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第七章 化學研磨 第十一組 鄭惟民
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本章概要 1.甚麼是化學機械研磨（CMP) 2.為何要使用化學機械研磨來從事半導體 製程加工 3.化學機械研磨/研磨機 4.其他名詞解釋
2.為何要使用化學機械研磨來從事半導體 製程加工 3.化學機械研磨/研磨機 4.其他名詞解釋 5.化學機械研磨製程 6.化學機械研磨後的洗淨方式 7.未來發展趨勢
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甚麼是化學機械研磨（CMP) ？ 將研磨劑導入研磨墊和晶圓之間，使其化學反應之後集物理機械研磨作用，將晶圓上之沈積膜移除之技術。
CMP=Chemical Mechanic Polish
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甚麼是化學機械研磨 ？
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為何要使用化學機械研磨來從事半導體製程加工呢？
大型積體電路之趨勢為高密度、高積極度、以及高效能的大方向發展，而使用電晶體、金屬導線微細化以增加電晶體之積極度及較佳之電性，迫使黃光微影之技術需使用更短波長之光源來曝光，以增加解析度
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為何要使用化學機械研磨來從事半導體製程加工呢？
然而波長增加雖解析度上升，但卻使焦距深度變差，所以需將晶圓之凹凸表面弄平，其方式有：光組回蝕、薄膜回蝕法、硼磷矽玻璃熱流法、化學機械研磨法（最佳） 若元件線寬大於0.25μm，仍可以使用其他方法，但若是小於0.25μm，則只有化學機械研磨可以使用
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為何要使用化學機械研磨來從事半導體製程加工呢？
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為何要使用化學機械研磨來從事半導體製程加工呢？
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化學機械研磨/研磨機 定義：半導體技術中，利用研磨達到平坦化的一種技術
這是種從事化學研磨所使用的機器，主要包含電力系統、控制系統、晶圓傳輸系統等總稱。
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化學機械研磨/研磨機
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化學機械研磨/研磨機 研磨系統主要包含： 1. 研磨平台 2. 研磨墊整理器 3. 研磨墊 4. 晶圓承載器（研磨頭）
4.1. 晶片承載膜/氣墊膜 4.2. 晶圓邊緣扣環
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研磨系統 研磨平台：用來黏貼研磨墊，藉由平台旋轉來研磨晶片
研磨墊整理器：屬於研磨機之局部，研磨墊在研磨時表面受到損傷，而研磨速率會隨著研磨時間的增加下降，而鑽石盤可將研磨墊表面刮痕整理，以維持研磨墊的表面狀態而穩定研磨速率
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研磨墊
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研磨系統 晶圓承載器（研磨頭）：用以承載晶圓、提供晶圓均勻壓力，帶動晶圓旋轉移動來研磨晶圓
晶片承載膜/氣墊膜：屬於研磨頭之局部，用以提供晶片均勻壓力 晶圓邊緣扣環：屬於研磨頭之局部，用來扣住晶片邊緣扣同時調整晶片邊緣之研磨速率
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研磨系統 各廠商在機台設計上有所不同，主要分為三種： 1.旋轉式研磨方式：晶圓承載器及研磨台各自自轉來研磨晶片表面
2.線性研磨方式：晶圓承載器自轉，研磨墊帶狀轉動來研磨晶片表面 3.公轉式研磨方式：晶圓承載器自轉，研磨台繞晶圓承載器公轉來研磨晶片表面
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其他名詞解釋 研磨劑（Slurry）：為研磨用之化學藥劑，用以研磨，內含研磨用研磨粒及氧化劑、分散劑、安定劑、介面活性劑等不同用途的添加劑。
研磨粒(Abrasive)：研磨用之化學藥劑，添加於研磨液中協助研磨，常見有Fumed Silica（燻矽，二氧化矽的一種）、colloidal Silica(矽溶膠.)、Al2O3、MnO2。
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常用研磨劑
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其他名詞解釋 雙鑲嵌製程（Dual Damascene）：半導體中同時形成導線及栓塞的技術
高低差（Step-High）：半導體中評估平坦化的方式之一，晶片經過薄膜、蝕刻後，晶片表面形成高低的形狀。
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雙鑲嵌製程
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高低差
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其他名詞解釋 凹陷（Dishing）：定義不同材質，因研磨而形成的高低差異，cmp對不同材質之研磨速率不同，而研磨速率快的區域有些微凹陷，其最低點與平面高度差稱為凹陷（Dishing）。 侵蝕（Erosion）：定義不同密度經研磨後所形成之高低差異，cmp對不同材質之研磨速率不同，研磨速率較快的材質密度較高的區域會有些凹陷，其最高與最低點稱為侵蝕（Erosion）。
