半導體行業應用專題 | SemiChem在CMP slurry中H2O2濃度監測中的應用

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摘要：在半導體制造的微觀世界里，化學機械拋光（CMP）工藝是實現晶圓表面平坦化的關鍵步驟，雙氧水（H?O?）作為CMP研磨液（Slurry）中的核心氧化劑，其濃度的精準監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、穩定性與靈活性，在CMP Slurry中H?O?濃度監測領域脫穎而出，成為眾多晶圓廠的選擇，為半導體制造的高精度需求提供了堅實的技術保障。

關鍵詞：CMP；雙氧水（H?O?）；在線濃度監控；良率

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

Chemical（化學反應）：在CMP過程中，Slurry（研磨液）中通常含有特定的化學腐蝕劑，能夠溶解或氧化待拋光的材料。這些化學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，對晶圓表面進行微米級或納米級的磨削。機械摩擦能夠去除化學反應后變得松散的材料，同時實現均勻的材料去除。去除晶圓表面的多余材料，實現平坦化。^[2]

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

• 晶圓全局平坦化：消除晶圓表面的高度差，以便進行后續光刻工藝。

• 金屬互連：用于銅（Cu）、鎢（W）等金屬的去除，以形成平滑的導線結構。

• 絕緣介質層平坦化：調整氧化硅（SiO?）、低k介質等層的厚度，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）及原理（右側）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，進而影響整體材料去除速率。

• 減少顆粒團聚：H?O?有助于維持Slurry的化學穩定性，降低顆粒間相互吸引的風險。

• 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，導致局部過拋（Over-polishing），影響線寬控制和電阻均勻性。

• 氧化不足，導致CMP無法有效去除金屬層，影響去除均勻性。

• 顆粒團聚增加，降低Slurry穩定性，導致LPC增加，從而影響表面質量。

  
  

在整個芯片制造工藝中需要經過多次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這個過程需要重復多次。

圖2. 芯片制造工藝流程圖^[4]

CMP工藝通過化學腐蝕和機械研磨的協同作用實現晶圓表面的平坦化。其中，H?O?在CMP Slurry中扮演著氧化劑的角色，與晶圓表面材料發生化學反應，生成易于去除的軟化層，從而加速拋光過程并提高表面質量。然而，H?O?具有不穩定性，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。這種分解反應會改變Slurry的組成，進而影響拋光效果。因此，實時監測H?O?濃度對于維持CMP工藝的穩定性和高效性至關重要。

在晶圓制造過程中，化學機械拋光（CMP）工藝對研磨液（Slurry）的化學組成和穩定性提出了極為嚴格的要求。當晶圓廠接收CMP Slurry后，通常需要對其進行稀釋處理，以調整其化學性質以適應特定的工藝需求。在此過程中，H?O?作為關鍵的氧化劑被添加至Slurry中進行混配，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量至關重要。

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

近年來，隨著半導體工藝制程的不斷優化，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?的濃度監測變得更加具有挑戰性，因為即使微小的濃度波動也可能對拋光效果產生顯著影響，從而增加生產過程的復雜性和質量控制的難度。因此，如何實現對H?O?濃度的精確監測和穩定控制，尤其是對于越來越低濃度的H?O?在線濃度監測需求，已成為當前CMP工藝中亟待解決的關鍵難題。

圖3. CMP 工藝概覽（顯示化學濃度監測和粒度分析在工藝流程中的位置）

注：黃色——在線化學濃度監控 紅色——在線LPC監控

SemiChem在線滴定儀采用滴定法原理，滴定法是測量化學物質濃度最古老且廣泛使用的技術之一。通過添加已知體積的標準溶液（滴定劑）與樣品物質（分析物）發生快速、定量的反應，從而確定樣品中分析物的濃度。當分析物被滴定劑消耗時，即達到等當點或終點。達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，溶液中的化學反應導致電極電位發生變化。當反應達到等當點時，電極電位會發生突躍。這個突躍點即為滴定終點。

圖4. 滴定原理-滴定曲線圖

在監測CMP Slurry中H?O?濃度時，滴定液為硫酸鈰銨，滴定反應為：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能夠快速準確地分析出H?O?的濃度。該系統還具備電化學分析功能，通過測量電極電位來進一步確定被測物質的濃度，確保監測結果的精確性和可靠性。

SemiChem在線滴定儀配備了可靠的，經過驗證的硬件，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，這些零部件能夠實現精確的容量控制，尤其是與SemiChem獨特的算法有效配合使用，從而實現對低于1%濃度H?O?的精準檢測。這一特性使其在低濃度H?O?監測領域具有優勢，契合了現代半導體制造對高制程、低濃度檢測的嚴格要求。無論是0.05%的超低濃度，還是4%的高濃度，SemiChem都能提供穩定可靠的測量結果，確保CMP工藝在任何階段都能保持好的狀態。

在高強度、高要求的半導體生產環境中，設備的穩定性是確保生產連續性的關鍵。SemiChem在線滴定儀以其穩定性設計，成為可靠生產的守護者。其平均正常運行時間長達8500小時，這意味著設備能夠在長時間運行中保持高度穩定，幾乎無需停機維護。這種高可靠性不僅減少了因設備故障導致的生產中斷，還降低了維護成本，為企業帶來了顯著的經濟效益。

SemiChem在線滴定儀專為半導體行業量身定制，其緊湊的設計和*的兼容性使其能夠輕松集成到現有的CMP研磨液分配系統中。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；無論是單濃度監測還是雙濃度監測；無論是作為在線濃度監測使用，還是集成手動進樣模塊，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工藝設備（如研磨液供液系統、拋光工具等）兼容性強，確保整個工藝流程的協調運行。因此，無論是新建工廠還是設備升級，SemiChem都能無縫對接，無需復雜的改造。這種靈活適配的特性不僅節省了企業的改造成本，還大大縮短了設備投入使用的時間，讓企業能夠快速享受到高精度監測帶來的效益提升。

圖5. SemiChem 200 Series照片

SemiChem在線滴定儀能夠實時監測H?O?濃度，并將數據反饋至生產控制系統：

• 實時監測：設備以5分鐘/次的頻率進行濃度測量，能夠快速捕捉到H?O?濃度的微小變化，及時調整工藝參數。

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

圖6. SemiChem系統實現CMP slurry H2O2在線監控

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

通過實時監測CMP Slurry中H?O?的濃度，SemiChem在線滴定儀能夠幫助晶圓廠實現對拋光工藝的精準控制，顯著提高產品的一致性和良品率。在實際應用中，SemiChem不僅能夠快速捕捉H?O?濃度的微小變化，還能將數據實時反饋至生產控制系統，實現自動化校正，確保CMP工藝的穩定性和高效性。

此外，SemiChem還能夠減少因H?O?濃度不穩定而導致的設備損耗和材料浪費。通過精準控制H?O?濃度，避免了因濃度過高或過低引發的設備腐蝕、拋光墊損傷等問題，從而延長設備使用壽命，降低維護成本。已有近3000套SemiChem APM系統安裝并投入使用，其在微電子環境中的所有濕化學應用中均展現了性能，為半導體制造企業帶來了顯著的經濟效益。