柳 濱，周國安

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

晶圓尺寸的更新?lián)Q代一般都需要10年左右，如200 mm 晶圓是1991年誕生的，現(xiàn)在廣泛使用的300 mm 晶圓則是Intel 在2001年引入的，并首先用于130 nm 工藝處理器。450 mm 晶圓無論是硅片面積還是切割芯片數(shù)都是300 mm 的2 倍多，因此每顆芯片的單位成本都會大大降低。另外，大尺寸晶圓還會提高能源、水等資源的利用效率，減少對環(huán)境污染、溫室效應全球變暖、水資源短缺的影響。

2007年，ISMI(International SEMATECH Manufacture Initiative) 強調(diào)目前半導體生產(chǎn)依然遵循摩爾定律，指出未來生產(chǎn)成本需要降低30%，產(chǎn)品生產(chǎn)周期需要改善50%，而這種需求只有過渡到450 mm 晶圓尺寸才能做到。

2008年，Intel、Samsung、TSMC、ISMI 和 半 導體設備供應商決定共同合作發(fā)展450 mm 晶圓，初始目標定于2012年組建450 mm 試驗性生產(chǎn)線，該實驗線原計劃于2013-2014年形成運行能力，于2015-2016年形成450 mm 的正式生產(chǎn)線。這個藍圖被寫入到2009 和2010年的ITRS（半導體協(xié)會技術(shù)發(fā)展路線圖）中。但是2012年的ITRS被重新修改，原定計劃目標全部推遲2年。

隨著晶圓尺寸的逐步擴大，資金投入成比例的擴大，半導體芯片制造廠需要承擔著前期的建廠費用，如從100 mm(4 英寸)生產(chǎn)線投資約1 億美金，到目前主流的300 mm（12 英寸）生產(chǎn)線大約需要投資20～25 億美金。在今后幾年內(nèi)，隨著450 mm 的時代來臨，工廠的自動化水平將遍及到機器之間，并且?guī)в屑傻墓に嚈z測系統(tǒng)。更多高水平的工藝將會要求更高產(chǎn)量的晶圓制造廠，這些工廠具有更精密的工藝自動化和工廠管理。大工廠的成本至少在100 億美元以上，甚至高達250～300 億美元，巨大的建廠費用非一般企業(yè)所能承擔，其前期的研發(fā)費用也異常驚人，因此全球五大半導體業(yè)者IBM、英特爾(Intel)、三星電子(SamsungElectronics)、臺積電(TSMC) 和Global-Foundries 在2011年共同成立全球450 mm 聯(lián)盟(Global450Consortium，簡稱G450C)，并于美國紐約州Albany 設立研發(fā)中心，前期已經(jīng)投入44 億美金，加速推動450 mm 晶圓尺寸時代的到來。

根據(jù)2012年ITRS（半導體行業(yè)協(xié)會路線圖）規(guī)劃，450 mm 晶圓尺寸生產(chǎn)材料及設備制造商，應當在2013-2014年形成生產(chǎn)能力，并提供相應設備給IDM（集成器件制造商）和Foundry(代工廠)。

只有使得芯片制造商與設備制造商同時實現(xiàn)雙贏，才能持續(xù)推動半導體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。同樣設備制造商（OEM）需要投資較之之前比例更多的研發(fā)費用，才能實現(xiàn)450 mm 晶圓苛刻的工藝及技術(shù)要求。隨著晶圓尺寸的增大，對于系統(tǒng)的集成、系統(tǒng)的自動化、材料的特殊要求及整體功耗等都對設備制造商提出更高的要求。從多層金屬互聯(lián)開始（超過三層，大約0.25 μm 技術(shù)節(jié)點），CMP 就成為芯片制造關(guān)鍵和必需設備之一，隨著技術(shù)節(jié)點的持續(xù)降低，對于金屬和介質(zhì)的平坦化次數(shù)越來越多，且對均勻性的要求越來越高，CMP 技術(shù)日益凸顯其重要性。

