半导体行业应用专题 | SemiChem在CMP slurry中H2O2浓度监测中的应用

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摘要：在半导体制造的微观世界里，化学机械抛光（CMP）工艺是实现晶圆表面平坦化的关键步骤，双氧水（H₂O₂）作为CMP研磨液（Slurry）中的核心氧化剂，其浓度的精准监测如同精密齿轮间的润滑剂，对抛光效果和良品率起着决定性作用。SemiChem在线滴定仪凭借高灵敏度、稳定性与灵活性，在CMP Slurry中H₂O₂浓度监测领域脱颖而出，成为众多晶圆厂的选择，为半导体制造的高精度需求提供了坚实的技术保障。

关键词：CMP；双氧水（H₂O₂）；在线浓度监控；良率

化学机械抛光（Chemical Mechanical Planarization，CMP）是半导体制造过程中至关重要的一环，广泛应用于集成电路（IC）生产中，用于晶圆表面的平坦化。CMP工艺主要包括三个部分：Chemical（化学）、Mechanical（机械）和Planarization（平坦化）。

Chemical（化学反应）：在CMP过程中，Slurry（研磨液）中通常含有特定的化学腐蚀剂，能够溶解或氧化待抛光的材料。这些化学作用可以降低材料去除的能量门槛，使得机械抛光更加高效。如在SiO₂ CMP工序中，使用碱性Slurry（如KOH或NH₄OH）来增强二氧化硅的溶解性。在铜（Cu）CMP工序中，使用氧化剂（如H₂O₂）氧化Cu表面形成CuO或Cu(OH)₂，再通过络合剂溶解。^[1]

Mechanical（机械作用）：Slurry中含有纳米级研磨颗粒（如二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化铈CeO₂等），通过抛光垫与晶圆的物理接触，配合这些颗粒的研磨作用，对晶圆表面进行微米级或纳米级的磨削。机械摩擦能够去除化学反应后变得松散的材料，同时实现均匀的材料去除。去除晶圆表面的多余材料，实现平坦化。^[2]

Planarization（平坦化）：经过化学和机械作用，最终得到平整的晶圆表面，以保证后续光刻、刻蚀等工艺步骤的稳定性。其主要应用如下：

• 晶圆全局平坦化：消除晶圆表面的高度差，以便进行后续光刻工艺。

• 金属互连：用于铜（Cu）、钨（W）等金属的去除，以形成平滑的导线结构。

• 绝缘介质层平坦化：调整氧化硅（SiO₂）、低k介质等层的厚度，避免光刻对焦问题。^[3]

CMP工艺原理图如下所示：

图1. CMP抛光工艺（左侧）及原理（右侧）示意图

在铜（Cu）、钨（W）等金属CMP工艺中，H₂O₂是常用的氧化剂，其作用包括：

• 促进材料氧化：H₂O₂可以将Cu、W等金属氧化为更易去除的氧化物（如CuO、Cu₂O、WO₃）。

• 控制去除速率（RR）：H₂O₂浓度影响氧化膜的形成速度，进而影响整体材料去除速率。

• 减少颗粒团聚：H₂O₂有助于维持Slurry的化学稳定性，降低颗粒间相互吸引的风险。

• H₂O₂浓度变化对CMP工艺具有巨大影响，其浓度变化对晶圆良率有直接影响。

• 金属表面过度氧化，形成较厚的氧化层，降低CMP的材料去除速率（RR下降）。

• 腐蚀速率加快，导致局部过抛（Over-polishing），影响线宽控制和电阻均匀性。

• 氧化不足，导致CMP无法有效去除金属层，影响去除均匀性。

• 颗粒团聚增加，降低Slurry稳定性，导致LPC增加，从而影响表面质量。

  
  

在整个芯片制造工艺中需要经过多次CMP工艺，如下图所示是从单晶硅到芯片成品的工艺流程。其中CMP-硅晶圆-扩散-光刻-刻蚀-离子注入-CMP这个过程需要重复多次。

图2. 芯片制造工艺流程图^[4]

CMP工艺通过化学腐蚀和机械研磨的协同作用实现晶圆表面的平坦化。其中，H₂O₂在CMP Slurry中扮演着氧化剂的角色，与晶圆表面材料发生化学反应，生成易于去除的软化层，从而加速抛光过程并提高表面质量。然而，H₂O₂具有不稳定性，容易在光照、加热或存在催化剂的条件下分解，生成水和氧气。这种分解反应会改变Slurry的组成，进而影响抛光效果。因此，实时监测H₂O₂浓度对于维持CMP工艺的稳定性和高效性至关重要。

在晶圆制造过程中，化学机械抛光（CMP）工艺对研磨液（Slurry）的化学组成和稳定性提出了极为严格的要求。当晶圆厂接收CMP Slurry后，通常需要对其进行稀释处理，以调整其化学性质以适应特定的工艺需求。在此过程中，H₂O₂作为关键的氧化剂被添加至Slurry中进行混配，其浓度的精确控制对于确保抛光效果的一致性和晶圆表面质量至关重要。

然而，由于抛光前Slurry会在管路中经历循环处理，H₂O₂的浓度会因化学反应、物理吸附以及环境因素的影响而出现动态变化。这种浓度波动若不能被及时监测和修正，可能导致抛光速率的不稳定、表面缺陷的增加以及晶圆平整度的下降，进而影响最终产品的良品率。因此，对H₂O₂浓度的实时监测需要具备高度的灵敏性和精确性，以检测出细微的浓度差异并实现即时修正。

