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
图 4.抛光垫调整器 图 5.抛光垫调整器表面
抛光垫调整器[7]（图 4）作用是扫过垫表面提高表面粗糙度，除去用过的
浆料。

包含一个不锈钢盘以及一个镀镍（CVD 金刚石层）的金刚石磨粒（图 5）。

(5)研磨液系统
1) 研磨液[8]由磨粒、酸碱剂、纯水及添加物构成，其成分见表 1。

被抛光材料 磨粒 研磨液添加物 研磨液 pH
值
介质 二氧化硅 SiO 2, CeO 2,
ZrO 2
Al 2O 3 ,Mn 2O 3
KOH,NH2OH 10~13 金属
钨 Al 2O 3,Mn 2O 3 KIO 3,Fe(NO 3)2,H 2O 2 2~6 铝 SiO 2 KIO 3,Fe(NO 3)2,H 2O 2 2~6
铜 Al 2O 3 KIO 3,Fe(NO 3)2,H 2O 2 2~6
表 1.研磨液成分
2) 研磨液供给与输送系统
① 研磨液供给与输送系统与 CMP 工艺之间的关系：研磨液中的化学品在配比混合输送过程中可能有许多变化，这一点，使输送给机台的研磨液质量与抛光工艺的成功形成了非常紧密的关系，其程度超过了与高纯化学品的联系。

尽管 CMP 设备是控制并影响 CMP 工艺结果的主要因素，但是研磨液在避免缺陷和影响 CMP 的平均抛光速率方面起着巨大的作用。

② 研磨液供给与输送系统实现的目标：通过恰当设计和管理研磨液供给与输送系统来保证 CMP 工艺的一致性。

研磨液的混合、过滤、滴定以及系统的清洗等程序会减轻很多与研磨液相关的问题。

那么就要设计一个合适的研磨液的供给与输送系统，完成研磨液的管理，控制研磨液的混合、过滤、浓度、滴定及系统的清洗，减少研磨液在供给、输送过程中可能出现的问题和缺陷，保证 CMP 的平坦化效果。

研磨液组分通常是分开存储（图 6），使用时按比例混合使用。

图 6.研磨液混合系统（LFC: 流量控制装置）
③ 研磨液混合和输送设备的设计特点：
搅动：一般来讲，研磨液中的固体颗粒经过一段时间后会逐渐淀积，为了满足特定的工艺要求，必须保持桶中和储蓄罐中的液体均一，专业的研磨液系统制造商可以为每种研磨液设置特定的淀积率和分散率。

④抛光研磨液后处理：作为消耗品，研磨液一般是一次性使用。

随着 CMP 市场的扩大，抛光研磨液的排放及后处理工作量也在增大(出于环保原因，即使研磨液不再重复利用，也必须先处理才可以排放)。

而且，抛光研磨液价格昂贵，如何对抛光研磨液进行后处理，补充必要的化学添加剂，重复利用其中的有效成分，或降级使用，不仅可以减少环境污染，而且可以大大降低加工成本。

抛光研磨液的后处理研究将是未来的新研究热点。

（6）终点检测设备[9]
终点检测是检测 CMP 工艺把材料磨除到一个正确的厚度的能力。

检测方法大致分为间接地对抛光晶片进行物理测定（电流），直接检测晶片（光学）两种。

1)检测电流终点检测。

CMP 接近终点时, 抛光垫与硅片摩擦力开始改变，抛光头转动马达的电流会改变来保证不变的旋转速率，监测马达电流来测终点。

2)光学干涉法终点检测
图7.电介质光干涉终点检测图8.后CMP 清洗刷子
电解质光干涉法（图 7），反射光相互干涉，薄膜厚度的变化引起干涉状态的周期变化，电解质薄膜厚度的变化可以由反射光的变化来监测。

图 9.光学测金属 CMP 终点
反射率的改变可用来测金属 CMP 终点，金属表面有很高反射率（图9 左），金属层被磨除（图9 右）时表面反射率大幅减少，通过这种方法可测终点。

（7）CMP 后清洗[10]
三步法:清洁, 冲洗,干燥。

后清洗目的主要是去除颗粒和其他化学污染物，用到去离子水及刷子，去离子水量越大, 刷子压力越大清洗效率越高。

刷子（图 8）通常是多孔聚合物材质, 允许化学物质渗入并传递到晶圆表面
2.5CMP 设备的发展
(1)单抛光头旋转式系统CMP 转动设备是用以玻璃陶瓷或其他金属的磨平抛光设备为基础的，这种设备由单个研磨盘和单个抛光头构成。

