450mm晶圓CMP設備技術現狀與展望

柳 濱，周國安

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

晶圓尺寸的更新換代一般都需要10年左右，如200 mm 晶圓是1991年誕生的，現在廣泛使用的300 mm 晶圓則是Intel 在2001年引入的，并首先用于130 nm 工藝處理器。450 mm 晶圓無論是硅片面積還是切割芯片數都是300 mm 的2 倍多，因此每顆芯片的單位成本都會大大降低。另外，大尺寸晶圓還會提高能源、水等資源的利用效率，減少對環境污染、溫室效應全球變暖、水資源短缺的影響。

2007年，ISMI(International SEMATECH Manufacture Initiative) 強調目前半導體生產依然遵循摩爾定律，指出未來生產成本需要降低30%，產品生產周期需要改善50%，而這種需求只有過渡到450 mm 晶圓尺寸才能做到。

2008年，Intel、Samsung、TSMC、ISMI 和 半 導體設備供應商決定共同合作發展450 mm 晶圓，初始目標定于2012年組建450 mm 試驗性生產線，該實驗線原計劃于2013-2014年形成運行能力，于2015-2016年形成450 mm 的正式生產線。這個藍圖被寫入到2009 和2010年的ITRS（半導體協會技術發展路線圖）中。但是2012年的ITRS被重新修改，原定計劃目標全部推遲2年。

隨著晶圓尺寸的逐步擴大，資金投入成比例的擴大，半導體芯片制造廠需要承擔著前期的建廠費用，如從100 mm(4 英寸)生產線投資約1 億美金，到目前主流的300 mm（12 英寸）生產線大約需要投資20～25 億美金。在今后幾年內，隨著450 mm 的時代來臨，工廠的自動化水平將遍及到機器之間，并且帶有集成的工藝檢測系統。更多高水平的工藝將會要求更高產量的晶圓制造廠，這些工廠具有更精密的工藝自動化和工廠管理。大工廠的成本至少在100 億美元以上，甚至高達250～300 億美元，巨大的建廠費用非一般企業所能承擔，其前期的研發費用也異常驚人，因此全球五大半導體業者IBM、英特爾(Intel)、三星電子(SamsungElectronics)、臺積電(TSMC) 和Global-Foundries 在2011年共同成立全球450 mm 聯盟(Global450Consortium，簡稱G450C)，并于美國紐約州Albany 設立研發中心，前期已經投入44 億美金，加速推動450 mm 晶圓尺寸時代的到來。

根據2012年ITRS（半導體行業協會路線圖）規劃，450 mm 晶圓尺寸生產材料及設備制造商，應當在2013-2014年形成生產能力，并提供相應設備給IDM（集成器件制造商）和Foundry(代工廠)。

只有使得芯片制造商與設備制造商同時實現雙贏，才能持續推動半導體產業的健康發展。同樣設備制造商（OEM）需要投資較之之前比例更多的研發費用，才能實現450 mm 晶圓苛刻的工藝及技術要求。隨著晶圓尺寸的增大，對于系統的集成、系統的自動化、材料的特殊要求及整體功耗等都對設備制造商提出更高的要求。從多層金屬互聯開始（超過三層，大約0.25 μm 技術節點），CMP 就成為芯片制造關鍵和必需設備之一，隨著技術節點的持續降低，對于金屬和介質的平坦化次數越來越多，且對均勻性的要求越來越高，CMP 技術日益凸顯其重要性。

沒有CMP 技術，更高節點（低于0.35 μm 技術節點）的光刻將無法實施；同時，CMP 技術還能實現復雜層結構的制造技術，在450 mm 晶圓尺寸情況下，對CMP 技術主要需要為：

（1）隨著半導體器件特征線寬的不斷減小，光刻設備分辨率的要求越來越高；

（2）多層互聯技術發展的需要；

（3）淺溝道隔離工藝技術應用的需要；

（4）銅工藝技術引入的需要；

（5）低K 介質工藝的要求；

（6）HKMG 工藝的要求；

（7）FinFET 工藝的要求。

因此對于450 mm 晶圓尺寸CMP 設備的技術研究及探討具有重要的前瞻性實用價值。

1 CMP 耗材的最新進展

450 mm CMP 設備研發同時，CMP 耗材同時起步，已經取得了很多成果。

1.1 新型拋光液研究進展

450 mm CMP 工藝中，新型拋光液主要集中在HKMG、FinFET CMP 工藝應用上。新型拋光液的目前研究成果是：拋光液的化學去除作用效果比機械去除作用效果要大，來減小機械作用造成的缺陷，拋光液中研磨劑的材料基本采用氧化鈰材料替代傳統硅石磨料。450 mm 工藝中，晶體管立體柵極堆棧工藝和新材料的引入，使晶體管制造更為復雜，控制要求越來越高，所以拋光液對新型材料的選擇性決定了平坦化工藝缺陷降低的成敗。

