大顆粒（LPC）對拋光效率和良品率的影響 — TEOS層的CMP拋光研究

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引言：LPC對CMP制程工藝的影響

隨著半導體行業的蓬勃發展，作為重要工藝段的CMP獲得了廣泛的關注。而作為此工藝段的重要原料-CMP slurry，更是諸多學者研究的對象。本文將重點結合Liu團隊2018年在ECS發布的論文：《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的均勻性和表面質量對集成電路的可靠性有著至關重要的作用，因此，本文探討了LPC對TEOS表面質量和拋光過程的影響。

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

關鍵詞：大顆粒計數；LPC；化學機械拋光；研磨液；Slurry

本文章的整體框架如下所示：

一、

該論文指出：在大規模集成電路(GLSI)制造中，化學機械拋光(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）、片內非均勻性（WIWNU）以及均方根粗糙度（RMS）是衡量CMP效果的關鍵指標。

以往的研究大多關注CMP中的機械因素，缺乏考慮slurry理化性質（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（LPC）對TEOS的MRR、WIWNU和RMS粗糙度的影響尚未得到廣泛研究。

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

（1）MRR與LPC的關系

（2）LPC對TEOS WIWUN的影響

（3）LPC對表面質量的影響

為了達到實驗目的，需要對Slurry LPC等參數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顆粒計數器和Nicomp Z3000納米激光粒度儀提供精確的大顆粒計數和粒度分布分析，從而對CMP slurry的工藝進行優化。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：

表2.1  C1#-C4# 膠體二氧化硅參數

表2.2  S1#-S4# Slurry配方

采用旋轉式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工藝參數如表 2.3 所示：

表2.3  CMP工藝參數

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，手動調整背壓、工作壓力、機頭速度和轉盤轉速，再測定MRR，結果如圖3.2所示：

圖3.2 采用S4# Slurry調整壓力和速度后的MRR曲線

調整后 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、旋轉速度不是原因；隨即對Slurry的化學參數進行詳細分析:

表3.1  Slurry化學參數

由表3.1分析可知，S1# - S4# Slurry的Zeta 電位略有不同，其他參數在誤差范圍內相似，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

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。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，并將拋光后的數據與 S4# 漿料進行比較，以研究LPC對 TEOS CMP 的影響。測量結果表明，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的過濾數量從800萬顆/ml下降至約54萬顆/ml。1μm LPC數量由38萬顆/ml減少至16000顆/ml， 2μm LPC數量由原來的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 之間有明顯的關系。

圖3.5預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

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。載體在襯墊上與晶圓同步地往復運動。粒子進入晶圓區域并隨著墊旋轉。一些粒子最終重新進入晶圓區域。這可能導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。

（2）LPC計數對TEOS WIWUN的影響

LPC與WIWUN之間存在顯著的關系：

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 的函數關系

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。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，導致 WIWNU 更高。

與LPC試驗數據對比，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。對當前大顆粒數據的分析表明，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，結果與文獻中的純數學模型一致。

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。高溫易導致TEOS層塑性變形。

TEOS CMP 是晶圓表面化學和機械活動的協同效應。TEOS 作為一種酸性氧化物，在堿性條件下會與羥基離子發生反應，副產品是可溶性硅酸鹽。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，可與硅酸鹽發生反應。反應產物 ［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 螯合劑與水反應時，［R（NH3）4］4+ 離子會加速水合硅酸鹽的溶解?？紤]到化學機制，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，表面質量會下降。

為了找出表面質量與大顆粒之間的關系，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量，表面形貌結果以均方根粗糙度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量。

圖3.11  1#-4#漿料拋光后TEOS的AFM概況

這些結果表明，CMP 工藝中參與的大顆粒會影響表面質量。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，發生化學反應的表面會變得更軟，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，在機械作用下會產生更大的壓痕，化學反應區域也會更大。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 的表面質量。

圖 3.14（a）晶片上的原子力顯微鏡測試點 （b）經 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。結果表明，在漿料其他參數不變的情況下，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。FA/O 堿性漿料可提高TEOS CMP的化學作用和材料去除率。

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。此外，磨料中的LPC與最后配置成的研磨液中LPC有直接關系。這就意味著在CMP（化學機械拋光）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鍵，因為這關系到工藝控制的精確性以及最終產品的質量。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）檢測設備，并清晰地認識到它們各自的優勢和應用場景。

Lab型檢測設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據，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型設備即是其產品質量確認的裁判，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的數據來合理優化其生產、制備工藝。如配方的調整、如制備設備的選擇、如制備工藝參數的優化等等。為CMP slurry的研發、制備、質檢保駕護航。

  
  

• CMP slurry使用方的原料監控和根因分析：CMP slurry使用法可以通過對于來料的檢驗來確保供應商提供的產品符合其質量控制要求。另外，更重要的是，當出現工藝異?；虍a品缺陷時，lab型設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使用方的研發和工藝優化：在工藝開發階段，lab型設備可以對CMP工藝參數進行詳細研究，提供深入的不同工藝參數下各個點位的LPC數據分析，從而幫助優化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流速等等參數的設置。

Online型檢測設備則主要用于實時監控CMP過程中的粒子濃度，確保工藝穩定性和生產效率。其主要應用場景包括：

• 實時過程監控：在CMP生產過程中，online型設備可以實時檢測和反饋粒子濃度，幫助工程師迅速發現并糾正工藝波動，減少因工藝偏差引起的質量問題。

  
  

• 自動化生產控制：對于大批量生產，online型設備能夠與工藝控制系統集成，實現自動化生產控制，確保每個批次的產品都能符合質量標準，減少人工干預。

  
  

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

通過結合lab型和online型檢測設備，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型設備提供了詳細分析和優化工具，適合深度研究和問題根因分析；而online型設備則確保了生產過程的穩定性和高效性，適用于實時監控和自動化控制。這兩種設備的相輔相成，可以為客戶提供更高的工藝可靠性和產品質量，滿足不同階段的需求。

Entegris生產的AccuSizer系列顆粒計數器（原美國 PSS 粒度儀公司）采用單顆粒光學傳感技術（Single Particle Optical Sizing，SPOS）和自動稀釋技術，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目進行定量計數。尤其能精準地計數出對于光散射和激光衍射方法檢測不到的極少數的大粒子（Large Particle Count，LPC）。自動稀釋技術解決了其他技術手段無法解決的對高濃度樣本進行顆粒計數的難題。另外，AccuSizer Mini系列在線大顆粒計數器，可用于產線實時監測LPC變化，省時省力。Entegris提供從Fab POU端到CMP slurry制造端整套的LPC監控解決方案。

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

六、

LPC（Large Particle Count）檢測在半導體CMP工藝中具有重要意義。通過控制研磨液中的大顆粒數量，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，減少設備和材料損耗。隨著檢測技術的發展，LPC檢測的精度和效率不斷提高，為CMP工藝的優化和質量控制提供了有力支持。

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

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.