(2)多抛光头旋转式CMP 系统随着生产力需求和缺陷标准提高，出现了多研磨头的旋转体系，这类设备有很多种。

(3)多研磨盘CMP 系统由于Auriga 公司和Symphony 公司的设备缺乏灵活性，例如加工的硅片片数是22 片而不是25 片硅片，就不能发挥它们生产力高的优点。

(4)轨道式CMP 系统（图10）由于对于工艺的灵活性和生产力的需求提高，IPEC 公司开发出了 676 轨道式 CMP 系统。

图10.轨道式CMP 系统图11.线性CMP 系统
(5)线性CMP 系统（图11）最后，有些公司开发出能够实现高线速度的线性CMP 系统。

2.6影响 CMP 效果的主要参数
设备参数研磨液参数抛光垫/背垫参数CMP 对象薄膜参数抛光时间磨粒大小硬度种类
研磨盘转速磨粒含量密度厚度
抛光头转速磨粒的凝聚度空隙大小硬度
抛光头摇摆度酸碱度弹性化学性质
背压氧化剂含量背垫弹性图案密度
下压力流量修整
粘滞系数
表2.影响 CMP 效果的主要参数
1.抛光头压力压力越大，磨除速率越快。

2.抛光头与研磨盘间的相对速度抛光速率随着抛光头与研磨盘间的相对速度
的增大而增大。

3.抛光垫抛光垫是在 CMP 中决定抛光速率和平坦化能力的一个重要部件。

2 ① 碎片后为防止缺陷而更换抛光垫。

② 优化衬垫选择以便取得好的硅片内和硬膜内的均匀性和平坦化(建议采用层叠或两层垫)。

③ 运用集成的闭环冷却系统进行研磨垫温度控制。

④ 孔型垫设计、表面纹理化、打孔和制成流动渠道等有利于研磨液的传送。

⑤ CMP 前对研磨垫进行修正、造型或平整。

⑥ 有规律地对研磨垫用刷子或金刚石修整器做临场和场外修整。

4. 研磨液 研磨液是影响 CMP 速率和效果的重要因素，在半导体工艺中，针对SiO2、钨栓、多晶硅和铜，需要用不同的研磨液来进行研磨。

1) 磨粒
① 磨粒材料：对不同的薄膜 CMP 和不同工艺的 CMP 要精心选择磨粒材料。

即使是对同种薄膜材料进行 CMP ，其磨粒材料不同，抛光速率也不同。

例如对于 ILD 氧化硅进行 CMP ,采用二氧化铈(CeO 2)作为磨粒的抛光速率比用气相纳米 SiO 2 为 磨粒的抛光速率⎛大f 约快⎫3⎛倍R 。

⎫ PA A = s ⎪ p ⎪ w ② 磨粒r 含量：⎝磨粒C 含量⎭是
指研磨液中磨粒质量的百分数。

⎪ E ⎝ p ⎭ pw
即(磨粒质量/研磨液质量)×100%，又叫磨粒浓度。

对于硅抛光，在低磨粒含量时， 在一定范围内对硅的抛光速率随着磨粒含量的增加而增加，平整度趋于更好。

这主要是由于，随着磨粒含量的提高，研磨液中参与机械研磨的有效粒子数增多， 抛光液的质量传递作用提高，使平坦化速率增加，可以减小塌边情况的发生。

但并不是磨粒含量越高越好，当磨粒含量达到一定值之后，平坦化速率增加缓慢， 且流动性也会受影响，成本也增加，不利于抛光。

要通过实验对确定的抛光对象找出一个最优的磨粒含量。

③ 磨粒大小及硬度：随着微粒尺寸和硬度的增加，去除速率也随之增加。

但会产生更多的凹痕和划伤。

所以要很细心地选择颗粒的大小和硬度，颗粒硬度要比去除材料的硬度小。

要不能使平坦化的表面产生凹痕和擦伤等表面缺陷。

2) 研磨液的选择性：对确定的研磨液，在同样条件下对两种不同的薄膜材料进行抛光时其抛光速率的不同，这就是研磨液的选择性。

3) 研磨液中添加物的浓度与 pH 值：与 MRR 有直接关系。

5. 温度对去除率的影响 CMP 在加工过程中无论是酸性液体还是碱性液体，在与去除材料的化学反应中都是放热的反应，造成温度的上升，同时在加工过程中， 由于抛光头的压力作用和抛光头及研磨盘的旋转具有做功的情况，所以有能量的释放，造成温度的上升。

