CMP承载器背压发展历程

李 伟，周国安，徐存良，詹 阳

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

CMP承载器背压发展历程

李 伟，周国安，徐存良，詹 阳

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

随着集成电路（IC）技术节点越来越严苛，对晶圆的局部和全局平整度提出了越来越高的要求，化学机械抛光技术（CMP）是满足晶圆表面形貌的关键技术。承载器是CMP设备的关键部件，通过研究历代承载器的背压施加方式和区域压力控制方式对晶圆表面全局平整度的影响，发现随着技术节点的提高，承载器施加越来越多路背压且背压控制精度越来越高。因此，国产CMP设备为了满足集成电路的严格要求，其承载器必须具备施加多区域背压，且控制精度越来越高。

化学机械平坦化；背压；多区域控制；承载器；保持环

化学机械抛光（Chemical Mechanical Planarization，CMP）是集成电路生产线中的核心工艺之一，而CMP中的承载器是整个CMP系统的基本组成部分，是关系到CMP平坦化效果的核心技术之一，各个CMP设备原厂商（OEM）的承载器结构设计虽各有特色，但本质是承载器背压（Back Pressure）的不同施加方式和区域控制方式。因此研究承载器背压发展历程有助于国产承载器的开发，从而促进CMP设备国产化。

1 小孔单背压直接施压方式

20世纪80年代后期，IBM开发的CMP采用的是全局平坦化方法，20世纪90年代后期，CMP成为实现多层金属技术的主要平坦化技术，此时出现的第一代CMP典型设备是 West tech的IPEC372M及Strasbaugh的6DS-SP，这两款设备承载器均采用的是真空吸附方式抓取晶圆，在抛光过程中直接施加压力（绝大多数采用的是正压）于晶圆背面，如图1所示。

图1 承载器正面结构图

从图1中可以看出，黑色的背膜贴在不锈钢盘材质的装载盘上，背膜和装载盘对应位置小孔贯通。边缘是保持环，以固定方式安装在装载盘上。这种方式可采用负压快速吸附晶圆和正压快速卸载晶圆；在抛光过程中，正压通过多个小孔直接作用于晶圆表面。其中，背膜是柔软且粗糙的，作用是避免吸附晶圆时的刚性接触，同时抛光过程中形成摩擦力，以带动晶圆旋转。但一旦使用，必须保持其湿润状态。对于100～150 mm（4～6英寸）的晶圆或0.8～0.5μm技术节点的集成电路产品，这种结构是满足要求的。但是对于200 mm（8英寸）的绝大多数的产品，这种单区域背压和固定保持环必须进行优化或者重新设计才能满足要求。其优化的办法如图2所示。

图2 区域背压的一种优化办法

这种方法就是在装载盘（在贴背膜的另一端）的孔洞地方插上橡胶塞，形成特定区域堵塞，而开放的区域保持设定的背压，就可以对局部的晶圆形貌形成有效的补偿，这只是一种简单区域补偿方式，堵塞的区域不能设置背压，CMP工艺达不到根本的改变。并且此时的固定保持环导致较大的边缘效应（edge effect），影响整片晶圆中有效芯片的个数。

2 小孔多区域背压及可变保持环技术

为了使得较大尺寸晶圆的片内非均匀性得到更好的控制，采用多区域背压控制技术，如图3所示。

图3 区域被压控制方式

这种方式改变原来的单一背压模式，在不锈钢盘上设置区域沟道，之后使用O性密封圈进行隔离，进而形成多个腔室。在不同的区域可以施加不同的背压，以此弥补因旋转运动在不同点线速度不同而带来的去除率不同。而保持环也可以调节其于抛光垫之间的高度，如图4所示[2]。

图4 保持环与晶圆压力示意图

此时设置保持环相对于晶圆的高度及压力，就可以将边缘效应有效地减少。黄杏利[3]等人对于保持环的材料及晶圆表面等效压力进行了有限元分析，指出一般采用PEEK（聚醚醚酮）材料，且保持环压力值约为晶圆压力的2.3倍时效果较佳，具有较好的理论指导作用，但在实际工艺中，需要根据晶圆的薄膜材料、抛光头转速、抛光台转速、抛光液流速等综合因素予以优化，CMP设备是一种工艺设备，工艺窗口狭窄且BKM(Best Known Method)已知最好方法的工艺菜单难以移植，一般都以现场调试为准。

