半導(dǎo)體制造關(guān)鍵工藝裝備CMP，國(guó)產(chǎn)裝備崛起

CMP 設(shè)備是半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵工藝裝備之一。CMP 是集成電路制造大生產(chǎn)上產(chǎn)出效率最高、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的納米級(jí)全局平坦化表面制造設(shè)備，并且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不存在技術(shù)迭代周期。而且隨著芯片制造技術(shù)發(fā)展，CMP 工藝在集成電路生產(chǎn)流程中的應(yīng)用次數(shù)逐步增加，將進(jìn)一步增加 CMP 設(shè)備的需求。根據(jù) SEMI，2018 年全球 CMP設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模 18.42 億美元，約占晶圓制造設(shè)備 4%的市場(chǎng)份額，其中中國(guó)大陸 CMP 設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模 4.59 億美元。另外，CMP 設(shè)備是使用耗材較多、核心部件有定期維保更新需求的制造設(shè)備之一;除了用于晶圓制造，CMP 還是晶圓再生工藝的核心設(shè)備之一，CMP 設(shè)備廠商有望向上游耗材、下游服務(wù)領(lǐng)域延伸。

CMP：“小而美”的半導(dǎo)體關(guān)鍵工藝裝備

CMP 設(shè)備是半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵工藝裝備之一

CMP(Chemical Mechanical Polishing，化學(xué)機(jī)械拋光)是半導(dǎo)體制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)晶圓全局均勻平坦化的關(guān)鍵工藝。晶圓制造過(guò)程主要包括7個(gè)相互獨(dú)立的工藝流程：光刻、刻蝕、薄膜生長(zhǎng)、擴(kuò)散、離子注入、化學(xué)機(jī)械拋光、金屬化。作為晶圓制造的關(guān)鍵制程工藝之一，化學(xué)機(jī)械拋光指的是，通過(guò)化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨的協(xié)同配合作用，實(shí)現(xiàn)晶圓表面多余材料的高效去除與全局納米級(jí)平坦化。

由于目前集成電路元件普遍采用多層立體布線，集成電路制造的前道工藝環(huán)節(jié)需要進(jìn)行多層循環(huán)。在此過(guò)程中，需要通過(guò)CMP工藝實(shí)現(xiàn)晶圓表面的平坦化。簡(jiǎn)單的理解，如果把芯片制造過(guò)程比作建造高層樓房，每搭建一層樓都需要讓樓層足夠平坦齊整，才能在其上方繼續(xù)搭建另一層，否則樓面就會(huì)高低不平，影響整體性能和可靠性。而CMP就是能有效令集成電路的“樓層”達(dá)到納米級(jí)全局平整的一種關(guān)鍵工藝技術(shù)。集成電路制造是CMP設(shè)備應(yīng)用的最主要的場(chǎng)景，重復(fù)使用在薄膜沉積后、光刻環(huán)節(jié)之前;除了集成電路制造，CMP設(shè)備還可以用于硅片制造環(huán)節(jié)與先進(jìn)封裝領(lǐng)域。

當(dāng)前CMP已經(jīng)廣泛應(yīng)用于集成電路制造中對(duì)各種材料的高精度拋光。按照被拋光的材料類型，具體可以劃分為三大類：(1)襯底：主要是硅材料。(2)金屬：包括Al/Cu金屬互聯(lián)層，Ta/Ti/TiN/TiNxCy等擴(kuò)散阻擋層、粘附層。(3)介質(zhì)：包括SiO2/BPSG/PSG等ILD(層間介質(zhì))，SI3N4/SiOxNy等鈍化層、阻擋層。其中，在90~65nm節(jié)點(diǎn)，淺槽隔離(STI)、絕緣膜、銅互連層是CMP的主要研磨對(duì)象;進(jìn)入28nm后，邏輯器件的晶體管中引入高k金屬柵結(jié)構(gòu)(HKMG)，因而同時(shí)引入了兩個(gè)關(guān)鍵的平坦化應(yīng)用，包括虛擬柵開(kāi)口CMP工藝和替代金屬柵CMP工藝。

STI-CMP：淺槽隔離(STI)氧化硅拋光。在硅晶片上以反應(yīng)性蝕刻形成溝槽后，以化學(xué)氣相沉積的方式沉積二氧化硅膜再將未被埋入凹溝內(nèi)的二氧化硅膜以CMP去除。這樣就可以用二氧化硅膜作為元器件間的隔離，再用拋光速度相對(duì)緩慢的膜(例如氮化硅膜)來(lái)作為CMP的研磨停止層(Stoplayer)。

