晶圓制造中CMP與刻蝕后清洗工序中關鍵物料的在線監控方案

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摘要：在半導體制造中，化學機械拋光（CMP）和刻蝕后清洗是確保晶圓表面質量的關鍵工序。CMP通過化學與機械結合的方式實現表面平坦化，而刻蝕后清洗則去除刻蝕殘留和污染物，保證后續工藝的順利進行。在CMP工藝中，LPC（大顆粒污染物）監測和H?O?濃度控制至關重要，前者防止顆粒劃傷晶圓表面，后者確保氧化能力的穩定，從而影響去除率和表面質量。在刻蝕后清洗中，DSP+溶液中的H?SO?和HF濃度監測對于控制清洗效果至關重要，過高或過低的酸濃度會影響金屬去除和氧化物清洗效率。高效的在線監控方案是提高良品率和確保工藝穩定性的關鍵。

關鍵詞：CMP；刻蝕后清洗；Slurry；LPC；H?O?；HF；在線監控

化學機械拋光（Chemical Mechanical Planarization，CMP）是半導體制造過程中至關重要的一環，廣泛應用于集成電路（IC）生產中，用于晶圓表面的平坦化。CMP工藝主要包括三個部分：Chemical（化學）、Mechanical（機械）和Planarization（平坦化）。

• Chemical（化學反應）：在CMP過程中，Slurry（研磨液）中通常含有特定的化學腐蝕劑，能夠溶解或氧化待拋光的材料。這些化學作用可以降低材料去除的能量門檻，使得機械拋光更加高效。如在SiO? CMP工序中，使用堿性Slurry（如KOH或NH?OH）來增強二氧化硅的溶解性。在銅（Cu）CMP工序中，使用氧化劑（如H?O?）氧化Cu表面形成CuO或Cu(OH)?，再通過絡合劑溶解。^[1]

  
  

• Mechanical（機械作用）：Slurry中含有納米級研磨顆粒（如二氧化硅SiO?、氧化鋁Al?O?、氧化鈰CeO?等），通過拋光墊與晶圓的物理接觸，配合這些顆粒的研磨作用，對晶圓表面進行微米級或納米級的磨削。機械摩擦能夠去除化學反應后變得松散的材料，同時實現均勻的材料去除。去除晶圓表面的多余材料，實現平坦化。^[2]

• Planarization（平坦化）：經過化學和機械作用，最終得到平整的晶圓表面，以保證后續光刻、刻蝕等工藝步驟的穩定性。其主要應用如下：

晶圓全局平坦化：消除晶圓表面的高度差，以便進行后續光刻工藝。

金屬互連：用于銅（Cu）、鎢（W）等金屬的去除，以形成平滑的導線結構。

絕緣介質層平坦化：調整氧化硅（SiO?）、低k介質等層的厚度，避免光刻對焦問題。^[3]

CMP拋光工藝（左側）及原理（右側）示意圖如下圖所示^[4]：

圖1. CMP拋光工藝（左側）及原理（右側）示意圖

刻蝕后清洗（Post-Etch Cleaning）半導體制程中的關鍵一環，是確保下一輪的CMP工序的基礎。其目的主要是去除刻蝕后殘留的副產物、污染物和顆粒。在刻蝕（特別是等離子體干法刻蝕）工藝中通常會留下副產物，如：聚合物殘留（特別是在低溫CF?/O?等離子體刻蝕后）、刻蝕氣體的副產物（如含氟化合物、氯化物）、金屬離子污染及顆粒污染等。如果不進行清洗，這些殘留物可能會：影響后續光刻、沉積或器件性能、造成缺陷，降低成品率、引入電學不穩定性（如金屬離子擴散）等。因此，刻蝕后的清洗對于提高產品良品率及產品穩定性具有非常重要的影響。

刻蝕后清洗按照原理卻分通常分為：濕法清洗和干法清洗兩類。濕法清洗是通過化學試劑（如酸堿、溶劑）去除污染物；而干法清洗則通過物理沖洗（如等離子體清洗）去除污染物。濕法清洗應用較為廣泛，主要用的試劑是DSP+（Dilute Sulfuric Peroxide Plus）是一種稀硫酸-*等混合溶液，特別適用于去除有機污染物、金屬殘留和顆粒污染，通常在加熱條件（如90~130°C）下使用，以提高清洗效率。

