300mm半导体晶圆代工厂Slurry供应系统设计中的品质控管
300mm半导体晶圆代工厂Slurry供应系统设计中的品质控管
朱江宁
江苏大学
摘要：随着中国半导体业的发展，300 mm晶圆代工厂(Foundry)在中国纷纷出现，300mm的晶圆代工厂也在蓬勃发展之中。为了使有关人员对这种工厂的厂务Slurry化学研磨液系统有所了解，特撰写本文。本文介绍了300 mm晶圆代工厂厂务Slurry系统的定义和分类，基本构成，安全设计和品质监控的要点，以及为了使整个供应系统更加稳定而对于时下流行系统所做的改善，力图使读者对厂务Slurry供应系统的品质控管有一个整体的了解，并对Slurry供应系统的结晶物问题的解决有所帮助。
关键词：Slurry化学研磨液供应系统 制程相关系统 供应机台 VMB阀箱 CMP化学机械研磨 研磨浆料
Study on the Slurry Delivery System in a 300 mm Semiconductor Foundry and Solve the Crystal problem initially
Xu ming and Huang Qi-yu
School of Microelectronics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 200030 China
Abstract: To satisfy the quick developing demand of 200mm and 300mm foundry in china., this paper introduces the classification and basic components of the Facility Slurry Delivery System (SDS) in a 300mm semiconductor foundry. Additional points on safety design and quality control(Crystal) were analyzed. The authors also proposed improvement suggestions to some common problems in a SDS.
Keywords: SDS process related system CMP VMB Slurry
引言
进入2008年，随着中国半导体行业的继续发展，晶圆代工业呈现出一片繁荣之势。据资料显示，截至2008年2月，国内已建的12英寸线3条，正在建设的2条，拟建的4条；已建的8英寸线16条，在建的7条，拟建的2条。300mm生产线由原先单一Memory产品支撑，随着SMIC上海Fab8投产、Inter Fab68开建，将转由Memory与CMOS两条产品线共同驱动。同时，在建项目的投资主体在集中，而投资区域继续分散。[1]同时，从技术角度来看，0.13-0.11μm技术已进入量产阶段。随着晶圆面积的不断增大（从200mm-450mm），集成电路的单位成本与价格不断降低，但投资成本却持续增高，由此导致生产线上出现的任何问题都有可能造成极大的损失。另外，由于制程的不断发展，线宽越来越窄（从0.50-0.045μm），工艺的要求也越来越高，这些因素都对厂务各系统的持续无故障运行能力以及所提供的制程相关原料品质提出了更高的要求。
厂务的气体、化学（包括研磨浆料Slurry系统）和纯水系统为整条生产线提供气体（特气和大宗气体）、化学品和纯水，它们与晶圆表面直接接触，所以这些系统被称为制程相关系统。制程相关系统的稳定与否直接关系生产线制造是否正常。本文将重点介绍300mm厂务Slurry供应系统的分类、架构、品质保证与监控、安全设计，并且结合工作中出现的尤其是结晶问题进行了设计上的探讨。
目的与意义
本论文通过对Slurry供应系统设计的探讨，具体解决其中出现的种种关于品质控管（包括结晶物）的问题。将使得厂务Slurry供应系统的运行更加稳定，使其日常操作更加规范与方便，大大地提高该系统所供应的Slurry溶液的品质。
CMP及Slurry供应系统概述
3．1 CMP概述
