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CMP漿體粒徑分析╃↟↟✘₪:SPOS與費朗霍夫

 釋出時間╃↟↟✘₪:2021-07-15 點選量╃↟↟✘₪:1167

CMP漿體粒徑分析╃↟↟✘₪:SPOS與費朗霍夫

 

    半導體行業正在朝著更小的線寬和更多的層的方向發展◕•╃▩•。邁向這種高密度晶片技術的重要的工藝考慮之一是對平面化步驟的更復雜的控制◕•╃▩•。拋光步驟受膠體分散金屬氧化物漿料(CMP✘•,化學機械平面化的簡稱)的影響✘•,主要是二氧化矽和氧化鋁✘•,平均直徑在10nm-200nm範圍◕•╃▩•。這些漿料被用於放置晶圓片的旋轉拋光墊上◕•╃▩•。在過去✘•,鐳射衍射常用來表徵這些漿料的粒度分佈◕•╃▩•。人們一直都知道✘•,這些漿料中含有的體積百分比小於1微米的顆粒◕•╃▩•。這些顆粒會在晶圓片表面造成劃傷和其他缺陷◕•╃▩•。本文將證明✘•,由於測量的性質✘•,鐳射衍射法不足以定量測定不合規格的漿料顆粒的濃度◕•╃▩•。另一方面✘•,單粒子光學粒度(SPOS)可對顆粒進行計數✘•,將被證明是表徵CMP漿料的一個很好的工具◕•╃▩•。

高密度積體電路製造中重要的工藝控制引數之一是拋光或平面化漿料的效能質量◕•╃▩•。在光刻或沉澱步驟後✘•,這些漿料用於產生二維表面◕•╃▩•。在拋光過程中✘•,CMP漿料是否誘發晶圓缺陷是非常重要的◕•╃▩•。人們早就知道✘•,缺陷是由大的不合規格的粒子引起的◕•╃▩•。其中一些異常值主要是漿料顆粒的聚集物✘•,而另一些則是在使用過程中引入的汙染物◕•╃▩•。首先考慮聚集方面✘•,我們必須認識到膠體系統在熱力學上是不穩定的◕•╃▩•。此外✘•,不當的混合或應用剪下所帶來的化學變化也會加速漿料的終分解◕•╃▩•。使問題更加複雜的是第二個方面✘•,CMP漿料在使用之前和使用過程中都要經過的處理◕•╃▩•。例如✘•,某些漿料由幾個部分組成(化學部分和研磨部分)✘•,需要混合◕•╃▩•。矽漿通常以濃縮的形式出售✘•,並在現場稀釋◕•╃▩•。在這些準備過程中✘•,可能會有汙染物進入漿料中◕•╃▩•。此外✘•,漿料通常儲存在大容器中✘•,拋光機從那裡提取材料◕•╃▩•。在某些情況下✘•,運輸箱被儲存在工廠其他地方✘•,需要泵將漿料輸送到很遠的距離(30-50英尺)◕•╃▩•。泵送作用(剪下作用)可能使漿料聚集◕•╃▩•。漿料可以在距離上分離或離析將其帶到拋光機✘•,改變材料的效能特性◕•╃▩•。在任何情況下✘•,在漿料製備過程中✘•,直到使用的地方✘•,都有足夠的機會引入雜質✘•,這可能會造成缺陷✘•,以及各種環境✘•,可能導致漿料變得不穩定和隨著時間的推移聚集◕•╃▩•。因此✘•,在平面化過程中的任何改進都需要對漿料拋光效能進行量化◕•╃▩•。方法應該是檢測引起粒子的大缺陷的存在◕•╃▩•。在這個任務中✘•,使用的顆粒大小測定技術似乎是明智的◕•╃▩•。一種常用的技術是鐳射衍射(LD)◕•╃▩•。鐳射衍射儀由於具有大的動態範圍和快速的測量時間而得到廣泛的應用◕•╃▩•。但是鐳射衍射裝置有嚴重的侷限性✘•,這是它們所基於的原理所固有的◕•╃▩•。原因是鐳射衍射是一種整合技術✘•,需要一個相對複雜的數學演算法來獲得粒徑分佈(PSD)的近似表示◕•╃▩•。從適當濃度的樣品中獲得的訊號是散射/衍射強度與角度的圖案◕•╃▩•。這種圖案是有許多粒子同時被鐳射光源照射而產生的✘•,他們各自的散射/衍射光在每個探測元件上混合在一起◕•╃▩•。產生的圖案散射/衍射光線在每個探測器元件上混合在一起◕•╃▩•。由此產生的散射/衍射光強度與角度的關係不再像一個簡單的值和小值的交替◕•╃▩•。整個檢測到的強度值(在時間上適當的平均)必須被一個適當的數學演算法擬合✘•,以便獲得一個合理的和可重現的潛在PSD估值◕•╃▩•。

