晶片化学机械研磨技术综述

晶片化学机械研磨技术综述（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心湖北武汉430070）1.前言化学机械研磨（CMP），又称化学机械抛光，是机械研磨与化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用以及抛光浆料的腐蚀作用，在化学成膜和机械去膜的交替过程中去除被抛光介质表面上极薄的一层材料，实现超精密平坦表面加工。CMP技术是超大规模集成电路制造过程中的晶片平坦化的一种新技术，对集成电路、半导体产业发展有直接的影响。本文将从专利分析的角度对晶片CMP技术现状进行梳理，为晶片CMP技术进一步发展提供一些建议。2.晶片化学机械研磨技术的国内外发展概况2.1国外发展历程CMP技术在半导体工业的首次应用始于1988年，由IBM将其应用于4MDRAM的制造中，该公司也于1992年申请了晶片CMP技术的第一份专利。在此之后，经过不断的技术发展，CMP技术在全球范围内有较广泛的技术布局，图1显示了世界范围内专利申请量。CMP的研究开发工作过去主要集中在美国，随后发展至法、德等欧洲国家，日本在CMP方面发展很快，并且还从事硅晶片CMP设备供应，我国台湾和韩国也在CMP方面研究较多。从图1来看，其与CMP技术的研究现状也比较相符，CMP技术仍以美国为主导，日本、欧洲、韩国等国家和地区的研究能力也在不断增强。从图2中可以看出，美国的CMP技术布局在2000年左右达到高峰，此后专利保有量逐渐保持稳定的状态，而日本、韩国及中国（包括台湾）则在2006-2008年左右专利申请达到最高峰，此后有渐渐回落的趋势。从图2中还可反映出各国家或组织在近年来专利申请量均呈下降的趋势，这也反映了经过近几十年的发展，CMP技术研究逐渐趋于饱和，新的技术创新点可能会在今后一段时间内出现。2.2国内发展历程1995年由美国卡伯特公司在中国提出第一件涉及晶片化学机械研磨的专利申请，申请号为CN95196473。在此之后，美国申请人针对CMP技术的设备、材料、工艺等不同的技术角度进行了专利布局。除美国外，日本及中国台湾在CMP技术发展上也较迅速，符合其半导体芯片产业的发展规律。在技术布局方面，除了专利数量外，专利布局的时间也不相同，早期在华专利以国外申请人为主，如下图3所示。从图3中可看出，国外申请人在中国较早的完成了专利布局，建立了技术壁垒，在2008年以后，国内申请人专利申请数量则呈增长的趋势，对晶片CMP技术逐渐形成了自己的研究成果。经过近几年的努力，国内形成了以清华大学和中科院为主的教育科研力量，以及以安集微电子、中芯国际等为主的产业研究力量，CMP技术在国内也逐渐成熟。3.晶片化学机械研磨关键技术从目前的研究热点来看，该技术主题可以分为以下几个重要的分支。从技术的分类看，对CMP技术的研究，主要从机械研磨和化学腐蚀两个方面对传统技术做出改进，在具体的生产实践中，影响晶片终成品表面质量的因素是多种多样的，对技术的改进点，也由单个变量的控制，迈向多因素多角度协同控制的技术阶段。下图给出了影响CMP系统工艺性能的一些主要因素。3.1化学机械研磨设备传统的化学机械研磨设备由旋转的硅晶片夹持装置、承载抛光垫的工作台和抛光液供给系统三大部分组成。公开号为CN102773787A的专利公开了一种化学机械研磨系?y，其包括晶片研磨单元，研磨液处理单元和研磨后清洗单元。该发明的创新之处在于将研磨后清洗单元与研磨单元结合在一起，通过研磨液处理系统萃取研磨液中的碱液，将该碱液用于研磨后清洗单元，有效的节约了碱液成本。公开号为CN1503332A的专利提供了一种带式研磨装置，可以消除半导体晶片被研磨面上存在的同心圆的膜厚大于其周边膜厚的问题，获得期望的晶片平坦性。公开号为CN1816422A的专利，提供了一种具有不同摩擦学区的抛光垫，通过调节垫摩擦学和针对这些被调节的不同的区的选择，可以获得晶片局部和整体平坦化。