20世纪80年代后期，IBM开发了CMP(chemical mechanical planarization, 化学机械平坦化)的全局平坦化方法。它成为20世纪90年代高密度半导体制造中平坦化的标准。没有CMP，进行甚大规模集成电路(ULSI)晶圆生产就不可能。对于双层大马士革结构的铜布线，CMP是实现多层集成的关键工艺。[2]与传统的平坦化技术（反刻，玻璃回流，旋涂膜层等等）相比，化学机械平坦化(CMP)有着无法比拟的优势，它能精确并均匀地把硅片抛光为需要的厚度和平坦度，以便进行下一道工艺。
3．2 Slurry供应系统概述
在厂务化学系统中，与CMP制程关系最为密切的即是Slurry化学研磨液供应系统。所谓化学研磨液，是由微小颗粒物如二氧化硅或氧化铁（或其它物质）等悬浮在液体中形成的悬浮液。Slurry供应系统，是指无间断地（24小时/天，365天/年）为CMP提供制程所需要的化学研磨液的系统。鉴于CMP的机台一般没有配备缓冲容器(buffer tank)，一旦厂务Slurry供应系统出现异常，将造成CMP制程极为严重的损失。厂务Slurry系统所供应的化学研磨液需要达到如下要求：
a. 保证提供的Slurry品质（pH值和比重）。
b. 稳定的流速与压力，保证CMP每一台设备的正常使用。
c. Slurry在输送过程中不能产生任何不可预计的结晶物，以免对晶圆本身造成损伤（刮伤，Scrach，如图1所示）。
图1，典型的Scrach形态
厂务Slurry供应系统通常与一般的化学供应系统有所不同。为了满足CMP使用的要求，其系统设计要考虑诸如pH值、比重以及结晶问题。
Slurry供应系统应基本满足两大要求：第一，供应系统不应对输送的Slurry产生污染（包括结晶的产生）；第二，要配合生产线做无间断供应。从组成上说，Slurry供应系统主要是由主系统部分，管路供应部分系统和监控部分构成。主系统和管路供应部分的示意图如下（图2）：
图2 Slurry主系统和管路供应部分示意图
Slurry供应系统的品质保证与监控
4．1 Slurry供应系统的品质保证
与一般的集成电路化学品供应系统所供应的化学品有所不同，除了有很高的纯度要求之外，Slurry供应系统还有其特殊的要求。金属离子浓度一般控制在十亿分之一的数量级，还有浓度、水份、颗粒等其它指标。Slurry供应系统品质控制的标准是系统不应对所供应的Slurry造成污染。Slurry供应系统通常会安装在线的pH计、比重计、H2O2浓度计等仪器，以监控所供应的Slurry品质。另外，品质控管部门在其中也有着举足轻重的作用。他们定期从生产线或厂务系统取样进行分析。当分析项目超出控制指标时，就会启动相关程序查找超标的原因，有些可能是原料的问题，还有可能是Slurry供应系统的问题。但亦不排除样品受到污染，故可重复取样以分析。下表是厂务供应的Slurry溶液的一些性质指标与系统要求：
表1 厂务Slurry溶液的性质指标与系统要求
Slurry供应系统中，为了实现Slurry的无污染输送，对于一切和Slurry接触的部件材质都提出了极高的要求，例如输送管路通常使用PFA。PFA是一种氟塑料，它的杂质析出量极少且可以很方便的通过焊接或扩管实现连接。其余与化学品接触的配件，如阀的膜片，桶槽的膜片，泵的腔体等，也会使用PVDF(Polyvinylidene fluoride，聚偏二氟乙烯)， PTFE(Poly tetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)等新型材料。下表是部分全氟聚合物的性质。
表2 部分全氟聚合物性质[3]
针对Slurry易于结晶的问题，在Slurry供应系统中，应设计一套专用的过滤系统(Filter System)，将那些大型的容易对芯片产生危害的颗粒物尽量去处，以减少对CMP制程的危害，尽管CMP制程设备处都会安装过滤孔径更小的过滤器。过滤系统一般安装于Slurry进入主输送管路之前，以过滤掉所有超过标准的Slurry颗粒物，避免对芯片产生不可预计的影响。过滤器的品质对于Slurry来说具有举足轻重的影响。
对于厂务Slurry供应系统，精准的pH值、比重和H2O2浓度控制是必须的。如何是所供应的Slurry符合标准与要求，每一种系统的设计都有自己的理念。由于Slurry溶液是一种悬浮液，其微小的颗粒藉电性排斥的作用而悬浮于水中。若pH值发生剧烈变化，微小颗粒外部的电性被中和，必然会很快地凝聚在一起，形成大的颗粒物（结晶）。对于混和系统的配比，无论是利用体积比还是重量比，均各有优劣。但由于Slurry溶液的易于结晶的特殊性，利用体积比混合时监控仪器容易被干扰，所以使用重量比进行混合更为适合。在彻底混和均匀之后，必须进行在线监测，以使供应的化学研磨液能符合CMP使用的标准。
