半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用專題 | 納米氧化鈰：不同條件對LPC的影響 - 拷貝

本文隸屬于半導(dǎo)體應(yīng)用專題，全文共 2445字，閱讀大約需要 8分鐘

摘要：在先進(jìn)制程化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）工藝中，納米氧化鈰（CeO?）研磨液中的大顆粒（Large Particle Count, LPC）是導(dǎo)致晶圓表面微劃痕缺陷的主要因素。研磨液本身是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定體系，在存儲(chǔ)、使用中外界條件的輕微變化均有可能導(dǎo)致LPC的產(chǎn)生。本研究基于單顆粒光學(xué)傳感技術(shù)，系統(tǒng)考察了納米氧化鈰（CeO?）研磨液不同存儲(chǔ)和使用條件下其中LPC的濃度變化。并以此為基礎(chǔ)確定一個(gè)合適的存儲(chǔ)方式。

關(guān)鍵詞：化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP），納米氧化鈰（CeO?），尾端大顆粒（LPC），單顆粒光學(xué)傳感（SPOS技術(shù)）

在半導(dǎo)體芯片制造中，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是實(shí)現(xiàn)晶圓表面全局平坦化的核心工藝。而CMP研磨液（Slurry），就是這個(gè)工藝過程中的化學(xué)軟化和機(jī)械去除的結(jié)合體，Slurry是一種由超細(xì)納米磨料、多種化學(xué)添加劑和離子水組成的復(fù)雜懸浮液。研磨液中的化學(xué)氧化劑等成分，會(huì)與晶圓表面的材料發(fā)生反應(yīng)，生成一層結(jié)構(gòu)疏松、易于去除的薄層。而懸浮在液體中的納米級(jí)磨料顆粒（如氧化硅、氧化鈰等），在拋光機(jī)的壓力和旋轉(zhuǎn)作用下，通過物理摩擦將這層軟化后的薄膜精確地磨除掉，最終留下原子級(jí)平整的表面。研磨液中的大顆粒（Large Particle Count, LPC）是導(dǎo)致晶圓表面微劃痕缺陷的主要因素。隨著制程的越來越先進(jìn)，對于LPC的控制越來越成為芯片高制程工藝中的關(guān)鍵要素。

在眾多磨料中，氧化鈰（CeO?）因其獨(dú)特的螢石型晶體結(jié)構(gòu)和高化學(xué)活性，已成為介電層拋光的主流磨料。然而，納米氧化鈰極易團(tuán)聚，尤其在存儲(chǔ)靜置和管道輸送過程中，外界條件的輕微變化都會(huì)導(dǎo)致LPC顯著增加。本文聚焦于CMP全流程中的三個(gè)可控節(jié)點(diǎn)——靜置儲(chǔ)存、超聲分散、過濾處理，系統(tǒng)考察它們對LPC的影響，并基于單顆粒光學(xué)傳感（SPOS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確檢測，為實(shí)際產(chǎn)線提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略。

在實(shí)際生產(chǎn)中，研磨液從配制到最終使用完畢，經(jīng)歷了一個(gè)完整的“生命周期"，每個(gè)階段都可能引入或改變大顆粒（LPC）濃度，如下圖所示是研磨液生產(chǎn)到使用中產(chǎn)生LPC的一個(gè)流程圖：

圖1 研磨液產(chǎn)生LPC流程圖

表1  研磨液產(chǎn)生LPC的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)

如上表所示，CMP工藝中研磨液經(jīng)歷了從配制到拋光的多個(gè)階段，每個(gè)階段都可能引入或改變大顆粒計(jì)數(shù)（LPC）。在實(shí)際產(chǎn)線中，影響晶圓表面質(zhì)量的因素眾多，本文選擇其中三個(gè)有可控性且對LPC影響顯著的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，即：

1. 儲(chǔ)存/靜置環(huán)節(jié)（考察自然團(tuán)聚規(guī)律）

2. 在線分散環(huán)節(jié)（以超聲為代表，考察主動(dòng)破碎效果）

3. 過濾環(huán)節(jié)（考察不同孔徑濾膜的去除效率）

通過單顆粒光學(xué)傳感（SPOS）技術(shù)對各環(huán)節(jié)處理前后的LPC進(jìn)行精確量化，旨在為CMP工藝中研磨液的存儲(chǔ)時(shí)限、超聲介入策略及過濾器選型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

