集成电路制造中的化学机械抛光cmp工艺

集成电路制造中的化学机械抛光cmp工艺

0艺包制作技术集成电路是一个有着高资本和技术壁垒的行业。它具有投资高、周期长、风险高的特点。CMP工艺是集成电路制造的核心技术，90%以上的高端CMP机台设备和抛光液、抛光垫等关键耗材均被国外供应商垄断。当今国际形势风云突变，国内半导体行业进入快速发展期。随着产业资金投入增加和优秀企业人才引入，CMP关键设备和材料领域中均涌现出优秀企业在高端工艺应用中取得突破。1cmp纳米化研磨1980年代IBM发明化学机械抛光（ChemicalMechanicalPolishing,CMP）技术以来，该技术已成为集成电路制造中标准的平坦化技术。CMP是一种表面全局平坦化技术，它通过夹持硅片的研磨头和研磨垫之间的相对运动来平坦化硅片表面，在研磨垫和硅片之间有一定流量的研磨液，并通过研磨头的不同区域同时施加不同压力来改善区域研磨速率，从而保证硅片表面的均匀性（图1）。随着集成电路的技术节点的提升，CMP抛光高平整度、高均一性、低缺陷和低压力的要求日益提高。作为一种集机械学、流体力学、材料化学、精细化工、控制软件等多领城最先进技术于一体的设备，先进CMP装备的开发研制难度可想而知2cmp研磨垫行业目前，CMP设备市场主要由美国的应用材料（AppliedMaterials,AMAT）公司和日本的荏原机械（Ebara）两家公司高度垄断，占有90%的市场份额。国内CMP设备的主要研发单位有天津华海清科和中国电子科技集团公司第四十五研究所，其中华海清科的抛光机已在中芯国际生产线上试用，2018年1月，华海清科的Cu&SiCMP设备进入上海华力，标志着国产首台12英寸铜制程工艺CMP设备正式进入集成电路大生产线（图2)CMP过程中的所用到的主要材料是抛光液和抛光垫，而且这两种材料是耗材，需要频繁更换。在整个CMP材料市场中，抛光液和抛光垫所占份额合计超过80%。抛光液：CMP抛光液是平坦化工艺中研磨材料和化学添加剂的混合物，抛光液的很多性质都会影响研磨速率：CMP抛光液的化学成分、浓度、黏度、pH值、流速、流动途径等；研磨颗粒的种类、大小、形状及浓度等。抛光垫：抛光垫的主要作用有：(1)能贮存抛光液，并把它运送到工件的整个加工区域，使抛光均匀；(2)从工件抛光表面除去抛光过程产生的残留物（如抛光碎屑、抛光碎片等）；(3)传递材料去除所需的机械载荷；(4)维持抛光过程所需的机械和化学环境。抛光垫的表面组织特征，如微孔形状、孔隙率、沟槽形状等，可通过影响抛光液流动和分布，来决定抛光效率和平坦性指标抛光垫是CMP体系中的关键材料，门槛较高。主要供应商为陶氏化学，此外还有美国Cabot、3M等，其中陶氏化学占抛光垫市场份额高达90%。抛光液主要是复配技术，行业毛利率为30%至40%左右水平，主要厂商包括美国Cabot、日本Fujimi等。随着全球半导体产业开始向中国转移，晶圆建厂浪潮来袭。2017～2020年全球有62座新的晶圆厂投入营运，中国大陆有26座，占比高达42%。抛光垫作为半导体上游材料在这一轮产业转移中将高度受益，抛光垫的需求出现激增，因国产材料具有明显的价格和服务等优势，国产替代进程将必不可少。国内企业正在积极布局这一领域。安集微电子：位于上海的中美合资企业，产品包括CMP抛光液、清洗液等，先后完成铜及铜阻挡层系列、钨抛光液、硅抛光液、氧化物抛光液等产品的研发和产业化，已在130～14nm技术节点实现规模化销售，主要应用于国内8英寸和12英寸主流晶圆产线；10～7nm技术节点产品正在研发中，是国内唯一一家12英寸集成电路制造用化学机械抛光液稳定供货的国产供应商。鼎汇微电子：作为国内唯一全制程CMP研磨垫供应商，承担国家02专项,负责20～14nm技术节点CMP抛光垫产品研发。