在整個芯片制造工藝中需要經過多次CMP工藝，如下圖所示是從單晶硅到芯片成品的工藝流程。其中CMP-硅晶圓-擴散-光刻-刻蝕-離子注入-CMP這個過程需要重復多次。

圖2. 芯片制造工藝流程圖^[5]

在 CMP 工藝中，Slurry中的LPC（Large Particle Counts大顆粒污染物）監測至關重要，大尺寸顆粒可能劃傷晶圓表面，導致器件缺陷，從而降低良品率。此外，Slurry中的H?O?濃度在線監測也會直接影響拋光液（Slurry）的氧化能力，過高或過低的濃度均可能影響材料去除率和均勻性，進而影響平坦化質量。

而在刻蝕后清洗工藝中，DSP+（稀釋H?SO? - H?O?-HF 溶液）被廣泛用于去除刻蝕殘留與顆粒污染。其中，H?SO?和 HF的在線濃度監測對于控制清洗速率至關重要，濃度偏差可能導致金屬腐蝕、氧化物過度去除或顆粒去除效率下降。

LPC（Large Particle Count）指的是Slurry中大于一定尺寸（如>0.56μm或0.98μm，2μm等）的顆粒數量。這些大顆粒可能來源如下：

• 顆粒團聚：Slurry中的納米研磨顆粒（SiO?、Al?O?、CeO?等）由于靜電作用或表面化學反應發生團聚。

• 污染物顆粒：來自儲存容器、輸送管道或環境中的污染物進入Slurry。

• 化學降解副產物：例如H?O?在等化學試劑在長期存儲或受污染時可能產生沉淀。

2.1.2.1 刮傷（Scratches）與缺陷增加

大顆粒可能在拋光過程中劃傷晶圓表面，形成微米級甚至納米級缺陷，從而影響良率。諸多文獻資料及實例表明，LPC的量與Scratches有著正相關關系^[6,7]

2.1.2.2 材料去除速率（Removal Rate, RR）波動

研磨顆粒的均勻性決定了去除速率，大顆粒的存在可能導致局部過度拋光或材料去除不均勻。^[8]

2.1.2.3 表面形貌（Surface Roughness）惡化

過大的顆粒會造成表面粗糙度（Ra值）升高，影響后續光刻和沉積工藝。

在銅（Cu）、鎢（W）等金屬CMP工藝中，H?O?是常用的氧化劑，其作用包括：

• 促進材料氧化：H?O?可以將Cu、W等金屬氧化為更易去除的氧化物（如CuO、Cu?O、WO?）。

• 控制去除速率（RR）：H?O?濃度影響氧化膜的形成速度，進而影響整體材料去除速率。

• 減少顆粒團聚：H?O?有助于維持Slurry的化學穩定性，降低顆粒間相互吸引的風險。

2.2.2.1 濃度過高（>目標范圍）

• 金屬表面過度氧化，形成較厚的氧化層，降低CMP的材料去除速率（RR下降）。

  
  

• 腐蝕速率加快，導致局部過拋（Over-polishing），影響線寬控制和電阻均勻性。

2.2.2.2 濃度過低（<目標范圍）

• 氧化不足，導致CMP無法有效去除金屬層，影響去除均勻性。

  
  

• 顆粒團聚增加，降低Slurry穩定性，導致LPC增加，從而影響表面質量。

圖3. CMP Slurry中LPC及H?O?濃度監控的必要性

在半導體制造的刻蝕工藝（如干法等離子刻蝕）后，晶圓表面常會殘留多種污染物，如聚合物殘留、金屬離子、顆粒和有機物。如果這些污染物未被清除，會影響后續光刻、沉積或電學性能。DSP+主要通過以下機制實現清洗效果：

2.3.1.1 氧化與分解有機殘留

• H?O? 是強氧化劑，可與刻蝕過程中形成的碳氫化合物（聚合物）、光刻膠殘留等反應，使其溶解或轉化為更易去除的副產物。例如，在 CF?/O? 等離子刻蝕后，DSP+可有效清除含氟聚合物。

