CMP抛光如何控制晶圆厚度？

CMP抛光的一个重要目的就是把晶圆减薄至目标厚度，这一过程中，对厚度均匀性的要求非常高，且伴随着制程能越来越先进，对厚度的要求会越来越高。那么厚度失控会带来哪些影响呢？CMP抛光过程中又是如何精准控制晶圆厚度的呢？

晶圆厚度失控带来的影响

CMP抛光过程中通常用TTV来衡量晶圆的厚度均匀性，所谓TTV是指在晶圆直径范围内其最大厚度与最小厚度的差值，它直接决定了芯片的性能和良率。随着制程节点向3nm、2nm等先进制程迈进，晶圆表面平整度的要求已从微米级跃升至亚纳米级，甚至局部区域需控制在0.3nm以内，一旦TTV超标，会带来诸多影响。光刻失效：光刻机需要根据晶圆表面的高度来调节对焦，TTV超标会使光刻机不断调整对焦平面，导致光刻机对焦出错，无法满足纳米级的图形需求，严重时更会导致图形失焦，光刻失败。

沉积失效：无论是物理气象沉积还是化学气象沉积，均对TTV有着严格的要求。一旦厚度偏差太大，沉积的厚度层会发生波动，直接影响互连层电阻的均一性，造成信号延迟或功耗增加。器件性能：晶圆厚度不均匀会引发机械应力，机械应力可能导致晶体管沟道区的载流子迁移率降低，从而影响器件性能。在多层互连结构中，TTV会使金属层厚度发生差异，改变相邻导线间的寄生电容，让高频信号的完整性受损，大大增加了延迟和串扰风险。芯片寿命：厚度不均的晶圆在封装后会形成局部热阻差异。TTV超标的晶圆，在功率器件中工作时，热点温度可能比正常区域高15-20℃，加速电迁移和热疲劳，使芯片寿命大打折扣。当然，TTV的影响远不止以上几点，例如会增加封装难度、会导致机械性能降低、会使电学性能发生波动等等一系列的问题。以上几点不过是抛砖引玉。

CMP如何精确控制晶圆厚度

影响晶圆厚度的因素是多种多样的。首先，在抛光过程中材料的去除速率并非一成不变的，相反它随时随刻都有可能发生非线性变化。其次，抛光压力、转速、温度、抛光液流量等数研磨参数是相互影响的，任意一个变量，都会导致厚度不均。另外，不同的材料，其硬度和化学活性存在显著差异，研磨后厚度必然会有差异。那么，有哪些办法可以控制厚度呢？核心工艺参数：在之前的文章中，已经介绍过压力、转速、温度、流量等核心参数对CMP抛光的影响。为了保证晶圆厚度的一致性，更应该严格监控这些工艺。目前，先进的CMP抛光设备，已经不再依赖固定的工艺参数，可以根据实时厚度数据，动态优化工艺。终点检测：目前有多种检测方法，可以实时在线检测，及时判断终点，保证得到所需的晶圆厚度。例如，光学法利用不同膜层反射率的差异，通过光强的变化，及时判断研磨终点，其中NCG-R干涉传感器就属于光学法，它的特点是利用光的干涉原理，无需接触产品，避免造成损伤。摩擦学法通过监测电机电流的变化，实时反馈抛光进度。电涡流法通过金属层厚度变化引起的磁场阻抗变化进行实时监测。

耗料和设备：不同的晶圆材质研磨过程的去除率也是不尽相同的，可以根据不同的晶圆材质开发高度匹配的抛光耗材。另外，抛光设备的控制系统能连续测量晶圆上多个点的薄膜厚度，并每秒数次调整抛光下压力，可以使每片晶圆获得一致的抛光效果。未来，随着摩尔定律的发展，芯片制程越来越先进，厚度要求越来越精准，对CMP抛光是不小的挑战！