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20 世紀(jì) 80 年代初，IBM 公司在制造DRAM的過程中，為了達(dá)到圓片表面金屬間介電質(zhì)層（IMD）的全局平坦，建立起了硅氧化物（SiO2）的 CMP 工藝，后來又?jǐn)U展到對金屬鎢（W）的 CMP。隨著晶體管集成度的不斷提高，從0.13um 工藝節(jié)點(diǎn)開始，銅互連成為集成電路后段工藝流程的唯一選擇，這就使銅連線的平坦化工藝（Cu CMP)變得舉足輕重。隨著摩爾定律的向前延伸，在從 28nm 開始的高端工藝中，場效應(yīng)管柵極的制造流程也引入了 CMP 工藝，以求獲得更加均勻的柵極高度。

隨著半導(dǎo)體工業(yè)沿著摩爾定律的曲線急速下降，驅(qū)使加工工藝向著更高的電流密度、更高的時鐘頻率和更多的互聯(lián)層轉(zhuǎn)移。由于器件尺寸的縮小、光學(xué)光刻設(shè)備焦深的減小，要求片子表面可接受的分辨率的平整度達(dá)到納米級。

一、CMP的簡介

化學(xué)機(jī)械拋光是集成電路制造的重要工藝之一，又被稱為化學(xué)機(jī)械平坦化(Chemical Mechanical Plamarization, CMP)。

CMP是利用與被加工基片相匹配的拋光液在基片表層發(fā)生快速化學(xué)作用，形成一層相對于基體硬度較軟、強(qiáng)度較低、結(jié)合力較弱的表面軟化層；然后通過拋光墊與被加工基片之間的相對運(yùn)動，利用拋光液中的磨料和拋光墊對被加工基片表面進(jìn)行機(jī)械去除，降低拋光作用力而獲得高品質(zhì)的加工表面。該方法是借助磨料機(jī)械作用及化學(xué)作用的協(xié)同來完成微量材料去除，能夠避免依靠單純使用機(jī)械拋光作用造成的加工損傷和單純使用化學(xué)拋光作用造成的拋光效率低、表面平整度和拋光一致性差等缺點(diǎn)。

如下圖所示，主要包括硅片制造、IC制造（前端工藝、后端工藝）、測試與封裝幾個階段。在IC制造過程中，無論是氧化擴(kuò)散、化學(xué)氣相沉積還是濺鍍和保護(hù)層沉積，均需要多次使用CMP技術(shù)。

二、CMP的工作原理

CMP 所采用的設(shè)備及耗材包括拋光機(jī)、拋光液（又稱研磨液)、拋光墊、拋光后清洗設(shè)備、拋光終點(diǎn)(End Point)檢測及工藝控制設(shè)備、廢物處理和檢測設(shè)備等。應(yīng)用 CMP 工藝的設(shè)備一般稱為拋光機(jī)，主流的拋光機(jī)通常具備一個較大的圓形拋光臺，拋光臺上貼附著根據(jù)工藝需要所采用的不同材質(zhì)制成的拋光墊，通過裝載頭在圓片背面施加壓力，使得圓片表面向下緊壓于拋光墊上；拋光液通過拋光機(jī)的液體輸送管路從微小的噴嘴勻速流落在拋光墊的特定位置，隨著拋光墊的運(yùn)動自然分散于圓片和拋光墊之間。

CMP 工藝的物理基礎(chǔ)是摩擦原理，其化學(xué)基礎(chǔ)是氧化反應(yīng)。在拋光過程中，圓片與拋光墊一般具有同向但不同速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，裝載頭帶著圓片還會產(chǎn)生徑向的擺動，圓片與拋光墊之間由于速度差會產(chǎn)生相對運(yùn)動。拋光液中的化學(xué)藥劑與圓片表面的材料發(fā)生氧化反應(yīng)，將圓片表面的材料轉(zhuǎn)化成易于分離的物質(zhì)，同時拋光液中的研磨顆粒以機(jī)械摩擦的方式將物質(zhì)從圓片表面逐層剝離?；瘜W(xué)反應(yīng)和機(jī)械研磨同時進(jìn)行，當(dāng)二者達(dá)到平衡時，可以獲得穩(wěn)定的拋光速率，以及圓片表面較好的缺陷移除效果。由于 CMP 工藝可以通過圓片表面微觀圖形高、低處之間的拋光速率差（高處的速率大于低處的速率）達(dá)到去除高處圖形從而獲得均勻的圖形表面的目的，因此 CMP 工藝既可以進(jìn)行全局平坦化，也可以達(dá)到局部平坦化的效果，而后者使得CMP 工藝在先進(jìn)集成電路制造流程中具有不可替代的地位。

CMP 工藝融合了化學(xué)研磨和物理研磨的過程，而單一的化學(xué)或物理研磨在表面精度、粗糙度、均勻性、材料去除率及表面損失程度上都不能同時滿足要求。CMP 工藝兼具了二者的優(yōu)點(diǎn)，可以在保證材料去除效率的同時，得到準(zhǔn)確的表面材料層的厚度，較好的圓片表面平坦度和均勻性，以及實(shí)現(xiàn)納米級甚至原子級的表面粗糙度，同時還能保證較小的表面損失程度。 基于簡單的物理和化學(xué)原理過程，CMP 工藝就能得到精準(zhǔn)和穩(wěn)定的微觀工藝結(jié)果，因此它已經(jīng)成為集成電路制造工藝流程中一種最廣泛采用且不斷擴(kuò)張應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)，如在先進(jìn)技術(shù)研發(fā)中，CMP 工藝直接影響晶體管柵極的形成，對器件最終性能的影響越來越重要。CMP 工藝的獨(dú)特之處是可以通過適當(dāng)設(shè)計(jì)拋光液和拋光墊來滿足不同需求的拋光工藝。根據(jù)對象的不同，CMP 工藝主要分為硅拋光（Poly CMP)、硅氧化物拋光(Silicon Oxide CMP)、碳化硅拋光 ( Silicon Carbide CMP)、鎢拋光（W CMP）和銅拋光 (Cu CMP)。以下就是本期要跟大家分享的內(nèi)容：

寫在最后面的話

CMP技術(shù)可用于各種高性能和特殊用途的集成電路制造，且應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，已成為最為重要的超精細(xì)表面全局平面化技術(shù)，也是國際競爭的關(guān)鍵技術(shù)，其增長勢頭和發(fā)展前景非?？捎^。深入研究和開發(fā)CMP技術(shù)，并形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料和工藝，將促進(jìn)我國IC產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，提高我國在這一方面的國際地位，同時也將帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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審核編輯 黃宇