雖然鐳射衍射被認為是一種單一的方法✘•,但事實上✘•,它是基於費朗霍夫和米氏散射這兩個理論的結合◕•╃▩•。前者依賴於由衍射現象明顯引起的散射光強的圖案◕•╃▩•。利用合適的探測器單元空間陣列✘•,在相對於前向鐳射束方向的一個相對較小的角度範圍內檢測衍射光強度◕•╃▩•。理論上✘•,在所有其他物理引數(如波長)固定的情況下✘•,衍射光強度的值和小值交替模式的角度範圍與球形粒子的直徑成反比◕•╃▩•。粒子越大✘•,圖案就越小◕•╃▩•。

然而✘•,當顆粒直徑小於約2微米時✘•,由於衍射現象而產生的週期性強度變化的空間格局不再存在◕•╃▩•。相反✘•,起作用的機制是光散射◕•╃▩•。因此✘•,為了獲得比這個費朗霍夫下限更小的粒子即使是中等可靠的尺寸資訊✘•,這幾乎包括了典型CMPS的整個總體分佈✘•,必須實施基於米氏散射理論的第二次測量◕•╃▩•。該理論描述了由於單個粒子內不同點散射的單個光波的相互干擾而在較大角度下散射強度的變化◕•╃▩•。這種效應導致散射強度與角度有關✘•,而散射強度與鐳射波長╃✘、粒子直徑和粒子折射率有關◕•╃▩•。

此外✘•,粒子吸收光的程度對散射強度隨角度的變化也有顯著影響◕•╃▩•。這個因素是由粒子折射率的陰影來解釋的◕•╃▩•。因此✘•,使用者必須準備好提供漿料顆粒折射率的實分量和虛分量◕•╃▩•。✘•,為了有效✘•,光散射儀器必須成功的將費朗霍夫和米氏散射理論分析的結果結合起來✘•,以便為PDS產生準備可靠的結果✘•,這些結果既包括物理區域✘•,也包括理論◕•╃▩•。對於基於這兩種物理原理的儀器來說✘•,要將兩種不同的物理現象的結果正確的結合在一起✘•,是一項困難的技術挑戰✘•,而且很大程度上✘•,尚未解決◕•╃▩•。

當然✘•,如果樣品的PSD相對簡單且表現良好✘•,鐳射衍射可以相對有效地為CMP sully產生可靠的平均粒徑◕•╃▩•。對於穩定的拋光液✘•,通常滿足這一標準◕•╃▩•。(儘管我們將在下面的例子中看到這種假設嚴重失敗◕•╃▩•。)然而✘•,在不穩定的情況下✘•,PSD往往不再是可靠的分析✘•,透過光散射方法◕•╃▩•。

相比之下✘•,SPOS是一種基於光阻的單粒子計數器◕•╃▩•。透過計數粒子✘•,SPOS提供的解析度和靈敏度的尺寸範圍✘•,大多數缺陷引起的粒子被發現(見應用說明156)◕•╃▩•。由於SPOS中的PSD是一次檢測一個粒子✘•,因此它基本上不會受到類似鐳射衍射中獲得的PSD所表現出的不穩定和假象的影響◕•╃▩•。SPOS允許人們獲得關於漿料顆粒區域的和可重複的定量資訊◕•╃▩•。這是對漿料效能重要的區域◕•╃▩•。讓我們透過一些有代表性的資料來對比這兩種技術◕•╃▩•。圖1a包含了SPOS在兩種氧化鈰行漿料上得到的總體分析◕•╃▩•。這些漿料在穩定性方面是有問題的✘•,而且往往有的大顆粒◕•╃▩•。據觀察✘•,漿料1是一種效能良好的漿料✘•,而漿料2被為平均直徑350nm◕•╃▩•。這些分佈從1μm開始◕•╃▩•。正如預期的那樣✘•,PSD類似於平滑衰減的尾巴◕•╃▩•。漿料2的尾部明顯比穩定漿料的尾部寬◕•╃▩•。1.這與漿料更傾向於沉澱有關◕•╃▩•。圖1b包含了這些相同的體積加權分佈◕•╃▩•。2.明顯比更穩定的漿料的尾部更寬◕•╃▩•。這與更大的漿料傾向有關✘•,他們更清楚地強調了兩個樣本之間的差異◕•╃▩•。

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對於漿料2✘•,大於2微米的顆粒貢獻了相對較多的固體體積◕•╃▩•。此外✘•,我們還可以從SPOS資料中計算出尾部粒子所貢獻體積的百分比◕•╃▩•。經測定✘•,對於漿料1✘•,大於1μm的顆粒佔0.25%✘•,而漿料20.68%◕•╃▩•。這個資料再次支援了漿體2明顯聚集的觀察結果◕•╃▩•。需要注意的是✘•,雖然每個樣品尾部的物理總量較小✘•,但對比漿料效能的影響是顯著的◕•╃▩•。