ILD-CMP/IMD-CMP：ILD-CMP指的是層間介質(zhì)(ILD)拋光，IMD-CMP指的是金屬內(nèi)介電層(IMD)拋光，主要拋光對(duì)象是二氧化硅介質(zhì)。作為芯片組件隔離介質(zhì)，集成電路制造工藝中最常被使用的介電層是相容性最佳的二氧化硅介質(zhì)。二氧化硅膜的CMP大多應(yīng)用在層間絕緣膜及組件間的隔離(Isolation)平坦化工藝中。

ILD-CMP(層間絕緣膜平坦化)將導(dǎo)線或組件上的層間絕緣膜平坦化，以便完成接下來(lái)的多層互連線工藝，是完成多層互連結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，為大規(guī)模集成電路工藝中不可缺少的步驟。IMD-CMP(元器件間隔離膜平坦化)目的在于形成平坦的氧化硅膜(組件與組件間的絕緣隔離層)。在層間絕緣膜的平坦化方面CMP對(duì)象還有等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECvD)膜、硼磷硅玻璃膜(BPSG)及熱氧化膜(Thermalox記e)等。

Cu-CMP：隨著集成電路層數(shù)的不斷增加，在銅布線工藝中新的層間導(dǎo)線連接方式“接觸窗”得到廣泛應(yīng)用，這種工藝方法也稱為“大馬士革工藝”(Damascene)。大馬士革工藝，首先在兩層電路間的絕緣膜上進(jìn)行刻蝕，使之形成凹槽(接觸窗)，再進(jìn)行連接金屬導(dǎo)線膜的沉積，最后以CMP方式去除金屬膜。在雙大馬士革中，Cu-CMP用來(lái)拋光通孔和雙大馬士革結(jié)構(gòu)中細(xì)銅線，雙大馬士革工藝過(guò)程中用介質(zhì)作為停止層。

拋光技術(shù)與清洗、工藝控制技術(shù)并重

CMP的作業(yè)原理：拋光頭將晶圓待拋光面壓抵在粗糙的拋光墊上，借助拋光液腐蝕、微粒摩擦、拋光墊摩擦等耦合實(shí)現(xiàn)全局平坦化。拋光盤帶動(dòng)拋光墊旋轉(zhuǎn)，通過(guò)先進(jìn)的終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同材質(zhì)和厚度的磨蹭實(shí)現(xiàn)3~10nm分辨率的實(shí)時(shí)厚度測(cè)量防止過(guò)拋，更為關(guān)鍵的技術(shù)在于可全局分區(qū)施壓的拋光頭，其在限定的空間內(nèi)對(duì)晶圓全局的多個(gè)環(huán)狀區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超精密可控單向加壓，從而可以響應(yīng)拋光盤測(cè)量的膜厚數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)壓力控制晶圓拋光形貌，使晶圓拋光后表面達(dá)到超高平整度(例如全局平整度要求是10nm，則相當(dāng)于面積約440000平方米的天安門廣場(chǎng)上任意量帶你的高低差不超過(guò)0.03毫米)，且表面粗糙度小于0.5nm，相當(dāng)于頭發(fā)絲的十萬(wàn)分之一;此外制程線寬不斷縮減和拋光液配方愈加復(fù)雜均導(dǎo)致拋光后更難以清洗，且對(duì)CMP清洗后的顆粒物刷領(lǐng)要求呈指數(shù)級(jí)降低，因此需要CMP設(shè)備中清洗單元具備強(qiáng)大的清潔能力來(lái)實(shí)現(xiàn)更徹底的清潔效果，同時(shí)還不會(huì)破壞晶圓表面極限化微縮的特征結(jié)構(gòu)。

對(duì)CMP設(shè)備而言，其產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵指標(biāo)包括工藝一致性、生產(chǎn)效率、可靠性等，CMP設(shè)備的主要檢測(cè)參數(shù)包括研磨速率、研磨均勻性和缺陷量。

(1)研磨速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)晶圓表面材料被研磨的總量。

(2)研磨均勻性：分為片內(nèi)均勻性和片間均勻性。片內(nèi)均勻性指某個(gè)晶圓研磨速率的標(biāo)準(zhǔn)方差和研磨速率的比值;片間均勻性用于表示不同圓片在同一條件下研磨速率的一致性。

