文章來源：半導(dǎo)體全解

原文作者：圓圓De圓

本文主要講述芯片化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)。

一、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)簡(jiǎn)介

化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing,簡(jiǎn)稱CMP）技術(shù)是一種依靠化學(xué)和機(jī)械的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)工件表面材料去除的超精密加工技術(shù)。下圖是一個(gè)典型的CMP系統(tǒng)示意圖：

主要包括：夾持工件的拋光頭、承載拋光墊的拋光盤、修整拋光墊表面的修整器和拋光液供給系統(tǒng)四大部分。

在拋光過程中，工件通過拋光頭，按照給定壓力作用在貼有拋光墊的旋轉(zhuǎn)拋光盤上，同時(shí)相對(duì)自身軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及相對(duì)拋光盤做往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。拋光液輸送在工件和拋光墊之間的接觸界面內(nèi)，不斷和工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過磨粒的機(jī)械作用以及拋光液的化學(xué)作用，實(shí)現(xiàn)表面材料的去除。

二、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)發(fā)展歷程

CMP技術(shù)起源于古典拋光技術(shù)，在早期主要用于玻璃的拋光。在當(dāng)時(shí)的工藝條件下，復(fù)雜的影響因素導(dǎo)致拋光結(jié)果不穩(wěn)定和不可控。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，拋光工藝都被當(dāng)作是一種藝術(shù)，而不是一種科學(xué)看待。

直到上個(gè)世紀(jì)八十年代初期，美國(guó)IBM公司率先開發(fā)出應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓拋光的CMP技術(shù)。

CMP在去除上道工序引起的損傷和缺陷的同時(shí)，能夠兼顧全局和局部平坦化要求，這使得半導(dǎo)體晶圓表面平坦化程度獲得大幅提高，克服了當(dāng)時(shí)遇到的“深亞微米壁壘”。

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，集成電路 （Integrated Circuit，簡(jiǎn)稱IC）制造在“摩爾定律”的指引以及資本的推動(dòng)下飛速發(fā)展， 已經(jīng)深入到計(jì)算機(jī)，通信，電子，軍事等各個(gè)領(lǐng)域。如今，IC制造儼然成為現(xiàn)代高科技的核心與先導(dǎo)，成為大國(guó)之間博弈的重要籌碼。

CMP作為公認(rèn)的能夠?yàn)榫A表面提供優(yōu)異局部和全局平坦化的唯一技術(shù)，在IC制造對(duì)人類制造極限的一次次沖擊中獲得了極大的發(fā)展。

目前，CMP技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了早先在IBM試驗(yàn)室達(dá)到的水平，尤其是在IC制造領(lǐng)域，CMP技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)原子水平上的材料去除。

CMP技術(shù)多樣化挑戰(zhàn)IC制造領(lǐng)域?qū)τ贑MP技術(shù)的推動(dòng)和開發(fā)，也促進(jìn)了CMP技術(shù)在其他制造領(lǐng)域的應(yīng)用，如光學(xué)玻璃加工，強(qiáng)激光元件制造等領(lǐng)域。

三、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)原理

CMP原子級(jí)材料去除過程是在拋光液的化學(xué)作用下，拋光墊/磨粒/工件三者之間原子級(jí)的摩擦磨損過程是CMP技術(shù)最底層的材料去除過程。

Preston作為拋光技術(shù)的先驅(qū)者，在1926年關(guān)于玻璃拋光的文獻(xiàn)中就提出以下論述：不同于研磨這種依靠機(jī)械磨損導(dǎo)致玻璃表面破碎的材料去除方式，玻璃的拋光更像是一種連續(xù)的，在“分子或近似分子”量級(jí)的材料去除。

