集成電路制造中的化學(xué)機(jī)械拋光cmp工藝

集成電路制造中的化學(xué)機(jī)械拋光cmp工藝

0藝包制作技術(shù)集成電路是一個(gè)有著高資本和技術(shù)壁壘的行業(yè)。它具有投資高、周期長、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。CMP工藝是集成電路制造的核心技術(shù)，90%以上的高端CMP機(jī)臺(tái)設(shè)備和拋光液、拋光墊等關(guān)鍵耗材均被國外供應(yīng)商壟斷。當(dāng)今國際形勢風(fēng)云突變，國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期。隨著產(chǎn)業(yè)資金投入增加和優(yōu)秀企業(yè)人才引入，CMP關(guān)鍵設(shè)備和材料領(lǐng)域中均涌現(xiàn)出優(yōu)秀企業(yè)在高端工藝應(yīng)用中取得突破。1cmp納米化研磨1980年代IBM發(fā)明化學(xué)機(jī)械拋光（ChemicalMechanicalPolishing,CMP）技術(shù)以來，該技術(shù)已成為集成電路制造中標(biāo)準(zhǔn)的平坦化技術(shù)。CMP是一種表面全局平坦化技術(shù)，它通過夾持硅片的研磨頭和研磨墊之間的相對運(yùn)動(dòng)來平坦化硅片表面，在研磨墊和硅片之間有一定流量的研磨液，并通過研磨頭的不同區(qū)域同時(shí)施加不同壓力來改善區(qū)域研磨速率，從而保證硅片表面的均勻性（圖1）。隨著集成電路的技術(shù)節(jié)點(diǎn)的提升，CMP拋光高平整度、高均一性、低缺陷和低壓力的要求日益提高。作為一種集機(jī)械學(xué)、流體力學(xué)、材料化學(xué)、精細(xì)化工、控制軟件等多領(lǐng)城最先進(jìn)技術(shù)于一體的設(shè)備，先進(jìn)CMP裝備的開發(fā)研制難度可想而知2cmp研磨墊行業(yè)目前，CMP設(shè)備市場主要由美國的應(yīng)用材料（AppliedMaterials,AMAT）公司和日本的荏原機(jī)械（Ebara）兩家公司高度壟斷，占有90%的市場份額。國內(nèi)CMP設(shè)備的主要研發(fā)單位有天津華海清科和中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，其中華海清科的拋光機(jī)已在中芯國際生產(chǎn)線上試用，2018年1月，華海清科的Cu&SiCMP設(shè)備進(jìn)入上海華力，標(biāo)志著國產(chǎn)首臺(tái)12英寸銅制程工藝CMP設(shè)備正式進(jìn)入集成電路大生產(chǎn)線（圖2)CMP過程中的所用到的主要材料是拋光液和拋光墊，而且這兩種材料是耗材，需要頻繁更換。在整個(gè)CMP材料市場中，拋光液和拋光墊所占份額合計(jì)超過80%。拋光液：CMP拋光液是平坦化工藝中研磨材料和化學(xué)添加劑的混合物，拋光液的很多性質(zhì)都會(huì)影響研磨速率：CMP拋光液的化學(xué)成分、濃度、黏度、pH值、流速、流動(dòng)途徑等；研磨顆粒的種類、大小、形狀及濃度等。拋光墊：拋光墊的主要作用有：(1)能貯存拋光液，并把它運(yùn)送到工件的整個(gè)加工區(qū)域，使拋光均勻；(2)從工件拋光表面除去拋光過程產(chǎn)生的殘留物（如拋光碎屑、拋光碎片等）；(3)傳遞材料去除所需的機(jī)械載荷；(4)維持拋光過程所需的機(jī)械和化學(xué)環(huán)境。拋光墊的表面組織特征，如微孔形狀、孔隙率、溝槽形狀等，可通過影響拋光液流動(dòng)和分布，來決定拋光效率和平坦性指標(biāo)拋光墊是CMP體系中的關(guān)鍵材料，門檻較高。主要供應(yīng)商為陶氏化學(xué)，此外還有美國Cabot、3M等，其中陶氏化學(xué)占拋光墊市場份額高達(dá)90%。拋光液主要是復(fù)配技術(shù)，行業(yè)毛利率為30%至40%左右水平，主要廠商包括美國Cabot、日本Fujimi等。隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始向中國轉(zhuǎn)移，晶圓建廠浪潮來襲。2017～2020年全球有62座新的晶圓廠投入營運(yùn)，中國大陸有26座，占比高達(dá)42%。