沒有CMP 技術(shù)，更高節(jié)點（低于0.35 μm 技術(shù)節(jié)點）的光刻將無法實施；同時，CMP 技術(shù)還能實現(xiàn)復雜層結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)，在450 mm 晶圓尺寸情況下，對CMP 技術(shù)主要需要為：

（1）隨著半導體器件特征線寬的不斷減小，光刻設備分辨率的要求越來越高；

（2）多層互聯(lián)技術(shù)發(fā)展的需要；

（3）淺溝道隔離工藝技術(shù)應用的需要；

（4）銅工藝技術(shù)引入的需要；

（5）低K 介質(zhì)工藝的要求；

（6）HKMG 工藝的要求；

（7）FinFET 工藝的要求。

因此對于450 mm 晶圓尺寸CMP 設備的技術(shù)研究及探討具有重要的前瞻性實用價值。

1 CMP 耗材的最新進展

450 mm CMP 設備研發(fā)同時，CMP 耗材同時起步，已經(jīng)取得了很多成果。

1.1 新型拋光液研究進展

450 mm CMP 工藝中，新型拋光液主要集中在HKMG、FinFET CMP 工藝應用上。新型拋光液的目前研究成果是：拋光液的化學去除作用效果比機械去除作用效果要大，來減小機械作用造成的缺陷，拋光液中研磨劑的材料基本采用氧化鈰材料替代傳統(tǒng)硅石磨料。450 mm 工藝中，晶體管立體柵極堆棧工藝和新材料的引入，使晶體管制造更為復雜，控制要求越來越高，所以拋光液對新型材料的選擇性決定了平坦化工藝缺陷降低的成敗。

陶氏化學（Dow chemical）旗下的陶氏電子材料發(fā)布的RL310 具備無研磨顆粒、自停（self-stop-ping）特點，在300 mm 的IDM（集成器件制造商）的90～45 nm 使用已經(jīng)超過3年；其下一代的無研磨顆粒解決方案也被領先的IDM（集成器件制造商）選為14 nm 節(jié)點的記錄制程（process record）。

1.2 新型拋光墊研究進展

拋光墊技術(shù)進步相對于拋光液要緩慢。進入21 世紀后，拋光墊技術(shù)進步主要集中在提高工藝能力、降低工藝缺陷方面。450 mm 工藝中，所需的拋光墊直徑達到1 067 mm（42 英寸）以上，拋光墊修整模式及拋光墊表面形貌對平坦化的質(zhì)量影響研究正在深入。另一方面，在保證平坦化質(zhì)量的前提下，研究拋光墊表面形貌，為拋光液最大應用效能研究提供支撐。美國陶氏化學（Dow chemical）旗下的陶氏電子材料公司推出了達到最高性能水平的IKONIC○TMCMP 研磨墊系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品旨在用于28 nm 及以下技術(shù)節(jié)點的CMP 應用，目前在實驗室和試驗線測試評估。

1.3 拋光墊修整器

3M 公司占據(jù)了CMP 修整器的主要市場。拋光墊修整器用于拋光墊形貌修整，修整器的研究集中在修整器尺寸、金剛石顆粒粒度、金剛石顆粒密度、排列方式、粘接方式方面的研究。面對450 mm 工藝線要求，450 mm CMP 修整器相對于300 mm CMP 尺寸要大，金剛石顆粒的粘接方式是主要研究內(nèi)容，以至于保證修整器壽命的同時，不產(chǎn)生金剛石顆粒的脫落，造成對晶圓的劃傷。

2 關(guān)鍵技術(shù)展望及分析

以上耗材獨立于CMP 設備先期發(fā)展并取得了實用化的效果，這為450 mmCMP 提供了便利條件。而CMP 設備也正在開發(fā)中，目前CMP 設備兩大廠商AMAT（美國應用材料）及Ebara（日本荏原）占據(jù)著300 mm 晶圓的90%以上的市場，在450 mm 晶圓的CMP 設備上，這兩家設備制造商必定會不甘落后，暗暗研發(fā)設備及工藝，搶先占領市場先機。

