隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，為滿足現(xiàn)代微處理器和其他邏輯芯片要求，一方面，為增大芯片產(chǎn)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(xì)。集成電路制造技術(shù)已經(jīng)跨入0.13um和300mm時(shí)代，按照美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)( SIA)提出的微電子技術(shù)發(fā)展構(gòu)圖，到2008年，將開始使用直徑450mm的硅片，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)線寬的2/3，硅片表面粗糙度要求達(dá)到納米和亞納米級(jí)，，芯片集成度達(dá)到9000萬個(gè)晶體管／cm2等。由于超人規(guī)模集成電路幾何尺寸的縮小，導(dǎo)致了集成電路結(jié)構(gòu)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(shí)，金屬線變得很細(xì)，鋁互連線已經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代需求，因此目前超大規(guī)模集成電路(ULSI)多層布線金屬正由傳統(tǒng)的Al向Cu轉(zhuǎn)化，然而隨著金屬層數(shù)的增加，要在大直徑硅片上實(shí)現(xiàn)多層布線結(jié)構(gòu)，刻蝕要求每一層都應(yīng)具有很高的全局平整度，這是實(shí)現(xiàn)多層布線的關(guān)鍵。

   常見的傳統(tǒng)平面化技術(shù)很多，如熱流法、旋轉(zhuǎn)式玻璃法、回蝕法、電子環(huán)繞共振法、選擇淀積、低壓CVD、等離了增強(qiáng)CVD、淀積．腐蝕．淀積等，這些技術(shù)在IC工藝中都曾得到應(yīng)用，但是它們都是屬于局部平面化技術(shù)，不能做到全局平面化。1965年Walsh和Herzog首次提山了化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)<CMP)，之后逐漸被應(yīng)用起來。在半導(dǎo)體行業(yè)，CMP早應(yīng)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(shù)，并于1991年成功應(yīng)用于64Mb的DRAM生產(chǎn)中。之后，CMP技術(shù)得到了快速發(fā)展。CMP的研究開發(fā)工作過去主要集中在以美國為主的聯(lián)合體SEMATECH，現(xiàn)在已發(fā)展到，如歐洲聯(lián)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(fā)展很快，并且還從事硅片CMP設(shè)備供應(yīng)。我國臺(tái)灣和韓國也在CMP方面研究較多，但我國國內(nèi)在這方面研究者甚少。

2  化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的原理及其在集成電路制造中的作用

   一般的化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的硅片夾持器、承載拋光墊的工作臺(tái)和拋光漿料供給裝置三大部分組成?；瘜W(xué)機(jī)械拋光時(shí)，旋轉(zhuǎn)的工件以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，而由亞微米或納米磨粒和化學(xué)溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動(dòng)，并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，工件表面形成的化學(xué)反應(yīng)物由磨粒的機(jī)械作用去除，即在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的交替過程中實(shí)現(xiàn)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(dāng)?shù)哪チ?，在化學(xué)反應(yīng)和機(jī)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(gè)階段：?jiǎn)纹饭杵圃煲磺鞍胫瞥桃还杵瑴y(cè)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(xué)機(jī)械拋光。大量的研究表明，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)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(jí)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(xiàn)已成為半導(dǎo)體加工行業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)。

3化學(xué)機(jī)械拋光材料去除機(jī)理研究

   化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合的組合技術(shù)，其過程相當(dāng)復(fù)雜，影響因素很多。在化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)，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(jìn)行氧化反應(yīng)，在工件表面產(chǎn)生一層氧化薄膜，然后由漂浮在拋光液中的磨粒通過機(jī)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(jìn)行氧化反應(yīng)，這樣在化學(xué)作用過程和機(jī)械作用過程的交替進(jìn)行中完成工件表面拋光。兩個(gè)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(zhì)量。拋光速率主要由這兩個(gè)過程中速率慢的過程所控制。因此要實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的拋光，必須使化學(xué)作用過程和機(jī)械作用過程進(jìn)行良好匹配。

