隨著半導體工業的飛速發展，為滿足現代微處理器和其他邏輯芯片要求，一方面，為增大芯片產量，降低單元制造成本，要求硅片的直徑不斷增大：另一方面，為了提高集成電路的集成度，要求硅片的刻線寬度越來越細。集成電路制造技術已經跨入0.13um和300mm時代，按照美國半導體工業協會( SIA)提出的微電子技術發展構圖，到2008年，將開始使用直徑450mm的硅片，實現特征線寬0.07um，硅片表面總厚度變化(TTV)要求小于0.2um，硅片表面局部平整度(SFQD)要求為設計線寬的2/3，硅片表面粗糙度要求達到納米和亞納米級，，芯片集成度達到9000萬個晶體管／cm2等。由于超人規模集成電路幾何尺寸的縮小，導致了集成電路結構層的立體化，并且要求采用性能更好的金屬作互連線；與此同時，金屬線變得很細，鋁互連線已經不能適應時代需求，因此目前超大規模集成電路(ULSI)多層布線金屬正由傳統的Al向Cu轉化，然而隨著金屬層數的增加，要在大直徑硅片上實現多層布線結構，刻蝕要求每一層都應具有很高的全局平整度，這是實現多層布線的關鍵。

   常見的傳統平面化技術很多，如熱流法、旋轉式玻璃法、回蝕法、電子環繞共振法、選擇淀積、低壓CVD、等離了增強CVD、淀積．腐蝕．淀積等，這些技術在IC工藝中都曾得到應用，但是它們都是屬于局部平面化技術，不能做到全局平面化。1965年Walsh和Herzog首次提山了化學機械拋光技術<CMP)，之后逐漸被應用起來。在半導體行業，CMP早應用于集成電路中基材硅片的拋光。1990年，IBM公司率先提

出了CMP全局平面化技術，并于1991年成功應用于64Mb的DRAM生產中。之后，CMP技術得到了快速發展。CMP的研究開發工作過去主要集中在以美國為主的聯合體SEMATECH，現在已發展到，如歐洲聯合體JESSI、法國研究公司LETI和CNET、德國FRAUDHOFER研究所等，日本在CMP方面發展很快，并且還從事硅片CMP設備供應。我國臺灣和韓國也在CMP方面研究較多，但我國國內在這方面研究者甚少。

2  化學機械拋光技術的原理及其在集成電路制造中的作用

   一般的化學機械拋光系統構造如圖1所示，整個系統是由一個旋轉的硅片夾持器、承載拋光墊的工作臺和拋光漿料供給裝置三大部分組成。化學機械拋光時，旋轉的工件以一定的壓力壓在旋轉的拋光墊上，而由亞微米或納米磨粒和化學溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動，并產生化學反應，工件表面形成的化學反應物由磨粒的機械作用去除，即在化學成膜和機械去膜的交替過程中實現超精密表面加工，人們稱這種CMP為游離磨料CMP。在CMP中，由于選用比工件軟或者與工件硬度相當的磨粒，在化學反應和機械作用的其同作用下從工件表面去除極薄的一層材料，因而可以獲得高精度、低表面粗糙度、無加工缺陷的工件表面。

   集成電路制造過程共分4個階段：單品硅片制造一前半制程一硅片測試一后半制程，如圖2所示。在單晶硅片制造過程和前半制程多層布線都要用到化學機械拋光。大量的研究表明，化學機械拋光技術是保證硅片平坦化的方法，它不僅足在單晶硅片加工終獲得納米級超光滑無損傷表面的有效方法，也是ULSI芯片多層布線中不可替代的層間平坦化方法。CMP現已成為半導體加工行業的主導技術。

3化學機械拋光材料去除機理研究

   化學機械拋光技術是化學作用和機械作用相結合的組合技術，其過程相當復雜，影響因素很多。在化學機械拋光時，首先是存在于工件表面和拋光墊間的拋光液中的氧化劑、催化劑等與工件表面的原子進行氧化反應，在工件表面產生一層氧化薄膜，然后由漂浮在拋光液中的磨粒通過機械作用將這層氧化薄膜上除，使工件表面重新裸露出來，再進行氧化反應，這樣在化學作用過程和機械作用過程的交替進行中完成工件表面拋光。兩個過程的快慢綜合和一致性影響著工件的拋光速率和拋光質量。拋光速率主要由這兩個過程中速率慢的過程所控制。因此要實現高效率、高質量的拋光，必須使化學作用過程和機械作用過程進行良好匹配。

