1983年的一個(gè)晴朗的午后，在美國(guó)的某個(gè)地方，作為今后半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)利巨頭的IBM似乎從來(lái)沒(méi)有預(yù)料到自己會(huì)發(fā)明今后世界上最賺錢(qián)的專(zhuān)利之一。
 
這一技術(shù)至今已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的核心專(zhuān)利，每年能夠?yàn)镮BM貢獻(xiàn)數(shù)十億美元的專(zhuān)利費(fèi)。
 
它就是CMP硅片平坦化技術(shù)。
 
CMP硅片平坦化技術(shù)是什么？
 
隨著電子產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)業(yè)對(duì)于半導(dǎo)體硅片、陶瓷以及光學(xué)玻璃表面的質(zhì)量和加工精度提出了更高的要求。
 
這種要求推動(dòng)著研究方向朝著高精密度、高集成度和高性能的方向迅速發(fā)展。但是，眾所周知，芯片在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)自然而然的形成臺(tái)階，同時(shí)隨著層數(shù)的增加，表面起伏的情況會(huì)愈加明顯。
 
這種起伏非常不利于垂直方向的工藝的發(fā)展，尤其是對(duì)光刻過(guò)程產(chǎn)生加大的影響。
 
這就對(duì)材料表面平坦化的技術(shù)以及磨料的性質(zhì)及其制備方法提出了新的要求，也就誕生了平臺(tái)化技術(shù)這一概念。
 
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，平臺(tái)化技術(shù)，就是使晶片表面保持平整平坦的工藝。
 
 
常見(jiàn)的傳統(tǒng)平面化技術(shù)很多，如熱流法，旋轉(zhuǎn)玻璃法，回蝕法，電子環(huán)繞共振法，選擇淀積，低壓CVD，等離子增強(qiáng)CVD,淀積-腐蝕-淀積法等。
 
但是，傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)有一個(gè)巨大的缺陷，僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)局部平坦化（使硅片上的局部趨于實(shí)現(xiàn)平坦化），但是當(dāng)最小特征尺寸達(dá)到0.25μm以下時(shí)，必須進(jìn)行全局平坦化。而之前提到的傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)，都屬于局部平面化工藝，不能做到全局平面化。
 
具體來(lái)看，CMP技術(shù)對(duì)于器件制造具有以下優(yōu)點(diǎn)：
 
首先，提高器件平面的總體平面度。
 
其次，改善金屬臺(tái)階覆蓋及其相關(guān)的可靠性，CMP能夠顯著的提高芯片測(cè)試中的圓片成品率。
 
最后，CMP允許所形成的器件具有更高的縱橫比，使更小的芯片尺寸增加層數(shù)成為可能。
 
CMP硅片平坦化技術(shù)的由來(lái)
 
CMP技術(shù)最早出現(xiàn)是在1965年，Walsh與Herzog提出了以二氧化硅為拋光漿料的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）。
 
在此之前，半導(dǎo)體基片的拋光主要以機(jī)械拋光為主，采用諸如氧化鎂、氧化鋯等機(jī)械拋光方法，得到的表面損傷極其嚴(yán)重。
 
而運(yùn)用CMP硅片平坦化技術(shù)能夠極大的提高拋光精度、拋光速率和拋光破壞深度等方面，而且加工方法簡(jiǎn)單，成本低廉，也是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)全局平坦化的技術(shù)。
 
 
不過(guò)在CMP技術(shù)出現(xiàn)的前20年，追逐只是用于獲取高質(zhì)量的玻璃表面，如軍用望遠(yuǎn)鏡等應(yīng)用，并沒(méi)有被應(yīng)用到半導(dǎo)體領(lǐng)域，一方面是因?yàn)楫?dāng)時(shí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)處于剛剛起步階段，對(duì)于平坦化的要求不高，另一方面則是因?yàn)榘雽?dǎo)體工藝制程還沒(méi)有發(fā)展到需要大規(guī)模使用這一工藝的程度。
 
但是隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品的核心部件不斷向著小型化、高密度和高運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)展，集成電路的線寬也逐漸縮小，從1995年的0.35μm，發(fā)展到1998年的0.18μm，并向著0.13μm不斷細(xì)化的過(guò)程中，平坦化所帶來(lái)的困擾就愈加明顯。
 
為了解決半導(dǎo)體工藝中遇到的一系列問(wèn)題，IBM在1983年將CMP技術(shù)引入到了半導(dǎo)體制造過(guò)程中，發(fā)明了著名的CMP制程，也就是如今的CMP硅片平坦化技術(shù)。
 