6. 薄膜特性 CMP 研磨薄膜材料的性质(化学成分、硬度、密度、表面状况等)也影响抛光速度和抛光效果。

3. 文献精读
3.1 半经验 SiO 2CMP 磨除速率（MRR ）模型[13]
为预测 CMP 过程的 MRR ，建立了半经验的模型公式。

假定晶圆磨粒表面是塑性接触，抛光垫与磨粒弹性接触，磨粒尺寸分布，抛光垫粗糙度无序分布；模型考虑磨粒尺寸，浓度，分布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。

3.2 模型推导
根据 G —W 模型[14]和接触原理[15],CMP 中一个平滑晶圆和一个自由粗糙抛光垫在 F 作用力下真实接触面积为：
⎝ R 真实接触压力为：
早期研究证明，颗粒尺寸分布满足一个密度方程（Φ（D ））[16],得到活跃颗粒数量表达式：
根据活性粒子数量和颗粒密度，得到平均 MRR ：
而 MRR 分布模型
[17]可表示为： ⎛ C 1 ⎫⎛ p ⎫ 2 P r = ⎪ ⎪ E pw
⎝ f s ⎪ ⎝ p ⎭
3.3 实验过程
抛光垫+上∝ 层用型号 IC10(00A 聚T 氨/酯l +，1基)层用f Sub ⎛aIV 毡⎫型2 垫P ，A 这种+∝设计易用， n = qA 2 1 (D )dD = W
⎛ s ⎫ R P ⎪ W (D )dD
性a 能连续。

r 用⎰ PECVD 在 200mm 晶圆A 淀T 积 1.5μ m C 厚⎪S i O 2 层⎪。

CMP E 设备⎰用的是旋转 D W ⎝ ⎭⎝ P ⎭ PW D 抛光器（GnP cr POLI500）。

工作压力是晶圆压力 27.5KPa ；定位环压力cr 34.74KPa ； 研磨液流速是 150ml/min ；转速 40rpm ；用到四种不同直径研磨液（表 4）；颗 4 ( A W / l + 1) ⎛ f ⎫⎛ R ⎫ 2 PV re .avg ⎛ , ⎫ 2 ⎪ 粒浓度为 12.5⎛wt%；CMP 中T ，调节进2程用压力 5.88KP 1a ，调机器转速 40rpm ，盘3 ⎫转 速M 6R 0r R p a m v ；g 抛=光 1min 后，用反射计(K -Ma s c ⎪S T503P 0-⎪SL)测膜厚；每 张1晶- 圆选⎪41⎪个 3 A T ⎝ C ⎭ ⎪ E 2 ⎪ 点测 MRRs ；边 缘去除 3mm 。

W ⎝ P ⎭ PW ⎝ ⎭ ⎪ ⎭
⎧⎪⎛ (x , y )⎫⎛ V (x , y )⎫⎫⎪ MRR (x , y ) = MRR • ⎨ n ⎪ re .avg ⎪ avg ⎪ V ⎪
表 3.模型参量数值
⎭ 变量 名称 ⎪⎩⎝ n .avg 值⎭ ⎝ re .avg 单位⎭ ⎪⎭ σp 垫粗糙度标准误差 30 μm R p 垫粗糙读平均半径 25 μm E p 垫材料杨氏模量 10 MPa υp 垫材料泊松比率 0.2 - E a SiO 2 颗粒杨氏模量 94 GPa υa SiO 2 颗粒泊松比率 0.26 - ρa SiO 2 颗粒密度 2270 Kg/m 3 ρs 研磨液密度 1040 Kg/m 3 E w SiO 2 杨氏模量 66 GPa υw SiO 2 泊松比率 0.3 - H w SiO 2 硬度 18 GPa
3.3实验过程
抛光垫上层用型号 IC1000 聚氨酯，基层用 SubaIV 毡型垫，这种设计易用，
层。

CMP 设备用的是旋转抛性能连续。

用 PECVD 在200mm 晶圆淀积1.5μm厚SiO
2
光器（GnP POLI500）。

工作压力是晶圆压力 27.5KPa；定位环压力 34.74KPa；
研磨液流速是 150ml/min；转速 40rpm；用到四种不同直径研磨液（表 4）；颗粒浓度为 12.5wt%；CMP 中，调节进程用压力 5.88KPa，调机器转速 40rpm，盘转速 60rpm；抛光 1min 后，用反射计(K-Mac ST5030-SL)测膜厚；每张晶圆选 41 个点测MRRs；边缘去除 3mm。

