半导体 | 平坦化设备

对于使用多层布线工艺的高级逻辑器件来说，CMP设备是至关重要的。本部分将介绍什么是平坦化设备。

CMP 工艺和设备

CMP 设备的概略图

平坦化设备的构成要素

二、各种平坦化设备的登场

皮带式 CMP 设备的概要 

牵引式的平坦化设备

接下来是牵引式CMP设备。外形如图9-4所示，这是一种强调机械研磨色调的CMP装置，以晶圆背面为基准进行平坦化加工。这是通过高速旋转的砂轮和半固定的粒轮来。对晶圆表面进行研磨的，通过降低砂轮的Z轴来增加研磨压力。为了简化图示，并没有显示研磨液的部分。虽然图中没有显示，但研磨轮是多孔的，研液通过这些孔进出。

牵引式的 CMP 设备概要 

由于该方法不是拖尾研磨，因此存在难以确保研均匀性的问题。如前所述，拖尾研磨是一种以晶圆表面为基准面的研磨方法，如下图所示。虽然为了便于理解，该图运用了夸张的手法，但在显微镜下观察时，晶圆的表面确实是不平坦的。

CMP 各种类型的比较

晶圆厚度也有参差。之所以叫拖尾研磨，正是因为该工艺需要对“抹平”表面厚度不齐的地方进行加工。这就是为什么在平坦化设备中需要插入气囊和膜片，使研磨头上晶圆的移动更加灵活。通过这样的研磨，才使得布线上的层间绝缘膜的厚度变得均匀。另一方面在牵引式研磨的方法中，以晶圆背面为基准面实施平坦化，因此研磨后的布线上的层间绝缘膜的厚度容易变得不均匀。看来拖尾研磨才是合适的半导体工艺。

到目前为止，我们已经介绍了两个曾经存在过的CMP设备。虽然各种CMP设备都被提出过，但终须经过现场的评估才能得以传承。现在留下来的设备都是半导体工艺诸多成果的累积。

当然，不仅限于CMP设备，其他工艺的半导体制造设备也同理可推。

三、平坦化设备和后清洗功能

CMP 是一种用含有颗粒的研磨液处理晶圆的工艺。所以需要进行后清洗，以防止这种研磨液残留在晶圆上。

什么是平坦化后清洗?

清除研磨液需要将清洗模块进行内置(built-in：意味着清洗设备需要与 CMP 设备集成在一起。CMP 设备制造商也为此提供了整体解决方案)，与CMP装置形成一体化。见图 9-6所示。如果研液残留在晶片表面待其干燥，研磨液粒子就会在晶圆表面黏合无法去除。因为颗粒污染对于半导体器件是非常头疼的事情，无尘室的建设中也极力防止颗粒的产生。在此背景下，在晶圆还没有离开CMP设备的时候，去除研液的想法也算是合理。“干进干出”的半导体工艺指导思想再一次发挥了作用。

CMP 设备和后清洗部分的模式图

顺便说一句，从1990年初开始引进实验性CMP设备时，并没有内置清洗模块，所以在CMP处理完成后，需要将晶圆放入纯水中防止干燥，然后运到清洗设备处进行清洗。后来内置清洗模块之所以成为主流，可能是因为CMP设备厂商的寡头垄断发展，使其认为有必要为用户提供整体解决方案。在内置清洗模块时，需要减小整个设备的占地面积为此厂家也采取了各种措施。具体见上图。这只是其中一个例子，也有CMP部分拥有多个研磨头，只有一个后清洗模块的例子，这些都反映了设备制造商的想法。不同的CMP工艺和后清洗工艺需要不同的处理时间，这意味着需要对各个工艺进行精密规划。

