化學機械平坦化

化學機械平坦化 （英語：Chemical-Mechanical Planarization, CMP），又稱化學機械研磨（Chemical-Mechanical Polishing），是半導體器件製造製程中的一種技術，使用化學腐蝕及機械力對加工過程中的矽晶圓或其它襯底材料進行平坦化處理。

背景

CMP技術早期主要應用於光學鏡片的拋光和晶圓的拋光。

20世紀70年代，多層金屬化技術被引入到積體電路製造製程中，此技術使晶片的垂直空間得到有效的利用，並提高了器件的集成度。但這項技術使得矽片表面不平整度加劇，由此引發的一系列問題（如引起光刻膠厚度不均進而導致光刻受限）嚴重影響了大規模積體電路（LSI）的發展。針對這一問題，業界先後開發了多種平坦化技術，主要有反刻、玻璃回流、旋塗膜層等，但效果並不理想。80年代末，IBM公司將CMP技術進行了發展使之應用於矽片的平坦化，其在表面平坦化上的效果較傳統的平坦化技術有了極大的改善，從而使之成為了大規模積體電路製造中有關鍵地位的平坦化技術。

製程描述

化學機械平坦化是表面全局平坦化技術中的一種，既可以認為是化學增強型機械拋光也可以認為是機械增強型濕法化學刻蝕。該製程使用具有研磨性和腐蝕性的磨料，並配合使用拋光墊和支撐環。拋光墊的尺寸通常比矽片要大。拋光墊和矽片被一個可活動的拋光頭壓在一起，而塑料的支撐環則用於保持矽片的位置。矽片和拋光墊同時轉動（通常是以相反的方向轉），但是它們的中心並不重合。在這個過程中矽片表面的材料和不規則結構都被除去，從而達到平坦化的目的。平面化後的矽片表面使得乾式刻蝕中的圖樣的成型更加容易。平滑的矽片表面還使得使用更小的金屬圖樣成為可能，從而能夠提高集成度。

工作機理

化學機械平坦化是在機械拋光的基礎上根據所要拋光的表面加入相應的化學添加劑從而達到增強拋光和選擇性拋光的效果。

氧化矽拋光

氧化矽拋光主要被應用於平坦化金屬層間澱積的層間介質（ILD），其基本機理是Cook理論。磨料中的水和氧化矽發生表面水合作用，從而使氧化矽的硬度、機械強度等有效降低，在機械力的作用下將氧化矽去除。氧化矽的去除速率主要由Preston方程表達。

金屬拋光

金屬拋光與氧化矽拋光機理有一定的區別，採用氧化的方法使金屬氧化物在機械研磨中被去除。

物料選用

研磨液

磨料是平坦化製程中研磨材料和化學添加劑的混合物，研磨材料主要是石英，二氧化鋁和氧化鈰，其中的化學添加劑則要根據實際情況加以選擇，這些化學添加劑和要被除去的材料進行反應，弱化其和矽分子聯結，這樣使得機械拋光更加容易。在應用中的通常有氧化物磨料、金屬鎢磨料、金屬銅磨料以及一些特殊應用磨料。台灣主要的廠商有長興科技公司。

拋光墊

拋光墊通常使用聚亞胺脂（Polyurethane）材料製造，又稱聚氨酯拋光墊、拋光阻尼布、氧化鈰拋光墊，利用這種多孔性材料類似海綿的機械特性和多孔特性，表面有特殊之溝槽，提高拋光的均勻性，墊上有時開有可視窗，便於線上檢測。通常拋光墊為需要定時整修和更換之耗材，一個拋光墊雖不與晶圓直接接觸，但使用壽命約僅為45至75小時。在全球不斷併購下，目前主要生產廠商為陶氏化學集團（DOW CHEMICALS）及中國龍頭合肥宏光研磨科技生產。

設備

CMP設備與晶圓生產中的拋光設備有相似之處（見上圖），但積體電路矽片中很多材料的加入以及金屬層的增加使得CMP設備不能如同拋光設備那樣簡單，而需要加入特別的過程獲得平坦化的效果。這主要體現在對拋光厚度、拋光速率的檢測上，被稱作終點檢測，通常有電機電流終點檢測、光學終點檢測。

清洗

在拋光製程過程中，磨料和被拋光對象都會造成矽片的沾污，清洗的主要目的就是為了清除這些沾污物質，使矽片的質量不致受到影響。所採用到的清洗設備有毛刷洗擦設備、酸性噴淋清洗設備、超聲波清洗設備、旋轉清洗乾燥設備等。清洗步驟主要有氧化矽清洗、淺溝槽隔離清洗、多晶矽清洗、鎢清洗、銅清洗等。

應用

化學機械拋光主要用於以下幾個方面

深槽填充的平面化
接觸孔和過孔中的金屬接頭的平面化
生產中間步驟中氧化層和金屬間電介層的平面化

參考文獻

Michael Quirk; Julian Serda. 半导体制造技术 (M). 韓正生等. 北京: 電子工業出版社. 2004年. ISBN 978-7-5053-9493-3.