualDamascene(Cu-CMP)另外還有Poly-CMP,RGPO-CMP等。STI&OxideCMP什么是STICMP?所謂STI（ShallowTrenchIsolation），即淺溝槽隔離技術，它的作用是用氧化層來隔開各個門電路（GATE），使各門電路之間互不導通。STICMP主要就是將wafer表面的氧化層磨平，最后停在SIN上面。STICMP的前一站是CVD區(qū)，后一站是WET區(qū)。

STISTIOxideSINSTISTISINCMP前CMP后所謂OxideCMP包括ILD(Inter-levelDielectric)CMP和IMD(Inter-metalDielectric)CMP,它主要是磨氧化硅(Oxide),將Oxide磨到一定的厚度，從而達到平坦化。Oxide

CMP的前一站是長Oxide的CVD區(qū)，后一站是Photo區(qū)。

什么是OxideCMP?CMP前CMP后STI&OxideCMPW（鎢）CMP流程-1Ti/TiNPVDWCMPTi/TiNN-WellP-WellP+P+N+N+WCVDTi/TiNN-WellP-WellP+P+N+N+WWCVD功能：Glue（粘合）andbarrier（阻隔）layer。以便W得以疊長。功能：長