2.3.1.2 金屬離子去除  

• H?SO? 具有強酸性，可溶解金屬污染物（如 Cu、Al、Fe 等），防止金屬離子擴散導致器件失效。

• H?O? 在酸性環境中可形成絡合物，輔助去除金屬殘留。

2.3.1.3 顆粒去除  

• DSP+的氧化作用可以降低顆粒的表面電荷，使其更容易分散并隨液流帶走，減少顆粒沉積導致的缺陷。

  
  

2.3.1.4 表面鈍化  

• DSP+還能在 Si、SiO?、金屬等材料表面形成氧化層，起到一定的鈍化作用，防止二次污染。

2.3.2.1 化學反應的精準調控

HF的作用：作為主要蝕刻劑，HF通過選擇性蝕刻去除硅片表面的二氧化硅（SiO?）和金屬殘留物。其濃度直接影響蝕刻速率和表面形貌。

• 濃度過低：蝕刻不足導致殘留物堆積，引發表面缺陷（如劃痕、顆粒污染）。

• 濃度過高：過度蝕刻可能形成微坑（micro-pitting），降低器件電性能。

H?SO?的作用：作為強氧化劑和酸度調節劑，H?SO?通過氧化反應清除有機污染物并維持溶液活性。其濃度波動會改變溶液pH值，影響HF的離解度和反應動力學。如：H?SO?濃度下降，會導致HF離解度降低（HF ? H? + F?），削弱蝕刻能力。

2.3.2.2 納米級表面形貌控制

現代半導體工藝要求表面粗糙度（Ra）控制在亞納米級（<0.2 nm）。HF和H?SO?的濃度偏差會直接破壞化學-機械平衡。

2.3.2.3 安全與環保的必要性

• HF的劇毒性風險

HF可通過皮膚接觸或吸入導致深度組織損傷甚至致命在線監控的價值：實時監測可聯動應急系統（如自動關閉閥門、啟動中和劑注入），將風險響應時間從小時級縮短至秒級。

• H?SO?的高腐蝕性與反應性

熱風險：H?SO?與有機物意外混合可能引發劇烈放熱甚至爆炸。

圖4. 刻蝕后清洗DSP+中H₂SO₄以及HF濃度監控的必要性

CMP slurry中LPC來源多樣，如下列舉了主要的來源：

• 原材料中的雜質一Slurry中未充分分散的大顆粒

• 制造傳輸過程中的污染—設備、管道或儲存容器中的污染物

• 化學反應生成—在Slury配置中化學反應生成不溶性的大顆粒沉淀物

• 顆粒聚集一pH和溫度變化、機械攪拌等會發生聚集，形成較大的顆粒

• 存儲和老化—Slurry在存儲過程中可能會發生顆粒的沉降和聚集

因此，在監控Slurry中LPC時不能隨意選取監控點，需要根據自身產線工藝特性進行選擇。

常規而言，CMP slurry在進入晶圓廠后會經歷稀釋，經歷濾芯的過濾，這個過程可能是需要循環過濾，以便去除LPC至合理的范圍；然后再輸送至拋光機臺進行拋光。在這個過程中，在POU過濾后進行LPC的監控是關鍵的，是拋光前的眼睛，一道把關。此外，對于一些關鍵的節點，過濾前后，或者管路連接容易藏污納垢的地方，在這些地方安上LPC的監控，也是有效提供工藝效率，確保工藝穩定性的關鍵。

對于CMP slurry中LPC進行在線檢測的技術也尤為關鍵，其難點體現在：

• 要求對少數尾端大粒子進行計數量化；

少數大顆粒的存在會顯著影響slurry的性能，尤其是在半導體制造中，尾端大粒子（Tailing particles）可能導致設備損壞或產品缺陷。因此，檢測少量大粒子的存在并進行準確計數和量化非常重要。但這些大顆粒的濃度極低，在檢測時容易被忽視，或與背景噪音混淆。

• 濃度高；

Slurry的濃度通常非常高，這導致顆粒之間的相互干擾增加，影響測量的準確性。濃度高的slurry會導致多散射現象，這使得光學檢測方法（如動態光散射DLS）的數據解讀更加復雜。此外，高濃度還可能導致顆粒在測量過程中發生聚集，進一步影響檢測結果。對于SPOS單顆粒傳感技術而言，其宗旨是確保顆粒一顆顆進行計數，從而確保其分辨率和準確性。對于高濃度的CMP slurry而言，其在經過SPOS傳感器時也要確保顆粒濃度在合適范圍，避免將多個顆粒當成一個顆粒進行計數

