集成电路制造技术与实践 课件 第12章 化学机械平坦化(CMP)工艺

第12章化学机械平坦化(CMP)工艺12.1CMP工艺原理、技术优势与挑战12.2CMP工艺的关键材料及辅助工具.12.3CMP工艺应用12.4CMP工艺控制12.5CMP设备本章小结

12.1CMP工艺原理、技术优势与挑战

12.1.1CMP工艺原理

CMP工艺原理是：氧化剂氧化被研磨的材料，形成氧化物；研磨液中的磨料颗粒对氧化物进行机械研磨，最终达到平坦化。

CMP工艺原理示意图如图12-1-1所示。CMP工艺分为以下两个过程：(1)化学过程：研磨液中的化学品和硅片表面发生化学反应，生成比较容易去除的物质。(2)物理过程：研磨液中的磨料颗粒和硅片表面材料发生机械物理摩擦，去除化学反应生成的物质。图12-1-1

CMP工艺原理示意图

12.1.2CMP技术优势与挑战

1.CMP技术优势

(1)能够实现晶圆表面的全局平坦化。在集成电路制造过程中，晶圆表面常常会出现凹凸不平的情况，这会影响到后续工艺的进行。CMP工艺通过化学腐蚀和机械研磨的协同作用，可以有效地去除晶圆表面的多余材料，达到微米级甚至纳米级的平坦化效果。这种全局平坦化对于提高集成电路的性能和可靠性至关重要。

(2)工艺方法简单、成本低。相比传统的机械抛光方法，CMP工艺更加高效和精确，能够在更短的时间内完成抛光任务，同时减少了耗材的消耗，降低了制造成本。

2.CMP技术面临的挑战

(1)CMP技术需要精确控制研磨过程中的各种参数，如研磨压力、研磨液组分、研磨垫材质等。这些参数的微小变化都可能影响到最终的研磨效果，因此需要对工艺过程进行精确控制，这增加了技术实现的难度。

(2)随着半导体技术的不断发展，对CMP技术的要求也越来越高。集成电路工艺制程节点的不断缩小、3D结构的出现以及先进封装技术的应用等，都使得研磨次数和研磨液用量及种类大幅增加，对CMP技术的性能和稳定性提出了更高的要求。

(3)CMP技术需要与其他工艺环节(如刻蚀、离子注入等)进行协同配合。这些工艺环节之间的相互影响和制约，也增加了CMP技术实现的复杂性。

12.2CMP工艺的关键材料及辅助工具

12.2.1研磨液研磨液是CMP工艺的核心材料，其性能直接决定了抛光后晶圆表面的品质。研磨液主要由磨料颗粒(例如二氧化硅、氧化铝、氧化铈等，如图12-2-1所示)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等成分构成。其中，磨料颗粒用于实现研磨作用，氧化剂则提供腐蚀溶解功能。

影响研磨液研磨效率的因素包括：研磨液的化学成分和浓度，磨料颗粒的种类、大小、形状和浓度，研磨液的黏度、pH值、流速、流动路径等。研磨液中的磨料颗粒通常为纳米级或亚微米级，粒径越小，表面积越大，表面能越高(或表面张力越大)，越容易发生团聚，而团聚形成的大颗粒会使晶圆表面产生划痕，直接影响产品的合格率。研磨液的平均粒径越小，对稳定性的控制难度越大。图12-2-1CMP磨料颗粒

12.2.2研磨垫

研磨垫根据其硬度可分为硬垫和软垫。硬垫具有良好的耐磨性和耐化学性，其表面开有特殊沟槽(如图12-2-2所示)，可将研磨液中的磨料颗粒送入硅片表面以提高研磨的均匀性，但由于材质较硬，容易产生划伤缺陷。软垫能够较好地控制研磨过程中给硅片带来的划伤缺陷，但由于材质较软，很难控制研磨均匀度。CMP通常采用硬垫粗磨和软垫精磨的策略。图12-2-2硬垫凹形沟槽

如图12-2-3所示，钻石盘(Disk)的作用是维持研磨垫的表面粗糙度以保证研磨速率稳定，并且有助于研磨液在研磨垫上均匀分布，同时带走研磨过程中产生的副产物，以减少研磨过程中带来的划伤。图12-2-3钻石盘示意图