拋光墊作為半導(dǎo)體上游材料在這一輪產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中將高度受益，拋光墊的需求出現(xiàn)激增，因國產(chǎn)材料具有明顯的價(jià)格和服務(wù)等優(yōu)勢，國產(chǎn)替代進(jìn)程將必不可少。國內(nèi)企業(yè)正在積極布局這一領(lǐng)域。安集微電子：位于上海的中美合資企業(yè)，產(chǎn)品包括CMP拋光液、清洗液等，先后完成銅及銅阻擋層系列、鎢拋光液、硅拋光液、氧化物拋光液等產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，已在130～14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；N售，主要應(yīng)用于國內(nèi)8英寸和12英寸主流晶圓產(chǎn)線；10～7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品正在研發(fā)中，是國內(nèi)唯一一家12英寸集成電路制造用化學(xué)機(jī)械拋光液穩(wěn)定供貨的國產(chǎn)供應(yīng)商。鼎匯微電子：作為國內(nèi)唯一全制程CMP研磨墊供應(yīng)商，承擔(dān)國家02專項(xiàng),負(fù)責(zé)20～14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)CMP拋光墊產(chǎn)品研發(fā)。DH30XX型號(hào)已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)FAB，用于成熟制程，同時(shí)積極布局先進(jìn)制程，已在主流客戶進(jìn)行測試且初步反饋結(jié)果良好。2.1日本在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的分布30年前日本和美國的芯片大戰(zhàn)改變了全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的格局。從結(jié)果看，日本基本輸?shù)袅藘?nèi)存芯片的高地，韓國則順勢搶下內(nèi)存產(chǎn)業(yè)，三星、SK海力士等企業(yè)在存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的崛起，給外界傳達(dá)了日本半導(dǎo)體制造衰落，而韓國則掌控上游產(chǎn)業(yè)鏈的高科技形象。但在2019年的日韓貿(mào)易戰(zhàn)中，兩者的地位卻突然反轉(zhuǎn)，日本憑借在半導(dǎo)體上游原材料和硬件設(shè)備上的硬核能力，通過斷供扼住韓國半導(dǎo)體的喉嚨，站在了食物鏈的頂端。雖然日本逐漸離開了大眾熟知的半導(dǎo)體成品戰(zhàn)場，但是從整體產(chǎn)業(yè)鏈來看，日本的鏈條十分完備。在材料中成本占比最高的硅片領(lǐng)域（超過30%），日本信越化學(xué)一騎絕塵，市場份額第一；在光刻膠領(lǐng)域，日本JSR、東京應(yīng)化工業(yè)、住友化學(xué)等企業(yè)處于壟斷地位；在靶材領(lǐng)域，日本的日礦金屬、霍尼韋爾、東曹、普萊克斯占據(jù)了大部分市場；即便是在技術(shù)桂冠光刻機(jī)方面，日本尼康和佳能也可以生產(chǎn)，雖然制程和市場份額比不上荷蘭的ASML，但是仍能為本國公司提供保障日韓貿(mào)易戰(zhàn)對于中國半導(dǎo)體行業(yè)具有警示意義，而隨著“中興事件”“華為事件”，以及愈演愈烈的中美貿(mào)易戰(zhàn)，我們更加清醒地認(rèn)識(shí)到打造國內(nèi)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的裝備產(chǎn)業(yè)體系，形成自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈的國家戰(zhàn)略意義。