然而，在過去的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，由于難以確定CMP過程中的化學(xué)作用機(jī)理，相關(guān)理論研究更多的注重于CMP過程中機(jī)械作用，并將材料去除歸因于磨粒和工件之間的“固固”磨損。其中最具代表性的為1991年Kaufman等人的研究，他們提出CMP的材料去除過程是一種化學(xué)輔助的機(jī)械劃擦過程，具體過程如圖所示：

首先，拋光液中的化學(xué)溶劑和工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在工件表面生成一種軟質(zhì)的反應(yīng)層。磨粒在拋光墊的擠壓下劃擦表面反應(yīng)層，產(chǎn)生材料去除。反應(yīng)層被去除之后，底層的新鮮表面重新裸露在拋光液中并生成新的反應(yīng)層，之后再被磨粒去除，如此循環(huán)往復(fù)。

當(dāng)機(jī)械去除和化學(xué)反應(yīng)兩種過程處于平衡時(shí)，材料去除效率將達(dá)到最佳，并且任何影響這兩個(gè)過程的參數(shù)都將對(duì)最終的材料去除率以及表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。

然而，這種基于機(jī)械劃擦理論的材料去除機(jī)理的認(rèn)知在如今面臨很大的局限性。首先，目前CMP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超光滑表面的加工，在拋光GaN，藍(lán)寶石等晶體材料時(shí)會(huì)觀測(cè)到原子臺(tái)階現(xiàn)象。

原子臺(tái)階是由于晶向偏角或者晶格缺陷的存在，導(dǎo)致表面裸露的晶格結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)穩(wěn)定的周期性臺(tái)階，是表面加工所能達(dá)到的理論光滑極限。

顯然，基于磨粒壓入-塑性耕犁的材料去除模式無(wú)法解釋CMP這種原子級(jí)的極限加工能力。另外，在典型的CMP工況下，拋光液中的納米磨粒壓入工件表面的深度甚至小于一個(gè)原子直徑，在這種原子級(jí)別的壓入深度下，基于連續(xù)介質(zhì)理論的壓入-耕犁去除模式將不再適用于CMP原子級(jí)材料去除機(jī)理的解釋。

分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics,簡(jiǎn)稱MD）由于可在原子尺度展示所研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程，目前已經(jīng)成為研究CMP在原子尺度上的化學(xué)機(jī)械協(xié)同作用以及材料去除過程的主要途徑之一。

基于拋光過程的MD仿真模型主要包括磨粒磨損模型和磨粒沖擊模型。兩者均利用MD來模擬磨粒對(duì)工件表面的材料去除機(jī)制和損傷機(jī)理，而前者主要基于納米切削或者納米壓痕過程的仿真。

然而，傳統(tǒng)MD方法基于牛頓力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，無(wú)法考慮化學(xué)作用的影響，因此，模擬結(jié)果具有很大的局限性。 基于反應(yīng)力場(chǎng)的分子動(dòng)力學(xué)（Reactive Force Field-Molecular Dynamics,簡(jiǎn)稱ReaxFF MD）方法是MD方法的一種延伸，其突破了MD基于傳統(tǒng)的牛頓運(yùn)動(dòng)定律的力場(chǎng)體系，而采用第一性原理的計(jì)算方法計(jì)算原子級(jí)別的動(dòng)態(tài)過程。另外，通過建立勢(shì)能函數(shù)和鍵級(jí)的關(guān)系，ReaxFF-MD可以進(jìn)一步用來描述體系中原子尺度的化學(xué)反應(yīng)。

下圖展示了SiO2磨粒在閾值壓力下劃擦Si表面發(fā)生的單層原子去除過程。

在初始階段，如圖(a)所示，Si工件和SiO2磨粒表面分別和H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Si–H和Si– OH官能團(tuán)。接著，Si和SiO2磨粒在載荷的作用下發(fā)生接觸，表面官能團(tuán)重組形成Si– O–Si界面橋鍵，如圖(b)所示，其中顏色云圖表示Si原子在載荷作用下的Z向位移。 在滑動(dòng)過程中，界面Si–O–Si鍵將拉應(yīng)力傳遞給Si基體，促進(jìn)Si基體中Si–Si鍵的斷 裂，并發(fā)生表面單層Si原子的去除，如圖(c)所示。