近年来，随着半导体工艺制程的不断优化，CMP工艺中H₂O₂的使用浓度逐步降低，以满足更高精度的抛光需求。这一趋势对检测设备的灵敏度提出了更高的要求。在低浓度条件下，H₂O₂的浓度监测变得更加具有挑战性，因为即使微小的浓度波动也可能对抛光效果产生显著影响，从而增加生产过程的复杂性和质量控制的难度。因此，如何实现对H₂O₂浓度的精确监测和稳定控制，尤其是对于越来越低浓度的H₂O₂在线浓度监测需求，已成为当前CMP工艺中亟待解决的关键难题。

图3. CMP 工艺概览（显示化学浓度监测和粒度分析在工艺流程中的位置）

注：黄色——在线化学浓度监控 红色——在线LPC监控

SemiChem在线滴定仪采用滴定法原理，滴定法是测量化学物质浓度最古老且广泛使用的技术之一。通过添加已知体积的标准溶液（滴定剂）与样品物质（分析物）发生快速、定量的反应，从而确定样品中分析物的浓度。当分析物被滴定剂消耗时，即达到等当点或终点。达到终点所需滴定剂的体积告诉我们样品中含有多少分析物。滴定原理曲线图如下所示，从图中可知，在滴定过程中，随着滴定剂的加入，溶液中的化学反应导致电极电位发生变化。当反应达到等当点时，电极电位会发生突跃。这个突跃点即为滴定终点。

图4. 滴定原理-滴定曲线图

在监测CMP Slurry中H₂O₂浓度时，滴定液为硫酸铈铵，滴定反应为：2(NH4)4Ce(SO4)4 + H2SO4 + H2O2 → Ce2(SO4)3 + 2H2SO4 + 4(NH4)2SO4 + O2

通过测量滴定剂的消耗量，SemiChem能够快速准确地分析出H₂O₂的浓度。该系统还具备电化学分析功能，通过测量电极电位来进一步确定被测物质的浓度，确保监测结果的精确性和可靠性。

SemiChem在线滴定仪配备了可靠的，经过验证的硬件，包含但不限于超精密的注射泵、阀门等。另外，配备了高灵敏度的电极，这些零部件能够实现精确的容量控制，尤其是与SemiChem独特的算法有效配合使用，从而实现对低于1%浓度H₂O₂的精准检测。这一特性使其在低浓度H₂O₂监测领域具有优势，契合了现代半导体制造对高制程、低浓度检测的严格要求。无论是0.05%的超低浓度，还是4%的高浓度，SemiChem都能提供稳定可靠的测量结果，确保CMP工艺在任何阶段都能保持好的状态。

在高强度、高要求的半导体生产环境中，设备的稳定性是确保生产连续性的关键。SemiChem在线滴定仪以其稳定性设计，成为可靠生产的守护者。其平均正常运行时间长达8500小时，这意味着设备能够在长时间运行中保持高度稳定，几乎无需停机维护。这种高可靠性不仅减少了因设备故障导致的生产中断，还降低了维护成本，为企业带来了显著的经济效益。

SemiChem在线滴定仪专为半导体行业量身定制，其紧凑的设计和强大的兼容性使其能够轻松集成到现有的CMP研磨液分配系统中。SemiChem系列在线滴定仪提供多种型号：无论是壁挂安装还是落地安装；无论是单浓度监测还是双浓度监测；无论是作为在线浓度监测使用，还是集成手动进样模块，用于离线采样排查；SemiChem都可满足您的需求。另外，SemiChem与常见的CMP工艺设备（如研磨液供液系统、抛光工具等）兼容性强，确保整个工艺流程的协调运行。因此，无论是新建工厂还是设备升级，SemiChem都能无缝对接，无需复杂的改造。这种灵活适配的特性不仅节省了企业的改造成本，还大大缩短了设备投入使用的时间，让企业能够快速享受到高精度监测带来的效益提升。

图5. SemiChem 200 Series照片

SemiChem在线滴定仪能够实时监测H₂O₂浓度，并将数据反馈至生产控制系统：

• 实时监测：设备以5分钟/次的频率进行浓度测量，能够快速捕捉到H₂O₂浓度的微小变化，及时调整工艺参数。

• 自动化反馈控制：测量结果可直接用于自动化控制系统，实时校正Slurry的成分，确保抛光工艺的稳定性和一致性。

图6. SemiChem系统实现CMP slurry H2O2在线监控

SemiChem在线滴定仪集成各种滴定配方，大大缩短调试周期，降低试错成本。SemiChem在线滴定仪在半导体制造企业中得到了广泛应用和高度认可。在三星、台积电等的300mm晶圆厂中，SemiChem凭借其的性能，占据了低浓度H₂O₂应用的100%市场。这些企业的选择不仅是对SemiChem技术实力的肯定，更是对其可靠性和稳定性的信任。这些实际应用案例充分证明了SemiChem在CMP Slurry中H₂O₂浓度监测领域的性能和可靠性，为其他企业提供了说服力的参考。

通过实时监测CMP Slurry中H₂O₂的浓度，SemiChem在线滴定仪能够帮助晶圆厂实现对抛光工艺的精准控制，显著提高产品的一致性和良品率。在实际应用中，SemiChem不仅能够快速捕捉H₂O₂浓度的微小变化，还能将数据实时反馈至生产控制系统，实现自动化校正，确保CMP工艺的稳定性和高效性。

此外，SemiChem还能够减少因H₂O₂浓度不稳定而导致的设备损耗和材料浪费。通过精准控制H₂O₂浓度，避免了因浓度过高或过低引发的设备腐蚀、抛光垫损伤等问题，从而延长设备使用寿命，降低维护成本。已有近3000套SemiChem APM系统安装并投入使用，其在微电子环境中的所有湿化学应用中均展现了性能，为半导体制造企业带来了显著的经济效益。