半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用專題 | SemiChem在CMP slurry中H2O2濃度監(jiān)測中的應(yīng)用

本文隸屬于半導(dǎo)體應(yīng)用專題，全文共 5758 字，閱讀大約需要 15 分鐘

摘要：在半導(dǎo)體制造的微觀世界里，化學(xué)機械拋光（CMP）工藝是實現(xiàn)晶圓表面平坦化的關(guān)鍵步驟，雙氧水（H?O?）作為CMP研磨液（Slurry）中的核心氧化劑，其濃度的精準(zhǔn)監(jiān)測如同精密齒輪間的潤滑劑，對拋光效果和良品率起著決定性作用。SemiChem在線滴定儀憑借高靈敏度、穩(wěn)定性與靈活性，在CMP Slurry中H?O?濃度監(jiān)測領(lǐng)域脫穎而出，成為眾多晶圓廠的選擇，為半導(dǎo)體制造的高精度需求提供了堅實的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：CMP；雙氧水（H?O?）；在線濃度監(jiān)控；良率

化學(xué)機械拋光（Chemical Mechanical Planarization，CMP）是半導(dǎo)體制造過程中至關(guān)重要的一環(huán)，廣泛應(yīng)用于集成電路（IC）生產(chǎn)中，用于晶圓表面的平坦化。CMP工藝主要包括三個部分：Chemical（化學(xué)）、Mechanical（機械）和Planarization（平坦化）。

Chemical（化學(xué)反應(yīng)）：在CMP過程中，Slurry（研磨液）中通常含有特定的化學(xué)腐蝕劑，能夠溶解或氧化待拋光的材料。這些化學(xué)作用可以降低材料去除的能量門檻，使得機械拋光更加高效。如在SiO? CMP工序中，使用堿性Slurry（如KOH或NH?OH）來增強二氧化硅的溶解性。在銅（Cu）CMP工序中，使用氧化劑（如H?O?）氧化Cu表面形成CuO或Cu(OH)?，再通過絡(luò)合劑溶解。^[1]

Mechanical（機械作用）：Slurry中含有納米級研磨顆粒（如二氧化硅SiO?、氧化鋁Al?O?、氧化鈰CeO?等），通過拋光墊與晶圓的物理接觸，配合這些顆粒的研磨作用，對晶圓表面進(jìn)行微米級或納米級的磨削。機械摩擦能夠去除化學(xué)反應(yīng)后變得松散的材料，同時實現(xiàn)均勻的材料去除。去除晶圓表面的多余材料，實現(xiàn)平坦化。^[2]

Planarization（平坦化）：經(jīng)過化學(xué)和機械作用，最終得到平整的晶圓表面，以保證后續(xù)光刻、刻蝕等工藝步驟的穩(wěn)定性。其主要應(yīng)用如下：

• 晶圓全局平坦化：消除晶圓表面的高度差，以便進(jìn)行后續(xù)光刻工藝。

• 金屬互連：用于銅（Cu）、鎢（W）等金屬的去除，以形成平滑的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。

• 絕緣介質(zhì)層平坦化：調(diào)整氧化硅（SiO?）、低k介質(zhì)等層的厚度，避免光刻對焦問題。^[3]

CMP工藝原理圖如下所示：

圖1. CMP拋光工藝（左側(cè)）及原理（右側(cè)）示意圖

在銅（Cu）、鎢（W）等金屬CMP工藝中，H?O?是常用的氧化劑，其作用包括：

• 促進(jìn)材料氧化：H?O?可以將Cu、W等金屬氧化為更易去除的氧化物（如CuO、Cu?O、WO?）。

• 控制去除速率（RR）：H?O?濃度影響氧化膜的形成速度，進(jìn)而影響整體材料去除速率。

• 減少顆粒團(tuán)聚：H?O?有助于維持Slurry的化學(xué)穩(wěn)定性，降低顆粒間相互吸引的風(fēng)險。

• H?O?濃度變化對CMP工藝具有巨大影響，其濃度變化對晶圓良率有直接影響。

• 金屬表面過度氧化，形成較厚的氧化層，降低CMP的材料去除速率（RR下降）。

• 腐蝕速率加快，導(dǎo)致局部過拋（Over-polishing），影響線寬控制和電阻均勻性。

• 氧化不足，導(dǎo)致CMP無法有效去除金屬層，影響去除均勻性。

• 顆粒團(tuán)聚增加，降低Slurry穩(wěn)定性，導(dǎo)致LPC增加，從而影響表面質(zhì)量。

  
  

在整個芯片制造工藝中需要經(jīng)過多次CMP工藝，如下圖所示是從單晶硅到芯片成品的工藝流程。其中CMP-硅晶圓-擴散-光刻-刻蝕-離子注入-CMP這個過程需要重復(fù)多次。