2.2支持中國芯軸2.2.1推進(jìn)國產(chǎn)設(shè)備和工藝平臺(tái)建設(shè)作為國內(nèi)領(lǐng)先的集成電路芯片制造企業(yè)，上海華力擁有兩條12英寸先進(jìn)生產(chǎn)線，工藝技術(shù)涵蓋65/55nm、40nm、28/22nm和更先進(jìn)的邏輯工藝技術(shù)平臺(tái)；同時(shí)專注于差異化路線，重點(diǎn)布局射頻、高壓、嵌入式非易失性存儲(chǔ)器工藝(eNVM)、超低耗、圖像傳感器以及獨(dú)立式非易失性閃存工藝(NORFlash)等特色工藝平臺(tái)。2018年華力引入首臺(tái)華海清科12寸CMP機(jī)臺(tái)，有力推動(dòng)了國產(chǎn)設(shè)備和大尺寸晶圓片的生產(chǎn)線的結(jié)合，兩家公司在深入合作中也建立了相互信任、合作共贏的良好關(guān)系。為應(yīng)對日益復(fù)雜的國際環(huán)境，加快國產(chǎn)替代速度，由上海華力牽頭，形成華海清科CMP機(jī)臺(tái)搭配鼎匯研磨墊和安集研磨液的國產(chǎn)CMP三合一模式。這是全球首次12英寸先進(jìn)生產(chǎn)線上全國產(chǎn)CMP裝備的攻關(guān)探索，不僅僅是從0到1的嘗試突破，也為我國集成電路裝備國產(chǎn)化開辟了新思路、新方法。2.2.2研磨時(shí)間和研磨速率對cmp穩(wěn)定性的影響層間介質(zhì)研磨(ILDCMP)通過拋光SiO上海華力使用業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的先進(jìn)自動(dòng)工藝控制系統(tǒng)（I-APC）來實(shí)現(xiàn)厚度精準(zhǔn)控制（圖4），保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)可以減少前值不穩(wěn)定對CMP后值厚度的影響；實(shí)時(shí)更新研磨時(shí)間，減少因隨著設(shè)備耗材使用時(shí)間變化帶來研磨速率的變化對CMP后值厚度的影響；即使后值厚度偏離目標(biāo)值也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)返工，避免了人為返工犯錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。I-APC系統(tǒng)已經(jīng)成熟應(yīng)用于上海華力量產(chǎn)工藝中，對于華海清科國產(chǎn)研磨機(jī)臺(tái)也開發(fā)了國內(nèi)自己的I-APC系統(tǒng)。3cmp研磨工藝難點(diǎn)集成電路產(chǎn)業(yè)屬于高精尖科技產(chǎn)業(yè)，近期的中美貿(mào)易摩擦和中興、華為事件，折射中國集成電路自有核心技術(shù)不足，國產(chǎn)芯片市場生態(tài)不成熟等缺點(diǎn)。但在國家戰(zhàn)略層面的大力推動(dòng)下，這對于國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)來說，既是挑戰(zhàn)，也是彎道超車的機(jī)遇。上海華力整合不同國產(chǎn)設(shè)備，探索三合一產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)的方法，為當(dāng)下國內(nèi)集成電路企業(yè)破局發(fā)展提供了一個(gè)新思路。實(shí)現(xiàn)真正的半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化的道路任重而道遠(yuǎn)，在政府、企業(yè)、高校、相關(guān)從業(yè)人員等各方力量長期共同努力下，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)必將擺脫受制于人的局面，取得突出成績。除了整體厚度的高要求外，CMP研磨最大的工藝難點(diǎn)在于晶圓面內(nèi)邊緣的不可控，尤其在145mm以外的部分，無論機(jī)臺(tái)壓力管控，還是研磨墊及研磨液在于晶圓邊緣處均會(huì)出現(xiàn)研磨形貌改變，三者合一，變量更多，挑戰(zhàn)極大（圖5）。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，隨著研磨時(shí)間的增加，研磨墊作為易耗品溝槽會(huì)逐漸變淺，但是研磨墊邊緣處的溝槽衰減的更為嚴(yán)重