(3)缺陷量。對(duì)于CMP而言，主要的缺陷包括表面顆粒、表面刮傷、研磨劑殘留，這些將直接影響產(chǎn)品的成品率。

為了實(shí)現(xiàn)這些性能，CMP設(shè)備需要應(yīng)用到納米級(jí)拋光、清洗、膜厚在線檢測(cè)、智能化控制等多項(xiàng)關(guān)鍵先進(jìn)技術(shù)。CMP產(chǎn)品的技術(shù)水平也主要取決于設(shè)備在拋光、清洗、工藝智能控制等核心模塊/技術(shù)的表現(xiàn)。具體可以分為兩大類：

(1)拋光技術(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)納米尺度的“拋的光”、晶圓全局“拋得平”，這是CMP工藝的基礎(chǔ)。

(2)輔助、控制技術(shù)。具體包括納米級(jí)的清洗、膜厚在線檢測(cè)、智能化控制等，這些是實(shí)現(xiàn)CMP工藝的重要的輔助技術(shù)，作用在于晶圓拋光動(dòng)作“停得準(zhǔn)”、以及拋光后納米顆粒“洗得凈”。根據(jù)賽迪顧問(wèn)相關(guān)資料，通常CMP工藝后的器件材料損耗要小于整個(gè)器件厚度的10%，也就是說(shuō)CMP不僅要使材料被有效去除，還要能夠精準(zhǔn)的控制去除速率和最終效果。隨著器件特征尺寸的不斷縮小，缺陷對(duì)于工藝控制和最終良率的影響愈發(fā)明顯，降低缺陷是CMP工藝的核心技術(shù)要求，因而當(dāng)前對(duì)CMP設(shè)備而言，除了拋光技術(shù)，包括清洗技術(shù)、工藝控制技術(shù)等輔助類技術(shù)的重要性愈發(fā)突出。

拋光：在CMP發(fā)展過(guò)程中，CMP逐步由最初的單頭、雙頭向著多頭方向發(fā)展;拋光結(jié)構(gòu)方面，目前處于軌道拋光方法、線性拋光、與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)拋光并存狀態(tài)，其中旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)占據(jù)主流;在拋光驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面，早年國(guó)際廠商普遍采用皮帶傳動(dòng)方式，當(dāng)前隨著客戶要求提高以及電機(jī)技術(shù)發(fā)展，直驅(qū)式已成為高端機(jī)型的主要驅(qū)動(dòng)方式。

終點(diǎn)檢測(cè)：要檢測(cè)拋光的終點(diǎn)，需要實(shí)時(shí)得到被拋光薄膜的厚度。CMP的終點(diǎn)判斷就是判斷何時(shí)到達(dá)CMP的理想終點(diǎn)，從而停止拋光。在結(jié)構(gòu)微細(xì)化、高精度要求下，晶圓膜厚要求精度控制在0.1nm，些許偏差都將對(duì)薄膜的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)以及器件的設(shè)計(jì)以及可靠性產(chǎn)生重要影響。準(zhǔn)確的終點(diǎn)監(jiān)測(cè)是產(chǎn)品成品率、加工效率的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到成本與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

根據(jù)終點(diǎn)檢測(cè)的特點(diǎn)可以分為基于時(shí)間的離線終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)和實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)，其中基于時(shí)間的離線終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用在直徑小于200mm的晶圓加工中。在線終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)主要包括電機(jī)電流終點(diǎn)檢測(cè)、光學(xué)終點(diǎn)檢測(cè)和電渦流終點(diǎn)檢測(cè)，另外包括基于拋光液離子濃度變化的終點(diǎn)檢測(cè)、基于聲學(xué)發(fā)射信號(hào)的終點(diǎn)檢測(cè)和基于機(jī)械力學(xué)信號(hào)測(cè)量的終點(diǎn)檢測(cè)也是當(dāng)時(shí)CMP在線監(jiān)測(cè)的熱點(diǎn)。

電極電流終點(diǎn)檢測(cè)：其原理是當(dāng)晶圓拋光達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，拋光墊所接觸的薄膜材料不同，導(dǎo)致晶圓與拋光墊之間的摩擦系數(shù)發(fā)生顯著變化，從而使拋光頭或拋光機(jī)臺(tái)回轉(zhuǎn)扭力變化，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流也隨之變化，因此由安裝在拋光頭和拋光機(jī)臺(tái)上的傳感器監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流變化可推知是否到達(dá)拋光終點(diǎn)。

