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[导读]CMP 设备是半导体制造的关键工艺装备之一。CMP 是集成电路制造大生产上产出效率最高、技术最成熟、应用最广泛的纳米级全局平坦化表面制造设备,并且在较长时间内不存在技术迭代周期。而且随着芯片制造技术发展,CMP 工艺在集成电路生产流程中的应用次数逐步增加,将进一步增加 CMP 设备的需求。根据 SEMI,2018 年全球 CMP设备的市场规模 18.42 亿美元,约占晶圆制造设备 4%的市场份额,其中中国大陆 CMP 设备市场规模 4.59 亿美元。另外,CMP 设备是使用耗材较多、核心部件有定期维保更新需求的制造设备之一;除了用于晶圆制造,CMP 还是晶圆再生工艺的核心设备之一,CMP 设备厂商有望向上游耗材、下游服务领域延伸。

CMP 设备是半导体制造的关键工艺装备之一。CMP 是集成电路制造大生产上产出效率最高、技术最成熟、应用最广泛的纳米级全局平坦化表面制造设备,并且在较长时间内不存在技术迭代周期。而且随着芯片制造技术发展,CMP 工艺在集成电路生产流程中的应用次数逐步增加,将进一步增加 CMP 设备的需求。根据 SEMI,2018 年全球 CMP设备的市场规模 18.42 亿美元,约占晶圆制造设备 4%的市场份额,其中中国大陆 CMP 设备市场规模 4.59 亿美元。另外,CMP 设备是使用耗材较多、核心部件有定期维保更新需求的制造设备之一;除了用于晶圆制造,CMP 还是晶圆再生工艺的核心设备之一,CMP 设备厂商有望向上游耗材、下游服务领域延伸。

CMP:“小而美”的半导体关键工艺装备

CMP 设备是半导体制造的关键工艺装备之一

CMP(Chemical Mechanical Polishing,化学机械抛光)是半导体制造过程中实现晶圆全局均匀平坦化的关键工艺。晶圆制造过程主要包括7个相互独立的工艺流程:光刻、刻蚀、薄膜生长、扩散、离子注入、化学机械抛光、金属化。作为晶圆制造的关键制程工艺之一,化学机械抛光指的是,通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用,实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化。

由于目前集成电路元件普遍采用多层立体布线,集成电路制造的前道工艺环节需要进行多层循环。在此过程中,需要通过CMP工艺实现晶圆表面的平坦化。简单的理解,如果把芯片制造过程比作建造高层楼房,每搭建一层楼都需要让楼层足够平坦齐整,才能在其上方继续搭建另一层,否则楼面就会高低不平,影响整体性能和可靠性。而CMP就是能有效令集成电路的“楼层”达到纳米级全局平整的一种关键工艺技术。集成电路制造是CMP设备应用的最主要的场景,重复使用在薄膜沉积后、光刻环节之前;除了集成电路制造,CMP设备还可以用于硅片制造环节与先进封装领域。

当前CMP已经广泛应用于集成电路制造中对各种材料的高精度抛光。按照被抛光的材料类型,具体可以划分为三大类:(1)衬底:主要是硅材料。(2)金属:包括Al/Cu金属互联层,Ta/Ti/TiN/TiNxCy等扩散阻挡层、粘附层。(3)介质:包括SiO2/BPSG/PSG等ILD(层间介质),SI3N4/SiOxNy等钝化层、阻挡层。其中,在90~65nm节点,浅槽隔离(STI)、绝缘膜、铜互连层是CMP的主要研磨对象;进入28nm后,逻辑器件的晶体管中引入高k金属栅结构(HKMG),因而同时引入了两个关键的平坦化应用,包括虚拟栅开口CMP工艺和替代金属栅CMP工艺。

STI-CMP:浅槽隔离(STI)氧化硅抛光。在硅晶片上以反应性蚀刻形成沟槽后,以化学气相沉积的方式沉积二氧化硅膜再将未被埋入凹沟内的二氧化硅膜以CMP去除。这样就可以用二氧化硅膜作为元器件间的隔离,再用抛光速度相对缓慢的膜(例如氮化硅膜)来作为CMP的研磨停止层(Stoplayer)。

ILD-CMP/IMD-CMP:ILD-CMP指的是层间介质(ILD)抛光,IMD-CMP指的是金属内介电层(IMD)抛光,主要抛光对象是二氧化硅介质。作为芯片组件隔离介质,集成电路制造工艺中最常被使用的介电层是相容性最佳的二氧化硅介质。二氧化硅膜的CMP大多应用在层间绝缘膜及组件间的隔离(Isolation)平坦化工艺中。

