CMP 应用技术浅析

一、CMP技术设备及消耗品

CMP，即Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光。CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光浆料、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。抛光机、抛光浆料和抛光垫是CMP工艺的3大关键要素，其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平(图1)。其中抛光浆料和抛光垫为消耗品。

岳飞曾说：“阵而后战，兵法之常，运用之妙，存乎一心。”意思是说，摆好阵势以后出战，这是打仗的常规，但运用的巧妙灵活，全在于善于思考。正是凭此理念，岳飞打破了宋朝对辽、金作战讲究布阵而非灵活变通的通病，屡建战功。如果把化学机械抛光 (CMP，Chemical Mechanical Polishing)的全套工艺比作打仗用兵，那么CMP工艺中的耗材，特别是抛光浆料的选择无疑是“运用之妙”的关键所在。所以，抛光浆料是CMP的关键要素之一，其性能直接影响抛光后表面的质量。影响去除速度的因素有：抛光浆料的化学成分、浓度；磨粒的种类、大小、形状及浓度；抛光浆料的粘度、pH值、流速、流动途径等。抛光浆料的精确混合和批次之间的一致性对获得蓝宝石片与蓝宝石片、批与批的重复性是至关重要的，其质量是避免在抛光过程中产生表面划痕的一个重要因素。

抛光浆料的成分主要由三部分组成：腐蚀介质、成膜剂和助剂、纳米磨料粒子。抛光浆料要满足抛光速率快、抛光均一性好及抛后易清洗等要求。磨料粒子的硬度也不宜太高，以保证对膜层表面的机械损害比较轻。 

按pH 值分类，抛光浆料主要分为两类：酸性抛光浆料和碱性抛光浆料。一般酸性抛光浆料都包含氧化剂、助氧化剂、抗蚀剂（又叫成膜剂）、均蚀剂、pH 调制剂和磨料。氧化剂起在被抛光物件表面发生氧化腐蚀作用，然后通过机械作用去除表面凸起部分，使物件表面平整；另外，氧化剂还能氧化基体表面形成一层氧化膜从而提高选择性。助氧化剂起到提高氧化速率的作用。均蚀剂可使腐蚀均匀，从而使表面光滑细腻；抗蚀剂的作用是在被抛光物件表面与被腐蚀基体形成一层联结膜，从而阻止腐蚀的进行以提高选择性。而碱性抛光浆料中一般包含络合剂、分散剂、pH 调制剂和磨料。固体粒子提供研磨作用；对于不同的腐蚀基体要选择不同的络合剂；分散剂一般为大分子量非离子有机分散剂，其作用是保证浆料中的磨料不发生絮凝和沉降现象，并使磨料的黏度保持尽可能低，具有良好的流动性，抑制反应生成颗粒再被抛光表面的吸附，加快质量传递；碱性组成一般使用KOH、氨或有机胺； pH 值为9. 5~ 11. 0。对于硅溶胶CMP抛光液，SiO2 颗粒要求范围为1~100 nm，SiO2 浓度为1. 5%~ 50%。由于SiO2莫氏硬度为7，而蓝宝石晶体的莫氏硬度为9, 所以机械磨消作用较少, 使机械损伤大大减少。 

二、CMP基本原理

从宏观上来说，CMP基本原理是：将旋转的被抛光晶片压在与其同方向旋转的弹性抛光垫上，而抛光浆料在晶片与底板之间连续流动。上下盘高速反向运转，被抛光晶片表面的反应产物被不断地剥离，新抛光浆料补充进来，反应产物随抛光浆料带走。新裸露的晶片平面又发生化学反应，产物再被剥离下来而循环往复，在衬底、磨粒和化学反应剂的联合作用下，形成超精表面，如图1，2所示。

图1  CMP抛光示意图

图2   CMP工艺原理示意图

        要获得品质好的抛光片，必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。如果化学腐蚀作用大于机械抛光作用，则会在抛光片表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹；反之，机械抛光作用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层。

        从微观角度，CMP 作用机理目前还没有完整的的理论解释。其中有一种说法认为，化学机械抛光过程是化学作用、磨削作用相互加强与促进的过程。以蓝宝石化学机械抛光为例具体阐述：

        由于有KOH的存在，对于蓝宝石衬底的化学机械抛光,其CMP 的动力学过程主要由以下几个步骤组成: ①反应剂分子(OH-)从液体主体向待加工片外表面扩散( 外扩散)；②反应剂分子由外表面向内表面扩散其速率与质量附面层厚度相关, 在压力与抛光机旋转作用下, 附面层极小；③反应物吸附在待加工片的表面；④反应物在加工片表面上进行化学反应, 生成产物；⑤产物从表面解吸； ⑥产物从反应层的内表面向外表面扩散； ⑦产物从反应层的外表面向主液体扩散。如图3所示。