相比于单区域固定保持环的CMP工艺、多区域背压及可调维持环技术明显提高了工艺效果，如图5所示。

图5 区域背压的比较

从图5中可以看出，单一区域背压且是固定保持环的片内非均匀性为11.9%，而多区域背压将片内非均匀性优化到2.9%，这对于CMP工艺是一种质的飞跃。

3 薄膜式多区域背压控制技术

直接真空吸附晶圆导致晶圆中残存的抛光液倒流，这对于设备中旋转单元是有较大危害，且必须有真空隔离器（或者叫水汽分离器）；另外背膜不允许干燥，一旦浸湿，必须一致保持湿润状态；抛光过程中，压力通过孔洞直接作用于晶圆，对于较薄的晶圆，形成点的压强过大。

到300 mm晶圆的时候，基本所有的CMP设备都采用薄膜式多区域背压控制技术，此时代表性的CMP设备是美国应用材料公司（AMAT）的Reflexion LK 及 日 本 荏 原 公 司 （Ebara）的F-REX300系列，这些设备总计占领300 mm晶圆CMP市场上90%的份额，其中AMAT薄膜式多区域压力承载器及薄膜如图6所示。

从图6中可以看出，薄膜的正面是一体化的，而背面则呈现沟道，以便于和承载器衔接形成腔室。其示意图如图7所示。

图7的薄膜则较为清楚，里面分成5个区域，每个区域形成独立的柔性腔室。当吸附晶圆的时候，将晶圆内部的空气挤出即可；当抛光过程中施加正压的时候，是整个气囊表面作用于晶圆表面，是一种面接触压力而不是点接触压力，对于区域的压力施加更为柔性和均匀。

图6 薄膜的正反实物图

图7 薄膜示意图

4 多区域实时压力控制技术

以上的技术基本都是在硬件的基础上分析背压的区域压力控制，这种压力控制技术在电气施加方面是闭环的，就是施加压力和压力反馈传感器形成闭环控制，保证施加压力的精度和稳定性，但是对于晶圆的表面形貌则是开环的，即整个压力施加过程中时无法检测去除的晶圆表面；随着CMP技术的进步，融合了终点检测技术，对晶圆表面的形态形貌控制更为严格，此时结合多区域压力和终点检测技术对晶圆表面实时控制成为可能，如图8所示。

从图8中可以看出，在线测量传感器实时在线测量初始晶圆的形态形貌，设置目标形貌后，抛光过程反复进行对比并形成误差，此时启动实时在线形貌测量控制器，并动态调整对应区域的背压形成补偿，周而复始，最后形成的形态形貌具备极高的表面质量。

图8 实时形貌控制盒测量示意图

RTPC（real time profile control）的控制系统由RTPC检测装置，终点检测软件，RTPC用户界面和CMP设备软件等几个部分组成。这些组件之间进行通讯和数据交换以实现RTPC的控制流程。

5 结论

随着集成电路技术节点越来越严苛，今后经过CMP之后的全局厚度差要求控制在几纳米之内；那么对于承载器的背压要求越来越高，更多区域的划分、更高精度的压力控制技术、更加先进的测量和控制技术和更高实时性响应成为必然。

[1] 苏建修，康仁科，郭东明.超大规模集成电路制造中硅片化学机械抛光技术分析[J].制造技术，2003，28 (10)：27～32.

[2] 周国安，种宝春，柳滨，等.CMP承载器的初步研究[J].微纳电子技术，2008(11)：668-671.

[3] 黄杏利，傅增详，杨红艳，等.晶圆化学机械抛光中保持环压力的有限元分析[J].西北工业大学学报，2007 (8)：508-510.

个人简介：

李伟（1982-），河北阳原人，硕士研究生，现主要从事半导体专用设备研发工作。

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