由于氧化鈰（CeO?）本身所具有的高粘度和附著性，為了避免管路和閥門的堵塞和污染等，本文使用Entegris旗下的PSS AccuSizer A7000 AD作為檢測設(shè)備（以下簡稱A7000 AD），A7000 AD采用手動(dòng)進(jìn)樣，一步稀釋功能，在擴(kuò)大檢測濃度的基礎(chǔ)上避免管路和閥門的污染。其檢測原理如下圖所示：

圖2  SPOS法原理圖

AccuSizer A7000 AD的主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1) 檢測范圍：0.5 ~ 400 μm

(2) 通道數(shù)：512個(gè)（可自定義至1024通道）

(3) 檢測技術(shù)：SPOS（單顆粒光學(xué)傳感）

與傳統(tǒng)光散射技術(shù)（如激光衍射）不同，SPOS技術(shù)對每個(gè)通過傳感器的顆粒進(jìn)行逐一計(jì)數(shù)與粒徑分析，能夠精準(zhǔn)獲取顆粒的粒徑分布與絕對濃度信息。尤其對于氧化鈰研磨液，A7000 AD采用SPOS技術(shù)，將傳感器的濃度上限提升至傳統(tǒng)光阻傳感器的200倍以上，實(shí)現(xiàn)了原樣（或僅需單級(jí)稀釋）條件下的高精度檢測。

樣品采集后進(jìn)行測試。每個(gè)樣品重復(fù)測量3次，取平均值作為最終LPC濃度。測試參數(shù)設(shè)置：流速60 mL/min，檢測閾值0.5 μm，數(shù)據(jù)采集時(shí)間90s。

圖3  A7000 AD實(shí)物圖

上圖為此次實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備實(shí)物圖，圖中右側(cè)玻璃瓶中（Chamber）為混合樣品和去離子水的部分，其主要的作用是對高濃樣品做稀釋，以降低檢測濃度，確保通過傳感器的樣品濃度在合適的范圍之內(nèi)（10000#/ml）。

AccuSizer A7000 AD在本次研究中展現(xiàn)出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。首先，其SPOS技術(shù)克服了高濃度氧化鈰樣品難以直接進(jìn)樣的難題。傳統(tǒng)光阻傳感器設(shè)備在樣品濃度超過10000 #/mL時(shí)會(huì)出現(xiàn)“重合限"效應(yīng)，導(dǎo)致計(jì)數(shù)偏低。而A7000 AD通過自動(dòng)稀釋步驟，實(shí)現(xiàn)了氧化鈰原樣的直接檢測，更適合濃度較高的研磨液檢測。其次，超高的數(shù)據(jù)通道的高分辨率配置使研究者能夠精確識(shí)別不同過濾條件下LPC的粒徑分布演變。如下圖3所示，納米氧化鈰的粒度分布由譜圖呈現(xiàn)，相互之間對比方便，更加直觀清晰。另外還有像超高的分辨率和靈敏度等優(yōu)勢明顯。

本研究使用的納米氧化鈰研磨液（固含量15%，平均粒徑80nm和86nm）。過濾測試采用PTFE濾膜，標(biāo)稱孔徑等級(jí)分別為0.22 μm、0.45 μm和0.5 μm。所有樣品在測試前經(jīng)渦旋以確保分散均勻。

靜置處理旨在模擬研磨液在儲(chǔ)存、輸送及機(jī)臺(tái)待機(jī)過程中的自然沉降與團(tuán)聚行為。實(shí)際生產(chǎn)中，研磨液在供液罐中可能經(jīng)歷數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)的靜置，其間顆粒因重力沉降、布朗運(yùn)動(dòng)減弱以及顆粒間相互作用力的累積，可能發(fā)生不同程度的團(tuán)聚或沉淀，進(jìn)而影響LPC水平。

操作流程：取新鮮配制的納米氧化鈰研磨液樣品，充分渦旋混合后，分裝至若干潔凈的玻璃樣品瓶中。將樣品瓶置于相同環(huán)境（25℃）中，分別靜置不同時(shí)間梯度。靜置結(jié)束后，渦旋樣品瓶后取樣，立即使用A7000 AD檢測樣品LPC，并與初始狀態(tài)（靜置前）數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

通過靜置實(shí)驗(yàn)，可揭示研磨液在靜態(tài)條件下的穩(wěn)定性特征，明確自然沉降對LPC的貢獻(xiàn)程度，為制定合理的研磨液靜置時(shí)限及供液策略提供依據(jù)。

