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晶圓廠這道工序曾讓IBM年入數十億,創新是半導體第一生產力!
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1983年的一個晴朗的午後,在美國的某個地方,作為今後半導體產業的專利巨頭的IBM似乎從來沒有預料到自己會發明今後世界上最賺錢的專利之一。

這一技術至今已經成為半導體產業中的核心專利,每年能夠為IBM貢獻數十億美元的專利費。

它就是CMP矽片平坦化技術。

CMP矽片平坦化技術是什麼?
隨著電子產業、半導體產業的不斷發展,產業對於半導體矽片、陶瓷以及光學玻璃表面的品質和加工精度提出了更高的要求。

這種要求推動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展。但是,眾所周知,晶片在生產過程中會自然而然的形成臺階,同時隨著層數的增加,表面起伏的情況會愈加明顯。

這種起伏非常不利於垂直方向的工藝的發展,尤其是對光刻過程產生加大的影響。

這就對材料表面平坦化的技術以及磨料的性質及其製備方法提出了新的要求,也就誕生了平臺化技術這一概念。

簡單來說,平臺化技術,就是使晶片表面保持平整平坦的工藝。

常見的傳統平面化技術很多,如熱流法,旋轉玻璃法,回蝕法,電子環繞共振法,選擇澱積,低壓CVD,等離子增強CVD,澱積-腐蝕-澱積法等。

但是,傳統的平坦化技術有一個巨大的缺陷,僅僅能夠實現局部平坦化(使矽片上的局部趨於實現平坦化),但是當最小特徵尺寸達到0.25μm以下時,必須進行全域平坦化。而之前提到的傳統的平坦化技術,都屬於局部平面化工藝,不能做到全域平面化。

具體來看,CMP技術對於器件製造具有以下優點:
首先,提高器件平面的總體平面度。

其次,改善金屬臺階覆蓋及其相關的可靠性,CMP能夠顯著的提高晶片測試中的圓片成品率。

最後,CMP允許所形成的器件具有更高的縱橫比,使更小的晶片尺寸增加層數成為可能。

CMP矽片平坦化技術的由來
CMP技術最早出現是在1965年,Walsh與Herzog提出了以二氧化矽為拋光漿料的化學機械拋光技術(CMP)。
在此之前,半導體基片的拋光主要以機械拋光為主,採用諸如氧化鎂、氧化鋯等機械拋光方法,得到的表面損傷極其嚴重。

而運用CMP矽片平坦化技術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,而且加工方法簡單,成本低廉,也是目前唯一能夠實現全域平坦化的技術。

不過在CMP技術出現的前20年,追逐只是用於獲取高品質的玻璃表面,如軍用望遠鏡等應用,並沒有被應用到半導體領域,一方面是因為當時半導體產業處於剛剛起步階段,對於平坦化的要求不高,另一方面則是因為半導體工藝制程還沒有發展到需要大規模使用這一工藝的程度。

但是隨著半導體產品的核心部件不斷向著小型化、高密度和高運轉速度發展,積體電路的線寬也逐漸縮小,從1995年的0.35μm,發展到1998年的0.18μm,並向著0.13μm不斷細化的過程中,平坦化所帶來的困擾就愈加明顯。

為了解決半導體工藝中遇到的一系列問題,IBM在1983年將CMP技術引入到了半導體製造過程中,發明了著名的CMP制程,也就是如今的CMP矽片平坦化技術。

但是在CMP制程發明的前幾年裡,IBM並沒有很快將這樣制程應用到實際的生產當中,究其原因就是在於CMP制程的不成熟和相關材料的試行。

因此,1986年,氧化矽CMO開始試行,1988年,金屬鎢CMP開始試行上線。

直到此時,IBM公司才真正放心將CMP技術工藝運用到實際的生產中,並於1988年推出了運用CMP工藝的4Mb DRAM器件。

CMP矽片平坦化技術的原理
如之前所說,CMP技術的主要目的就是消除晶片表面的高點及波浪形。

那麼在實際工作的過程中,CMP利用將圓晶圓片在研磨漿的存在下相對於一個拋光墊旋轉,並施加一定的壓力,借助機械磨削及化學腐蝕作用來完成拋光。

一般來看,CMP技術所採用的設備及消耗品包括:CMP設備,研漿,拋光墊,後CMP清洗設備,拋光終點檢測及工藝控制設備,研漿分佈系統,廢物處理和檢測設備等。

其中研漿和拋光墊屬於消耗品,其餘為拋光及輔助設備。

如果把CMP的全套工藝比作打仗用兵,那麼CMP工藝中的耗材,特別是研漿的選擇無疑是“運用之妙”的關鍵所在。

所以,研漿是CMP的關鍵要素之一,其性能直接影響拋光後表面的品質。

從籍籍無名到聞名天下
雖然在半導體領域,IBM是一家半導體技術領先公司,並以輸出技術及提供服務平臺而聞名。觀察到它與Chartered,Samsung,AMD等有很長的技術合作歷程。它開發了許多專利技術,大多非自用,而是作為技術輸出。