DH30XX型号已经进入量产FAB，用于成熟制程，同时积极布局先进制程，已在主流客户进行测试且初步反馈结果良好。2.1日本在半导体产业链的分布30年前日本和美国的芯片大战改变了全球半导体产业的格局。从结果看，日本基本输掉了内存芯片的高地，韩国则顺势抢下内存产业，三星、SK海力士等企业在存储产业的崛起，给外界传达了日本半导体制造衰落，而韩国则掌控上游产业链的高科技形象。但在2019年的日韩贸易战中，两者的地位却突然反转，日本凭借在半导体上游原材料和硬件设备上的硬核能力，通过断供扼住韩国半导体的喉咙，站在了食物链的顶端。虽然日本逐渐离开了大众熟知的半导体成品战场，但是从整体产业链来看，日本的链条十分完备。在材料中成本占比最高的硅片领域（超过30%），日本信越化学一骑绝尘，市场份额第一；在光刻胶领域，日本JSR、东京应化工业、住友化学等企业处于垄断地位；在靶材领域，日本的日矿金属、霍尼韦尔、东曹、普莱克斯占据了大部分市场；即便是在技术桂冠光刻机方面，日本尼康和佳能也可以生产，虽然制程和市场份额比不上荷兰的ASML，但是仍能为本国公司提供保障日韩贸易战对于中国半导体行业具有警示意义，而随着“中兴事件”“华为事件”，以及愈演愈烈的中美贸易战，我们更加清醒地认识到打造国内技术先进、安全可靠的装备产业体系，形成自主可控的产业链的国家战略意义。2.2支持中国芯轴2.2.1推进国产设备和工艺平台建设作为国内领先的集成电路芯片制造企业，上海华力拥有两条12英寸先进生产线，工艺技术涵盖65/55nm、40nm、28/22nm和更先进的逻辑工艺技术平台；同时专注于差异化路线，重点布局射频、高压、嵌入式非易失性存储器工艺(eNVM)、超低耗、图像传感器以及独立式非易失性闪存工艺(NORFlash)等特色工艺平台。2018年华力引入首台华海清科12寸CMP机台，有力推动了国产设备和大尺寸晶圆片的生产线的结合，两家公司在深入合作中也建立了相互信任、合作共赢的良好关系。为应对日益复杂的国际环境，加快国产替代速度，由上海华力牵头，形成华海清科CMP机台搭配鼎汇研磨垫和安集研磨液的国产CMP三合一模式。这是全球首次12英寸先进生产线上全国产CMP装备的攻关探索，不仅仅是从0到1的尝试突破，也为我国集成电路装备国产化开辟了新思路、新方法。2.2.2研磨时间和研磨速率对cmp稳定性的影响层间介质研磨(ILDCMP)通过抛光SiO上海华力使用业内领先的先进自动工艺控制系统（I-APC）来实现厚度精准控制（图4），保证了产品的稳定性。该系统可以减少前值不稳定对CMP后值厚度的影响；实时更新研磨时间，减少因随着设备耗材使用时间变化带来研磨速率的变化对CMP后值厚度的影响；即使后值厚度偏离目标值也能实现自动返工，避免了人为返工犯错的风险。I-APC系统已经成熟应用于上海华力量产工艺中，对于华海清科国产研磨机台也开发了国内自己的I-APC系统。3cmp研磨工艺难点集成电路产业属于高精尖科技产业，近期的中美贸易摩擦和中兴、华为事件，折射中国集成电路自有核心技术不足，国产芯片市场生态不成熟等缺点。但在国家战略层面的大力推动下，这对于国内半导体企业来说，既是挑战，也是弯道超车的机遇。上海华力整合不同国产设备，探索三合一产学研攻关的方法，为当下国内集成电路企业破局发展提供了一个新思路。实现真正的半导体设备国产化的道路任重而道远，在政府、企业、高校、相关从业人员等各方力量长期共同努力下，国产半导体设备产业必将摆脱受制于人的局面，取得突出成绩。除了整体厚度的高要求外，CMP研磨最大的工艺难点在于晶圆面内边缘的不可控，尤其在145mm以外的部分，无论机台压力管控，还是研磨垫及研磨液在于晶圆边缘处均会出现研磨形貌改变，三者合一，变量更多，挑战极大（图5）。经分析发现，随着研磨时间的增加，研磨垫作为易耗品沟槽会逐渐变浅，但是研磨垫边缘处的沟槽衰减的更为严重