超聲處理作為一種有效的物理分散手段，可破碎弱結(jié)合的顆粒團(tuán)聚體。本階段旨在探究超聲處理對納米氧化鈰研磨液中已有大顆粒的分散效果，評估其作為在線分散手段的可行性。

操作流程：取靜置后或初始研磨液樣品，置于恒溫超聲水浴槽中進(jìn)行處理。超聲功率、頻率及處理時(shí)間為關(guān)鍵控制參數(shù)。為保持樣品溫度恒定，采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)控制超聲過程中樣品溫度不超過30°C，以防止溫度升高引發(fā)的化學(xué)性質(zhì)變化。超聲處理后，樣品經(jīng)適度冷卻恢復(fù)至室溫，隨即進(jìn)行LPC檢測。

過濾是CMP工藝中控制LPC的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本階段旨在考察不同孔徑濾膜及不同過濾順序?qū){米氧化鈰研磨液中LPC的去除效率，為研磨液輸送系統(tǒng)中的過濾器選型與配置提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

操作流程：過濾實(shí)驗(yàn)前，先用去離子水沖洗管路并排除系統(tǒng)中殘留空氣。將研磨液樣品加入儲(chǔ)液罐，啟動(dòng)蠕動(dòng)泵，調(diào)節(jié)流速至設(shè)定值（如50 mL/min），使研磨液依次流經(jīng)過濾器。分別收集過濾前（上游）與過濾后（下游）的樣品，立即進(jìn)行LPC檢測。

表2 不同靜置時(shí)間下LPC數(shù)據(jù)

圖4  靜置一天與兩天粒度對比圖

通過對80nm樣品靜置不同時(shí)間后的顆粒計(jì)數(shù)（LPC）對比分析發(fā)現(xiàn)，靜置時(shí)間延長會(huì)導(dǎo)致體系內(nèi)LPC顯著增加，顆粒團(tuán)聚趨勢明顯。該趨勢在圖3中亦有直觀體現(xiàn)，圖三藍(lán)色圖譜是靜置兩天后的測試結(jié)果，紅色圖譜是靜置一天后的測試結(jié)果。圖譜整體趨勢一致，但是從1μm局部放大圖中可以看出，靜置兩天后尾端大粒子數(shù)量大于靜置一天的。

具體來看：

• 在≥0.5μm粒徑范圍內(nèi)，靜置一天后的平均顆粒數(shù)為 16,635,327 顆/mL，靜置兩天后上升至 17,416,747 顆/mL，增幅約 4.7%；

• 在≥1.0μm粒徑范圍內(nèi)，從 526,298 顆/mL 增至 632,381 顆/mL，增幅約 20.2%；

• 在≥1.5μm粒徑范圍內(nèi)，從 39,208 顆/mL 增至 86,115 顆/mL，增幅約 119.6%；

• 在≥2.0μm粒徑范圍內(nèi)，從 22,342 顆/mL 增至 48,241 顆/mL，增幅約 115.9%。

上述結(jié)果表明，靜置時(shí)間由1天延長至2天后，≥1.5μm與≥2.0μm的LPC分別增加了約119.6%和115.9%，表明顆粒團(tuán)聚效應(yīng)顯著加劇。雖然亞微米級(jí)顆粒（≥0.5μm）總數(shù)變化不顯著，但微米級(jí)以上LPC成倍增加，說明體系中發(fā)生了明顯的顆粒團(tuán)聚或沉降再分散性變差的現(xiàn)象。對于CMP漿料等對顆粒粒徑分布敏感的體系，應(yīng)嚴(yán)格控制靜置時(shí)間，避免因大顆粒增加而導(dǎo)致晶圓表面劃傷等工藝風(fēng)險(xiǎn)。

表3 超聲前后LPC數(shù)據(jù)對比

圖5 超聲前后LPC數(shù)據(jù)對比圖

通過對86nm樣品在超聲處理前后的顆粒計(jì)數(shù)（LPC）對比分析發(fā)現(xiàn)，超聲處理可顯著降低各粒徑區(qū)間的顆粒數(shù)量，尤其對大顆粒的去除或解團(tuán)聚效果最為明顯。

具體來看：

• 僅過0.5μm濾膜時(shí)，≥0.5μm顆粒的平均數(shù)量為 234,268,816 顆/mL；經(jīng)過0.5μm濾膜后再過0.22μm濾膜，≥0.5μm顆粒的平均數(shù)量降至 2,327,788 顆/mL，去除效率高達(dá) 99.0%；

• 在≥1.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 18,467,908 顆/mL 降至 193,304 顆/mL，去除效率約 99.0%；

