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化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是半導(dǎo)體晶片表面加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)綜合了拋光液的化學(xué)腐蝕作用和磨粒及拋光墊的機(jī)械去除作用，以實(shí)現(xiàn)拋光后工件表面的良好質(zhì)量、無損傷和高面形精度。
徐嘉慧等，硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的研究進(jìn)展
從2000年至今，隨著IC制造技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷延伸，CMP工藝逐漸朝著低K介質(zhì)、低壓力、鈷互連技術(shù)、釕阻擋層等方面發(fā)展。
就CMP技術(shù)本身而言，有幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
從0.35～0.25μm技術(shù)節(jié)點(diǎn)開始，CMP技術(shù)成為唯一可實(shí)現(xiàn)全局平坦化的IC關(guān)鍵技術(shù)。0.18～0.13μm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，由于銅正式取代鋁成為主流導(dǎo)線材料，使CMP成為銅互連技術(shù)必不可少的工藝制程。當(dāng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展到65nm時(shí)，用于減小RC延遲時(shí)間而引入的低K介質(zhì)材料，逐步取代傳統(tǒng)的SiO2，傳統(tǒng)的CMP技術(shù)由于較高的壓力容易導(dǎo)致低K材料的塌陷或剝落，致使傳統(tǒng)的CMP很難應(yīng)用于65nm節(jié)點(diǎn)以下，為此，開發(fā)低壓力、低K介質(zhì)材料適用的CMP設(shè)備成為新的發(fā)展方向。
當(dāng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展到30～20nm時(shí)，Cu互連不再適用于20nm以下的互連技術(shù)，迫使人們開始研發(fā)新的互連材料及互連技術(shù)，應(yīng)用于鈷互連技術(shù)的CMP技術(shù)成為又一發(fā)展方向。當(dāng)集成電路節(jié)點(diǎn)發(fā)展到14nm時(shí)，CMP發(fā)展成為實(shí)現(xiàn)新的工藝技術(shù)如鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）、硅通孔技術(shù)（TSV）的關(guān)鍵技術(shù)。
7nm制程芯片需要30余道CMP拋光處理
隨著芯片制程的不斷縮小，CMP工藝在半導(dǎo)體生產(chǎn)流程中的應(yīng)用次數(shù)逐步增加，以邏輯芯片為例，65nm制程芯片需經(jīng)歷約12道CMP步驟，而7nm制程芯片所需的CMP處理則增加為30余道，CMP技術(shù)應(yīng)用將更為頻繁。
CMP拋光步驟隨制程變化情況
CMP拋光工藝所處環(huán)節(jié)
半導(dǎo)體制造過程是一系列復(fù)雜且高度專業(yè)化的步驟，將原材料轉(zhuǎn)化為功能性電子組件。這個(gè)過程涉及多種技術(shù)和工藝，每個(gè)階段都需要精確控制和細(xì)致入微的關(guān)注。其主要工藝流程包括晶圓制備、清洗、蒸鍍、光刻、蝕刻、擴(kuò)散、退火、電鍍、切割等，但涉及到具體步驟遠(yuǎn)不止此。
半導(dǎo)體制造工藝流程
（1）芯片制造前端制程
硅晶圓材料制造過程主要可分為拉晶、切割、研磨、拋光、清洗等。晶圓制備中，CMP技術(shù)用于初始平坦化。晶圓因晶體生長和切割等工藝表面不平整，CMP可將其打磨平整，為光刻、刻蝕等后續(xù)工藝提供理想起始平面。
晶圓材料制造環(huán)節(jié)示意圖
（2）半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)
在半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)，半導(dǎo)體制造過程按照技術(shù)分工主要可分為薄膜沉積、CMP、光刻及顯影、刻蝕、離子注入等工藝，半導(dǎo)體制造中的CMP工藝環(huán)節(jié)是重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代芯片多層金屬布線制造中，每層金屬布線完成后需CMP技術(shù)平坦化，為下一層布線提供平坦表面。這如同建造高樓大廈時(shí)每層地面需平整夯實(shí)，否則會(huì)出現(xiàn)短路、信號(hào)傳輸延遲等問題，影響芯片性能。
半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)示意圖
（3）芯片制造后端制程
在芯片封裝過程中，CMP技術(shù)可精確控制晶圓厚度，滿足封裝厚度要求。在扇出型封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝等特殊封裝結(jié)構(gòu)中，也用于平坦化封裝表面，提高封裝質(zhì)量和性能。
先進(jìn)封裝測試環(huán)節(jié)示意圖
CMP拋光工藝在半導(dǎo)體中的具體應(yīng)用
（1）淺溝槽隔離（STI）
淺溝槽隔離（STI）是集成電路中實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域電學(xué)特性精確處理的核心技術(shù)。其過程是在硅片上精心刻蝕出淺溝槽，隨后填充氧化硅，從而構(gòu)建起電氣隔離層。
郭國超等，淺溝槽隔離填充的工藝優(yōu)化分析
在此工藝?yán)铮珻MP擔(dān)當(dāng)著至關(guān)重要的角色。隨著芯片集成度的不斷攀升，對(duì)隔離層的精度與平整度要求近乎苛刻。CMP技術(shù)的應(yīng)用，能夠精準(zhǔn)去除溝槽中多余的氧化硅，實(shí)現(xiàn)晶圓表面的高度平坦化。
