05
IC FABRICATION FLOWChemical Mechanical Planarization
STEP 05 OF 09 — SURFACE PLANARIZATION
CMP
Planarization
Chemical Mechanical Planarization — กระบวนการขัดผิว wafer ให้เรียบระดับ Angstrom ด้วยการผสมกลไกเคมีและกลไก เป็นกุญแจสำคัญของ Multi-level Metallization
01 CMP คืออะไร และทำไมถึงสำคัญ
Chemical Mechanical Planarization (CMP) คือกระบวนการขัดผิว wafer ให้เรียบ (planar) โดยใช้ทั้ง แรงกดทางกลและปฏิกิริยาเคมีจาก slurry ร่วมกัน ทำให้ได้ผิวที่เรียบในระดับ <1 Å RMS roughness
ทำไม CMP ถึงจำเป็น?
IC สมัยใหม่มี Metal Layer 15+ ชั้น — ถ้าผิวไม่เรียบ depth-of-focus ของ lithography จะพลาด, resistance เพิ่ม และเกิด short circuit ระหว่างชั้นได้ CMP จึงใช้หลังทุก deposition layer สำคัญ
CMP ถูกพัฒนาโดย IBM ในยุค 1980s และกลายเป็น enabling technology สำหรับ Damascene Process (Cu Interconnect) ที่ใช้ใน IC ทุกชิ้นในปัจจุบัน
STI CMP
Shallow Trench Isolation
ขัด SiO₂ ให้เหลือแค่ใน trench หยุดที่ Si₃N₄ stop layer
ILD CMP
Inter-Layer Dielectric
ทำให้ oxide layer เรียบก่อนเจาะ via contact
Cu CMP
Copper Damascene
ขัด Cu ส่วนเกินออก เหลือแต่ Cu ใน trench/via
W CMP
Tungsten Plug
ขัด W contact plug ให้เสมอกับ ILD
📍 CAREER ROADMAP CONTEXT
STAGE 05 — CMP & METROLOGY: Planarization & Inline Measurement
CMP (oxide, metal, STI planarization) — slurry chemistry, dishing, erosion; metrology: AFM, SEM cross-section, TEM, XRD, ellipsometry, CD-SEM; SPC control charts; defect inspection (KLA brightfield/darkfield)
Equipment: Applied Materials Reflexion CMP, KLA-Tencor inspection, FEI TEM
Path: Process / Fab Engineer
CMP (oxide, metal, STI planarization) — slurry chemistry, dishing, erosion; metrology: AFM, SEM cross-section, TEM, XRD, ellipsometry, CD-SEM; SPC control charts; defect inspection (KLA brightfield/darkfield)
Equipment: Applied Materials Reflexion CMP, KLA-Tencor inspection, FEI TEM
Path: Process / Fab Engineer
02 กลไกการทำงานของ CMP
CMP ใช้สองกลไกพร้อมกัน: Chemical action (slurry สร้าง soft layer) + Mechanical action (pad + abrasive ขัดออก)
PRESTON'S EQUATION
RR = Kp × P × v
RR = Removal Rate | K_p = Preston constant | P = Pressure | v = Relative velocity (pad–wafer)
- Slurry pH: ควบคุม chemical etch rate — SiO₂ CMP ใช้ alkaline (pH 10–11), Cu CMP ใช้ acidic (pH 3–5) + BTA inhibitor
- Down Force: 1–5 psi ทั่วไป — สูงขึ้น RR เพิ่มแต่ risk scratch มากขึ้น
- Pad Rotation: 50–100 RPM — สม่ำเสมอช่วย uniformity
- Pad Conditioning: Diamond dresser ขัด pad ให้คงสภาพ porous structure ระหว่าง run
03 การใช้งาน CMP ใน IC Flow
1
STI CMP — Shallow Trench Isolation
หลัง etch trench + deposit TEOS/HDP SiO₂ → CMP ขัดจนถึง Si₃N₄ stop layer → isolation สมบูรณ์ ป้องกัน leakage ระหว่าง transistor
