受讀者鼓舞，在繼“磨料進化篇”之后，小編盡可能貼近原文，并與讀者共同學(xué)習(xí)進步，一起了解關(guān)于CMP拋光的相關(guān)知識。本章側(cè)重于清洗發(fā)展及其他一些超精益技術(shù)相關(guān)的介紹。

相關(guān)鏈接：CMP拋光的起源與創(chuàng)新（磨料進化篇）

什么是晶圓清洗

首先明確，晶圓清洗遠比我們平時洗瓜果蔬菜復(fù)雜。伴隨CMP進行的清洗工藝在晶圓制備中非常重要。如上圖所示，在經(jīng)過CMP工藝處理后，晶圓表面上會殘留磨料和切削物顆粒、化學(xué)物質(zhì)、有機物和金屬離子等污染物，而它們則嚴重影響后續(xù)的工藝步驟（如光刻、蝕刻和沉積）。隨著集成電路尺寸的不斷縮小，對污染物的容忍度也不斷降低。污染的多樣性可能會造成各種不可控結(jié)果，進而導(dǎo)致性能受損甚至電路失效。清洗發(fā)展至今，也是一步一步演變成為一項專業(yè)能力，它涉及到不同類型污染物的去除、高潔凈度要求、材料兼容性、化學(xué)和物理清洗方法的結(jié)合，以及在極高標準的潔凈環(huán)境中進行。

清洗技術(shù)發(fā)展概述

在硅片清洗的早期階段，使用了諸如三氯乙烯這樣的有機溶劑來進行清洗，而乙醇則用于干燥。然而，這些方法并不適合去除顆粒和金屬污染物，導(dǎo)致了較低的成品率。該問題在1970年由RCA公司的Kern和Puotinen發(fā)表的“RCA清洗法”中得到了顯著改進。具體所謂RCA清洗由NH?OH/H?O?/H?O(SC1)清洗和HCl/H?O?/H?O(SC2)清洗組成，前者去除有機物和顆粒，后者用于去除金屬污染物。再后來，在這種清洗方法中加入了稀釋的氫氟酸(DHF)清洗，以去除本征氧化層中的污染物?；赗CA清洗的方法至今仍在硅片制造過程中以及銅互連結(jié)構(gòu)形成之前的半導(dǎo)體器件前端工藝(FEOL)中廣泛使用。隨著技術(shù)的進步，這些清洗方法也在不斷優(yōu)化和發(fā)展，以滿足更高精度和更小尺寸器件的需求。

一、超精益技術(shù)

超精益技術(shù)的目標是消除半導(dǎo)體工藝的污染和波動。從超純水到潔凈室的超純技術(shù)的研究和開發(fā)始于20世紀80年代末，當時日本東北大學(xué)的大明教授領(lǐng)導(dǎo)團隊與半導(dǎo)體有關(guān)的各種制造商合作，廣泛包括半導(dǎo)體裝置、設(shè)施、設(shè)備、化學(xué)、純凈水、氣體、管道和閥門等等。而除了前文提及的典型污染物之外，濕度、振動、靜電、溫度變化等也被列入應(yīng)當避免的污染和波動范圍。

為了便于直觀說明超精益技術(shù)對清洗技術(shù)的進一步改進和發(fā)展。以Zeta電位和Pourbaix圖的引入為例，在RCA清洗中，雖然SC1清洗（堿性清洗）可以去除顆粒，但是存在SC2清洗（酸性清洗）和DHF清洗后顆粒粘附的問題，Zeta電位則可用于表征和解釋；類似還有盡管金屬污染可以通過SC2清洗去除，但在DHF清洗和SC1清洗后仍存在金屬粘附于硅表面的問題，Pourbaix圖則用于解釋該機制。其他在超精益技術(shù)研究推動的還有揭示了像銅這樣的金屬污染不僅影響器件的電氣特性，還會在晶圓表面上造成缺陷，等等。而在它的加持之下，不斷解決RCA清洗過程所遇到問題的同時，也提高了整體的清潔效率和晶圓表面的質(zhì)量，半導(dǎo)體化學(xué)品的純化水平才能從ppb級提高到目前的ppt級。

二、清洗技術(shù)的改進

1、污染重新吸附的解決

RCA清洗法存在每次清洗后污染物重新吸附的問題。研究發(fā)現(xiàn)，螯合劑有助于在堿性清洗（SC1）過程中抑制金屬的吸附，而陰離子表面活性劑有助于在酸性清洗（DHF）過程中抑制顆粒的吸附。但是由于RCA清洗法已經(jīng)在半導(dǎo)體前端工藝（FEOL）中被依賴了幾十年，另外業(yè)內(nèi)更關(guān)注半導(dǎo)體表面上的殘留問題。因此這項研究最初并沒有引起重視。直到銅化學(xué)機械平坦化（Cu-CMP）的引入，由于RCA清洗法中存在的金屬布線腐蝕問題，使用螯合劑和表面活性劑變得必不可少。如今，在半導(dǎo)體器件制造中的CMP后清洗過程中，廣泛采用了含有表面活性劑和螯合劑的溶液清洗結(jié)合PVA刷子擦洗的方式。此外，人們發(fā)現(xiàn)基于RCA清洗的晶圓清洗過程還存在一個問題……

