化學(xué)機(jī)械拋光液微細(xì)連接材料-凸點(diǎn)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(tái)灣的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠第一次開始將化學(xué)機(jī)械研磨應(yīng)用于生產(chǎn)中。1998:IBM首次使用銅制程CMP?；瘜W(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（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(jī)械加工中最好的可實(shí)現(xiàn)全局平坦化的超精密的工藝技術(shù)，這種技術(shù)是為了能夠獲得低損傷的、即平坦又無(wú)劃痕和雜質(zhì)等缺限的表面而專門設(shè)計(jì)的，加工后的表面具有納米級(jí)面型精度及亞納米級(jí)表面粗糙度，同時(shí)表面和亞表面無(wú)損傷，已接近表面加工的極限。圖10-1化學(xué)機(jī)械拋光工藝示意圖CMP機(jī)臺(tái)的基本構(gòu)造(I)壓力pressure平臺(tái)Platform研磨墊Pad芯片Wafer研磨液SlurryWafercarrier終點(diǎn)探測(cè)EndpointDetection鉆石整理器DiamondConditionerIntroductionofCMP化學(xué)機(jī)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(xué)機(jī)械拋光液存在條件下相對(duì)于拋光墊做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，借助化學(xué)機(jī)械拋光液中存在的固體磨粒的機(jī)械磨削及拋光液的化學(xué)腐蝕等綜合因素的作用來(lái)完成工件表面微突起的除。整個(gè)工藝過(guò)程，待拋光晶圓表面需要去除的材料首先與拋光液中化學(xué)成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將不溶物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶的化學(xué)反應(yīng)物，然后通過(guò)超細(xì)固體粒子研磨劑的機(jī)械磨削作用將化學(xué)反應(yīng)物去除，最終可獲得超光滑表面?；瘜W(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：（1）可同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部和大面積的全局平坦化。（2）該技術(shù)結(jié)合了機(jī)械磨削拋光和化學(xué)腐蝕拋光兩種作用，避免了單純進(jìn)行機(jī)械磨削拋光造成的表面損傷（劃傷）和單純進(jìn)行化學(xué)腐蝕拋光帶來(lái)的低效率等缺陷，在實(shí)現(xiàn)較高的去除速率的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高的表面平整性和高度的一致性。（3）能夠被化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)加工的材料適用范圍廣泛，包括集成電路結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體材料、介質(zhì)材料及金屬布線材料。沒(méi)有平坦化情況下的PHOTOIntroductionofCMP（a）完全無(wú)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(méi)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(guò)程）高低落差越來(lái)越小H0=stepheight局部平坦化：高低落差消失IntroductionofCMP初始形貌對(duì)平坦化的影響ABCACBRRTimeIntroductionofCMP圖10-3硅通孔銅化學(xué)機(jī)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(xué)機(jī)械拋光工藝是硅通孔全套工藝制程中的關(guān)鍵工藝之一，用到的主要材料是化學(xué)機(jī)械拋光液，通過(guò)化學(xué)和機(jī)械兩方面作用，將晶圓表面的多余的材料和不規(guī)則結(jié)構(gòu)除去而達(dá)到平坦化的目的。目錄10.1化學(xué)機(jī)械拋光液在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用10.2化學(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性10.3化學(xué)機(jī)械拋光液的應(yīng)用趨勢(shì)10.4新技術(shù)與材料發(fā)展硅通孔化學(xué)機(jī)械拋光液（ChemicalMechanicalPolishingSlurry,CMPSlurry）是基于硅通孔技術(shù)的三維集成等先進(jìn)集成電路封裝中的關(guān)鍵材料。影響CMP質(zhì)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(zhì)量；CMP的工藝參數(shù)和環(huán)境。10.1化學(xué)機(jī)械拋光液在先進(jìn)封裝中的應(yīng)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(guò)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(shí)CMP過(guò)程中的反應(yīng)產(chǎn)物帶出拋光墊。其質(zhì)量、力學(xué)性能和表面組織性能將直接影響晶圓CMP后的表面質(zhì)量，是關(guān)系到CMP效果的直接因素之一。10.1化學(xué)機(jī)械拋光液在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用化學(xué)機(jī)械拋光液參數(shù)設(shè)計(jì)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(guò)程中盡可能降低內(nèi)應(yīng)力表面缺陷表面缺陷的尺寸與機(jī)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(xué)穩(wěn)定性、壽命等）表面與表面膜下層微粒反應(yīng)的控制10.1化學(xué)機(jī)械拋光液在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用表10-1化學(xué)機(jī)械拋光工藝對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光液的要求CMP主要性能指標(biāo)：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(wèn)題、CMP液自身壽命和化學(xué)穩(wěn)定性等。