對于450mm 的CMP 設備而言，其主要趨勢：

2.1 系統(tǒng)集成技術(shù)

CMP 主要工藝是針對STI（淺溝道隔離）、ILD（層間介質(zhì)）、Tungsten（鎢），Copper（銅）應用，仍然會延續(xù)到450 mm 工藝中，但從14 nm 節(jié)點開始，不論是邏輯芯片還是存儲芯片，器件的HKMG（高K 金屬柵）及FinFET 結(jié)構(gòu)是必然要求，所以針對HKMG 及FinFet工藝要求是450 mm 晶圓CMP 主要出發(fā)點。

由于HKMG 及FinFET 結(jié)構(gòu)的薄膜厚度向10 nm 以下厚度方向發(fā)展，對CMP 設備精度及控制提出了更高的要求。在300 mm CMP 所有工藝方案中，以AMAT（應用材料）的三步工藝（三臺拋光）占據(jù)主流，到450 mm CMP 工藝方案中，有可能回歸到二步工藝方案。這不只是為了減小CMP 設備的平面尺寸的要求，主要驅(qū)動力是薄膜厚度實時控制要求。這同樣對CMP 關(guān)鍵環(huán)節(jié)-各類拋光液的研發(fā)提出了更高的要求。目前可喜的情況是拋光液研發(fā)是不依賴于450 mm CMP 設備而提前進行了研發(fā)，并已產(chǎn)生實際的成果。

既然450 mm CMP 工藝方案有可能回歸到二步工藝方案，那么只能從CMP 設備總體布局上要求。因此，設備的總體布局難點是設備布局不僅要適應于各種CMP 工藝的功能，而且要適應于設備本身的功能方案需要重新設計而不是300 mm 晶圓CMP 設備總體布局的延伸。

2.2 多區(qū)域壓力控制承載器技術(shù)

由于CMP 設備拋光運動方式在200 mm 工藝時期已經(jīng)統(tǒng)一到旋轉(zhuǎn)運動方式上，并顯示出其優(yōu)越性，那么在450 mm 工藝中，CMP 設備拋光運動方式仍然會沿用旋轉(zhuǎn)運動方式。另一方面，為了解決旋轉(zhuǎn)運動方式在拋光過程中的綜合去除率不一致問題，多區(qū)域壓力控制承載器技術(shù)應用產(chǎn)生，該技術(shù)在450 mm CMP 設備中將延伸應用。但在技術(shù)層面，面臨以下難點：

（1）相比300 mm CMP 設備的多區(qū)域壓力控制承載器，450 mm 晶圓CMP 設備承載器將采用6～8 個區(qū)域設計，使得承載器結(jié)構(gòu)復雜，相關(guān)薄膜配件制造復雜。

（2）承載器耗材之一保持環(huán)需要按照“快速更換”思路設計，增大了保持環(huán)和承載器結(jié)構(gòu)的復雜性。

（3）由于銅拋光和HKMG 工藝拋光的壓力要求越來越?。赡苄∮?.07×10-3MPa）,拋光下壓力精度維持性及區(qū)域壓力精度維持性要求很高，流體系統(tǒng)的控制分辨率要求小于0.14×10-3MPa，使得低壓力流體控制閥分辨率精度再次提高。采用超低壓力且較高精度維持性的流體系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，形成450 mm CMP 設備獨特的技術(shù)。

2.3 拋光墊修整技術(shù)