研磨垫主要采用聚氨酯材料制造，亦称为聚氨酯研磨垫、研磨阻尼布或氧化铈研磨垫。这种多孔性材料具备类似海绵的机械性能和多孔结构，其表面设计有特殊沟槽，以增强抛光过程的均匀性。部分研磨垫设有可视窗，以便于在线监测。研磨垫不直接与晶圆接触，但研磨垫作为耗材，需要定期维护和更换。通常情况下，研磨垫的使用寿命在45至75小时之间。在全球范围内，随着行业并购的持续发展，研磨垫的主要生产商目前包括美国的陶氏化学公司以及中国的合肥宏光研磨科技。随着3DNANDFlash等半导体产品的产量增长，研磨垫作为一种耗材，其需求日益增长。

12.3CMP工艺应用

12.3.1浅槽隔离化学机械平坦化(STICMP)工艺如图12-3-1所示，浅槽隔离(shallowtrenchisolation，STI)过程中需要填入SiO2，STICMP就是对凸出的SiO2

做平坦化处理的工艺。STICMP工艺通常采用三步研磨：第一步采用高研磨速率的SiO2

研磨液去除大部分氧化物；第二步用高选择比(氧化物的研磨速率/氮化硅的研磨速率高于30)的研磨液去除剩余氧化物并停在氮化硅上；第三步用软的研磨缓冲垫控制缺陷。图12-3-1STICMP工艺前后对比图

12.3.2层间介质层化学机械平坦化(ILDCMP)工艺

层间介质层(inter-layerdielectric，ILD)用于隔绝器件与第一层金属布线，目的是保护前段工艺所形成的器件和结构，如图12-3-2所示。

ILDCMP工艺可为后段工艺提供平整稳定的表面，其采用三步研磨工艺：

第一步用SiO2

研磨液以较大压力去除大部分氧化物；

第二步用相同研磨液以相同压力去除剩余氧化物；

第三步用低压力控制缺陷。

ILDCMP工艺的难点在于目标厚度及均匀性的控制，一般采用自动工艺控制系统来提高片间及片内厚度均匀性。图12-3-2ILDCMP工艺前后对比图

12.3.3钨化学机械平坦化(WCMP)工艺

WCMP工艺是在钨CVD工艺后对多余的钨做平坦化处理，形成钨接触孔，以连接前段器件和后段金属互连线，如图1233所示。

WCMP工艺分三步研磨：

第一步采用大压力、高研磨速率的研磨液去除大部分钨；

第二步用相同研磨液且以较低压力去除剩余钨和阻挡层(Barrier)，停在氧化物层上并过度研磨(OverPolish)，保证无钨/阻挡层残留；

第三步选用氧化物/钨的选择比为2∶1的研磨液并搭配软垫缓冲去除一定厚度的氧化物，以控制缺陷。WCMP工艺的难点在于凹陷与侵蚀缺陷的控制。图12-3-3WCMP工艺前后对比图

12.3.4铜化学机械平坦化(CuCMP)工艺

CuCMP工艺是在Cu电镀工艺后对多余的Cu进行研磨去除以形成金属导线，如图12-3-4所示。

CuCMP通常采用三步研磨工艺：

第一步采用铜研磨液以大压力、高研磨速率去除大部分铜；

第二步用相同的研磨液(Cu/TaN高选择比)以较低压力、较低研磨速率去除剩余铜，停在阻挡层上并过度研磨，保证无铜残留；

第三步用阻挡层研磨液搭配软垫以小压力磨掉阻挡层并去除一定厚度的氧化层，从而保证没有铜和阻挡层残留并控制凹陷和侵蚀。图12-3-4CuCMP工艺前后对比图

12.4CMP工艺控制12.4.1CMP工艺控制的参数指标(1)研磨速率：单位时间内磨除材料的厚度。

(2)CMP选择比：两种材料的研磨速率比。例如，氧化硅的研磨速率为2000Å/min，氮化硅的研磨速率为50Å/min，则氧化硅与氮化硅的选择比为40。(3)平整度：硅片某处CMP前后台阶高度之差/CMP之前台阶高度×100%。(4)研磨均匀性：片内均匀性=同个晶圆研磨速率的标准差/研磨速率；片间均匀性=不同晶圆同一条件下研磨速率的标准差/平均研磨速率。(5)缺陷量：CMP工艺造成的硅片表面缺陷，一般包括划伤、凹陷、侵蚀、残留物和颗粒污染。该参数直接影响成品率。