公开号为CN1651192A的专利研究了研磨垫的研磨层弹性率与研磨性能之间的关系，当研磨层的弹性率在200MPa-1GPa时，研磨效果最佳，如果弹性率过高，容易在半导体晶片上产生划痕。公开号为CN103252721A的专利提供了一种研磨垫的清洁装置，其在研磨垫上方布置多圈扇形的喷嘴，采用兆频超声波以及高压的去离子水和氮气实现研磨垫的冲洗。公开号为WO2004/112091A2的专利公开了一种真空辅助垫清理系统，经由研磨清理盘中的多个孔洞，将清洗剂施加到抛光垫表面部分，施加真空，抽出药剂、研磨残留物和抛光液；同时，还可通过孔洞将中和剂施加到抛光垫的表面部分，实现抛光液化学组分的中和。3.2化学机械研磨磨料研磨磨料是CMP技术中的重要分支，对磨料的选择和改进，对CMP技术的精度有非常大的影响。通常，对磨料的改进选择从磨料材料、粒子粒度、制造工艺等方面着手。公开号为WO96/16436A的专利公开了一种基础性的化学机械研磨浆料，该浆料包括磨料颗粒，高铁盐氧化物以及悬浮剂。其中磨料颗粒平均直径小于0.4μm，偏差小于25%。公开号为CN1739915A的专利公开了一种新型抛光垫，首次采用环氧树脂固化物作为固结磨料的基体材料，利用环氧树脂的耐磨性，化学稳定性及使用不同的固化剂可以得到性能各异材料的特点，使固结磨料具备优良的耐磨性和柔韧性，提高了耐磨效率。公开号为CN104357012A的专利申请提供了一种新型无机磨料的制备方法，将同素异构的球形氧化硅微球作为磨料，降低磨粒在晶片表面的压痕深度，进而减少晶片表面的机械损伤。3.3化学机械研磨工艺在CMP技术中，对研磨残留物的处理一直是研究热点之一。公开号为CN103128649A的专利申请公开了一种能减少残余浆料的化学机械研磨方法，该方法从晶片中央区域向边缘区域方向研磨，在研磨的同时不断使用去离子水不断冲洗晶片表面。公开号为JP特开2004-363252A的专利公开了一种检测晶片研磨表面温度的方法，在晶片上方沿研磨盘径向方向设置多个热电偶，通过测量晶圆不同半径尺寸的研磨温度，判断该半径尺寸处的研磨率，将该参数反馈至调整系统，从而实现晶片研磨过程中的调节。4.晶片化学机械研磨技术前景预测4.1当前存在的技术缺陷和现状从当前的CMP技术专利分析来看，国内的技术研究力量还偏薄弱，尤其是针对专利技术质量而言，国内已公开的CMP技术专利也更偏向于CMP技术基础性和较窄领域内的研究，没有对CMP技术的各个理论点进行深入的分析，也难以从整个CMP系统方面完整的阐述工艺、设备、材料等各个变量之间的相互协同关系对CMP加工精度的影响。从技术的发展看，??前关于CMP技术的专利申请呈逐年减少的趋势，对于CMP新技术的研究处于瓶颈的状态，对固结磨料研磨技术等新的技术点难于取得突破性的研究。4.2晶片化学机械研磨技术未来发展方向从现有技术的分析来看，固结磨料化学机械研磨（FA-CMP）将成为未来集成电路芯片加工的主要技术，该技术与游离磨料化学机械研磨相比具有研磨效率高，研磨垫变形小，研磨具有选择性、减少磨料用量，便于清洗等优点。在未来的一段时间，固结磨料化学机械研磨技术可能成为新的研究热点，对固结磨料化学机械抛光机理的研究，微粉磨料的选择以及其与研磨垫的结合，研磨过程中温度测量等技术领域有可能成为未来新的发展方向。总结本文分析了晶片化学机械研磨技术在国内外的专利布局，跟踪了重要申请人的专利申请活动，分析了CMP技术各个技术分支在国内外的发展，并对各个技术分支的关键专利技术作了简单的分析。目前我国的晶片化学机械研磨技术与国外还存在较大差距，近几年，我国的晶片化学机械研磨技术快速发展，也取得了一些成果。但是，对晶片化学机械研磨的研究还没有实质性突破的发明专利。为了更好的发展晶片化学机械研磨技术，政府应从政策层面制定相关规章制度，鼓励芯片行业发展，加大对电子信息产业的投入和要求；企业可以与高校多展开合作，充分利用高校的研究资源，高校也可以学习企业的实践经验；企业也可从自身发展考虑，合理进行专利布局，并对相关竞争对手进行研究，做好专利防御工作。