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半导体材料行业分析—抛光液

   日期:2026-03-31 13:36:43     来源:网络整理    作者:本站编辑    评论:0    
半导体材料行业分析—抛光液
摘要:由于半导体行业体系庞大,理论知识繁杂,我们将通过多个期次和专题进行全面整理讲解。本专题主要从半导体材料行业分析——抛光液进行讲解,让大家更准确和全面的认识半导体地整个行业体系。我们分为半导体知识半导体“芯”闻几个模块,欢迎各位大佬交流学习。
化学机械抛光(CMP)是半导体先进制程中的关键技术。主要工作原理是在一定压力下及 抛光液的存在下,被抛光的晶圆对抛光垫做相对运动,借助纳米磨料的机械研磨作用与各 类化学试剂的化学作用之间的高度有机结合,使被抛光的晶圆表面达到高度平坦化、低表 面粗糙度和低缺陷的要求。根据不同工艺制程和技术节点的要求,每一片晶圆在生产过程 中都会经历几道甚至几十道的CMP抛光工艺步骤。 与传统的纯机械或纯化学的抛光方法不同,CMP工艺是通过表面化学作用和机械研磨的技 术结合来实现晶圆表面微米/纳米级不同材料的去除,从而达到晶圆表面的高度(纳米级) 平坦化效应。CMP已成为0.35μm以下制程不可或缺的平坦化工艺。
图:CMP工艺原理图
CMP 贯穿硅片制造、芯片制造、先进封装的整个工艺流程。在硅片制造领域,半导体抛 光片生产工艺流程中,在完成拉晶、硅锭加工、切片成型环节后,在抛光环节,为最终得 到平整洁净的抛光片需要通过 CMP 设备及工艺来实现。在集成电路制造领域,芯片制造 过程按照技术分工主要可分为薄膜淀积、CMP、光刻、刻蚀、离子注入等工艺环节,各工 艺环节实施过程中均需要依靠特定类型的半导体专用设备。在先进封装领域,CMP工艺会 越来越多被引入并大量使用,其中硅通孔(TSV)技术、扇出(Fan-Out)技术、2.5D 转 接板(interposer)、 3DIC 等将用到大量 CMP 工艺,这将成为 CMP 设备除 IC制造领域外 一个大的需求增长点。
表:CMP工艺在FAB制造的前后道的应用
工艺环节
技术
作用
前道工艺应用
浅沟槽隔离(STI)
可防止相邻半导体器件元件之间的电流泄漏。
后道工艺应用
层间介质(ILD)平坦化
确保品圆表面达到高度平坦化,为后续的多层互 连线工艺打造完美的“画布”。一个平坦的表面 对于光刻和刻蚀工艺的精度提升至关重要。在光 刻过程中,平坦的表面能够保证光刻胶均匀涂 覆,光线透过掩膜版时不会因表面起伏而产生折 射偏差,从而使图案精确转移到品圆上。而在刻 蚀阶段,平整的表面有助于刻蚀剂均匀作用,减 少因表面不平整导致的刻蚀过度或不足等缺陷。
前道工艺应用
金属互连制造
“大马士革工艺”-(Dama8cene Proc888);先在 介电层上刻蚀出淘槽(Trench)和通孔(Via),然后 填充铜,最后通过化学机械抛光(CMP)去除多余 的网,使表面平坦化。0.18~0.13um技术节点, 由于铜正式取代铝成为主流导线材料,使CMP 成为铜互连技术必不可少的工共制程。当技术节 点发展到65nm时,)用于减小RC延迟时间而引 入的低
后道工艺应用
阻挡层抛光
在芯片的铜互连工艺中,铜原子极易向周围的绝 缘介质(如SI0z 或Low-K材料)扩散,导致电路 短路或漏电失效。为了阻止这种扩散,必须在铜 与介质之问沉积一层纳米级阻挡层。氮化钽 (TaN)因其高致密性、抗护散能力和导电性,成 为主流选择。然而,随着制程进入28nm以下节 点,阻挡层的均匀性和覆盖性面临巨大挑战。
前道工艺应用
3D 封装与TSV(硅通孔)
是一种通过在硅介质层中制作垂直导通孔并填 充导电材料来实现芯片间垂直互连的先进封装 技术。
抛光液是晶圆化学机械抛光过程的重要耗材,由固体粒子研磨剂、表面活性剂、稳定剂、 氧化剂等成分构成,借助纳米粒子的研磨及氧化剂的腐蚀作用,从而实现化学机械相结合 的抛光效果。
表:抛光液主要成分
主要成分
作用机理
常见种类
磨料
CMP 抛光浆料中最重要的组成部分,它能够去 除硅片表面的氧化物和金属残留物,以达到平坦 化的效果,磨料的硬度、粒径、形状以及在抛光 液中的质量浓度等综合因素决定了磨粒的去除 行为及能力。
氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅 (SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)等
PH值调节剂
调节抛光液的PH值,以保证抛光过程化学反应 的进行,CMP抛光液一般分为酸性与碱性两类, 前者常用于金属抛光,后者常用于非金属抛光。
氧化剂
氧化剂是为了在抛光表面形成一层结合力弱的 氧化膜,有利于后续机械去除,在氧化剂的氧化 腐蚀与磨料研磨的共同作用下,被加工表面可达 到高质量全局平坦化效果。
分散剂
提高抛光浆料的分散稳定性,减少溶液中料粒子 的团聚,从而使料均匀悬浮分散在抛光液中,并 具有足够的分布稳定性。
添加剂
改善抛光液的分散稳定性,使分散剂吸附在料表 面,增强颗粒间的排斥作用。
抛光液特点为种类繁多,即使是同一技术节点、同一工艺段,根据不同抛光对象、不同客 户的工艺技术要求也有不同配方。集成电路制造工艺中使用的抛光液按照功能可以分为介 质层抛光液、金属钨抛光液、金属铜抛光液、阻挡层抛光液、TSV抛光液、晶硅抛光液等。 同时,CMP 抛光液也可以根据抛光颗粒的类型不同分为氧化铈抛光液、二氧化硅抛光液、 氧化铝抛光液等。
图:CMP抛光液常用种类
化学机械抛光液在 CMP 技术中至关重要,在抛光材料中价值占比超过 50%,其耗用量随 着晶圆产量和 CMP 平坦化工艺步骤数增加而增加。随着制程节点的进步,多层布线的数 量及密度增加,CMP 工艺步骤增加,CMP 技术越来越重要,其对后续工艺良率的影响越 来越大。
抛光液市场竞争格局相对较分散。抛光液目前全球主流供应商为卡博特(Cabot)、慧瞻材 料(Versum)、日立(Hitachi)、富士美(Fujimi)等。
全球抛光液市场主要被日本、美国、韩国等国家垄断,占据全球高端市场份额 90%以上。 国内CMP抛光液企业仅占不到10%。多年来,美国Cabot公司一直占据全球抛光液市场份 额首位,约占中国大陆市场份额的64%。在全球及国内CMP抛光液市场均被美日长期垄断 的情况下,国产替代势在必行。
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