化学机械抛光工艺(CMP)全解(可编辑修改word版)

化学机械抛光液（CMP）氧化铝抛光液具体添加剂

摘要：本文首先定义并介绍 CMP 工艺的基本工作原理，然后，通过介绍 CMP 系统，从工艺设备角度定性分析了解 CMP 的工作过程，通过介绍分析 CMP 工艺参数，对 CMP 作定量了解。在文献精度中，介绍了一个 SiO2的CMP 平均磨除速率模型，其中考虑了磨粒尺寸，浓度，分布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。经过实验，得到的实验结果与模型比较吻合。MRR 模型可用于CMP 模拟，CMP 过程参数最佳化以及下一代 CMP 设备的研发。最后，通过对 VLSI 制造技术的课程回顾，归纳了课程收获，总结了课程感悟。

关键词：CMP、研磨液、平均磨除速率、设备

Abstract：This article first defined and introduces the basic working principle of the CMP process, and then, by introducing the CMP system, from the perspective of process equipment qualitative analysis to understand the working process of the CMP, and by introducing the CMP process parameters, make quantitative understanding on CMP.In literature precision, introduce a CMP model of SiO2, which takes into account the particle size, concentration, distribution of grinding fluid velocity, polishing potential terrain, material performance.After test, the experiment result compared with the model.MRR model can be used in the CMP simulation, CMP process parameter optimization as well as the next generation of CMP equipment research and development.Through the review of VLSI manufacturing technology course, finally sums up the course, summed up the course.

Key word: CMP、slumry、MRRs、device

1.前言

随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸缩小，要求晶片表面平整度达到纳米级。传统的平坦化技术，仅仅能够实现局部平坦化，但是当最小特征尺寸达到

0.25μm 以下时，必须进行全局平坦化。常见的传统平面化技术很多。如热流法，旋转玻璃法，回蚀法，电子环绕共振法，选择淀积，低压 CVD，等离子增强 CVD, 淀积-腐蚀-淀积法等。但它们都属于局部平面化工艺，不能做到全局平面化。90 年代兴起的化学机械抛光技术（CMP）则从加工性能和速度上同时满足硅片图形加工的要求，其也是目前唯一可以实现全局平坦化的技术[1]。

2.基本原理

2.1CMP 定义

CMP 就是用化学腐蚀和机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平滑处理。

2.2CMP 工作原理[2]

如图 1，将硅片固定在抛光头的最下面，将抛光垫放置在研磨盘上，抛光时，旋转的抛光头以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的研磨液在硅片表面和抛光垫之间流动，然后研磨液在抛光垫的传输和离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层研磨液液体薄膜。研磨液中的化学成分与硅片表面材料产生化学反应，将不溶的物质转化为易溶物质，或者将硬度高的物质进行软化，然后通过磨粒的微机械摩擦作用将这些化学反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学去膜和机械去膜的交替过程中实现平坦化的目的。其反应分为两个过程[3]：

化学过程：研磨液中的化学品和硅片表面发生化学反应，生成比较容易去除的物质；

物理过程：研磨液中的磨粒和硅片表面材料发生机械物理摩擦，去除化学反应生成的物质。

2.3CMP 主要参数[4]

(1)平均磨除率(MRR)在设定时间内磨除材料的厚度是工业生产所需要的。

(2)CMP 平整度与均匀性平整度是硅片某处 CMP 前后台阶高度之差占 CMP 之前台阶高度的百分比。

(3)选择比在 CMP 中，对不同材料的抛光速率是影响硅片平整性和均匀性的一个重要因素。

(4)表面缺陷 CMP 工艺造成的硅片表面缺陷一般包括擦伤或沟、凹陷、侵蚀、残留物和颗粒污染。

2.4CMP 系统

CMP 系统[5]（图 1）包括： CMP 设备、研磨液(抛光液)、抛光垫、抛光终点检测及工艺控制设备、后 CMP 清洗设备、浆料分布系统、废物处理和测量设备。其中研磨液和抛光垫为消耗品。

图1. CMP 设备组成

（1)抛光头组件

新型的抛光头组件（图2）具有用于吸附晶圆的真空吸附装置，对晶圆施加压力的下压力系统，以及调节晶圆的定位环系统。

图 2.抛光头组件

（2）研磨盘

研磨盘是 CMP 研磨的支撑平台，其作用是承载抛光垫并带动其转动。它是控制抛光头压力大小、转动速度、开关动作、研磨盘动作的电路和装置。

(3) 抛光垫

抛光垫（图3）通常使用聚亚胺脂(Polyurethane)材料制造，利用这种多孔性材料类似海绵的机械特性和多孔特性，表面有特殊之沟槽，提高抛光的均匀性，垫上有时开有可视窗，便于线上检测。通常抛光垫为需要定时整修和更换之耗材，一个抛光垫虽不与晶圆直接接触，但使用售命约仅为 45 至75 小时。

抛光垫有软垫，硬垫之分[6]。

图 3.抛光垫（左软，右硬）

硬垫（图 3，右）:较硬，抛光液固体颗粒大，抛光速度较快,平行度、平整度也较好, 但表面较粗糙,损伤层较严重。软垫（图 3，左）具有更好的硅片内平均性,抛光液中固体颗粒较小,因此可以增加光洁度, 同时去除粗抛时留下的损伤层。故采用粗精抛相结合的办法, 既可保持晶片的平行度、平整度,又可达到去除损伤层及保持硅片表面高光洁度的目的。

抛光垫上有很多小孔, 这些小孔有利于输送浆料和抛光, 还可用于将浆料中的磨蚀粒子送入硅片表面并去除副产品。在使用中, 抛光垫在对若干片晶片进行抛光后被研磨得十分平整, 同时孔内填满了磨料粒子和片子表面的磨屑聚集物, 一旦产生釉化现象, 就会使抛光垫失去部分保持研浆的能力, 抛光速率也随之下降, 同时还会使硅片表面产生划伤,对电路元件造成损伤。

因此, 抛光垫表面须定期地用一个金刚石调节器修整, 这样便可延长抛光垫的使用寿命。

（4）抛光垫修整器