化学机械抛光专利技术分析

化学机械抛光专利技术分析
摘要：伴随着摩尔定律的发展，集成电路（以下简称IC）的发展经历了从小
规模集成电路(SSI)、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、甚大
规模集成电路（VLSI）直至今天的超大规模集成电路（ULSI）、巨大规模集成
电路（GSI）。

根据国际半导体技术路线图（ITRS）的规定，集成电路工艺水平
是通过技术节点来衡量。

技术节点通常以晶体管的半节距（half-pitch）或栅
极长度（gatelength）等特征尺寸（CD，critical dimension）来表示。

在进
入 ULSI 时代以后，横向空间的饱和，促使 IC 制造向垂直空间发展；向垂直空
间发展的思路促使多层金属互连技术的出现。

而多层金属互连技术的出现导致
IC 制造过程中不可避免的在层与层之间产生台阶，层数越多表面起伏愈加明显。

明显的表面起伏主要有两方面的影响产生，一方面金属布线中容易导致断线、短路、断路，另一方面导致光刻时对线宽失去控制。

关键词：化学机械抛光设备；技术；应用
引言
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技术被誉为是当今
时代能实现集成电路（IC）制造中晶圆表面全局平坦化的目前唯一技术，化学机
械抛光的效果直接影响到芯片最终的质量和成品率．化学机械抛光的概念由
Walsh等人于 1965年提出，最早是用于制造高质量的玻璃表面，如军用望远镜等．1986年，IBM 公司首次将该技术应用于金属机械抛光工艺中．随着 IC 制造
技术节点的不断推进及低介电常数（low - k）材料的引入，传统的CMP 工艺由
于抛光压力较高会破坏 low-k 介质材料，因此 CMP 工艺开始朝着低压力、低磨
料的方向发展，并成功地应用到 IC 制造工艺中，逐渐成长为 IC制造过程中必
不可少的关键技术，特别是当 IC制造技术节点发展到 14 nm 及以下时 CMP 已
成为实现最新的鳍式场效应晶体管（Fin FET）和硅通孔（TSV）的最核心的技术．在技术进步的同时，CMP全球市场规模也得到了快速提升，2018年全球 CMP
市场约 42. 91 亿美元，预计到 2026 年全球市场规模可以达到 71. 6亿美
元．介绍了 CMP 系统的组成和工作原理，对抛光设备、抛光液、抛光垫的构成
及主要作用和研究现状进行了综述，对 CMP技术未来的重点发展方向进行了展望。

1ＣＭＰ技术的基本原理
整个系统主要由3部分组成，分别是夹持硅片进行抛光的抛光头、安装抛光
垫的工作台和抛光液的供给设备。

在抛光过程中，硅片被吸附或粘在抛光头上，
并施加一定压力，使得待加工表面与抛光盘接触。

抛光头和工作台在电机的驱动
下可按照一定转速旋转，通常情况下，抛光头和工作台的转速基本一致。

由纳米
或者微纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液通过抛光液供给装备添加到抛光盘表面，然后通过工作台转动时的离心力使其均匀分布在抛光盘表面。

抛光过程中抛光液
与硅片间发生化学反应，使得硅片表面生成比较容易去除的物质，然后由磨粒与
硅片表面的机械摩擦作用将生成的物质去除，通过化学和机械的交替作用实现对
工件表面的超精密抛光。

CMP的化学反应机理比较复杂，影响因素很多。

根据抛
光对象的不同，具体的抛光机理也有差别。

2化学机械抛光专利技术发展
2.1化学机械抛光应用领域
伴随着 IC 制造的不断发展，CMP 在整个半导体工业中有极其广泛的应用，CMP 技术的主要应用领域可以归纳为以下的几个方面，浅槽隔离（STI）氧化硅
抛光用来磨去比氮化硅层高的所有氧化硅，研磨阻挡层为氮化硅，用来形成相邻
电路之间的绝缘体。

局部互连（LI）氧化硅抛光用来磨去与表面图形一致的多余
氧化硅层，抛光终点为使 LI 氧化层达到指定厚度，。

在局部互连（LI）中的金
属一般是钨，沉积在通孔中的钨形成钨塞，沉积在沟槽中的金属钨形成局部互连线，局部互连（LI）中钨CMP 用来抛光金属钨，同时以局部互连（LI）中的氧化
层作为抛光停止层，层间介质（ILD）氧化硅抛光用来将氧化层抛光至特定厚度，由于没有抛光停止层，层间介质氧化硅抛光需要有效的终点检测，层间介质（ILD）中的钨塞抛光用来抛光淀积在所有通孔和ILD 氧化层表面的钨，同时将
氧化硅作为停止层，双大马士革铜抛光过程中 CMP 用来抛光通孔和双大马士革
结构中细铜线。

