半導(dǎo)體制造材料(4)-CMP材料

CMP全稱為Chemical Mechanical Polishing，化學(xué)機械拋光，是半導(dǎo)體晶片表面加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，作用是實現(xiàn)晶圓全局均勻平坦化。CMP在前道制程中應(yīng)用最為廣泛，在各種薄膜沉積工藝之后、光刻工藝之前被多次重復(fù)使用。此外，CMP在硅片制造的拋光環(huán)節(jié)、后段封裝中的先進封裝中也有所應(yīng)用。

一、CMP原理：

與傳統(tǒng)的純機械或純化學(xué)的拋光方法不同，CMP工藝是通過表面化學(xué)作用和機械研磨的技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)晶圓表面微米/納米級不同材料的去除，從而達到晶圓表面納米級平坦化，使下一步的光刻工藝得以進行。

CMP過程：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現(xiàn)全局平坦化。拋光盤帶動拋光墊旋轉(zhuǎn)，通過先進的終點檢測系統(tǒng)對不同材質(zhì)和厚度的磨蹭實現(xiàn)3~10nm分辨率的實時厚度測量防止過拋，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)對晶圓全局的多個環(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到超高平整度和超低表面粗糙度。

圖1. CMP原理

CMP 系統(tǒng)主要材料包括拋光液和拋光墊，分別占據(jù)拋光材料成本的 49% 和 33%。其他拋光材料還包括拋光頭、研磨盤、檢測設(shè)備、清洗設(shè)備等。

圖2. CMP材料細分占比

二、CMP材料種類及應(yīng)用：

拋光液是一種由去離子水、磨料、PH 值調(diào)節(jié)劑、氧化劑以及分散劑等添加劑組成的水溶性試劑。在拋光的過程中，拋光液中的氧化劑等成分與硅片表面材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在表面產(chǎn)生一層化學(xué)反應(yīng)薄膜，后由拋光液中的磨粒在壓力和摩擦的作用下將其去除，最終實現(xiàn)拋光。拋光液可根據(jù)應(yīng)用工藝環(huán)節(jié)、配方中磨粒、PH 值的不同進行分類。

根據(jù)應(yīng)用工藝環(huán)節(jié)的不同，可分為硅拋光液、銅拋光液、阻擋層拋光液、鎢拋光液、鈷拋光液、介質(zhì)層（TDL）拋光液、淺槽隔離（STI）拋光液和硅通孔（TSV）拋光液。其中，硅拋光液多用于硅片的初步加工和打磨，銅拋光液和阻擋層拋光液用于對銅及其阻擋層的拋光，鎢拋光液用于通孔及接觸孔工藝，在存儲芯片制造中廣泛應(yīng)用，鈷拋光液多用于 10 nm 以下制程的芯片制造，硅通孔拋光液主要用于3D封裝工藝。

表1. CMP拋光液產(chǎn)品及應(yīng)用。

根據(jù)拋光液配方中磨粒的不同，可分為二氧化硅、氧化鈰、氧化鋁磨粒等三大類。二氧化硅磨?；钚詮?、易于清洗且分散性及選擇性好，多用于硅、SiO2層間介電層的拋光。缺點是硬度大，容易對硅片表面造成損傷，且拋光效率較低。氧化鋁磨粒拋光效率高，但硬度強、選擇性低且團聚嚴(yán)重，因此拋光液中常需加入各類穩(wěn)定劑和分散劑，導(dǎo)致成本相對較高。氧化鈰磨粒硬度低，拋光效率高，平坦度高，清潔無污染，但團聚嚴(yán)重，也需加入各類穩(wěn)定劑和分散劑，且鈰屬于稀有金屬，成本較高。

根據(jù) PH 值的不同，可分為酸性拋光液和堿性拋光液。酸性拋光液具有拋光效率高、可溶性強等優(yōu)點，多用于對銅、鎢、鋁、鈦等金屬材料進行拋光。其缺點是腐蝕性較大，對拋光設(shè)備要求高，所以常選擇向拋光液中添加抗蝕劑（BTA）提高選擇性，但 BTA的添加容易降低拋光液的穩(wěn)定性。不同于酸性拋光液，堿性拋光液具有腐蝕性小、選擇性高等優(yōu)點，多數(shù)用于拋光硅、氧化物及光阻材料等非金屬材料。堿性拋光液的缺點也較為明顯，因為不容易找到在弱堿性中氧化勢高的氧化劑，所以拋光效率較低。

拋光墊是負責(zé)輸送和容納拋光液的關(guān)鍵部件。在拋光的過程中，拋光墊具有把拋光液有效均勻地輸送到拋光墊的不同區(qū)域、清除拋光后的反應(yīng)物、碎屑等、維持拋光墊表面的拋光液薄膜，以便化學(xué)反應(yīng)充分進行、保持拋光過程的平穩(wěn)、和晶圓片表面不變形等功能。

拋光墊可以根據(jù)是否含有磨料、材質(zhì)和表面結(jié)構(gòu)的不同進行分類。根據(jù)拋光墊是否含有磨料，拋光墊可分為有磨料拋光墊和無磨料拋光墊；根據(jù)材質(zhì)的不同，也可分為聚氨酯拋光墊、無紡布拋光墊和復(fù)合型拋光墊；根據(jù)表面結(jié)構(gòu)的不同，又可分為平面型拋光墊、網(wǎng)格型拋光墊。

圖3. 不同芯片制程對應(yīng)CMP拋光次數(shù)

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