4．2 Slurry供应系统的品质监控
一般来说，品质监控分为两种：一种是在线监控，另一种是离线监控。鉴于Slurry供应系统必须二十四小时不间断供应的特点，在线监控就显得非常重要。可以设计成每隔一定的时间进行取样分析，分析结果输入至PLC进行判断，以自动确定系统是否正常运行。在CMP机台中，对于Slurry化学研磨液的特性指标都有非常严格的监控。作为厂务Slurry供应系统，同样也有一套完善的在线与离线方式相结合的品质监控模式。
如上所述，pH值对于Slurry溶液的性质控制起着重要的作用。若pH值发生剧烈的变化，Slurry溶液中的颗粒物将很快凝聚在一起，形成大的颗粒物。这种情况，无论是对于CMP制程，还是对于厂务Slurry供应系统来说，都是不希望看到的。颗粒物不但会对晶圆造成刮伤，更会对Slurry供应系统的某些部件（如阀门中的膜片）产生不可预料的影响。
比重（Density）反映了Slurry溶液中的颗粒物含量。对于CMP制程，超乎寻常的颗粒物将会带来损伤，但倘若研磨的颗粒物不足，则会造成研磨不够，亦会对晶圆产生影响。所以一般都会根据制程需要给Slurry溶液的比重设定一个合适的范围，一旦超出此范围，系统将产生报警（Alarm）。
在线的H2O2浓度计主要安装在W Slurry供应系统中。众所周知，钨塞在0.13制程以上的互连中应用非常广泛。W Slurry主要应用于W 的CMP研磨中，为了达到良好的效果，对于其中H2O2含量的精确控制非常重要。
根据Slurry供应系统的设计原则，一般并不安装在线的颗粒计数器，以避免产生结晶，通过在厂务系统中安装Slurry专用过滤器，可以保证系统供应的Slurry研磨液的品质，当然也可以通过定期的取样分析来监控整个系统的Slurry品质。但根据某些特殊的需要，也可以安装在线的颗粒计数器。一般建议将颗粒计数器安装在支管上，而不是主管(main piping)。
作为厂务Slurry供应系统，出口压力（Outlet Pressure）的监控非常重要。由于CMP制程设备通常没有缓冲容器，一旦压力发生波动，将导致所有涉及到的设备全部停机。
同时，Slurry供应系统中的过滤器必须定期更换，更换频率视Slurry流量而定。在一般的8英寸或12英寸厂中，基本采用一周更换一次的频率。下表（表3）画出了某品牌过滤器各型号的过滤曲线。
图3 各种型号过滤器的过滤曲线
在每一个混酸槽（Dilution Tank）和供应槽（Day Tank）处，都可以设计一个取样口，以便随时监控桶槽内Slurry溶液的质量。至于原液，一般不设计取样口，由原液供应商来保证原液的质量。所以原液供应商的选择将是非常重要的，一旦有所闪失，整个晶圆代工厂将遭受不可预料的损失。
对晶圆代工厂Slurry供应系统设计的探讨
5．1 Slurry供应系统的安全设计
根据MSDS(Meterial Safety Data Sheet，物质安全资料表)，Slurry是分散于去离子水中的二氧化硅悬浮液，因此这些物质不太可能产生气相成份而漫延扩散。然而当它受到摩擦或干扰时，可能会产生粉尘,接触到皮肤与眼睛后可能会有刺激性反应，同时对于环境亦有影响。
Slurry具有较强的酸性或者碱性，若操作不当，会对操作人员的人身安全产生威胁。有些代工厂的Slurry供应系统安装在无尘室中，一旦发生大量泄漏，会污染无尘室环境。
通常可采取如下措施：
a. 在供应机台(Unit)，阀箱（VMB）和桶槽（Tank）底部安装泄漏侦测器(Leak Sensor)。
b. 主管路采用双套管管路设计，内管为PFA材质，外管为透明的CPVC材质。Slurry在内管中输送，如果内管发生破裂泄漏，管内的Slurry就会顺着内外管之间的空隙流到阀箱或供应柜，然后由安装在该处的泄漏侦测器引发警报。
c. 在桶槽顶部安装安全阀， 氮气进气口安装泄压阀，当桶槽内压力过大时，系统将会自动泄压，以避免爆炸的危险性。
d. 在系统周围设置围栏，并设置简易的测漏系统（例如测漏线）。
通过采用这些措施，可以尽快地发现问题并及时解决，最大限度地保证人身安全。