后清洗模块的构成要素

后清洗的主要功能由毛刷清洗和旋转清洗组合而成。有些使用超声波，清洗设备属于多端口的设备，干燥也在旋转清洗部分进行。但是即便打算用刷子清除研液，也是有可能重新附着的，需要小心。毛刷清洗有滚刷和笔刷，材质有PFA和PVA海绵。PFA是全氟树脂，PVA是聚乙烯醇树脂。下图显示了后清洗模块的一个示例。本例是3个端口的示例。CMP设备制造商大多准备了2端口或3端口系统，而用户可以根据设备特点进行多样的后清洗方法的组合。

清洗部分和刷子的模式示意图

关于清洗液的化学性质:NH₄OH+H₂O一般用于刷洗，NH₄OH+H₂O或HF+H₂O一般用于去除金属污渍，PMD（Pre-Melal Dieleelnies的缩写，W插塞的层间绝缘膜）、ILD（Inter-Metal Dieleetries 的缩写，AI 或者 Cu 布线的层间绝缘膜）用于超声波清洗，NH₄OH+H₂O₂+H₂O用于多晶硅插塞（它是用多品硅制成的插塞。插塞是将晶体管的源极和漏极连接到布线层的导电材料。使用场景:DRAM 混合逻辑器件对防止金属污染有很高要求的情况时使用），NH₄OH+H₂O用于钨插塞的清洗。在 Cu 的情况下，还可以考虑使用还原水(电解阴极水)+有机酸和表面活性剂。这些只不过是一般示例，其实有很多其他化学反应可以利用。

如上图所示，滚刷型的滚筒每分钟旋转几百次，对晶圆表面和背面进行清洗。研磨液也有可能附着在晶圆背面，所以对晶圆两面都进行清洗。笔刷型也要每分钟旋转几百圈，清洗晶圆表面。

四、什么是平坦化研磨头?

研磨头在后续研磨工艺中起着重要作用。在这里，我们将介绍保持器、背膜和休整器。

什么是保持器?

请再看一下图CMP头部概要图，保持器是位于晶圆外圆周上的环。通过保持器可以控制研磨的均匀性。下图显示了没有保持器的情况，但是当晶圆被研压力压在研磨垫上时，形成了促进平坦化处理的所谓“圆边”的现象。

没有保持器的情况

如下图所示，保持器使研磨垫的表面相对于晶圆能够均匀接触。在CMP头部概要图中显示的是可以独立于保持器进行施压的例子。保持器在工作中也有磨损，需要定期更换。保持器的材料一般是基于聚酰亚胺的树脂。

有保持器的情况

什么是背膜?

当从晶圆背面使用刚体对其施加力时，平坦化处理是以背面为基准面的，此时的研磨会吸收晶圆厚度的变化，使得设备无法对晶圆施加均匀的研磨压力。如果是用空气压力等对研磨垫进行施压，就可以使得研磨压力均匀作用在晶圆表面，也就形成了表面为基准面的研磨。为此需要使用有弹性的背膜。材质为聚氨酯泡沫膜。CMP头部概要的示例使用了空气膜。

什么是修整器?

修整器与研磨头没有直接关系，但它在平坦化中也起着重要作用，所以这里会简要介绍一下。使用修整器在原位刷新，以防止研垫中的研磨液和平坦化加工碎屑堵塞。这是通过将研磨垫的表面保持在相对恒定的状态下来确保平坦化工艺的再现性。修整器内嵌有金刚石颗粒，是用来刮研磨垫表面的。修整器也是一个消耗品。

五、平坦化设备的研磨液和研磨垫

平坦化设备中必不可少的是研磨液和研磨垫。这些部件也都影响着工艺处理的结果在这里，我们将介绍研磨液的供应方法和研磨垫的类型。

研磨液的供给

从历史上看，自从IBM研发出平坦化工艺以来，研磨液和研垫最初由美国零部件制造商垄断，但目前日本制造商已大幅反弹。研磨液是通过在化学溶剂中均匀、游离研磨颗粒而成。研磨颗粒有各种类型，例如二氧化硅、二氧化铈和氧化铝等。根据平坦化(CMP)处理对象的材料，化学溶液的使用方法也多种多样，例如针对氧化膜的研磨液则是在二氧化硅中掺入主要含有KOH的化学药品而制成的。研液由专门的材料制造商根据使用场景实现了商业化。

