CMP承載器背壓發(fā)展歷程

李 偉，周國安，徐存良，詹 陽

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

CMP承載器背壓發(fā)展歷程

李 偉，周國安，徐存良，詹 陽

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

隨著集成電路（IC）技術(shù)節(jié)點越來越嚴苛，對晶圓的局部和全局平整度提出了越來越高的要求，化學(xué)機械拋光技術(shù)（CMP）是滿足晶圓表面形貌的關(guān)鍵技術(shù)。承載器是CMP設(shè)備的關(guān)鍵部件，通過研究歷代承載器的背壓施加方式和區(qū)域壓力控制方式對晶圓表面全局平整度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著技術(shù)節(jié)點的提高，承載器施加越來越多路背壓且背壓控制精度越來越高。因此，國產(chǎn)CMP設(shè)備為了滿足集成電路的嚴格要求，其承載器必須具備施加多區(qū)域背壓，且控制精度越來越高。

化學(xué)機械平坦化；背壓；多區(qū)域控制；承載器；保持環(huán)

化學(xué)機械拋光（Chemical Mechanical Planarization，CMP）是集成電路生產(chǎn)線中的核心工藝之一，而CMP中的承載器是整個CMP系統(tǒng)的基本組成部分，是關(guān)系到CMP平坦化效果的核心技術(shù)之一，各個CMP設(shè)備原廠商（OEM）的承載器結(jié)構(gòu)設(shè)計雖各有特色，但本質(zhì)是承載器背壓（Back Pressure）的不同施加方式和區(qū)域控制方式。因此研究承載器背壓發(fā)展歷程有助于國產(chǎn)承載器的開發(fā)，從而促進CMP設(shè)備國產(chǎn)化。

1 小孔單背壓直接施壓方式

20世紀80年代后期，IBM開發(fā)的CMP采用的是全局平坦化方法，20世紀90年代后期，CMP成為實現(xiàn)多層金屬技術(shù)的主要平坦化技術(shù)，此時出現(xiàn)的第一代CMP典型設(shè)備是 West tech的IPEC372M及Strasbaugh的6DS-SP，這兩款設(shè)備承載器均采用的是真空吸附方式抓取晶圓，在拋光過程中直接施加壓力（絕大多數(shù)采用的是正壓）于晶圓背面，如圖1所示。

圖1 承載器正面結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，黑色的背膜貼在不銹鋼盤材質(zhì)的裝載盤上，背膜和裝載盤對應(yīng)位置小孔貫通。邊緣是保持環(huán)，以固定方式安裝在裝載盤上。這種方式可采用負壓快速吸附晶圓和正壓快速卸載晶圓；在拋光過程中，正壓通過多個小孔直接作用于晶圓表面。其中，背膜是柔軟且粗糙的，作用是避免吸附晶圓時的剛性接觸，同時拋光過程中形成摩擦力，以帶動晶圓旋轉(zhuǎn)。但一旦使用，必須保持其濕潤狀態(tài)。對于100～150 mm（4～6英寸）的晶圓或0.8～0.5μm技術(shù)節(jié)點的集成電路產(chǎn)品，這種結(jié)構(gòu)是滿足要求的。但是對于200 mm（8英寸）的絕大多數(shù)的產(chǎn)品，這種單區(qū)域背壓和固定保持環(huán)必須進行優(yōu)化或者重新設(shè)計才能滿足要求。其優(yōu)化的辦法如圖2所示。

圖2 區(qū)域背壓的一種優(yōu)化辦法

這種方法就是在裝載盤（在貼背膜的另一端）的孔洞地方插上橡膠塞，形成特定區(qū)域堵塞，而開放的區(qū)域保持設(shè)定的背壓，就可以對局部的晶圓形貌形成有效的補償，這只是一種簡單區(qū)域補償方式，堵塞的區(qū)域不能設(shè)置背壓，CMP工藝達不到根本的改變。并且此時的固定保持環(huán)導(dǎo)致較大的邊緣效應(yīng)（edge effect），影響整片晶圓中有效芯片的個數(shù)。

2 小孔多區(qū)域背壓及可變保持環(huán)技術(shù)

為了使得較大尺寸晶圓的片內(nèi)非均勻性得到更好的控制，采用多區(qū)域背壓控制技術(shù)，如圖3所示。

圖3 區(qū)域被壓控制方式

這種方式改變原來的單一背壓模式，在不銹鋼盤上設(shè)置區(qū)域溝道，之后使用O性密封圈進行隔離，進而形成多個腔室。在不同的區(qū)域可以施加不同的背壓，以此彌補因旋轉(zhuǎn)運動在不同點線速度不同而帶來的去除率不同。而保持環(huán)也可以調(diào)節(jié)其于拋光墊之間的高度，如圖4所示[2]。

圖4 保持環(huán)與晶圓壓力示意圖

此時設(shè)置保持環(huán)相對于晶圓的高度及壓力，就可以將邊緣效應(yīng)有效地減少。黃杏利[3]等人對于保持環(huán)的材料及晶圓表面等效壓力進行了有限元分析，指出一般采用PEEK（聚醚醚酮）材料，且保持環(huán)壓力值約為晶圓壓力的2.3倍時效果較佳，具有較好的理論指導(dǎo)作用，但在實際工藝中，需要根據(jù)晶圓的薄膜材料、拋光頭轉(zhuǎn)速、拋光臺轉(zhuǎn)速、拋光液流速等綜合因素予以優(yōu)化，CMP設(shè)備是一種工藝設(shè)備，工藝窗口狹窄且BKM(Best Known Method)已知最好方法的工藝菜單難以移植，一般都以現(xiàn)場調(diào)試為準。