• 在≥2.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 463,263 顆/mL 降至 14,777 顆/mL，去除效率約 96.8%；

• 在≥5.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 44,986 顆/mL 降至 5,958 顆/mL，去除效率約 86.8%

可以看到，超聲處理3分鐘后，≥2μm及≥5μm的LPC分別顯著減少了約69.3%和71.2%，而對≥0.5μm的顆粒總數(shù)影響相對較小（僅減少約4.1%），說明其主要作用是破碎已形成的軟團(tuán)聚體。上述結(jié)果表明，超聲處理能夠有效破壞顆粒間的軟團(tuán)聚體，顯著減少微米級(jí)以上大顆粒的數(shù)量，而對亞微米級(jí)顆粒（≥0.5μm）的總量影響相對較小。對于CMP漿料等對顆粒分散狀態(tài)敏感的體系，超聲處理可作為改善分散性、降低大顆粒風(fēng)險(xiǎn)的有效手段，有助于減少因大顆粒導(dǎo)致的晶圓表面劃傷等工藝缺陷。

表4 使用濾膜過濾前后LPC數(shù)據(jù)

圖6 使用不同規(guī)格濾膜過濾前后LPC數(shù)據(jù)對比圖

通過對86nm樣品在不同過濾方式下的顆粒計(jì)數(shù)（LPC）對比分析發(fā)現(xiàn)，采用0.5μm濾膜過濾后，再經(jīng)0.22μm濾膜二次過濾，可顯著降低各粒徑區(qū)間的顆粒數(shù)量，尤其對亞微米級(jí)顆粒的去除效果極為顯著。

具體來看：

• 僅過0.5μm濾膜時(shí)，≥0.5μm顆粒的平均數(shù)量為 234,268,816 顆/mL；

• 經(jīng)過0.5μm濾膜后再過0.22μm濾膜，≥0.5μm顆粒的平均數(shù)量降至 2,294,455 顆/mL，降幅高達(dá) 99.0%；

• 在≥1.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 18,801,241 顆/mL 降至 193,304 顆/mL，降幅約 99.0%；

• 在≥2.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 429,930 顆/mL 降至 14,777 顆/mL，降幅約 96.6%；

• 在≥5.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 41,652 顆/mL 降至 5,958 顆/mL，降幅約 85.7%。

上述結(jié)果表明，0.5μm濾膜結(jié)合0.22μm濾膜的雙重過濾工藝，能夠有效截留體系中絕大部分顆粒，尤其是對0.5μm以上的顆粒去除效率接近99%。對于CMP漿料等高純度要求的體系，采用多重過濾可大幅降低顆粒污染風(fēng)險(xiǎn)，有助于提升晶圓表面質(zhì)量，是控制大顆粒缺陷的重要手段。

本文通過靜置、超聲及過濾實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)考察了物理處理方式對納米氧化鈰研磨液中大顆粒計(jì)數(shù)（LPC）的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，未來研究可從化學(xué)改性對研磨液穩(wěn)定性的增強(qiáng)機(jī)制深入拓展，進(jìn)一步解決納米氧化鈰研磨液的穩(wěn)定性與工藝適配性問題。

物理處理方法（如超聲和過濾）雖能有效降低LPC，但這無法從根本上抑制顆粒的再團(tuán)聚行為。隨著靜置時(shí)間的延長LPC又重新發(fā)生了團(tuán)聚。因此，引入化學(xué)分散劑以增強(qiáng)研磨液的長期穩(wěn)定性，是未來研究的重要方向。

總結(jié)本文實(shí)驗(yàn)，本研究的主要結(jié)論如下：

(1) 靜置時(shí)間對LPC影響顯著：靜置2天后，≥1.5μmLPC增加約120%，建議縮短研磨液靜置時(shí)間或采用持續(xù)循環(huán)供液。

(2) 超聲處理能有效破碎軟團(tuán)聚：3分鐘超聲可使≥2μm顆粒減少約69%，可作為在線分散手段。

(3) 組合過濾：0.5μm與0.22μm雙重過濾對≥0.5μm顆粒的去除效率高達(dá)99%，建議在實(shí)際CMP工藝中采用多級(jí)過濾系統(tǒng)。

綜上，在實(shí)際CMP工藝中，建議采用“縮短靜置/循環(huán)供液 + 在線超聲 + 多級(jí)過濾"的組合策略，以最大限度降低大顆粒含量，有效提升晶圓表面質(zhì)量，減少微劃痕缺陷。

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