陶氏化學（Dow chemical）旗下的陶氏電子材料發布的RL310 具備無研磨顆粒、自停（self-stop-ping）特點，在300 mm 的IDM（集成器件制造商）的90～45 nm 使用已經超過3年；其下一代的無研磨顆粒解決方案也被領先的IDM（集成器件制造商）選為14 nm 節點的記錄制程（process record）。

1.2 新型拋光墊研究進展

拋光墊技術進步相對于拋光液要緩慢。進入21 世紀后，拋光墊技術進步主要集中在提高工藝能力、降低工藝缺陷方面。450 mm 工藝中，所需的拋光墊直徑達到1 067 mm（42 英寸）以上，拋光墊修整模式及拋光墊表面形貌對平坦化的質量影響研究正在深入。另一方面，在保證平坦化質量的前提下，研究拋光墊表面形貌，為拋光液最大應用效能研究提供支撐。美國陶氏化學（Dow chemical）旗下的陶氏電子材料公司推出了達到最高性能水平的IKONIC○TMCMP 研磨墊系列產品，該產品旨在用于28 nm 及以下技術節點的CMP 應用，目前在實驗室和試驗線測試評估。

1.3 拋光墊修整器

3M 公司占據了CMP 修整器的主要市場。拋光墊修整器用于拋光墊形貌修整，修整器的研究集中在修整器尺寸、金剛石顆粒粒度、金剛石顆粒密度、排列方式、粘接方式方面的研究。面對450 mm 工藝線要求，450 mm CMP 修整器相對于300 mm CMP 尺寸要大，金剛石顆粒的粘接方式是主要研究內容，以至于保證修整器壽命的同時，不產生金剛石顆粒的脫落，造成對晶圓的劃傷。

2 關鍵技術展望及分析

以上耗材獨立于CMP 設備先期發展并取得了實用化的效果，這為450 mmCMP 提供了便利條件。而CMP 設備也正在開發中，目前CMP 設備兩大廠商AMAT（美國應用材料）及Ebara（日本荏原）占據著300 mm 晶圓的90%以上的市場，在450 mm 晶圓的CMP 設備上，這兩家設備制造商必定會不甘落后，暗暗研發設備及工藝，搶先占領市場先機。

對于450mm 的CMP 設備而言，其主要趨勢：

2.1 系統集成技術

CMP 主要工藝是針對STI（淺溝道隔離）、ILD（層間介質）、Tungsten（鎢），Copper（銅）應用，仍然會延續到450 mm 工藝中，但從14 nm 節點開始，不論是邏輯芯片還是存儲芯片，器件的HKMG（高K 金屬柵）及FinFET 結構是必然要求，所以針對HKMG 及FinFet工藝要求是450 mm 晶圓CMP 主要出發點。

由于HKMG 及FinFET 結構的薄膜厚度向10 nm 以下厚度方向發展，對CMP 設備精度及控制提出了更高的要求。在300 mm CMP 所有工藝方案中，以AMAT（應用材料）的三步工藝（三臺拋光）占據主流，到450 mm CMP 工藝方案中，有可能回歸到二步工藝方案。這不只是為了減小CMP 設備的平面尺寸的要求，主要驅動力是薄膜厚度實時控制要求。這同樣對CMP 關鍵環節-各類拋光液的研發提出了更高的要求。目前可喜的情況是拋光液研發是不依賴于450 mm CMP 設備而提前進行了研發，并已產生實際的成果。

既然450 mm CMP 工藝方案有可能回歸到二步工藝方案，那么只能從CMP 設備總體布局上要求。因此，設備的總體布局難點是設備布局不僅要適應于各種CMP 工藝的功能，而且要適應于設備本身的功能方案需要重新設計而不是300 mm 晶圓CMP 設備總體布局的延伸。

2.2 多區域壓力控制承載器技術

由于CMP 設備拋光運動方式在200 mm 工藝時期已經統一到旋轉運動方式上，并顯示出其優越性，那么在450 mm 工藝中，CMP 設備拋光運動方式仍然會沿用旋轉運動方式。另一方面，為了解決旋轉運動方式在拋光過程中的綜合去除率不一致問題，多區域壓力控制承載器技術應用產生，該技術在450 mm CMP 設備中將延伸應用。但在技術層面，面臨以下難點：