2
PMD/ILD CMP — Pre-Metal Dielectric
หลัง deposit BPSG/HDP SiO₂ ปิดทับ transistor → CMP ให้เรียบก่อนเจาะ W contact plug (ถ้าผิวขรุขระ CD ของ via จะผิด)
3
Cu Damascene CMP
ขั้นตอนที่ยากที่สุด: ขัด Cu ส่วนเกินออก หยุดที่ barrier (TaN/Ta) → ขัด barrier → ใช้ slurry สองชนิดต่อกัน ควบคุม dishing และ erosion
4
Low-k Dielectric CMP
Low-k materials (SiCOH, porous oxide) อ่อนกว่า SiO₂ มาก → ต้องลด pressure, ใช้ soft pad, slurry ที่ aggressive น้อยลง
Cu Dishing & Erosion
Cu อ่อนกว่า barrier → บริเวณ Cu wide line จะเป็น dishing (โค้งลง) และบริเวณ dense pattern จะเป็น erosion (ผิวต่ำลงทั้งแถบ) — แก้ด้วย dummy fill pattern และ slurry selectivity control
04 Slurry, Pad และ Equipment
| CMP Type | Abrasive | pH | Selectivity | Key Additive |
|---|---|---|---|---|
| SiO₂ CMP | Fumed/Colloidal SiO₂ | 10–11 | SiO₂:Si₃N₄ = 30:1 | KOH, NH₄OH |
| Cu CMP (bulk) | Al₂O₃ | 3–5 | Cu:barrier = 50:1 | H₂O₂, BTA inhibitor |
| Cu CMP (barrier) | Colloidal SiO₂ | 7–9 | barrier:Cu ≈ 1:1 | — |
| W CMP | Al₂O₃ | 2–4 | W:SiO₂ = 5:1 | H₂O₂, Fe catalyst |
| STI (Si₃N₄ stop) | CeO₂ | 6–8 | SiO₂:Si₃N₄ >100:1 | anionic surfactant |
Hard Pad
IC1000 (Polyurethane)
Global planarization ดี แต่ micro-scratch สูง ใช้กับ oxide CMP
Soft Pad
Suba / Politex
Scratch น้อย local conformance ดี ใช้กับ Cu และ Low-k
Fixed Abrasive
3M Pad
Abrasive ฝังใน pad ลด scratch, ควบคุม rate ด้วย chemistry อย่างเดียว
EBARA / AMAT
CMP Equipment
Applied Materials Reflexion, EBARA EPA — wafer carrier + platen + conditioner + cleaner in-situ
05 Defects, Endpoint Detection & Control
Endpoint Detection (EPD)
วิธีหลัก: Motor Current (friction เปลี่ยนเมื่อถึง stop layer), Optical Interferometry (ดู film thickness real-time), Eddy Current (สำหรับ Cu — measure conductivity)
| Defect Type | สาเหตุ | ผลกระทบ | วิธีแก้ |
|---|---|---|---|
| Micro-scratch | Abrasive size ใหญ่ หรือ agglomerate | Gate oxide damage, leakage | Filtration, soft pad, ลด pressure |
| Dishing | Over-polish บริเวณ Cu wide line | RC ต่ำลง, ความสูงต่างกัน | Slurry selectivity, EPD |
| Erosion | Dense pattern ถูกขัดเกิน | ผิวต่ำกว่า sparse pattern | Dummy fill, pattern density control |
| Residue | Slurry particle ตกค้าง | Short circuit, contamination | Post-CMP clean (PCC) ด้วย DHF+SC-1 |
| Non-Uniformity (NU) | Pressure ไม่สม่ำเสมอ, pad worn | Device ต่างกันใน die | Multi-zone carrier, pad conditioning |
WITHIN-WAFER NON-UNIFORMITY (WIWNU)
WIWNU = σ(RR) / mean(RR) × 100%
เป้าหมาย WIWNU <2% สำหรับ advanced node — วัดด้วย 49-point thickness map