3.1材料去除機理及模型的研究內容

   盡管CMP被認為足獲得光滑無損傷表面的有效方法，并且已經廣泛地用于集成電路制造中，但CMP材料去除機理、CMP過程變量和技術等方面的許多問題還沒有完全弄清楚。一方面，由于拋光過程變量多、復雜，且具有交互作用，它的變化會直接影響到硅片和拋光墊之間的關系及材料去除機理，這就使得化學機械拋光材料去除機理變得復雜，且難以控制。另一方面，由于硅片表面組成材料種類多、性質不同，要實現均勻去除和有選擇地去除較困難。因此，CMP材料去除機理涉及的研究內容很多，研究人員從不同的方面用不同的方法，采用不同的理論進行了各種各樣的研究，但至今還沒有一個完整結論。圖3給出了目前硅片化學機械拋光材料去除機理主要研究內容和各種模型。

3.2 CMP化學反應機理

   CMP的化學反應式可用下式表示為：aM+ βR--A--nL+mD.式中M代表硅片表面未被氧化的物質（如Si、SiO2、互連金屬、介電質等）；R代表氧化劑、L代表化學反應在硅片表面形成的氧化反應物層（未被磨粒磨除）；D代表副產物（氣體、液體或溶于拋光液）；a、β、n、m為系數（摩爾數）；k．為速率參數，其大小由氧化劑的化學性質決定。

3.3 CMP機械去賒機理模型研究

   CMP過程中的機械去除機理非常復雜，至今沒有定論，目前很多研究人員在從事這方面的研究工作。由于硅片和拋光墊的接觸形式不同，其材料去除機理也會不同。針對不同的接觸形式，人們已提出了很多材料去除機理物理模型。如圖3所示，

   ①唯象學模型：早在20世紀20年代，Preston通過對光學玻璃的拋光，提出了個基于CMP過程結果的唯象學模型。之后，Preston方程被廣泛用作集成電路中CMP過程的控制和消耗品研究。由于Preston公式是基于硬質拋光墊，而廣泛用于IC制造業的拋光墊是軟質聚合物，不同硬度的拋光墊將使材料去除率在Preston公式和實驗觀察之間產生明顯的差異。1991年Burke通過對Si02化學機械拋光實驗，建立了一個半經驗唯象學模型。但該模型沒有考慮拋光墊的彎曲（凹陷）、凸出以及液體流動。同年，J．Warnock提出一個全唯象學顯微模型，認為水平方向拋光速率的不同是由拋光墊的變形決定的，而垂直方向的拋光速率的不同是由拋光墊的粗糙度決定的。

   ②物理模型：硅片和拋光墊的接觸程度是由硅片和拋光墊之間拋光液薄膜厚度決定的，如果薄膜厚度比拋光墊平均凸峰高度大，則拋光操作被認為是在流體潤滑區域，可以用流體動力學理論來建立材料去除機理模型；如果薄膜厚度比拋光墊凸峰高度小，導致硅片和拋光墊完全接觸，則拋光操作被認為是在全接觸區域，可以用接觸力學理論來建立材料去除機理模型。當硅片和拋光墊之間既有直接接觸部分又有非接觸部分時．則CMP操作過程中被認為是在半接觸操作區域，可以用接觸力學模型和流體動力學理論來建立拋光CMP模型，即為基于接觸力學和液體力學原理的混合模型。(1)流體動力學模型是基于液體動壓滑動軸承的原理建立的。硅片和拋光墊非直接接觸，作用載荷全由硅片和拋光墊之間的拋光液所承受，材料去除是由拋光液薄膜在硅片表面產生的表面應力和拋光液的自然刻蝕形成的。(2)接觸力學原理的模型是基于硅片和拋光墊完全接觸，作用載荷主要由固．固接觸的拋光墊、硅片和磨粒所承受，材料去除是通過磨粒在硅片表面的滑擦作用。當使用軟質拋光墊拋光時，材料去除率主要由硅片和墊子接觸區域的總磨粒數量所決定；而使用硬質拋光墊拋光時，材料去除率主要取決于磨粒與硅片總的接觸面積。(3)在接觸力學和液體力學原理的混合模型中，硅片和拋光墊之間不硅片一一（磨粒）一一拋光墊接觸形式，又存在硅片——液體膜——拋光墊接觸形式，作用壓力由拋光墊的凸峰和拋光液薄膜所承受。

   在上述有關CMP村料去除機理模型的研究中，對拋光液化學反應和磨粒的磨蝕作用及其交互作用等均沒有作完全考慮，因此用這些理論模型來揭示CMP加工過程的本質還有一定的局限性，所以，對CMP材料去除機理還有待進一步深入研究和理解。