但是在CMP制程發(fā)明的前幾年里，IBM并沒(méi)有很快將這樣制程應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中，究其原因就是在于CMP制程的不成熟和相關(guān)材料的試行。
 
因此，1986年，氧化硅CMO開(kāi)始試行，1988年，金屬鎢CMP開(kāi)始試行上線。
 
直到此時(shí)，IBM公司才真正放心將CMP技術(shù)工藝運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)中，并于1988年推出了運(yùn)用CMP工藝的4Mb DRAM器件。
 
CMP硅片平坦化技術(shù)的原理
 
如之前所說(shuō)，CMP技術(shù)的主要目的就是消除芯片表面的高點(diǎn)及波浪形。
 
那么在實(shí)際工作的過(guò)程中，CMP利用將圓晶圓片在研磨漿的存在下相對(duì)于一個(gè)拋光墊旋轉(zhuǎn)，并施加一定的壓力，借助機(jī)械磨削及化學(xué)腐蝕作用來(lái)完成拋光。
 
 
一般來(lái)看，CMP技術(shù)所采用的設(shè)備及消耗品包括：CMP設(shè)備，研漿，拋光墊，后CMP清洗設(shè)備，拋光終點(diǎn)檢測(cè)及工藝控制設(shè)備，研漿分布系統(tǒng)，廢物處理和檢測(cè)設(shè)備等。
 
其中研漿和拋光墊屬于消耗品，其余為拋光及輔助設(shè)備。
 
如果把CMP的全套工藝比作打仗用兵，那么CMP工藝中的耗材，特別是研漿的選擇無(wú)疑是“運(yùn)用之妙”的關(guān)鍵所在。
 
所以，研漿是CMP的關(guān)鍵要素之一，其性能直接影響拋光后表面的質(zhì)量。
 
從籍籍無(wú)名到聞名天下
 
雖然在半導(dǎo)體領(lǐng)域，IBM是一家半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)先公司，并以輸出技術(shù)及提供服務(wù)平臺(tái)而聞名。觀察到它與Chartered，Samsung，AMD等有很長(zhǎng)的技術(shù)合作歷程。它開(kāi)發(fā)了許多專(zhuān)利技術(shù)，大多非自用，而是作為技術(shù)輸出。
 
對(duì)于CMP技術(shù)的態(tài)度，IBM也是一樣。
 
在1988年實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)之后，雖然IBM在1991年的時(shí)候再一次成功的將CMP技術(shù)應(yīng)用到64Mb DRAM的生產(chǎn)中，但是在此之前的1990年，IBM就已經(jīng)將CMP技術(shù)工藝轉(zhuǎn)讓給了Micro Technology公司，然后才在1991年與Motorola公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了這款產(chǎn)品。
 
但是不可否認(rèn)的是，也正是這一產(chǎn)品的推出，標(biāo)志著CMP技術(shù)從實(shí)踐中發(fā)展了起來(lái)，并順利的在全世界的各種會(huì)議和研究報(bào)告中傳播，從而逐步走向工業(yè)化生產(chǎn)。
 
1992年6月，在美國(guó)召開(kāi)的第九屆國(guó)際VMIC會(huì)議上，IBM和Micro Technology聯(lián)合發(fā)售CMP技術(shù)作為半導(dǎo)體多層膜的平坦化技術(shù)，引起了半導(dǎo)體領(lǐng)域加工者的矚目。
 
 
此后，CMP第一次出現(xiàn)在SIA的Roadmap中，廣泛的被美國(guó)廠商所采用，并逐步被歐洲，日本，亞太地區(qū)的廠商所接納。
 
1994年，臺(tái)灣的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠第一次開(kāi)始將化學(xué)機(jī)械研磨應(yīng)用于生產(chǎn)中。
 
1996年，日本主要的10家IC制造廠有7家將CMP技術(shù)引入IC生產(chǎn)線，在生產(chǎn)0.35μm器件的時(shí)候使用CMP工藝。
 
自1996年后，STI CMP、PSP、W-CMP相繼發(fā)展并日趨成熟。韓國(guó)和臺(tái)灣也開(kāi)始CMP在內(nèi)的亞微米技術(shù)。
 