相比于單區(qū)域固定保持環(huán)的CMP工藝、多區(qū)域背壓及可調(diào)維持環(huán)技術(shù)明顯提高了工藝效果，如圖5所示。

圖5 區(qū)域背壓的比較

從圖5中可以看出，單一區(qū)域背壓且是固定保持環(huán)的片內(nèi)非均勻性為11.9%，而多區(qū)域背壓將片內(nèi)非均勻性優(yōu)化到2.9%，這對于CMP工藝是一種質(zhì)的飛躍。

3 薄膜式多區(qū)域背壓控制技術(shù)

直接真空吸附晶圓導(dǎo)致晶圓中殘存的拋光液倒流，這對于設(shè)備中旋轉(zhuǎn)單元是有較大危害，且必須有真空隔離器（或者叫水汽分離器）；另外背膜不允許干燥，一旦浸濕，必須一致保持濕潤狀態(tài)；拋光過程中，壓力通過孔洞直接作用于晶圓，對于較薄的晶圓，形成點的壓強過大。

到300 mm晶圓的時候，基本所有的CMP設(shè)備都采用薄膜式多區(qū)域背壓控制技術(shù)，此時代表性的CMP設(shè)備是美國應(yīng)用材料公司（AMAT）的Reflexion LK 及 日 本 荏 原 公 司 （Ebara）的F-REX300系列，這些設(shè)備總計占領(lǐng)300 mm晶圓CMP市場上90%的份額，其中AMAT薄膜式多區(qū)域壓力承載器及薄膜如圖6所示。

從圖6中可以看出，薄膜的正面是一體化的，而背面則呈現(xiàn)溝道，以便于和承載器銜接形成腔室。其示意圖如圖7所示。

圖7的薄膜則較為清楚，里面分成5個區(qū)域，每個區(qū)域形成獨立的柔性腔室。當(dāng)吸附晶圓的時候，將晶圓內(nèi)部的空氣擠出即可；當(dāng)拋光過程中施加正壓的時候，是整個氣囊表面作用于晶圓表面，是一種面接觸壓力而不是點接觸壓力，對于區(qū)域的壓力施加更為柔性和均勻。

圖6 薄膜的正反實物圖

圖7 薄膜示意圖

4 多區(qū)域?qū)崟r壓力控制技術(shù)

以上的技術(shù)基本都是在硬件的基礎(chǔ)上分析背壓的區(qū)域壓力控制，這種壓力控制技術(shù)在電氣施加方面是閉環(huán)的，就是施加壓力和壓力反饋傳感器形成閉環(huán)控制，保證施加壓力的精度和穩(wěn)定性，但是對于晶圓的表面形貌則是開環(huán)的，即整個壓力施加過程中時無法檢測去除的晶圓表面；隨著CMP技術(shù)的進步，融合了終點檢測技術(shù)，對晶圓表面的形態(tài)形貌控制更為嚴格，此時結(jié)合多區(qū)域壓力和終點檢測技術(shù)對晶圓表面實時控制成為可能，如圖8所示。

從圖8中可以看出，在線測量傳感器實時在線測量初始晶圓的形態(tài)形貌，設(shè)置目標(biāo)形貌后，拋光過程反復(fù)進行對比并形成誤差，此時啟動實時在線形貌測量控制器，并動態(tài)調(diào)整對應(yīng)區(qū)域的背壓形成補償，周而復(fù)始，最后形成的形態(tài)形貌具備極高的表面質(zhì)量。

圖8 實時形貌控制盒測量示意圖

RTPC（real time profile control）的控制系統(tǒng)由RTPC檢測裝置，終點檢測軟件，RTPC用戶界面和CMP設(shè)備軟件等幾個部分組成。這些組件之間進行通訊和數(shù)據(jù)交換以實現(xiàn)RTPC的控制流程。

5 結(jié)論

隨著集成電路技術(shù)節(jié)點越來越嚴苛，今后經(jīng)過CMP之后的全局厚度差要求控制在幾納米之內(nèi)；那么對于承載器的背壓要求越來越高，更多區(qū)域的劃分、更高精度的壓力控制技術(shù)、更加先進的測量和控制技術(shù)和更高實時性響應(yīng)成為必然。

[1] 蘇建修，康仁科，郭東明.超大規(guī)模集成電路制造中硅片化學(xué)機械拋光技術(shù)分析[J].制造技術(shù)，2003，28 (10)：27～32.

[2] 周國安，種寶春，柳濱，等.CMP承載器的初步研究[J].微納電子技術(shù)，2008(11)：668-671.

[3] 黃杏利，傅增詳，楊紅艷，等.晶圓化學(xué)機械拋光中保持環(huán)壓力的有限元分析[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007 (8)：508-510.

個人簡介：

李偉（1982-），河北陽原人，碩士研究生，現(xiàn)主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備研發(fā)工作。

The Developed History on the Back Pressure Distribution of CMP Carrier

LI Wei，ZHOU Guoan，XU Cunliang，ZHAN Yang

(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China)

With the IC technology nodes more and more stringent，local and global planarization of the wafer put forward higher request，Chemical mechanical polishing (CMP)is a practical technology and core technology to realize the local and global wafer planarization.The carrier is a key component of CMP equipment，research on the history of carrier back pressure way and regional pressure control methods effects on the surface of the wafer global flatness，found that as the technology node increase，the carrier is imposing more and more regions back pressures and higher accurate back pressure control.Therefore，the domestic CMP equipment in order to meet the strict requirements of the integrated circuit，the carrier must have applied multi-zone back pressure，and the control accuracy is more and more high.

CMP（Chemical mechanical planarization）；Back pressure；Multi-zone control；Carrier；Retainer ring

TN305.2

A

1004-4507(2015)03-0022-04

2015-01-23