（1）相比300 mm CMP 設備的多區域壓力控制承載器，450 mm 晶圓CMP 設備承載器將采用6～8 個區域設計，使得承載器結構復雜，相關薄膜配件制造復雜。

（2）承載器耗材之一保持環需要按照“快速更換”思路設計，增大了保持環和承載器結構的復雜性。

（3）由于銅拋光和HKMG 工藝拋光的壓力要求越來越小（可能小于2.07×10-3MPa）,拋光下壓力精度維持性及區域壓力精度維持性要求很高，流體系統的控制分辨率要求小于0.14×10-3MPa，使得低壓力流體控制閥分辨率精度再次提高。采用超低壓力且較高精度維持性的流體系統及其控制系統，形成450 mm CMP 設備獨特的技術。

2.3 拋光墊修整技術

從CMP 技術產生和廣泛應用到現在，拋光墊修整技術一直采用金剛石輪修整技術，用來維持拋光墊穩定的去除速率，延長拋光墊使用壽命。但隨著晶圓直徑的增大和新型拋光墊的產生，金剛石輪修整技術主要面向不產生工藝缺陷的方向發展。但是，金剛石輪掉渣的風險依然存在，這對于450 mm 工藝是致命的問題。因此研發一種不產生污染的拋光墊修整技術和方法，成為450 mm CMP 工藝的獨特技術。

2.4 終點檢測技術

由 于STI、HKMG 及Copper 等CMP 工 藝 薄膜控制厚度小于10 nm 以下，終點檢測精度是重點攻克的技術。

(1)采用全斷面渦流掃描技術將延伸到450 mm應用。但渦流頻率將提高，同時實時掃描算法研究將隨著測試環境的多樣化來修正，形成450 mm CMP工藝獨特的技術。

(2) 采用全斷面光學掃描技術也將延伸到450 mm 應用，仍將采用白光光源。但光源需要通過實驗測定，實時掃描算法研究將隨著測試環境的多樣化以及拋光材料種類的多樣化，并通過實驗來修正，形成450 mm CMP 工藝獨特的技術。

2.5 后清洗技術

200 mm 工藝中，CMP 后清洗系統可相對于CMP 離線配合應用。進入300 mm 工藝，CMP 集成后清洗系統已經成為CMP 設備的標準模組。

集成電路制造中清洗工藝占整個工藝過程中的30%左右，隨著制造節點不斷縮小，清洗效果不僅要求越來越高，而且對器件的微結構損傷要求越來越苛刻。在14 nm 節點，后清洗顆粒的指標，要求大于30 nm 的缺陷顆粒小于10 顆，這就為CMP 后清洗提出更高挑戰。

在300 mm CMP 設備技術中，AMAT 公司后清洗技術由于技術需要和商業供應鏈原因研發了第四代后清洗系統。以Reflexion LK CMP 設備為代表的垂直清洗、IPA 干燥的后清洗技術，從2008年普遍采用后,且延伸應用到14 nm 工藝節點。但是，即使Reflexion LK CMP 采用了當前最先進后清洗技術，但在14 nm 工藝節點仍然存在問題。

在450 mm 清洗技術中，超臨界清洗技術產生并開始測試評估。由于超臨界清洗技術具備超清潔環保、節省水資源、對器件微結構損傷小等特點，可推廣應用到CMP 后清洗工藝中。但由于與CMP 設備集成方面的綜合要求，300 mm CMP 后清洗技術繼續延伸到450 mm 還是另辟蹊徑產生革命性的技術，目前尚未定論。

因此在450 mm 工藝中，全新CMP 后清洗技術是必然選擇要求，形成其獨特的技術。

3 結 論

本文從整體上分析了集成電路發展歷史，在此基礎上結合耗材發展趨勢，為450 mm 的CMP設備發展奠定了基礎，展望并分析了450 mm 晶圓CMP 的五項關鍵技術。

2013年，半導體大廠并未如分析家所預期的那樣大幅減少資本支出，英特爾、臺積電、三星三巨頭不但繼續擴增先進工藝的產能，而且都欲在20 nm 以下工藝與450 mm 晶圓技術方面超越對手，在今后幾年內以上三家也必將持續投資，這就加速推動CMP 設備研究及產業化的要求。

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