5．2 Slurry供应系统防止结晶物产生的特殊设计
一般而言，为了减少结晶物的产生，Slurry供应系统的设计通常会遵循如下原则：
a. 离CMP制程越近越好。由此避免由于输送管路过长而产生的结晶物。所以在建厂设计中，厂务Slurry供应系统通常处于CMP区域之下。这样可以使整条输送管路达到最短的距离，使用最少的弯头和接头，也最大限度地减少了输送中的结晶现象，既降低了生产风险，同时也降低了费用。
b. 循环管路，可参考图2。这样的设计可以避免Slurry在管路中静止而产生的结晶物。
c. 接头、弯头、阀门、元件（如在线监控仪器）越少越好，同时在设计中应尽量避免产生死角。
由于Slurry溶液中不可避免的会有一些大的结晶体，某些阀门的膜片会被刮伤而产生漏液现象。因此，需要选用厂商推荐的Slurry供应系统专用阀门，并且定期对某些开关频繁且位置重要的阀门（如系统的出口阀、泵的出口阀、桶槽的泄压阀等等）进行更换。
对于输送的泵同样如此。由于Slurry溶液易于结晶的特殊性，在一些隔膜泵（Bellow Pump）的隔膜的褶皱处会形成大量的颗粒物，既影响了Slurry溶液的品质，也会造成泵腔体的损坏。因此，在0.13制程以下的Cu Slurry中，通常不建议使用隔膜泵，可以采用磁力泵等。同时，泵缓冲器（Damper）的选择也尤其重要。缓冲器常常由于被堵塞漏气而失去缓冲的效果。液体在输送过程中对管路的不断冲击将缩短一些部件（如阀门、接头等）的使用寿命。因此，找到优秀的厂商并使用他们所推荐的Slurry供应系统专用泵是一个明智的选择。
另外，氮气作为密闭气体和制程气体，通常会与Slurry溶液表面接触（Slurry应绝对避免与空气接触）。根据气液传导的基本原理，在接触的过程中，Slurry溶液中的水分会扩散到氮气中。因为制程的需求，厂务系统所供应的氮气含水量应小于1ppb。所以如果使用绝对干燥的氮气，将使Slurry溶液表面产生一层结晶物。因此，在氮气与Slurry溶液接触之前，应使用加湿器提高起含水量（通常应达到90%以上），然后才和Slurry溶液接触，以避免结晶物的产生。
最后，如在线仪器的监控、VMB阀箱的设计、Filter定期更换的频率、定期的KOH Flush等都会对该系统的性能产生一定的影响。
6．总结
在最新代的主流生产技术中，300 mm晶圆已采用130nm，90nm及65nm技术，并且由于更集成的先进技术，与8英寸芯片相比，生产成本至少降低了30%[4]。因此，发展300 mm乃至450mm晶圆是未来的一种趋势。在300 mm厂的资本密集度和生产规模下，Slurry研磨液中央供应系统的任何问题都会造成无法估量的损失，Slurry研磨液供应系统的设计应该吸取以往的经验，使用新技术和新材料，不断提高Slurry研磨液供应系统的稳定性和可靠性。同时，应从设计开始，就注重于品质的控管和减少结晶物的产生，以保证CMP制程的正常使用。
参考文献：
[1] 中国晶圆厂一览China Fab Update，半导体国际，特刊2，2008(03)，插页
[2] Michael Quirk and Julian Serda, “Semiconductor Manufacturing Technology”,半导体制造技术，韩郑生 等译，电子工业出版社2004年8月第一版，p.477。
[3] Furon Corporation Presentation material
[4] The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2005 Edition, (San Jose: Semiconductor Industry Association, 2001), Environmental, Safety and Health and Factory Integration sections[J].
[5] www.DuPont.com.cn
[6] www.Daikin.com
[7] Cobat Corporation, http://w1.cabot-corp.com/index.jsp
作者简介：
朱江宁，江苏大学，中芯国际SMIC工程师，研究方向：晶圆代工厂的厂务制程相关系统。
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