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凹陷、侵蝕
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其他名詞解釋 殘留（Residual）：研磨後未能清洗乾淨或去除的現象。
刮傷（Micro-Scratch）：CMP研磨所形成之刮傷，當研磨時因晶片表面因研磨劑中未被過濾掉或者凝結產生的大顆粒研磨粒，常於研磨中造成晶片表面刮傷。
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化學機械研磨製程 半導體使用之化學機械研磨製程有： 1.氧化層（oxide） 2.多晶矽（poly） 3.金屬層（metal）
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化學機械研磨製程 化學研磨主要目的是將晶圓表面在製造流程中作全面性平坦化，以解決黃光景深不足之問題，並使元件積極度及性能得以提昇，要達此目的有五項要求：
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化學機械研磨製程 1.將面積大小不同及疏密不同的凹凸圖形皆能研磨平坦，降低大或密區域與小或區域之間厚度的差異。
2.研磨後晶圓表面之微塵（particle）、研磨劑殘留（slurry residual）及金屬微污染（metal ion contamination）必須去除乾淨。 3.有效降低研磨對晶圓表面刮傷（Scratch）
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化學機械研磨製程 4.研磨終點需穩定，及研磨後所應保留的厚度要穩定，不能有研磨不足或過度研磨的狀況發生
5.必須有效提昇化學機械研磨模組的產能（throughput）及降低成本
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氧化層 氧化層主要是將晶圓表面的氧化層研磨平坦，一般氧化層依層別分為： 1.淺溝渠隔離層（STI CMP） 2.層間介電層（ILD CMP）
3.金屬內介電層（IMD CMP）
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淺溝渠隔離層（STI CMP） 淺溝渠隔離法為取代傳統LOCOS(local oxidation of silicon)製程，晶圓長墊氧化層及氮化矽後利用黃光及蝕刻方式，形成淺溝渠隔離區域圖形，填入絕緣用氧化層及氮化矽後以CMP研磨至氮化矽，在經過清洗及去除氮化矽，此時所使用之研磨稱為淺溝渠隔離法
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淺溝渠隔離層（STI CMP） 其優點則是沒有LOCOS之鳥嘴，可以增加電晶體的積極度且氧化絕緣層凸起較小圖表面較平坦有利於後續之黃光製程
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淺溝渠隔離層（STI CMP）
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層間介電層（ILD CMP）與金屬內介電層（IMD CMP）
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化學機械研磨後的洗淨方式 目前化學機械研磨平坦化越來越普及，而製程越來越微小化，對微塵及金屬離子的要求越來越嚴格，潔淨室要求需要class1的潔淨度中，化學品級去離子水中的化學不純物要求達到ppm級，而其污染源有： 1.研磨劑中所含不純物 2.金屬不純物 3.殘留金屬材料
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化學機械研磨後的洗淨方式 1.研磨劑內必須有研磨粒，以及為了保持PH值、控制研磨粒穩定懸浮，氧化膜研磨劑會添加KOH等鹼金屬化學品，而金屬層cmp則會添加Fe等氧化劑，且目前研磨劑內不純物停在ppm等級。 2.研磨中由研磨墊以及Retaining Ring中磨耗下來的金屬不純物。 3.為了整理研磨墊的Diamond Disk的鑽石顆粒及將鑽石鑲在盤子上的金屬材料也會成為再研磨的污染源。
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化學機械研磨後的洗淨方式 而CMP後之晶圓，最主要有微塵級金屬離子污染兩類，故CMP後晶圓之洗淨技術分為： 1. 物理去除法
2. 化學去除法
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物理去除法 主要目的再去除微塵，一般常用材質為PVA的刷子搭配氨水級超音波震盪的方式，將微塵去除，而氨水同時具有將表面一層二氧化矽蝕刻，有去除金屬離子的作用，及改變晶圓表面zeta電位，防止微塵回黏的作用
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化學去除法 常用稀氫氟酸將表層氧化矽蝕刻掉一層，已達將金屬離子及微塵去除的作用，但在金屬層CMP後使用要小心，因為DHF會造成金屬腐蝕，故需小心用量。
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未來發展趨勢 化學機械研磨已出現10年，而其未來發展趨勢為： 1.降低CMP對晶片表面的損害 2.向大尺寸晶圓邁進 3.銅研磨的開發
4.STI CMP的最佳化
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