化学机械抛光（CMP）工艺技术制程详解；

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20 世纪 80 年代初，IBM 公司在制造DRAM的过程中，为了达到圆片表面金属间介电质层（IMD）的全局平坦，建立起了硅氧化物（SiO2）的 CMP 工艺，后来又扩展到对金属钨（W）的 CMP。随着晶体管集成度的不断提高，从0.13um 工艺节点开始，铜互连成为集成电路后段工艺流程的唯一选择，这就使铜连线的平坦化工艺（Cu CMP)变得举足轻重。随着摩尔定律的向前延伸，在从 28nm 开始的高端工艺中，场效应管栅极的制造流程也引入了 CMP 工艺，以求获得更加均匀的栅极高度。

随着半导体工业沿着摩尔定律的曲线急速下降，驱使加工工艺向着更高的电流密度、更高的时钟频率和更多的互联层转移。由于器件尺寸的缩小、光学光刻设备焦深的减小，要求片子表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级。

一、CMP的简介

化学机械抛光是集成电路制造的重要工艺之一，又被称为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Plamarization, CMP)。

CMP是利用与被加工基片相匹配的抛光液在基片表层发生快速化学作用，形成一层相对于基体硬度较软、强度较低、结合力较弱的表面软化层；然后通过抛光垫与被加工基片之间的相对运动，利用抛光液中的磨料和抛光垫对被加工基片表面进行机械去除，降低抛光作用力而获得高品质的加工表面。该方法是借助磨料机械作用及化学作用的协同来完成微量材料去除，能够避免依靠单纯使用机械抛光作用造成的加工损伤和单纯使用化学抛光作用造成的抛光效率低、表面平整度和抛光一致性差等缺点。

如下图所示，主要包括硅片制造、IC制造（前端工艺、后端工艺）、测试与封装几个阶段。在IC制造过程中，无论是氧化扩散、化学气相沉积还是溅镀和保护层沉积，均需要多次使用CMP技术。

二、CMP的工作原理

CMP 所采用的设备及耗材包括抛光机、抛光液（又称研磨液)、抛光垫、抛光后清洗设备、拋光终点(End Point)检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。应用 CMP 工艺的设备一般称为抛光机，主流的拋光机通常具备一个较大的圆形抛光台，抛光台上贴附着根据工艺需要所采用的不同材质制成的抛光垫，通过装载头在圆片背面施加压力，使得圆片表面向下紧压于抛光垫上；抛光液通过抛光机的液体输送管路从微小的喷嘴匀速流落在拋光垫的特定位置，随着拋光垫的运动自然分散于圆片和拋光垫之间。

CMP 工艺的物理基础是摩擦原理，其化学基础是氧化反应。在抛光过程中，圆片与抛光垫一般具有同向但不同速的旋转运动，装载头带着圆片还会产生径向的摆动，圆片与抛光垫之间由于速度差会产生相对运动。拋光液中的化学药剂与圆片表面的材料发生氧化反应，将圆片表面的材料转化成易于分离的物质，同时抛光液中的研磨颗粒以机械摩擦的方式将物质从圆片表面逐层剥离。化学反应和机械研磨同时进行，当二者达到平衡时，可以获得稳定的抛光速率，以及圆片表面较好的缺陷移除效果。由于 CMP 工艺可以通过圆片表面微观图形高、低处之间的抛光速率差（高处的速率大于低处的速率）达到去除高处图形从而获得均匀的图形表面的目的，因此 CMP 工艺既可以进行全局平坦化，也可以达到局部平坦化的效果，而后者使得CMP 工艺在先进集成电路制造流程中具有不可替代的地位。

CMP 工艺融合了化学研磨和物理研磨的过程，而单一的化学或物理研磨在表面精度、粗糙度、均匀性、材料去除率及表面损失程度上都不能同时满足要求。CMP 工艺兼具了二者的优点，可以在保证材料去除效率的同时，得到准确的表面材料层的厚度，较好的圆片表面平坦度和均匀性，以及实现纳米级甚至原子级的表面粗糙度，同时还能保证较小的表面损失程度。 基于简单的物理和化学原理过程，CMP 工艺就能得到精准和稳定的微观工艺结果，因此它已经成为集成电路制造工艺流程中一种最广泛采用且不断扩张应用领域的技术，如在先进技术研发中，CMP 工艺直接影响晶体管栅极的形成，对器件最终性能的影响越来越重要。CMP 工艺的独特之处是可以通过适当设计抛光液和抛光垫来满足不同需求的抛光工艺。根据对象的不同，CMP 工艺主要分为硅拋光（Poly CMP)、硅氧化物拋光(Silicon Oxide CMP)、碳化硅抛光 ( Silicon Carbide CMP)、钨抛光（W CMP）和铜拋光 (Cu CMP)。以下就是本期要跟大家分享的内容：

写在最后面的话

CMP技术可用于各种高性能和特殊用途的集成电路制造，且应用领域日益扩展，已成为最为重要的超精细表面全局平面化技术，也是国际竞争的关键技术，其增长势头和发展前景非常可观。深入研究和开发CMP技术，并形成拥有自主知识产权的材料和工艺，将促进我国IC产业的良性发展，提高我国在这一方面的国际地位，同时也将带来了巨大的经济和社会效益。

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审核编辑 黄宇