CMP后清洗：在CMP工藝中，拋光液中的磨料和被去除的材料作為外來(lái)顆粒(含金屬顆粒)是CMP工藝的污染源，CMP后清洗的重點(diǎn)是去除拋光過(guò)程中帶有的所有污染物。當(dāng)前CMP機(jī)臺(tái)已經(jīng)把CMP工藝和清洗工藝集成在一起，而且要求干進(jìn)干出，包含清洗與干燥兩大環(huán)節(jié)。隨著晶圓表面潔凈度要求的不斷提高，CMP清洗工藝的焦點(diǎn)已逐步由清洗液、兆聲波等轉(zhuǎn)移到晶圓干燥上。

第1代CMP后清洗技術(shù)：該階段半導(dǎo)體CMP設(shè)備市場(chǎng)初步形成，市場(chǎng)主要設(shè)備包括Strasbaugh公司的6DS-SP以及Westech的PEC372/372M。這時(shí)期的CMP后清洗，主要是拋光后再將整盒的晶圓提出來(lái)放置到單獨(dú)的清洗機(jī)進(jìn)行清洗，采用多槽浸泡化學(xué)濕法清洗技術(shù)，主要應(yīng)用于較大線寬的集成電路，而且清洗時(shí)間較長(zhǎng)，一般都會(huì)大于1個(gè)小時(shí)，與CMP銜接性能也較差。

第2代CMP后清洗技術(shù)：代表設(shè)備是應(yīng)用材料的適用于8英寸的Mirra。Mirra采用在線清洗系統(tǒng)，清洗仍然是在單獨(dú)的清洗機(jī)臺(tái)中完成，不過(guò)Mirra和清洗機(jī)臺(tái)之間有機(jī)械接口和傳輸裝置，CMP作為主機(jī)直接調(diào)度清洗機(jī)臺(tái)菜單，來(lái)完成CMP后清洗。

Mirra后清洗系統(tǒng)采用兩次雙面刷洗+旋轉(zhuǎn)甩干，同事可以根據(jù)需要選擇超聲或者兆聲清洗。但由于CMP設(shè)備和后清洗設(shè)備都是單獨(dú)的機(jī)臺(tái)，占地妙計(jì)較大，在21世紀(jì)后逐漸被集成清洗技術(shù)所取代。

第3代CMP后清洗技術(shù)：分立式CMP的后清洗機(jī)臺(tái)被集成進(jìn)CMP設(shè)備機(jī)臺(tái)內(nèi)。代表設(shè)備是應(yīng)用材料的Mirra-mesa，其中垂直清洗是顯著特征，也是應(yīng)用材料的核心技術(shù)之一。一方面可以獲得更加潔凈的晶圓，另一方面大幅度減少CMP設(shè)備的結(jié)構(gòu)空間。同期日本荏原公司推出的OPTO 222機(jī)臺(tái)采用水平的后清洗技術(shù)，明顯處于劣勢(shì)地位。Mirra-mesa后清洗采用1次單片垂直兆聲清洗+2次垂直雙面清洗+垂直旋轉(zhuǎn)甩干。

第4代CMP后清洗技術(shù)：2006年后應(yīng)用材料推出300mm的Reflexion LK機(jī)臺(tái)，面向銅拋光，在市場(chǎng)上獲得良好反應(yīng)。除了同樣采用垂直兆聲清洗+垂直雙面刷洗外，將干燥技術(shù)由之前的旋轉(zhuǎn)甩干更換為IPA-WAPOR干燥法(異丙酮?dú)怏w干燥法)，使得CMP清洗后的硅片缺陷比傳統(tǒng)方法得到了顯著改善，同時(shí)干燥效率得到大幅提升。

第5年CMP后清洗技術(shù)：主要是在原來(lái)機(jī)臺(tái)上，對(duì)核心技術(shù)模塊進(jìn)行工藝改進(jìn)，以適用更小技術(shù)節(jié)點(diǎn)的需求;另外通過(guò)更多的拋光、清洗模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)能。應(yīng)用材料的Reflexion LK機(jī)臺(tái)最初是針對(duì)130nm-65nm的量產(chǎn)設(shè)備，已經(jīng)將技術(shù)延伸至20nm以下;而最新一代產(chǎn)品Reflexion LK Prime機(jī)臺(tái)，可以用于FinFET和三維NAND，除了與Reflexion LK一樣采用最先進(jìn)的拋光、清洗和工藝控制技術(shù)，另外配備了4個(gè)研磨墊、6個(gè)研磨頭、8個(gè)清潔室以及兩個(gè)干燥室，生產(chǎn)效率是ReflexionLK的兩倍。