3.1材料去除機(jī)理及模型的研究?jī)?nèi)容

   盡管CMP被認(rèn)為足獲得光滑無損傷表面的有效方法，并且已經(jīng)廣泛地用于集成電路制造中，但CMP材料去除機(jī)理、CMP過程變量和技術(shù)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(fù)雜，且具有交互作用，它的變化會(huì)直接影響到硅片和拋光墊之間的關(guān)系及材料去除機(jī)理，這就使得化學(xué)機(jī)械拋光材料去除機(jī)理變得復(fù)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(zhì)不同，要實(shí)現(xiàn)均勻去除和有選擇地去除較困難。因此，CMP材料去除機(jī)理涉及的研究?jī)?nèi)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(jìn)行了各種各樣的研究，但至今還沒有一個(gè)完整結(jié)論。圖3給出了目前硅片化學(xué)機(jī)械拋光材料去除機(jī)理主要研究?jī)?nèi)容和各種模型。

3.2 CMP化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

   CMP的化學(xué)反應(yīng)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(zhì)（如Si、SiO2、互連金屬、介電質(zhì)等）；R代表氧化劑、L代表化學(xué)反應(yīng)在硅片表面形成的氧化反應(yīng)物層（未被磨粒磨除）；D代表副產(chǎn)物（氣體、液體或溶于拋光液）；a、β、n、m為系數(shù)（摩爾數(shù)）；k．為速率參數(shù)，其大小由氧化劑的化學(xué)性質(zhì)決定。

3.3 CMP機(jī)械去賒機(jī)理模型研究

   CMP過程中的機(jī)械去除機(jī)理非常復(fù)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(jī)理也會(huì)不同。針對(duì)不同的接觸形式，人們已提出了很多材料去除機(jī)理物理模型。如圖3所示，

   ①唯象學(xué)模型：早在20世紀(jì)20年代，Preston通過對(duì)光學(xué)玻璃的拋光，提出了個(gè)基于CMP過程結(jié)果的唯象學(xué)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(zhì)拋光墊，而廣泛用于IC制造業(yè)的拋光墊是軟質(zhì)聚合物，不同硬度的拋光墊將使材料去除率在Preston公式和實(shí)驗(yàn)觀察之間產(chǎn)生明顯的差異。1991年Burke通過對(duì)Si02化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)，建立了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)唯象學(xué)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(dòng)。同年，J．Warnock提出一個(gè)全唯象學(xué)顯微模型，認(rèn)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(rèn)為是在流體潤滑區(qū)域，可以用流體動(dòng)力學(xué)理論來建立材料去除機(jī)理模型；如果薄膜厚度比拋光墊凸峰高度小，導(dǎo)致硅片和拋光墊完全接觸，則拋光操作被認(rèn)為是在全接觸區(qū)域，可以用接觸力學(xué)理論來建立材料去除機(jī)理模型。當(dāng)硅片和拋光墊之間既有直接接觸部分又有非接觸部分時(shí)．則CMP操作過程中被認(rèn)為是在半接觸操作區(qū)域，可以用接觸力學(xué)模型和流體動(dòng)力學(xué)理論來建立拋光CMP模型，即為基于接觸力學(xué)和液體力學(xué)原理的混合模型。(1)流體動(dòng)力學(xué)模型是基于液體動(dòng)壓滑動(dòng)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(chǎn)生的表面應(yīng)力和拋光液的自然刻蝕形成的。(2)接觸力學(xué)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(dāng)使用軟質(zhì)拋光墊拋光時(shí)，材料去除率主要由硅片和墊子接觸區(qū)域的總磨粒數(shù)量所決定；而使用硬質(zhì)拋光墊拋光時(shí)，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(xué)和液體力學(xué)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(guān)CMP村料去除機(jī)理模型的研究中，對(duì)拋光液化學(xué)反應(yīng)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(zhì)還有一定的局限性，所以，對(duì)CMP材料去除機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究和理解。

4  CMP系統(tǒng)過程變量及其對(duì)拋光速率和表面質(zhì)量的影響

4.1 CMP系統(tǒng)過程變量

   一個(gè)CMP系統(tǒng)（拋光墊／拋光液，硅片）包括很多變量：設(shè)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(nèi)容圖4所示。