• 不同的slurry性質不同，檢測的方法也有所不同。

不同種類的slurry具有不同的化學和物理特性，這使得標準化的檢測方法難以滿足所有情況。例如，氧化鈰（Cerium oxide）slurry具有較高的粘度，這使得顆粒在溶液中的穩定性下降，導致檢測數據的波動性增大。此外，粘性大的slurry更容易在檢測設備中形成堵塞，增加了操作的難度。

更多關于LPC檢測的問題可閱讀本平臺發布的往期文章《為什么檢測CMP研磨液的Large Particle Count（LPC）如此重要？進行了解。

在晶圓廠收到CMP slurry后，首先會對Slurry進行稀釋處理，這個稀釋過程中需要添加H₂O₂進行混配，這個過程中，H₂O₂濃度的確定至關重要。另外，由于在拋光前Slurry會在管路中經歷循環處理，H₂O₂濃度會隨著使用過程的不斷變化而出現波動，因此，對其濃度的監控需要保持高度的敏感性，能檢測出細微差異，以便能隨時修正。隨著工藝制程的持續優化，H₂O₂的使用濃度逐步降低，這對檢測設備的靈敏度提出了更高要求。在較低濃度下，H₂O₂的監測變得更加具有挑戰性，因為小幅度的濃度波動可能對拋光效果產生較大影響，從而對生產過程的穩定性和質量控制帶來一定難度。因此，如何精確監測和穩定控制H₂O₂濃度，已成為當前工藝中亟待解決的難題。

在對DSP+中H₂SO₄以及HF進行在線濃度監控存在多個技術挑戰。首先，H₂SO₄以及HF具有較強的腐蝕性和反應性，這使得傳統的濃度測量方法面臨嚴峻考驗。其次，H₂SO₄以及HF在半導體清洗過程中的濃度控制對工藝的精細化至關重要，但由于其化學性質的復雜性和高腐蝕性，對檢測傳感器的精度，尤其是長時間使用下精度，穩定性要求交過。特別是在高溫、高酸濃度環境下，設備的壽命和準確性成為監控的瓶頸。

再者，H₂SO₄和HF的濃度容易受其他工藝參數變化的影響，如溫度、壓力及反應物濃度的波動。因此，濃度監測必須具備高度的抗干擾能力，并能夠在復雜的反應環境中保持穩定性。此外，這兩種酸的反應性使得其濃度變化呈現非線性特征，尤其是在濃度變化較小的情況下，傳統的光學、質譜或電化學傳感技術可能無法提供足夠的靈敏度和精度。

另外，隨著半導體工藝向更高精度和更小尺寸的方向發展，H₂SO₄和HF濃度的微小波動可能會對材料的表面質量、刻蝕效果及最終產品的性能產生重大影響。因此，在此類工藝中，要求在線監控系統不僅要具備高靈敏度和準確度，還必須保證快速響應和穩定輸出，以確保工藝的一致性和高質量控制。

綜上所述，半導體DSP+工藝中H₂SO₄和HF的在線濃度監控面臨著化學性質、設備穩定性、靈敏度以及外部干擾等多重挑戰，這些因素共同限制了該技術的進一步發展和應用。

圖 1.CMP 工藝概覽（顯示化學濃度監測和粒度分析在工藝流程中的位置）

注：黃色—在線化學濃度監控；紅色—在線LPC監控

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圖2. AccuSizer Mini系統實現CMP slurry LPC在線監控

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圖3. SemiChem系統實現CMP slurry H₂O₂在線監控

對于超純化學品（諸如DSP+）的過濾器的選擇是看過濾的效果；而對于CMP slurry的過濾器的選擇是看相對過濾效果。因為，對于超純化學品而言，雜質是需要去除，是奔著格殺勿論的方式去除的。而對于CMP slurry而言，研磨顆粒的去處是相對的；是奔著能用的，能起到有效研磨作用的留下；而不能用的，會引起晶圓缺陷的去除掉。

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