2、微粗糙度（霧度）增加的解決

晶圓表面在CMP后立即開始出現(xiàn)粗糙度增加，并且隨著時間推移不斷加重。在1990年代，通過降低清洗溫度和減少溶液中的氨水混合比例來減少SC1清洗步驟中導(dǎo)致的粗糙度增加。進入2000年代，CMP后立即使用超純水沖洗期間以及濕式運輸過程中的表面粗糙度成為一個問題。經(jīng)過深入研究，人們終于發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致粗糙度增加的原因——主要是由于超純水溶解氧和/或光照的影響，導(dǎo)致硅局部氧化，相比于硅，氧化物被水蝕刻的速度較低，因此它們保留在表面形成凸起，從而增加了粗糙度。并且，硅之外還有銅在CMP后處理過程中局部氧化或局部腐蝕抑制劑的吸附也會影響粗糙度的增加。

微粗糙度增加機理

在CMP之后立即使用臭氧化水處理硅表面，以在其上形成一層薄的氧化膜，這種方法因其易于實施而被主流硅片制造商所采用。最初，臭氧化水被提議用來代替H?SO?/H?O?/H?O (SPM) 清洗以去除光刻膠，因為臭氧化水可以分解有機污染物。但由于水中可溶解的臭氧濃度有限，其在半導(dǎo)體清洗中的應(yīng)用受到了限制。近年來，一種單片清洗方法被用于硅片的CMP后清洗，該方法包括反復(fù)使用DHF去除由臭氧化水形成的化學(xué)氧化膜，隨后重復(fù)這一過程數(shù)次（大約每隔十秒一次），以去除表面層上的污染物。這種清洗方法正在逐步取代在硅片制造過程中長期使用的RCA清洗。

3、CMP漿料的進一步純化

由于持續(xù)追求清潔度，減少CMP后晶圓上的納米缺陷數(shù)量，即便FUJIMI在1985年引入基于醇鹽的超純二氧化硅之后，仍繼續(xù)進行減少漿料中污染物的研究——徹底審查包括原材料在內(nèi)的制造過程，并追求過濾和凈化技術(shù)，漿料中的金屬雜質(zhì)和大顆粒進一步減少。像這樣的污染減少技術(shù)被應(yīng)用于CMP漿料中，并廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓制造過程和器件制造過程（特別是在前端工藝FEOL中），支持了半導(dǎo)體的微型化和成品率的提高。

FUJIMI對CMP漿料大顆粒減少影響晶圓納米缺陷的研究

三、未來技術(shù)展望

未來，預(yù)計減少CMP過程中的粗糙度、缺陷和污染的要求將會變得更加嚴格，從納米級別向埃級別推進。隨著半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的三維集成和復(fù)雜性的增加，CMP步驟的數(shù)量將進一步增加，需要對各種材料進行精確加工。面對這些挑戰(zhàn)，追求表面的均勻作用和減少污染物仍然是至關(guān)重要的。然而，在進一步的追求中，表面粗糙度不應(yīng)該僅用Ra（平均粗糙度）或Rms（均方根粗糙度）來表示，而應(yīng)該分析每個波長下的情況，調(diào)查對應(yīng)每個波長的粗糙度原因，并采取相應(yīng)的措施。我們應(yīng)該認識到不僅是顆粒和金屬雜質(zhì)，還包括看不見的污染物，如反應(yīng)副產(chǎn)品、溶解氣體、振動、電子和光子，這些都可能影響CMP和清洗過程，并據(jù)此采取適當?shù)拇胧?。在掌握這些領(lǐng)域方面還有很長的路要走。然而，仍然有許多來自不同領(lǐng)域的技術(shù)可以被利用。未來的CMP技術(shù)應(yīng)該與我們今天甚至都無法想象的新元素相集成。

小結(jié)

清潔技術(shù)既獨立于拋光，又和拋光密不可分。不同領(lǐng)域的技術(shù)在某個時間節(jié)點之前并未相互交叉，但當這些技術(shù)根據(jù)市場需求相互結(jié)合時，就會產(chǎn)生創(chuàng)新。本文和之前磨料篇的章節(jié)內(nèi)容，揭示了技術(shù)的組合和創(chuàng)新不僅僅局限于最新技術(shù)的融合，而是可以利用過去的舊技術(shù)和未充分利用的技術(shù)來創(chuàng)造出新的價值。

編譯整理 YUXI