圖2. 芯片制造工藝流程圖^[4]

CMP工藝通過化學(xué)腐蝕和機械研磨的協(xié)同作用實現(xiàn)晶圓表面的平坦化。其中，H?O?在CMP Slurry中扮演著氧化劑的角色，與晶圓表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易于去除的軟化層，從而加速拋光過程并提高表面質(zhì)量。然而，H?O?具有不穩(wěn)定性，容易在光照、加熱或存在催化劑的條件下分解，生成水和氧氣。這種分解反應(yīng)會改變Slurry的組成，進(jìn)而影響拋光效果。因此，實時監(jiān)測H?O?濃度對于維持CMP工藝的穩(wěn)定性和高效性至關(guān)重要。

在晶圓制造過程中，化學(xué)機械拋光（CMP）工藝對研磨液（Slurry）的化學(xué)組成和穩(wěn)定性提出了極為嚴(yán)格的要求。當(dāng)晶圓廠接收CMP Slurry后，通常需要對其進(jìn)行稀釋處理，以調(diào)整其化學(xué)性質(zhì)以適應(yīng)特定的工藝需求。在此過程中，H?O?作為關(guān)鍵的氧化劑被添加至Slurry中進(jìn)行混配，其濃度的精確控制對于確保拋光效果的一致性和晶圓表面質(zhì)量至關(guān)重要。

然而，由于拋光前Slurry會在管路中經(jīng)歷循環(huán)處理，H?O?的濃度會因化學(xué)反應(yīng)、物理吸附以及環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)動態(tài)變化。這種濃度波動若不能被及時監(jiān)測和修正，可能導(dǎo)致拋光速率的不穩(wěn)定、表面缺陷的增加以及晶圓平整度的下降，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的良品率。因此，對H?O?濃度的實時監(jiān)測需要具備高度的靈敏性和精確性，以檢測出細(xì)微的濃度差異并實現(xiàn)即時修正。

近年來，隨著半導(dǎo)體工藝制程的不斷優(yōu)化，CMP工藝中H?O?的使用濃度逐步降低，以滿足更高精度的拋光需求。這一趨勢對檢測設(shè)備的靈敏度提出了更高的要求。在低濃度條件下，H?O?的濃度監(jiān)測變得更加具有挑戰(zhàn)性，因為即使微小的濃度波動也可能對拋光效果產(chǎn)生顯著影響，從而增加生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和質(zhì)量控制的難度。因此，如何實現(xiàn)對H?O?濃度的精確監(jiān)測和穩(wěn)定控制，尤其是對于越來越低濃度的H?O?在線濃度監(jiān)測需求，已成為當(dāng)前CMP工藝中亟待解決的關(guān)鍵難題。

圖3. CMP 工藝概覽（顯示化學(xué)濃度監(jiān)測和粒度分析在工藝流程中的位置）

注：黃色——在線化學(xué)濃度監(jiān)控 紅色——在線LPC監(jiān)控

SemiChem在線滴定儀采用滴定法原理，滴定法是測量化學(xué)物質(zhì)濃度最古老且廣泛使用的技術(shù)之一。通過添加已知體積的標(biāo)準(zhǔn)溶液（滴定劑）與樣品物質(zhì)（分析物）發(fā)生快速、定量的反應(yīng)，從而確定樣品中分析物的濃度。當(dāng)分析物被滴定劑消耗時，即達(dá)到等當(dāng)點或終點。達(dá)到終點所需滴定劑的體積告訴我們樣品中含有多少分析物。滴定原理曲線圖如下所示，從圖中可知，在滴定過程中，隨著滴定劑的加入，溶液中的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電極電位發(fā)生變化。當(dāng)反應(yīng)達(dá)到等當(dāng)點時，電極電位會發(fā)生突躍。這個突躍點即為滴定終點。

圖4. 滴定原理-滴定曲線圖

在監(jiān)測CMP Slurry中H?O?濃度時，滴定液為硫酸鈰銨，滴定反應(yīng)為：2(NH4)4Ce(SO4)4 + H2SO4 + H2O2 → Ce2(SO4)3 + 2H2SO4 + 4(NH4)2SO4 + O2

通過測量滴定劑的消耗量，SemiChem能夠快速準(zhǔn)確地分析出H?O?的濃度。該系統(tǒng)還具備電化學(xué)分析功能，通過測量電極電位來進(jìn)一步確定被測物質(zhì)的濃度，確保監(jiān)測結(jié)果的精確性和可靠性。