ILD-CMP(层间绝缘膜平坦化)将导线或组件上的层间绝缘膜平坦化,以便完成接下来的多层互连线工艺,是完成多层互连结构的基础,为大规模集成电路工艺中不可缺少的步骤。IMD-CMP(元器件间隔离膜平坦化)目的在于形成平坦的氧化硅膜(组件与组件间的绝缘隔离层)。在层间绝缘膜的平坦化方面CMP对象还有等离子体增强化学气相沉积(PECvD)膜、硼磷硅玻璃膜(BPSG)及热氧化膜(Thermalox记e)等。

Cu-CMP:随着集成电路层数的不断增加,在铜布线工艺中新的层间导线连接方式“接触窗”得到广泛应用,这种工艺方法也称为“大马士革工艺”(Damascene)。大马士革工艺,首先在两层电路间的绝缘膜上进行刻蚀,使之形成凹槽(接触窗),再进行连接金属导线膜的沉积,最后以CMP方式去除金属膜。在双大马士革中,Cu-CMP用来抛光通孔和双大马士革结构中细铜线,双大马士革工艺过程中用介质作为停止层。

抛光技术与清洗、工艺控制技术并重

CMP的作业原理:抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上,借助抛光液腐蚀、微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化。抛光盘带动抛光垫旋转,通过先进的终点检测系统对不同材质和厚度的磨蹭实现3~10nm分辨率的实时厚度测量防止过抛,更为关键的技术在于可全局分区施压的抛光头,其在限定的空间内对晶圆全局的多个环状区域实现超精密可控单向加压,从而可以响应抛光盘测量的膜厚数据调节压力控制晶圆抛光形貌,使晶圆抛光后表面达到超高平整度(例如全局平整度要求是10nm,则相当于面积约440000平方米的天安门广场上任意量带你的高低差不超过0.03毫米),且表面粗糙度小于0.5nm,相当于头发丝的十万分之一;此外制程线宽不断缩减和抛光液配方愈加复杂均导致抛光后更难以清洗,且对CMP清洗后的颗粒物刷领要求呈指数级降低,因此需要CMP设备中清洗单元具备强大的清洁能力来实现更彻底的清洁效果,同时还不会破坏晶圆表面极限化微缩的特征结构。

对CMP设备而言,其产业化关键指标包括工艺一致性、生产效率、可靠性等,CMP设备的主要检测参数包括研磨速率、研磨均匀性和缺陷量。

(1)研磨速率:单位时间内晶圆表面材料被研磨的总量。

(2)研磨均匀性:分为片内均匀性和片间均匀性。片内均匀性指某个晶圆研磨速率的标准方差和研磨速率的比值;片间均匀性用于表示不同圆片在同一条件下研磨速率的一致性。

(3)缺陷量。对于CMP而言,主要的缺陷包括表面颗粒、表面刮伤、研磨剂残留,这些将直接影响产品的成品率。

为了实现这些性能,CMP设备需要应用到纳米级抛光、清洗、膜厚在线检测、智能化控制等多项关键先进技术。CMP产品的技术水平也主要取决于设备在抛光、清洗、工艺智能控制等核心模块/技术的表现。具体可以分为两大类:

(1)抛光技术。可以实现纳米尺度的“抛的光”、晶圆全局“抛得平”,这是CMP工艺的基础。

(2)辅助、控制技术。具体包括纳米级的清洗、膜厚在线检测、智能化控制等,这些是实现CMP工艺的重要的辅助技术,作用在于晶圆抛光动作“停得准”、以及抛光后纳米颗粒“洗得净”。根据赛迪顾问相关资料,通常CMP工艺后的器件材料损耗要小于整个器件厚度的10%,也就是说CMP不仅要使材料被有效去除,还要能够精准的控制去除速率和最终效果。随着器件特征尺寸的不断缩小,缺陷对于工艺控制和最终良率的影响愈发明显,降低缺陷是CMP工艺的核心技术要求,因而当前对CMP设备而言,除了抛光技术,包括清洗技术、工艺控制技术等辅助类技术的重要性愈发突出。

抛光:在CMP发展过程中,CMP逐步由最初的单头、双头向着多头方向发展;抛光结构方面,目前处于轨道抛光方法、线性抛光、与旋转结构抛光并存状态,其中旋转结构占据主流;在抛光驱动技术方面,早年国际厂商普遍采用皮带传动方式,当前随着客户要求提高以及电机技术发展,直驱式已成为高端机型的主要驱动方式。