        为了达到更好的抛光效果保证表面高平整、低损伤、无污染, 必须在抛光过程中加快质量传递过程。质量传递包括两个方面: 反应物及时到达表面和反应物及时脱离表面。两个过程中的综合结果直接影响CMP 的速率与表面质量。蓝宝石的CMP 过程区别于其他CMP 过程, 单晶Al2O3 组成物质的元素化合价已经达到最高, 其立方结构是: 一个Al 原子周围有三个O 原子, 一个O 原子周围连接着两个Al 原子, 这样形成六方密堆积型。从化学反应式和蓝宝石的结构可以得出, 每生成一个AlO-2 就要断裂三个Al—O 键, 而且Al—O 键能非常高, 在蓝宝石化学机械抛光过程中, 化学作用是至关重要的。但蓝宝石( 单晶Al2O3) 表面与抛光液中OH- 的反应过程与Al2O3 粉末与OH- 反应机理是不一样的, 它不只是简单的每个Al2O3 分子与OH- 反应生成AlO-2。在化学反应过程中, 单个原子之间的反应时间非常短( 约为10- 8 s) , 由于单晶Al2O3 特有的结构( 从c [0001] 晶向看蓝宝石结构是一层Al 原子, 一层O 原子) ，在碱性浆料的作用下,首先表面的Al 原子或O 原子分别与浆料作用形成Al—OH 和O—OH 水解层, 在抛光过程中, 带负电的SiO2 磨料粒子的表面也与OH- 形成化学键,之后再与蓝宝石表面的悬挂键形成化学键。随着抛光垫的转动SiO2 磨料粒子将Al 原子和O 原子带走。

图3  CMP微观原理示意图

三、CMP的应用

CMP技术的概念是1965 年由Monsanto 首次提出。该技术最初是用于获取高质量的玻璃表面，如军用望远镜等。1988 年IBM 开始将CMP 技术运用于4M DRAM 的制造中，而自从1991 年IBM将CMP 成功应用到64M DRAM 的生产中以后，CMP 技术在世界各地迅速发展起来。区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法，CMP 通过化学的和机械的综合作用，从而避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。它利用了磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光。在一定压力及抛光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫作相对运动，借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合，在被研磨的工件表面形成光洁表面。CMP 技术最广泛的应用是在集成电路（IC）和超大规模集成电路中（ULSI）对基体材料硅晶片的抛光。而国际上普遍认为，器件特征尺寸在0.35 μm 以下时，必须进行全局平面化以保证光刻影像传递的精确度和分辨率，而CMP 是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术，其应用范围正日益扩大。

目前，CMP技术已经发展成以化学机械抛光机为主体，集在线检测、终点检测、清洗等技术于一体的CMP技术，是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物。同时也是晶圆由200mm向300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。

在金属钨（W）的CMP工艺中，使用的典型抛光浆料是硅胶或悬浮Al2O3粒子的混合物，溶液的pH值在5.0～6.5之间。金属的CMP大多选用酸性条件，主要是为了保持较高的材料去除速率。一般来说，硅胶粉末比Al2O3要软，对硅片表面不太可能产生擦伤，因而使用更为普遍。WCMP使用的抛光浆料的化学成分是过氧化氢（H2O2）和硅胶或Al2O3研磨颗粒的混合物。抛光过程中，H2O2分解为水和溶于水的O2，O2与W反应生成氧化钨（WO3）。WO3比W软，由此就可以将W去除了。

四、CMP过程中的主要问题

抛光浆料研究的最终目的是找到化学作用和机械作用的最佳结合，以致能获得去除速率高、平面度好、膜厚均匀性好及选择性高的抛光浆料。此外还要考虑易清洗性、对设备的腐蚀性、废料的处理费用及安全性等问题。

降低缺陷是CMP工艺，乃至整个芯片制造的永恒话题。半导体业界对于CMP工艺也有相应的“潜规则”，即CMP工艺后的器件材料损耗要小于整个器件厚度的10%。也就是说slurry不仅要使材料被有效去除，还要能够精准的控制去除速率和最终效果。随着器件特征尺寸的不断缩小，缺陷对于工艺控制和最终良率的影响愈发的明显，致命缺陷的大小至少要求小于器件尺寸的50%。

五、CMP的发展前景

以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带第三代半导体材料近年来发展十分迅速，氮化镓（GaN）基半导体材料具有发光效率高、良好的导热率、耐高温、抗辐射、高强度和高硬度等特性，可制成高效蓝、绿光发光二极管和激光二级管（又称激光器）。但氮化镓（GaN）材料本身不能生长出单晶，必须生长在与其结构相类似的衬底材料上。目前国际上公认的衬底材料为蓝宝石晶体。随着氮化镓（GaN）材料市场需求的增长，对蓝宝石的需求也会随之高速增长。