研磨液平均直径（nm）标准误差（nm）
D13 13.3 3.7
D22 22.4 4.4
D61 60.9 12.5
D118 117.7 26.4
表 4.CMP 实验研磨液
3.4实验结果分析
测得颗粒尺寸分布为离散分布，离散密度公式用来计算颗粒总数
图 12.研磨液颗粒尺寸分布
图 13.平均颗粒尺寸与平均 MRRs 关系图 14.颗粒质量百分比与平均 MRRs 关系以平均颗粒尺寸为变量测平均磨除速率，得到结果曲线图 13，并与公式模型所得曲线比较，可以看出，公式模型与试验结果相吻合，从 D13 到 D61，磨除速率上升，到 D118 稍有下降，说明有一个最适尺寸。

以颗粒质量百分比为变量测平均磨除速率，得到结果曲线图 14 ，并与公式模型所得曲线比较，可以看出，公式模型与试验结果相吻合，从5wt%到 17.5wt%，MRR 一直增加，说明活性颗粒数量与磨除速率成正比。

图15.不同颗粒直径下试验与模型MRR 分布图16.不同颗粒密度下实验与模型MRR 分布图 15 和图 16 表明，试验结果符合模型假设，验证了模型的正确性。

3.5结论
基于接触力学，本文提供了一个 SiO2 的 CMP 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。

经过试验，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。

4.学习体会
在本学期的 VLSI 制造技术的课程学习中，我收获很多。

首先，因为上课人数少，获得了两次讲报告的机会，使我阅读文献的能力得到很大提升，也锻炼了作报告能力，同时学到很多新知识，其次，在听其他同学报告时，也了解了很多各方面知识，最后，通过金老师对第一次报告的点评，我在第二次报告中改正了很多第一次中的不足，报告能力再次得到提升，同时，金老师渊博的专业知识以及对每次上台作报告同学的点评，都使我获益匪浅。

参考文献：
[1]刘玉岭,檀柏梅,张楷亮. 超大规模集成电路衬底材料性能及加工测试工程[M]. 北京：冶金工业出版社,2002.
[2]Lee HS, Jeong HD. Chemical and mechanical balance in polishing of electronic materials for defect-free surfaces. CIRP Annals-Manufacturing Technology 2009;58:485–90.
[3]Zantye PB, Kumar A, Sikder AK.Chemical mechanical planarization for microelectronics applications.Materials Science and Engineering R 2004; 45:89–220.
[4]Steigerwald JM, Shyam P, Gutmann M, Gutmann RJ. Chemical mechanical planarization of microelectronic materials. New York: Wiley; 1997.
[5]Lee H, Joo S, Jeong H. Mechanical effect of colloidal silica in copper chemical mechanical planarization. Journal of Materials Processing Technology 2009;209:6134–9.
[6]Larsen-Basse J, Liang H. Probable role of abrasion in chemo-mechanical polishing of tungsten. Wear 1999;233-235:647–54.
[7]Cook LM. Chemical process in glass polishing. Journal of Non- Crystalline Solids 1990;120:152–71.
[8]Tomozawa M. Oxide CMP mechanisms. Solid State Technology 1997;40:39–53.
[9]Shouhong Tang, 高仰月译. 用白光干涉测量法描述化学机械抛光面[J].电子工业专用设备, 2006, 141, 19-23.
[10]雷红,CMP 后清洗技术的研究进展[J].上海大学纳米科学与技术研究中心, 2008;200444.
[11]Nogami M, Tomozawa M. Effect of stress on water diffusion in silica glass.Journal of the American Ceramic Society 1984;67:151–4.
[12]Preston FW. The theory and design of plate glass polishing machine. Journal of the Society of Glass Technology 1927;11:214–56.
[13]H.S.Leea,H.D.Jeonga,D.A.Dornfeld,Semi-empirical material removal rate distribution model for SiO2 chemical mechanical polishing(CMP) [J].processes Precision Engineering.37.(2013);483–490.
[14]Greenwood JA,Williamson JBP.Contact of nominally flat surfaces. Proceedings of the Royal Society A 1966;95:300–19.
[15]Johnson KL. Contact mechanics. Cambridge: Cambridge University Press; 1985.
[16]Zhao Y, Chang L. A micro-contact and wear model for chemical–mechanical polishing of silicon wafers. Wear 2002;252:220–6.
[17]Lee H, Jeong H. A wafer-scale material removal rate profile model for copper chemical mechanical planarization.International Journal of Machine Tools and Manufacture 2011;51:395–403.。