（2）多晶硅平坦化
多晶硅在半導(dǎo)體器件中廣泛應(yīng)用，而多晶硅平坦化（Poly CMP）則是確保其性能的關(guān)鍵步驟。多晶硅層在沉積過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)表面不平整現(xiàn)象。這些微觀的起伏，在后續(xù)的光刻和刻蝕等關(guān)鍵工藝步驟中，猶如隱藏的“陷阱”，可能導(dǎo)致圖案轉(zhuǎn)移偏差、器件尺寸不一致等問題，進(jìn)而嚴(yán)重影響器件性能與生產(chǎn)良率。
Poly CMP技術(shù)通過精確控制研磨參數(shù)，去除多晶硅層表面的不平整部分，使表面達(dá)到近乎鏡面的平整度。這就好比為后續(xù)工藝鋪設(shè)了一條平坦的“高速公路”，光刻光線能夠準(zhǔn)確無誤地投射到預(yù)定位置，刻蝕過程也能沿著精確的路徑進(jìn)行，從而確保了器件尺寸的精確性和一致性，為高性能芯片的制造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
（3）層間介質(zhì)平坦化（ILD CMP）
在半導(dǎo)體制造的復(fù)雜架構(gòu)中，層間介質(zhì)（ILD）平坦化是連接各個(gè)功能層的關(guān)鍵橋梁。隨著芯片朝著更高集成度和更小尺寸發(fā)展，多層互連線結(jié)構(gòu)變得愈發(fā)復(fù)雜。ILD平坦化的重要性也隨之凸顯。
二氧化硅化學(xué)機(jī)械平坦化機(jī)理
詹陽等，層間介質(zhì)（ILD）CMP工藝分析
ILD CMP的主要任務(wù)是確保晶圓表面達(dá)到高度平坦化，為后續(xù)的多層互連線工藝打造完美的“畫布”。一個(gè)平坦的表面對(duì)于光刻和刻蝕工藝的精度提升至關(guān)重要。在光刻過程中，平坦的表面能夠保證光刻膠均勻涂覆，光線透過掩膜版時(shí)不會(huì)因表面起伏而產(chǎn)生折射偏差，從而使圖案精確轉(zhuǎn)移到晶圓上。而在刻蝕階段，平整的表面有助于刻蝕劑均勻作用，減少因表面不平整導(dǎo)致的刻蝕過度或不足等缺陷。通過ILD CMP，有效提高了器件的性能和良率，使得芯片能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多功能的集成。
（4）金屬間介質(zhì)平坦化（IMD CMP）
金屬間介質(zhì)平坦化面臨著更為復(fù)雜的局面，因?yàn)樗枰瑫r(shí)處理多種材料，如二氧化硅、氮化硅等。不同材料的物理和化學(xué)性質(zhì)差異，給CMP工藝帶來了巨大挑戰(zhàn)。例如，不同材料的硬度、化學(xué)反應(yīng)活性不同，在研磨過程中需要精確控制研磨速率和選擇性，以確保各種材料都能得到適當(dāng)?shù)奶幚恚瑫r(shí)保持表面的平整度。
此外，金屬間介質(zhì)的表面不平整性對(duì)于后續(xù)的Al CMP也是一個(gè)棘手的問題。如果介電層（SiO2）的凹陷過大，在Al CMP后極易留下鋁的殘留，這如同在電路中埋下了一顆“定時(shí)炸彈”，隨時(shí)可能引發(fā)金屬短路等嚴(yán)重故障，導(dǎo)致芯片失效。因此，IMD CMP工藝需要不斷優(yōu)化，采用先進(jìn)的研磨液配方和工藝控制技術(shù)，在多種材料之間尋求平衡，確保金屬間介質(zhì)的高質(zhì)量平坦化，為后續(xù)的金屬布線工藝提供可靠保障。
（5）銅互連平坦化（Cu CMP）
銅互連技術(shù)作為現(xiàn)代半導(dǎo)體制造的核心技術(shù)之一，憑借銅的低電阻率和高導(dǎo)電性，為實(shí)現(xiàn)多層布線結(jié)構(gòu)中的高效電氣連接提供了可能。然而，銅的加工面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。由于銅的化學(xué)刻蝕較為困難，其對(duì)應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物揮發(fā)性較差，傳統(tǒng)的刻蝕方法難以奏效。因此，銅的圖形化通常采用大馬士革工藝，即先刻蝕介質(zhì)形成圖形，然后再電鍍銅填充。
杜志友，關(guān)于銅互連化學(xué)機(jī)械拋光液的技術(shù)研究
在大馬士革工藝的最后，Cu CMP成為完成平坦化的關(guān)鍵一步。但銅的化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣中極易氧化，且其硬度較低，這使得平坦化過程猶如在“鋼絲上跳舞”，需要格外小心。為了克服這些困難，研究人員開發(fā)了專門的研磨液和工藝條件，既能有效去除多余的銅，實(shí)現(xiàn)表面平坦化，又能防止銅的氧化，同時(shí)避免對(duì)銅層造成過度損傷。Cu CMP的成功應(yīng)用，使得銅互連技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了半導(dǎo)體制造向更高性能、更低功耗的方向發(fā)展。
化學(xué)機(jī)械研磨（CMP）技術(shù)在半導(dǎo)體制造的各個(gè)關(guān)鍵場景中都發(fā)揮著不可替代的作用。從淺溝槽隔離的精準(zhǔn)控制，到多晶硅、層間介質(zhì)、金屬間介質(zhì)以及銅互連的平坦化處理，CMP技術(shù)不斷突破材料與工藝的限制，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力。
參考來源：
[1] 中國粉體網(wǎng)、晶格半導(dǎo)體
[2] 孫興漢等，碳化硅化學(xué)機(jī)械拋光中材料去除非均勻性研究進(jìn)展
[3] 徐嘉慧等，硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的研究進(jìn)展
[4] 郭國超等，淺溝槽隔離填充的工藝優(yōu)化分析
[5] 詹陽等，層間介質(zhì)（ILD）CMP工藝分析
[6] 杜志友，關(guān)于銅互連化學(xué)機(jī)械拋光液的技術(shù)研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山林）
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