终点检测:要检测抛光的终点,需要实时得到被抛光薄膜的厚度。CMP的终点判断就是判断何时到达CMP的理想终点,从而停止抛光。在结构微细化、高精度要求下,晶圆膜厚要求精度控制在0.1nm,些许偏差都将对薄膜的力学性质、光学性质以及器件的设计以及可靠性产生重要影响。准确的终点监测是产品成品率、加工效率的关键技术,直接影响到成本与市场竞争力。

根据终点检测的特点可以分为基于时间的离线终点检测技术和实时在线检测技术,其中基于时间的离线终点检测技术主要应用在直径小于200mm的晶圆加工中。在线终点检测技术主要包括电机电流终点检测、光学终点检测和电涡流终点检测,另外包括基于抛光液离子浓度变化的终点检测、基于声学发射信号的终点检测和基于机械力学信号测量的终点检测也是当时CMP在线监测的热点。

电极电流终点检测:其原理是当晶圆抛光达到终点时,抛光垫所接触的薄膜材料不同,导致晶圆与抛光垫之间的摩擦系数发生显著变化,从而使抛光头或抛光机台回转扭力变化,其驱动电机的电流也随之变化,因此由安装在抛光头和抛光机台上的传感器监测驱动电机电流变化可推知是否到达抛光终点。

CMP后清洗:在CMP工艺中,抛光液中的磨料和被去除的材料作为外来颗粒(含金属颗粒)是CMP工艺的污染源,CMP后清洗的重点是去除抛光过程中带有的所有污染物。当前CMP机台已经把CMP工艺和清洗工艺集成在一起,而且要求干进干出,包含清洗与干燥两大环节。随着晶圆表面洁净度要求的不断提高,CMP清洗工艺的焦点已逐步由清洗液、兆声波等转移到晶圆干燥上。

第1代CMP后清洗技术:该阶段半导体CMP设备市场初步形成,市场主要设备包括Strasbaugh公司的6DS-SP以及Westech的PEC372/372M。这时期的CMP后清洗,主要是抛光后再将整盒的晶圆提出来放置到单独的清洗机进行清洗,采用多槽浸泡化学湿法清洗技术,主要应用于较大线宽的集成电路,而且清洗时间较长,一般都会大于1个小时,与CMP衔接性能也较差。

第2代CMP后清洗技术:代表设备是应用材料的适用于8英寸的Mirra。Mirra采用在线清洗系统,清洗仍然是在单独的清洗机台中完成,不过Mirra和清洗机台之间有机械接口和传输装置,CMP作为主机直接调度清洗机台菜单,来完成CMP后清洗。

Mirra后清洗系统采用两次双面刷洗+旋转甩干,同事可以根据需要选择超声或者兆声清洗。但由于CMP设备和后清洗设备都是单独的机台,占地妙计较大,在21世纪后逐渐被集成清洗技术所取代。

第3代CMP后清洗技术:分立式CMP的后清洗机台被集成进CMP设备机台内。代表设备是应用材料的Mirra-mesa,其中垂直清洗是显著特征,也是应用材料的核心技术之一。一方面可以获得更加洁净的晶圆,另一方面大幅度减少CMP设备的结构空间。同期日本荏原公司推出的OPTO 222机台采用水平的后清洗技术,明显处于劣势地位。Mirra-mesa后清洗采用1次单片垂直兆声清洗+2次垂直双面清洗+垂直旋转甩干。

第4代CMP后清洗技术:2006年后应用材料推出300mm的Reflexion LK机台,面向铜抛光,在市场上获得良好反应。除了同样采用垂直兆声清洗+垂直双面刷洗外,将干燥技术由之前的旋转甩干更换为IPA-WAPOR干燥法(异丙酮气体干燥法),使得CMP清洗后的硅片缺陷比传统方法得到了显著改善,同时干燥效率得到大幅提升。

第5年CMP后清洗技术:主要是在原来机台上,对核心技术模块进行工艺改进,以适用更小技术节点的需求;另外通过更多的抛光、清洗模块来实现更高产能。应用材料的Reflexion LK机台最初是针对130nm-65nm的量产设备,已经将技术延伸至20nm以下;而最新一代产品Reflexion LK Prime机台,可以用于FinFET和三维NAND,除了与Reflexion LK一样采用最先进的抛光、清洗和工艺控制技术,另外配备了4个研磨垫、6个研磨头、8个清洁室以及两个干燥室,生产效率是ReflexionLK的两倍。

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