4.2 CMP主要過程變量對(duì)拋光速率和表面質(zhì)量的影響

   為了更好控制拋光過程，需要詳細(xì)了解每一個(gè)CMP參數(shù)所起的作用以及它們之間微妙的交互作用。然而影響化學(xué)作用和機(jī)械作用的因素很多，因此在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)要綜合考慮上述各種因素，進(jìn)行合理優(yōu)化，才能得到滿意的結(jié)果。

   (l)拋光壓力P。拋光壓力對(duì)拋光速率和拋光表面質(zhì)量影響很大，通常拋光壓力增加，機(jī)械作用增強(qiáng)，拋光速率也增加，但使用過高的拋光壓力會(huì)導(dǎo)致拋光速率不均勻、拋光墊磨損量增加、拋光區(qū)域溫度升高且不易控制、使出現(xiàn)劃痕的機(jī)率增加等，從而降低了拋光質(zhì)量。因此拋光壓力是拋光過程中一個(gè)重要變量。

   (2)相對(duì)速度Vo相對(duì)速度也是拋光過程的一個(gè)重要變量，它和拋光壓力的匹配決定了拋光操作區(qū)域。在一定條件下，相對(duì)速度增加，會(huì)引起拋光速率增加。如果相對(duì)速度過高會(huì)使拋光液在拋光墊上分布不均勻、化學(xué)反應(yīng)速率降低、機(jī)械作用增強(qiáng)，從而硅片表面損傷增大，質(zhì)量下降。但速度較低，則機(jī)械作用小，也會(huì)降低拋光速率。

   (3)拋光區(qū)域溫度。一般情況下工作區(qū)溫度升高，加強(qiáng)了拋光液化學(xué)反應(yīng)能力，使拋光速率增加，但由于溫度與拋光速率成指數(shù)關(guān)系，過高的溫度會(huì)引起拋光液的揮發(fā)及快速的化學(xué)反應(yīng)，表面腐蝕嚴(yán)重，因而會(huì)產(chǎn)生不均勻的拋光效果，使拋光質(zhì)量下降。但工作區(qū)溫度低，則化學(xué)反應(yīng)速率低、拋光速率低、機(jī)械損傷嚴(yán)重：因此拋光區(qū)應(yīng)有溫度值。通常拋光區(qū)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(dòng)性和傳熱性。拋光液的粘度增加，則流動(dòng)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(zhì)量。但在流體動(dòng)力學(xué)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(chǎn)生的應(yīng)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(duì)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(wěn)定性）有很大的影響，從而影響材料的去除率和表面質(zhì)量，因此應(yīng)嚴(yán)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(zhì)嚴(yán)重影響被拋光硅片的表面質(zhì)量、平坦化能力和拋光速率。拋光墊的硬度對(duì)拋光均勻性有明顯的影響，當(dāng)使用硬拋光墊時(shí)可獲得較好的晶片內(nèi)均勻性(WID)，使用軟拋光墊可獲得較好的表面質(zhì)量和改善芯片內(nèi)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(huì)產(chǎn)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(jìn)行修整來恢復(fù)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(dāng)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(tuán)，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(zhì)量下降。磨粒的濃度增加時(shí)，材料去除率也隨之增加，但當(dāng)磨粒濃度超過某一值時(shí)，材料去除率將停止增加，維持一個(gè)常數(shù)值，這種現(xiàn)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(zhì)量降低。

5結(jié)束語

   雖然CMP技術(shù)發(fā)展很快，但還有很多理論和技術(shù)問題需要解決，還有太多的理論處于假設(shè)階段，沒有被人所證實(shí)、所認(rèn)同，CMP材料去除機(jī)理還有待深入研究和理解，CMP系統(tǒng)過程變量必須進(jìn)行優(yōu)化與控制，從而建立完善的CMP工藝，增加CMP技術(shù)的可靠性和再現(xiàn)性。相信不久的將來，CMP技術(shù)將會(huì)走向成熟和完善。

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