4  CMP系統過程變量及其對拋光速率和表面質量的影響

4.1 CMP系統過程變量

   一個CMP系統（拋光墊／拋光液，硅片）包括很多變量：設備過程變量、硅片本身變量、拋光液變量以及拋光墊變量，具體內容圖4所示。

4.2 CMP主要過程變量對拋光速率和表面質量的影響

   為了更好控制拋光過程，需要詳細了解每一個CMP參數所起的作用以及它們之間微妙的交互作用。然而影響化學作用和機械作用的因素很多，因此在進行化學機械拋光時要綜合考慮上述各種因素，進行合理優化，才能得到滿意的結果。

   (l)拋光壓力P。拋光壓力對拋光速率和拋光表面質量影響很大，通常拋光壓力增加，機械作用增強，拋光速率也增加，但使用過高的拋光壓力會導致拋光速率不均勻、拋光墊磨損量增加、拋光區域溫度升高且不易控制、使出現劃痕的機率增加等，從而降低了拋光質量。因此拋光壓力是拋光過程中一個重要變量。

   (2)相對速度Vo相對速度也是拋光過程的一個重要變量，它和拋光壓力的匹配決定了拋光操作區域。在一定條件下，相對速度增加，會引起拋光速率增加。如果相對速度過高會使拋光液在拋光墊上分布不均勻、化學反應速率降低、機械作用增強，從而硅片表面損傷增大，質量下降。但速度較低，則機械作用小，也會降低拋光速率。

   (3)拋光區域溫度。一般情況下工作區溫度升高，加強了拋光液化學反應能力，使拋光速率增加，但由于溫度與拋光速率成指數關系，過高的溫度會引起拋光液的揮發及快速的化學反應，表面腐蝕嚴重，因而會產生不均勻的拋光效果，使拋光質量下降。但工作區溫度低，則化學反應速率低、拋光速率低、機械損傷嚴重：因此拋光區應有溫度值。通常拋光區溫度控制在38-50℃（粗拋）和20-30℃（精拋）。

   (4)拋光液粘度、pH值。拋光液粘度影響拋光液的流動性和傳熱性。拋光液的粘度增加，則流動性減小，傳熱性降低，拋光液分布不均勻，易造成材料去除率不均勻，降低表面質量。但在流體動力學模型中，拋光液的粘度增加，則液體薄膜小厚度增加、液體膜在硅片表面產生的應力增加，減少蘑粒在硅片表面的劃痕，從而使材料去除增加。pH值對被拋表面刻蝕及氧化膜的形成、磨料的分解與溶解度、懸浮度（膠體穩定性）有很大的影響，從而影響材料的去除率和表面質量，因此應嚴格控制。

   (5)拋光墊。拋光墊材料通常為聚氨酯或聚脂中加入飽和的聚氨脂，它的各種性質嚴重影響被拋光硅片的表面質量、平坦化能力和拋光速率。拋光墊的硬度對拋光均勻性有明顯的影響，當使用硬拋光墊時可獲得較好的晶片內均勻性(WID)，使用軟拋光墊可獲得較好的表面質量和改善芯片內均勻性(wlw)。拋光墊的多孔性和表面粗糙度將影響拋光液的傳輸、材料去除率和接觸而積。拋光墊越粗糙，則材料去除率增大，接觸面積越大；拋光墊使用后會產生變形，表面變得光滑，孔隙減少和被堵塞，使拋光速率下降，必須進行修整來恢復其粗糙度，改善傳輸拋光液的能力。

   (6)磨粒尺寸、濃度及硬度。CMP的磨粒一般有Ce02、Si02和Al2O3，其尺寸在20-200nm之間。一般情況下，當磨粒尺寸增加，拋光速率增加，但磨粒尺寸過小則易凝聚成團，使硅片表面劃痕增加；磨粒硬度增加，拋光速率增加，但劃痕增加，表面質量下降。磨粒的濃度增加時，材料去除率也隨之增加，但當磨粒濃度超過某一值時，材料去除率將停止增加，維持一個常數值，這種現象可稱為材料去除飽和，但

磨粒濃度增加，硅片表面缺陷（劃痕）增加，表面質量降低。

5結束語

   雖然CMP技術發展很快，但還有很多理論和技術問題需要解決，還有太多的理論處于假設階段，沒有被人所證實、所認同，CMP材料去除機理還有待深入研究和理解，CMP系統過程變量必須進行優化與控制，從而建立完善的CMP工藝，增加CMP技術的可靠性和再現性。相信不久的將來，CMP技術將會走向成熟和完善。

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