10.1化學(xué)機(jī)械拋光液在先進(jìn)封裝中的應(yīng)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(chǎn)商，英特爾（Intel）、臺(tái)積電（TSMC）、三星（Samsung）、意發(fā)半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、格羅方半導(dǎo)體（GlobalFoundries）、中芯國(guó)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(zhǎng)電科技（JCET,JiangsuChangdianTechnologyCo.JiangsuChangjiangElectronicsTechnologyCo.,Ltd.）同時(shí)硅通孔CMP液被生產(chǎn)微機(jī)電系統(tǒng)和光電芯片廠商使用。10.1化學(xué)機(jī)械拋光液在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用SemiconductorManufactuningInternationalCorporation

SMIC硅通孔CMP液供應(yīng)商：卡博特（Cabot）、安集（Anji）、陶氏化學(xué)（DowChemical）、慧瞻材料（VersumMatrials）、日立成化（HitachiChemical）、Fujifilm等。均有自己的硅通孔CMP液產(chǎn)品線?？ú┨睾桶布c國(guó)際上主要客戶、主流設(shè)備供應(yīng)商一起協(xié)作進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品覆蓋率相對(duì)領(lǐng)先。10.1化學(xué)機(jī)械拋光液在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用硅通孔CMP液競(jìng)爭(zhēng)關(guān)鍵點(diǎn)：技術(shù)指標(biāo)和價(jià)格。技術(shù)指標(biāo)包括研磨速率、選擇比、表面缺陷的控制等，如對(duì)硅通孔銅拋光液來(lái)說(shuō)，超高的銅拋光速率是首要的技術(shù)要求。價(jià)格方面：需要控制硅通孔銅拋光液的價(jià)格接近于傳統(tǒng)集成電路中銅拋光液的價(jià)格。10.1化學(xué)機(jī)械拋光液在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用10.2化學(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性圖10-5化學(xué)機(jī)械拋光的過(guò)程與機(jī)理化學(xué)機(jī)械拋光液主要由納米磨料和化學(xué)試劑組成?；瘜W(xué)機(jī)械拋光液通過(guò)化學(xué)試劑溶液的化學(xué)反應(yīng)提供化學(xué)腐蝕作用，通過(guò)納米磨料提供機(jī)械磨削作用。化學(xué)機(jī)械拋光液在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中同時(shí)起到冷卻潤(rùn)滑、在拋光墊表面均勻分布磨料的排屑作用，一般用純水來(lái)配制。10.2化學(xué)機(jī)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(dān)CMP過(guò)程中的機(jī)械作用，在很多CMP體系中承擔(dān)化學(xué)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(huì)對(duì)研磨特性和拋光質(zhì)量產(chǎn)生影響。實(shí)際應(yīng)用中，氧化鋁硬度高，容易造成機(jī)械劃傷，產(chǎn)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(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性化學(xué)試劑主要有氧化劑、金屬絡(luò)合劑、表面抑制劑、分散劑及其它助劑。氧化劑的作用是對(duì)銅進(jìn)行氧化，形成一層致密的鈍化膜，不同氧化劑對(duì)銅氧化效果不同，常用氧化劑有過(guò)氧化氫、高錳酸鉀等。不溶的鈍化膜與金屬絡(luò)合劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶的絡(luò)合物，被流動(dòng)的拋光液帶走（去除）。10.2化學(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性金屬絡(luò)合劑分為氨基類、羥基羧酸類、羥基銨酸類和有機(jī)磷酸等。其在酸性條件下對(duì)銅離子的絡(luò)合效果較好，但酸性拋光液對(duì)銅的腐蝕性較強(qiáng)，需要引入表面抑制劑來(lái)抑制對(duì)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(tuán)聚，提高拋光液的分散穩(wěn)定性。10.2化學(xué)機(jī)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(diǎn)。缺點(diǎn)：（1）化學(xué)成分復(fù)雜。（2）選擇比不高。（3）BTA給后續(xù)的清洗過(guò)程帶來(lái)困難。（4）酸性溶液腐蝕易帶來(lái)銅離子，給清洗帶來(lái)困難。（5）Cu-BTA單分子膜只能在強(qiáng)機(jī)械作用下去除，在這種條件下Low-K介質(zhì)層容易被破壞，損傷芯片結(jié)構(gòu)。（6）對(duì)設(shè)備腐蝕性強(qiáng)，揮發(fā)嚴(yán)重。10.2化學(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性針對(duì)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(xué)試劑通過(guò)化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械拋光機(jī)理，達(dá)到芯片表面平坦化或特殊形貌的要求。