不難發(fā)現(xiàn)，在最初的幾年之中，CMP的研究開(kāi)發(fā)工作主要以美國(guó)為主的聯(lián)合體SEMATECH為主，逐漸延伸至歐洲聯(lián)合體JESSI，法國(guó)研究公司LETI和CNET，德國(guó)FRAUNHOFEI研究所等等。
 
CMP發(fā)展的三個(gè)階段
 
大致來(lái)說(shuō)，CMP技術(shù)發(fā)展歷程可以分為三個(gè)階段：
 
第一階段，銅布線工藝出現(xiàn)之前，主要研磨材料為鎢和氧化物。
 
第二階段，1997年至2000年，銅鑲嵌技術(shù)出現(xiàn)，從0.25μm節(jié)點(diǎn)計(jì)入0.13μm節(jié)點(diǎn)。
 
第三階段，90-65nm節(jié)點(diǎn)，采用銅互連和低K介質(zhì)，研磨對(duì)象為銅互連曾，層間絕緣膜和減溝道隔離。
 
目前，CMP技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成以化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)為主體，集在線檢測(cè)、終點(diǎn)檢測(cè)、清洗等技術(shù)于一體的CMP技術(shù)，是集成電路向微細(xì)化、多層化、薄型化、平坦化工藝發(fā)展的產(chǎn)物。同時(shí)也是晶圓由200mm向300mm乃至更大直徑過(guò)渡、提高生產(chǎn)率、降低制造成本、襯底全局平坦化所必需的工藝技術(shù)。
 
 
CMP依然存在問(wèn)題
 
盡管CMP技術(shù)的發(fā)展速度很快，但是目前對(duì)于CMP技術(shù)的了解還處于定性的幾段，需要解決的理論和技術(shù)問(wèn)題還有很多。
 
如對(duì)于拋光闡述對(duì)平面度的影響，拋光墊，漿料之間的相互作用，漿料化學(xué)性質(zhì)對(duì)各種CMP參數(shù)的影響及其機(jī)理了解甚少。
 
以漿料為例，漿料研究的最終目的是找到化學(xué)作用和機(jī)械作用的最佳結(jié)合，以致能獲得去除速率高、平面度好、膜厚均勻性好及選擇性高的拋光漿料。此外還要考慮易清洗性、對(duì)設(shè)備的腐蝕性、廢料的處理費(fèi)用及安全性等問(wèn)題。這些都仍然處于定性階段。
 
具體來(lái)說(shuō)，CMP還存在以下問(wèn)題：
 
首先，CMP加工過(guò)程的控制還停留在半經(jīng)驗(yàn)階段，難以保證表面的高精度和平整度加工要求。
 
其次，CMP工藝的復(fù)雜性影響因素的多樣性增加了問(wèn)題的研究難度。
 
最后，CMP加工材料去除、拋光缺陷機(jī)理、拋光過(guò)程中納米粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及行為以及CMP工藝方面的實(shí)際問(wèn)題還沒(méi)有完全弄清楚。
 
 
如何定量的確定最佳的CMP工藝、系統(tǒng)的研究CMP工藝參數(shù)、建立完善的CMP理論模型、滿足各種大型集成電路對(duì)CMP工藝的不同要求，是目前研究CMP技術(shù)的重大課題。
 
而半導(dǎo)體業(yè)界對(duì)于CMP工藝也有相應(yīng)的“潛規(guī)則”，即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)slurry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)的明顯，致命缺陷的大小至少要求小于器件尺寸的50%。
 
降低缺陷是CMP工藝，乃至整個(gè)芯片制造的永恒話題。
 
CMP的未來(lái)是集成電路的未來(lái)
 
隨著集成電路的高密度花、微細(xì)化和高速化，CMP在集成電路中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的平坦化工藝已經(jīng)達(dá)到了極限，因此需要加大對(duì)于新的平坦化方法的研究。
 
對(duì)于目前的中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，如果要想進(jìn)一步發(fā)展用于各種高性能和特殊用途的集成電路的制造，就需要明白超精細(xì)表面全局平面化技術(shù)已經(jīng)成為最重要的半導(dǎo)體技術(shù)，也是參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)，其增長(zhǎng)勢(shì)頭和發(fā)展前景非?？陀^。
 
深入研究和發(fā)展CMP技術(shù)，并形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料和工藝，將進(jìn)一步提高我國(guó)的國(guó)際地位，促進(jìn)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展！

2017-10-30  來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

文章關(guān)鍵詞： 韋爾半導(dǎo)體  香港華清電子(集團(tuán))有限公司  晶圓