据说CMP工艺中使用研磨液的量约为每片100ml。在高级逻辑器件品圆厂的前段制程中运行着数十台CMP设备，所以大量研液的使用也是很容易想象的。由于研磨液是一种浑浊的液体，在某些情况下可能会聚合沉淀，所以需要采取措施延长研磨液的寿命。现在可以按需混合（这里的意思是根据晶圆厂的生产计划，在半导体晶圆厂内部混合所需量的研液）。随时提供新鲜状态的研磨液的系统已经成熟。也有专门的制造商提供相关研磨液供给系统。此外，为了防止研磨液的聚合沉淀，也会向其中添加分散剂。见下图。

向 CMP 设备供给研磨液的模式图

另一个问题是含有研磨液的废液处理问题。应该指出的是，也有从这些废液中提取研磨液的尝试。如今最大的问题在于大量使用研磨液的成本。

研磨垫

研磨垫一般分为硬垫和软垫。在某些情况下，会将两者结合使用。材质使用的是聚氨酯泡沫。

当然在进行平坦化时，需要根据处理对象的材料来选择研磨垫。研垫在平坦化处理中也会磨损，因此最大的挑战还是研磨垫的使用寿命。通常，在数百枚晶圆上进行平坦化后，需要更换研磨垫。此外，研磨垫的更换和更换的相关条件都需要时间去摸索和磨合这会成为晶圆厂运营中的一个问题。

此外，研磨垫上也有开槽，防止晶圆上研液的吸附。通常如下图所示，使用网格状或同心圆状的研磨垫。但具体操作则要看半导体制造商各自的发挥了，因此半导体制造商也可以先买入没有沟槽的研磨垫，然后自行加工也是一个很好的例子。半导体制造商也有可能将这种类型的加工外包出去。另一个问题是研磨液、研磨垫和修整器之间的兼容性也是一个课题。

CMP 设备的研磨垫的开槽图案

由于平坦化具有机械加工方面的特性，所以与其他工艺相比，它使用了品圆厂中很大比例的耗材。据说一半的运行成本都是消耗品。消耗品中又以研液和研磨垫的比例较大。

六、端点监测机制

最后介绍的是CMP设备的端点监测功能。如果CMP设备不能准确地监测到研磨完成的部分，就会发生过度淹没，从而有可能生产出有缺陷的产品。

什么是端点监测?

CMP和蚀刻一样，是一种“削除”的处理过程，所以如果在最佳时间停止处理是一个难点。CMP本身的速率不稳定也是一个问题，在此背景下比起CMP处理的时间管理更需要一个精确的端点监测功能。

笔者也经历过各种各样的事情，但是从晶圆厂现场的操作来看，由于测试所用品圆的图案形状和密度大有不同，所以试运行条件的结果不一定可以运用到实际生产中。这也是一个常见的问题。

对于蚀刻设备这样的“削除”工艺，思路也是一样的。下图总结了CMP设备和蚀刻设备的异同。要解决以上的问题终究还是需要端点监测。

CMP 设备和干法蚀刻设备的比较示意图

实际中的端点监测方法

在下图中总结了提出的各种端点监测方法。其中，扭矩传感器和振动传感器利用了CMP研磨头旋转的扭矩和振动变化，笔者认为这是CMP独有的监测方法。而光学设备则为目前设备的主流。CMP设备的寡头垄断正在形成，所以可能主流设备厂商使用的都是光学设备。光学设备通过研磨垫上的透光窗监测研磨表面反射率的变化。

现行的端点监测方法的示例

一些公司制造和销售用于CMP的端点监测设备，可以看出端点监测在CMP中的重要性。

参考文献：

(客服电话4001021226)

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