對於CMP技術的態度,IBM也是一樣。

在1988年實現生產之後,雖然IBM在1991年的時候再一次成功的將CMP技術應用到64Mb DRAM的生產中,但是在此之前的1990年,IBM就已經將CMP技術工藝轉讓給了Micro Technology公司,然後才在1991年與Motorola公司聯合開發了這款產品。

但是不可否認的是,也正是這一產品的推出,標誌著CMP技術從實踐中發展了起來,並順利的在全世界的各種會議和研究報告中傳播,從而逐步走向工業化生產。

1992年6月,在美國召開的第九屆國際VMIC會議上,IBM和Micro Technology聯合發售CMP技術作為半導體多層膜的平坦化技術,引起了半導體領域加工者的矚目。

此後,CMP第一次出現在SIA的Roadmap中,廣泛的被美國廠商所採用,並逐步被歐洲,日本,亞太地區的廠商所接納。

1994年,臺灣的半導體生產廠第一次開始將化學機械研磨應用於生產中。

1996年,日本主要的10家IC製造廠有7家將CMP技術引入IC生產線,在生產0.35μm器件的時候使用CMP工藝。

自1996年後,STI CMP、PSP、W-CMP相繼發展並日趨成熟。韓國和臺灣也開始CMP在內的亞微米技術。

不難發現,在最初的幾年之中,CMP的研究開發工作主要以美國為主的聯合體SEMATECH為主,逐漸延伸至歐洲聯合體JESSI,法國研究公司LETI和CNET,德國FRAUNHOFEI研究所等等。

CMP發展的三個階段
大致來說,CMP技術發展歷程可以分為三個階段:
第一階段,銅佈線工藝出現之前,主要研磨材料為鎢和氧化物。
第二階段,1997年至2000年,銅鑲嵌技術出現,從0.25μm節點計入0.13μm節點。
第三階段,90-65nm節點,採用銅互連和低K介質,研磨物件為銅互連曾,層間絕緣膜和減溝道隔離。
目前,CMP技術已經發展成以化學機械拋光機為主體,集線上檢測、終點檢測、清洗等技術於一體的CMP技術,是積體電路向微細化、多層化、薄型化、平坦化工藝發展的產物。同時也是晶圓由200mm向300mm乃至更大直徑過渡、提高生產率、降低製造成本、襯底全域平坦化所必需的工藝技術。

CMP依然存在問題
儘管CMP技術的發展速度很快,但是目前對於CMP技術的瞭解還處於定性的幾段,需要解決的理論和技術問題還有很多。

如對於拋光闡述對平面度的影響,拋光墊,漿料之間的相互作用,漿料化學性質對各種CMP參數的影響及其機理瞭解甚少。

以漿料為例,漿料研究的最終目的是找到化學作用和機械作用的最佳結合,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、對設備的腐蝕性、廢料的處理費用及安全性等問題。這些都仍然處於定性階段。

具體來說,CMP還存在以下問題:
首先,CMP加工過程的控制還停留在半經驗階段,難以保證表面的高精度和平整度加工要求。
其次,CMP工藝的複雜性影響因素的多樣性增加了問題的研究難度。
最後,CMP加工材料去除、拋光缺陷機理、拋光過程中納米粒子的運動規律及行為以及CMP工藝方面的實際問題還沒有完全弄清楚。

如何定量的確定最佳的CMP工藝、系統的研究CMP工藝參數、建立完善的CMP理論模型、滿足各種大型積體電路對CMP工藝的不同要求,是目前研究CMP技術的重大課題。

而半導體業界對於CMP工藝也有相應的“潛規則”,即CMP工藝後的器件材料損耗要小於整個器件厚度的10%。也就是說slurry不僅要使材料被有效去除,還要能夠精准的控制去除速率和最終效果。隨著器件特徵尺寸的不斷縮小,缺陷對於工藝控制和最終良率的影響愈發的明顯,致命缺陷的大小至少要求小於器件尺寸的50%。

降低缺陷是CMP工藝,乃至整個晶片製造的永恆話題。

CMP的未來是積體電路的未來
隨著積體電路的高密度花、微細化和高速化,CMP在積體電路中的應用,傳統的平坦化工藝已經達到了極限,因此需要加大對於新的平坦化方法的研究。

對於目前的中國半導體產業來說,如果要想進一步發展用於各種高性能和特殊用途的積體電路的製造,就需要明白超精細表面全域平面化技術已經成為最重要的半導體技術,也是參與國際競爭的關鍵技術,其增長勢頭和發展前景非常客觀。

深入研究和發展CMP技術,並形成擁有自主智慧財產權的材料和工藝,將進一步提高中國的國際地位,促進中國積體電路產業的良性發展!
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