從CMP 技術(shù)產(chǎn)生和廣泛應用到現(xiàn)在，拋光墊修整技術(shù)一直采用金剛石輪修整技術(shù)，用來維持拋光墊穩(wěn)定的去除速率，延長拋光墊使用壽命。但隨著晶圓直徑的增大和新型拋光墊的產(chǎn)生，金剛石輪修整技術(shù)主要面向不產(chǎn)生工藝缺陷的方向發(fā)展。但是，金剛石輪掉渣的風險依然存在，這對于450 mm 工藝是致命的問題。因此研發(fā)一種不產(chǎn)生污染的拋光墊修整技術(shù)和方法，成為450 mm CMP 工藝的獨特技術(shù)。

2.4 終點檢測技術(shù)

由 于STI、HKMG 及Copper 等CMP 工 藝 薄膜控制厚度小于10 nm 以下，終點檢測精度是重點攻克的技術(shù)。

(1)采用全斷面渦流掃描技術(shù)將延伸到450 mm應用。但渦流頻率將提高，同時實時掃描算法研究將隨著測試環(huán)境的多樣化來修正，形成450 mm CMP工藝獨特的技術(shù)。

(2) 采用全斷面光學掃描技術(shù)也將延伸到450 mm 應用，仍將采用白光光源。但光源需要通過實驗測定，實時掃描算法研究將隨著測試環(huán)境的多樣化以及拋光材料種類的多樣化，并通過實驗來修正，形成450 mm CMP 工藝獨特的技術(shù)。

2.5 后清洗技術(shù)

200 mm 工藝中，CMP 后清洗系統(tǒng)可相對于CMP 離線配合應用。進入300 mm 工藝，CMP 集成后清洗系統(tǒng)已經(jīng)成為CMP 設備的標準模組。

集成電路制造中清洗工藝占整個工藝過程中的30%左右，隨著制造節(jié)點不斷縮小，清洗效果不僅要求越來越高，而且對器件的微結(jié)構(gòu)損傷要求越來越苛刻。在14 nm 節(jié)點，后清洗顆粒的指標，要求大于30 nm 的缺陷顆粒小于10 顆，這就為CMP 后清洗提出更高挑戰(zhàn)。

在300 mm CMP 設備技術(shù)中，AMAT 公司后清洗技術(shù)由于技術(shù)需要和商業(yè)供應鏈原因研發(fā)了第四代后清洗系統(tǒng)。以Reflexion LK CMP 設備為代表的垂直清洗、IPA 干燥的后清洗技術(shù)，從2008年普遍采用后,且延伸應用到14 nm 工藝節(jié)點。但是，即使Reflexion LK CMP 采用了當前最先進后清洗技術(shù)，但在14 nm 工藝節(jié)點仍然存在問題。

在450 mm 清洗技術(shù)中，超臨界清洗技術(shù)產(chǎn)生并開始測試評估。由于超臨界清洗技術(shù)具備超清潔環(huán)保、節(jié)省水資源、對器件微結(jié)構(gòu)損傷小等特點，可推廣應用到CMP 后清洗工藝中。但由于與CMP 設備集成方面的綜合要求，300 mm CMP 后清洗技術(shù)繼續(xù)延伸到450 mm 還是另辟蹊徑產(chǎn)生革命性的技術(shù)，目前尚未定論。

因此在450 mm 工藝中，全新CMP 后清洗技術(shù)是必然選擇要求，形成其獨特的技術(shù)。

3 結(jié) 論

本文從整體上分析了集成電路發(fā)展歷史，在此基礎上結(jié)合耗材發(fā)展趨勢，為450 mm 的CMP設備發(fā)展奠定了基礎，展望并分析了450 mm 晶圓CMP 的五項關(guān)鍵技術(shù)。

2013年，半導體大廠并未如分析家所預期的那樣大幅減少資本支出，英特爾、臺積電、三星三巨頭不但繼續(xù)擴增先進工藝的產(chǎn)能，而且都欲在20 nm 以下工藝與450 mm 晶圓技術(shù)方面超越對手，在今后幾年內(nèi)以上三家也必將持續(xù)投資，這就加速推動CMP 設備研究及產(chǎn)業(yè)化的要求。

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