依據(jù)正面、背面進(jìn)行研磨拋光不同，分為1）正面銅/擴(kuò)散阻擋層化學(xué)機(jī)械拋光液2）晶圓背面化學(xué)機(jī)械拋光液10.2化學(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性1）正面銅/擴(kuò)散阻擋層化學(xué)機(jī)械拋光液硅通過(guò)芯片正面CMP工藝在實(shí)施之前要求使用銅、種子層、擴(kuò)散阻擋層對(duì)一定深寬比（AspectRatio）的硅通孔進(jìn)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(kuò)散阻擋層和絕緣層。10.2化學(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性10.2化學(xué)機(jī)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(jié)構(gòu)硅通孔正面拋光三個(gè)過(guò)程：覆蓋面銅的去除、表面殘余銅的去除并停留在擴(kuò)散阻擋層、擴(kuò)散阻擋層和介質(zhì)層的去除并停留在介質(zhì)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(kuò)散阻擋層和絕緣層的厚度在幾百納米，對(duì)擴(kuò)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(méi)有氮化硅兩種情況，對(duì)就要求拋光擴(kuò)散阻擋層的拋光液有高選擇比和非選擇比兩種。對(duì)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(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性2）晶圓背面化學(xué)機(jī)械拋光液晶圓正面工藝制程結(jié)束后，正面會(huì)采用臨時(shí)鍵合工藝與硅或玻璃等晶圓載體黏接，再對(duì)晶圓背面進(jìn)行減薄和拋光。首先使用機(jī)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(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性2）晶圓背面化學(xué)機(jī)械拋光液硅/銅晶圓背面CMP液的一種流程是使用對(duì)硅和銅有相近的拋光速率的拋光液直接進(jìn)行研磨。同時(shí)對(duì)氧化硅、擴(kuò)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(kuò)散問(wèn)題。10.2化學(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性圖10-7硅/銅晶圓背面化學(xué)機(jī)械拋光工藝示意圖2）晶圓背面化學(xué)機(jī)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(jìn)一步減薄，將硅通孔的銅柱在背面顯露出來(lái)，一般露出的銅柱高度為十幾微米；然后使用CVD工藝對(duì)表面進(jìn)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(jìn)行CMP，對(duì)拋光液的要求是具有高的氧化硅和氮化硅拋光速率，同時(shí)可以很快對(duì)表面的銅柱進(jìn)行平坦化。10.2化學(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性2）晶圓背面化學(xué)機(jī)械拋光液10.2化學(xué)機(jī)械拋光液類別和材料特性圖10-8銅/絕緣層晶圓背面化學(xué)機(jī)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(kuò)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(jīng)由背側(cè)顯露）CMP液、硅通孔晶圓背面Si/Cu拋光液。已實(shí)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(jià)格成競(jìng)爭(zhēng)力要求是第一位的。材料配方和應(yīng)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(jià)格優(yōu)勢(shì)的材料會(huì)研發(fā)。10.3化學(xué)機(jī)械拋光液的應(yīng)用趨勢(shì)新的技術(shù)指標(biāo)要求：提高選擇比、減小蝶形坑和腐蝕坑等缺陷，實(shí)現(xiàn)不同CMP工藝后的平進(jìn)化控制，對(duì)表面缺陷的大小和數(shù)目提出了更高要求。10.3化學(xué)機(jī)械拋光液的應(yīng)用趨勢(shì)一方面，對(duì)硅通孔工藝成本不斷挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)界需要不斷探索更低成本的新材料和新工藝來(lái)提供低成本解決方案，CMP液成分需要隨之進(jìn)行調(diào)整。如TEOS/SiN介質(zhì)不斷被嘗試由Epoxy,DryFilm或PI一類的高分子有機(jī)物替代，隨之要對(duì)這類介質(zhì)進(jìn)行CMP，需要開發(fā)新型的CMP液。另一方面，在類似硅通孔應(yīng)用中，提出了同時(shí)拋光環(huán)氧塑封料和銅的需求，在一個(gè)制程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬度高但化學(xué)活潑性低的環(huán)氧塑封料和速度低但化學(xué)活潑性高的銅的CMP，對(duì)CMP液材料及相關(guān)工藝提出新挑戰(zhàn)。10.4新技術(shù)與材料發(fā)展CMP制程的應(yīng)用前段制程中的應(yīng)用Shallowtrenchisolation(STI-CMP)后段制程中的應(yīng)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(shù)，它的作用是用氧化層來(lái)隔開各個(gè)門電路（GATE），使各門電路之間互不導(dǎo)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(dá)到平坦化。Oxide

CMP的前一站是長(zhǎng)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(zhǎng)。功能：長(zhǎng)