SemiChem在線滴定儀配備了可靠的，經(jīng)過驗證的硬件，包含但不限于超精密的注射泵、閥門等。另外，配備了高靈敏度的電極，這些零部件能夠?qū)崿F(xiàn)精確的容量控制，尤其是與SemiChem獨特的算法有效配合使用，從而實現(xiàn)對低于1%濃度H?O?的精準(zhǔn)檢測。這一特性使其在低濃度H?O?監(jiān)測領(lǐng)域具有優(yōu)勢，契合了現(xiàn)代半導(dǎo)體制造對高制程、低濃度檢測的嚴(yán)格要求。無論是0.05%的超低濃度，還是4%的高濃度，SemiChem都能提供穩(wěn)定可靠的測量結(jié)果，確保CMP工藝在任何階段都能保持好的狀態(tài)。

在高強度、高要求的半導(dǎo)體生產(chǎn)環(huán)境中，設(shè)備的穩(wěn)定性是確保生產(chǎn)連續(xù)性的關(guān)鍵。SemiChem在線滴定儀以其穩(wěn)定性設(shè)計，成為可靠生產(chǎn)的守護(hù)者。其平均正常運行時間長達(dá)8500小時，這意味著設(shè)備能夠在長時間運行中保持高度穩(wěn)定，幾乎無需停機維護(hù)。這種高可靠性不僅減少了因設(shè)備故障導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷，還降低了維護(hù)成本，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

SemiChem在線滴定儀專為半導(dǎo)體行業(yè)量身定制，其緊湊的設(shè)計和強大的兼容性使其能夠輕松集成到現(xiàn)有的CMP研磨液分配系統(tǒng)中。SemiChem系列在線滴定儀提供多種型號：無論是壁掛安裝還是落地安裝；無論是單濃度監(jiān)測還是雙濃度監(jiān)測；無論是作為在線濃度監(jiān)測使用，還是集成手動進(jìn)樣模塊，用于離線采樣排查；SemiChem都可滿足您的需求。另外，SemiChem與常見的CMP工藝設(shè)備（如研磨液供液系統(tǒng)、拋光工具等）兼容性強，確保整個工藝流程的協(xié)調(diào)運行。因此，無論是新建工廠還是設(shè)備升級，SemiChem都能無縫對接，無需復(fù)雜的改造。這種靈活適配的特性不僅節(jié)省了企業(yè)的改造成本，還大大縮短了設(shè)備投入使用的時間，讓企業(yè)能夠快速享受到高精度監(jiān)測帶來的效益提升。

圖5. SemiChem 200 Series照片

SemiChem在線滴定儀能夠?qū)崟r監(jiān)測H?O?濃度，并將數(shù)據(jù)反饋至生產(chǎn)控制系統(tǒng)：

• 實時監(jiān)測：設(shè)備以5分鐘/次的頻率進(jìn)行濃度測量，能夠快速捕捉到H?O?濃度的微小變化，及時調(diào)整工藝參數(shù)。

• 自動化反饋控制：測量結(jié)果可直接用于自動化控制系統(tǒng)，實時校正Slurry的成分，確保拋光工藝的穩(wěn)定性和一致性。

圖6. SemiChem系統(tǒng)實現(xiàn)CMP slurry H2O2在線監(jiān)控

SemiChem在線滴定儀集成各種滴定配方，大大縮短調(diào)試周期，降低試錯成本。SemiChem在線滴定儀在半導(dǎo)體制造企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用和高度認(rèn)可。在三星、臺積電等的300mm晶圓廠中，SemiChem憑借其的性能，占據(jù)了低濃度H?O?應(yīng)用的100%市場。這些企業(yè)的選擇不僅是對SemiChem技術(shù)實力的肯定，更是對其可靠性和穩(wěn)定性的信任。這些實際應(yīng)用案例充分證明了SemiChem在CMP Slurry中H?O?濃度監(jiān)測領(lǐng)域的性能和可靠性，為其他企業(yè)提供了說服力的參考。

通過實時監(jiān)測CMP Slurry中H?O?的濃度，SemiChem在線滴定儀能夠幫助晶圓廠實現(xiàn)對拋光工藝的精準(zhǔn)控制，顯著提高產(chǎn)品的一致性和良品率。在實際應(yīng)用中，SemiChem不僅能夠快速捕捉H?O?濃度的微小變化，還能將數(shù)據(jù)實時反饋至生產(chǎn)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化校正，確保CMP工藝的穩(wěn)定性和高效性。

此外，SemiChem還能夠減少因H?O?濃度不穩(wěn)定而導(dǎo)致的設(shè)備損耗和材料浪費。通過精準(zhǔn)控制H?O?濃度，避免了因濃度過高或過低引發(fā)的設(shè)備腐蝕、拋光墊損傷等問題，從而延長設(shè)備使用壽命，降低維護(hù)成本。已有近3000套SemiChem APM系統(tǒng)安裝并投入使用，其在微電子環(huán)境中的所有濕化學(xué)應(yīng)用中均展現(xiàn)了性能，為半導(dǎo)體制造企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。