双大马士革工艺过程中用介质作为停止层，金属导线间绝缘层（IMD）氧化硅抛光，用来抛光金属导线之间的氧化硅薄膜。

2.2抛光设备
CMP设备是一种集机械学、流体力学、材料化学、精细化工、控制软件等多
领域先进技术于一体的设备，是 IC 制造设备中较为复杂和研制难度较大的设备
之一。

高性能的CMP设备是实现高效、高精度和高表面质量的关键，也是研究CMP技术所必须的硬件基础。

现有的CMP设备主要有旋转型、轨道式和直线在
CMP设备的研发方面，国外相关机构处于大幅领先的地位，我国 90% 的高端 CMP 设备都依赖进口，全球CMP设备的供应商主要有 AppliedMaterials （美国应用材料）、Ebara Technologies（日本荏原）和 Accretech（东京精密）．国内 CMP 设备的主要研发机构有天津华海清科和中国电子科技集团在
CMP设备的研发方面，国外相关机构处于大幅领先的地位，我国 90% 的高端 CMP 设备都依赖进口，全球 CMP 设备的供应商主要有
AppliedMaterials（美国应用材料）、Ebara Technologies（日本荏原）和Accretech（东京精密）．国内 CMP 设备的主要研发机构有天津华海清科和中国
电子科技集团式三种基本类型．旋转型抛光机具有很高的抛光线速度，可单个或
者多个抛光头同时进行加工，生产效率较高，但缺点是被抛光工件上任意点的运
动轨迹相对简单，抛光过程中存在不同点间抛光线速度相差较大的情况．轨道式
抛光机是在旋转式的基础上增加了抛光头的轨道运动，抛光头可以沿直线或者弧
线摆动，从而解决了旋转式运动轨迹简单的缺点，更容易实现工件的表面平坦化．直线式抛光机采用传送带式设计替代传统的抛光盘，通过电机带动抛光垫，
实现了抛光头相对抛光垫的直线运动，该设计可以消除抛光平面内不同点线速度
差异引起的均匀性问题，能精确控制抛光加载压力及有效的减少抛光液的使用量。

2.3 抛光垫
抛光垫是影响化学机械抛光的重要因素之一。

抛光垫有输送和储存抛光液，
去除抛光过程中产生的碎屑等杂质，传递和提供材料去除所必需的机械载荷，为
磨粒摩擦作用创造条件等作用。

抛光垫的粗糙度、微孔形状、孔隙率和力学性
能等因素将直接影响CMP过程，进而影响工件的表面质量。

因此，研究抛光垫在
硅片CMP过程中产生的影响，选择和设计使用合理的抛光垫是获得较好晶圆表面
质量的重要途径之一。

］对单晶硅片抛光时的接触压力场进行了理论分析和计算，研究了抛光垫弹性模量和抛光垫厚度等参数对抛光后硅片平面度和表面质量
的影响。

研究结果表明，抛光垫厚度小，泊松比大时，会出现硅片中心压强高的
现象。

因此，适当减小抛光垫的厚度、弹性模量和泊松比能够使硅片在抛光过程
中的接触压强分布较均匀。

张春翔等研究了抛光垫的使用寿命对硅片抛光效果的
影响。

他们使用 SUBA系列聚氨酯抛光布和POLITEX系列精抛光布，在抛光压力
为24kPa，抛光液流量为1.8L/min的条件下，应用日本不二越的SPM-19抛光机，对直径为100mm的硅片进行了试验。

分别记录了使用抛光垫1、5、15、30、50h
和更换抛光垫前6个时间点的硅片抛光速率和硅片的几个技术参数（TTV、TIR、STIR）。

分析数据后得出以下结论：抛光速率随着抛光垫的使用时间延长而下降。

当抛光垫的使用时间在5~30h时，硅片抛光的各参数值保持稳定。

结语
在化学机械抛光过程中，抛光垫的作用主要有：存储抛光液及输送抛光液至
抛光区域，使抛光持续均匀的进行；传递材料，去除所需的机械载荷；将抛光过
程中产生的副产物（氧化产物、抛光碎屑等）带出抛光区域；形成一定厚度的抛
光液层，提供抛光过程中化学反应和机械去除发生的场所。

参考文献
[1]王彩玲. 300 mm 晶圆化学机械抛光设备及其关键技术研究[D]. 大连：
大连理工大学，2010.
[2] 徐涛，胡叶倩雯. 电子行业半导体子行业专题研究报告[R]. 北京：中
信证券研究部，2018.。