2包含了在相同的兩種氧化鈰漿料上透過鐳射衍射得到的體積加權PSD◕•╃▩•。回想下✘•,使用這種儀器的人必須輸入實際折射率和虛折射率◕•╃▩•。一般來說✘•,大多數材料的真實折射率是已知的✘•,但虛折射率不是◕•╃▩•。圖2a是實際折射率為1.65✘•,需折射率為0.01i的計算結果✘•,圖2b是虛折射率為0.10i的計算結果◕•╃▩•。兩組資料都是根據相同的散射光模式計算出來的◕•╃▩•。可以看出✘•,在每次計算中✘•,資料表明漿料2比漿料1的分佈更廣✘•,顆粒更大✘•,正如預期的那樣◕•╃▩•。但這些資料仍然說明了從鐳射衍射中獲得定量資訊的困難◕•╃▩•。首先✘•,虛折射率的選擇使漿料1的平均直徑發生了10%的偏移✘•,大大改變了漿料2的分佈形狀✘•,其次✘•,漿料2的結果表明✘•,固體體積的大部分(>70%)是由大於1μm的顆粒貢獻的◕•╃▩•。這是不可能的✘•,它與重量分析的結果以及SPOS的結果相沖突✘•,後者確定了漿料中大於1μm的顆粒的固體百分比小於1%◕•╃▩•。這個資料證明了上面的觀點✘•,

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下一個圖包含的資料說明了鐳射衍射的另一個問題✘•,它產生的偽影不能代表真正的顆粒大小◕•╃▩•。圖3顯示了超聲處理後漿料1的體積加權PSD◕•╃▩•。回想一下✘•,未超聲樣品的PSD(圖2)由一個寬度相對較窄的單峰組成◕•╃▩•。在用浸入式聲波探頭進行20miao的聲波處理後✘•,平均值移得更高✘•,第二個峰值出現在35μm處✘•,其中包含50%固體體積◕•╃▩•。單獨來看✘•,這一資料表明聲波作用導致漿料聚集◕•╃▩•。這與預期的行為相反◕•╃▩•。預計聲波作用可以破壞弱結合的團聚體◕•╃▩•。

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4a包含看SPOS從同一樣本得到的數字加權PSD◕•╃▩•。同樣✘•,只有尾巴被觀察到✘•,沒有第二個峰在36μm的跡象被看到◕•╃▩•。比較大於1μm0.23%)的顆粒在尾部的固體百分比✘•,表明與未超聲處理的樣品沒有變化(0.25%)◕•╃▩•。圖4b為超聲處理後漿料2的容積加權SPOS資料◕•╃▩•。它與圖1中的未聲波處理的資料疊加在一起◕•╃▩•。很明顯✘•,SPOS的結果在物理上更加真實◕•╃▩•。我們只能得出這樣的結論╃↟↟✘₪:圖3中的PSD是由散射光模式的反演產生的數學偽影造成的◕•╃▩•。這再次證明了使用鐳射衍射來預測漿料效能的危害◕•╃▩•。

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作為進一步的粒子✘•,考慮圖5中的資料◕•╃▩•。這一資料是由矽基CMP獲得的✘•,它比鈰氧化物漿料更常用◕•╃▩•。圖5a包含了兩種矽漿的SPOS尾資料(體積加權)✘•,從0.5微米開始◕•╃▩•。圖5a包含了兩種矽漿的SPOS尾資料(體積加權)✘•,從0.5微米開始◕•╃▩•。這些漿料的平均直徑被認為在0.100.15微米範圍內◕•╃▩•。可見✘•,漿體A2-20微米範圍內的顆粒對體積的貢獻顯著✘•,而漿體B沒有大於5微米的顆粒◕•╃▩•。圖5b包含了漿料a鐳射衍射得到的體積加權PSDID=1.08+0.10I,漿料BPSD相同◕•╃▩•。可以看出✘•,它由一箇中心為0.15μm的單一對稱峰組成✘•,但沒有大於1微米的粒子◕•╃▩•。這是一個合理的光散射結果✘•,表明當樣品PSD較窄時✘•,鐳射衍射可以獲得有用的平均直徑資訊◕•╃▩•。但是✘•,另一方面✘•,這個圖再次說明了鐳射衍射靈敏度的缺乏◕•╃▩•。而SPOS可以看出這兩種矽漿的差異✘•,鐳射衍射則不能◕•╃▩•。

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希望這些資料以及前面討論的資料說明了量化大的差異粒子的重要性✘•,當這些異常粒子出現在CMP漿料中時✘•,可能會導致缺陷和晶片良率降低◕•╃▩•。在處理器價格下跌的時候✘•,即使是少量的產量也可以獲得顯著的經濟回報◕•╃▩•。能做到這點的技術是SPOS◕•╃▩•。


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