12.4.2CMP工艺的常见缺陷

1.划伤(Scratch)

划伤(如图12-4-1所示)是CMP工艺中最常见且不可避免的缺陷，可分为大划伤和小划伤两种：大划伤由钻石盘钻石脱落或大的颗粒镶嵌在研磨垫上所致，小划伤则是研磨液结晶或研磨液里的磨料颗粒团聚导致的。图12-4-1划伤示意图

2.硅片表面污染物颗粒和研磨液残留物

硅片表面污染物颗粒(如图12-4-2所示)和研磨液残留物(如图12-4-3所示)的产

生原因主要是研磨过程中的副产物和研磨液残留物没有清洗干净。可以通过优化CMP的清洗效率和优化缓冲层的研磨来去除残留物。图12-4-2硅片表面污染物颗粒图12-4-3研磨液残留物

3.CMP凹陷(Dishing)与侵蚀(Erosion)

CMP凹陷与侵蚀的示意图如图12-4-4所示。高密度图形区域的研磨速率通常比宽图形间距区域的研磨速率快，导致小而孤立凸出的图形在平坦化过程中因机械力作用一起被研磨掉，形成侵蚀。而对于单个图形来讲，因为两种材料的选择比不一样，会出现凹陷。

此外还有金属残留和铜腐蚀等类型的缺陷，需不断优化和改善工艺来减少缺陷，从而提升良率。图12-4-4CMP凹陷与侵蚀的示意图

12.5CMP设备

根据Gartner发布的数据，CMP设备在全球半导体晶圆制造设备市场中占据了3%的份额。结合SEMI的数据，2020年至2021年全球晶圆制造设备市场规模分别为612亿美元和880亿美元。据此推算，CMP设备的市场规模相应为18.4亿美元和26.4亿美元。SEMI的数据还显示，2021年中国大陆在全球半导体设备市场中的份额达到28.7%，据此推算，中国大陆CMP设备市场规模为7.6亿美元。

CMP设备之所以构成技术壁垒，是因为它融合了机械学、流体力学、材料化学、精细加工和控制软件等多学科的尖端技术。它要求精密的机械控制以及化学腐蚀与机械研磨之间的精确平衡，因此研制难度较大。CMP设备的研发对技术、工艺和专利等方面有着严格的要求，这导致了厂商之间竞争的技术壁垒较高。

CMP市场主要由海外企业垄断，市场集中度较高。国内企业进入该领域的时间较晚，导致国产化率相对较低。在14nm及以下的先进制程工艺中，CMP设备主要由美国应用材料公司(AMAT)和日本荏原制作所(Ebara)两家国际巨头提供。根据Gartner的研究数据，2019年美国应用材料公司和日本荏原制作所的CMP设备销售额分别为10.43亿美元和3.725亿美元，分别占据了全球市场的70%和25%。在2017年至2019年，这两家公司合计占据了98%、90%和95%的市场份额，显示出CMP设备市场高度垄断的竞争格局。

华海清科是国内CMP设备行业的领军企业，专注于CMP设备的研发与制造，同时还提供相关配套材料及技术服务。公司坚持自主创新，于2014年推出了国内首台12英寸CMP设备，2016年该设备通过了中芯国际的验证；其主流机型已成功填补了国内市场的空白，打破了国际巨头在此领域数十年的垄断局面，有效降低了国内下游客户的采购成本，减少了对国外设备的依赖，并为国内集成电路产业的发展提供了有力支持。

2017年，华海清科成功研制了8英寸CMP设备并在客户端完成验收，2021年还推出了减薄抛光一体设备。

目前，华海清科在逻辑芯片和存储芯片制造领域拥有一批优质且稳定的客户，包括中芯国际、长江存储、华虹集团、长鑫存储、厦门联芯、广州粤芯、上海积塔、英特尔等国内外知名制造商。截至2021年底，公司自主研发并生产的CMP设备累计出货量已超过140台。

本章小结

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