基于原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡(jiǎn)稱AFM）技術(shù)的AFM探針試驗(yàn)，是研究原子尺度上材料去除過程的重要試驗(yàn)方法。

研究發(fā)現(xiàn)，金剛石針尖在劃擦Si表面時(shí)，只有在大載荷條件下才會(huì)造成材料去除，而SiO2針尖卻可以在更小的載荷條件下產(chǎn)生更大的材料去除，并且SiO2針尖的材料去除率和環(huán)境濕度密切相關(guān)。將這種現(xiàn)象歸因于SiO2和Si在H2O環(huán)境中的表面羥基化。當(dāng)外載荷作用時(shí)，SiO2和Si表面的羥基脫水縮合形成Si–O–Si界面橋鍵。

這種原子尺度的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)，降低了材料去除的能量閾值，使得SiO2針尖可以在更小的載荷下去除材料，并進(jìn)一步建立了單顆磨粒的材料去除率和最大接觸壓力Pmax以及相對(duì)劃擦速度v之間的關(guān)系。

基于上述原子尺度的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)，科研人員利用直徑為250 μm的SiO2探針，在單晶硅Si(100)面上實(shí)現(xiàn)了Si原子的單層去除，并通過高分辨透射電鏡（High Resolution Transmission Electron Microscope，簡(jiǎn)稱HRTEM），證實(shí)了Si原子的單層去除現(xiàn)象。

盡管上述研究取得了一系列的成果，然而，真實(shí)CMP過程中的拋光環(huán)境更加復(fù)雜，涉及各類參數(shù)，各類材料在拋光過程中的動(dòng)態(tài)變化等等。

以目前的數(shù)值模擬技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)，要準(zhǔn)確建立真實(shí)CMP過程中的原子級(jí)材料去除模型仍舊存在困難。

四、CMP納/微/宏跨尺度材料去除

化學(xué)機(jī)械協(xié)同作用下的原子級(jí)材料去除過程是CMP技術(shù)最底層的物理過程。然而，這種從原子級(jí)的材料去除過程到宏觀材料去除過程的映射，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)跨尺度問題。如下圖(a)所示，拋光過程中，工件以給定載荷作用在拋光墊表面并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，拋光液在離心力的作用下，流入工件和拋光墊之間的接觸界面，提供供材料去除的納米磨粒以及化學(xué)溶劑環(huán)境。

拋光墊作為一種拋光工具，其表面存在大量的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，因此，粗糙的拋光墊表面只有一些局部高點(diǎn)才會(huì)和工件發(fā)生真實(shí)接觸，如圖(b)所示。

在CMP過程中，納米磨粒嵌入在一個(gè)個(gè)接觸點(diǎn)內(nèi)，并跟隨拋光墊一起，相對(duì)工件表面運(yùn)動(dòng)，如圖(c)所示。

最后，在機(jī)械載荷以及拋光液的化學(xué)作用下，磨粒和工件之間發(fā)生原子級(jí)的材料去除，如圖(d)所示。

五、拋光墊作用及分類

拋光墊的微觀接觸狀態(tài)，指的是拋光墊粗糙表面的高點(diǎn)和工件表面形成的接觸區(qū)域。

一般來說，拋光墊/工件之間接觸點(diǎn)尺寸在1~100 μm范圍內(nèi)。拋光墊的微觀接觸狀態(tài)是拋光墊力學(xué)特性和表面微觀形貌的綜合體現(xiàn)。

拋光過程中，任何導(dǎo)致拋光墊表面力學(xué)特性以及微觀形貌變化的的因素都會(huì)對(duì)拋光墊的微觀接觸狀態(tài)產(chǎn)生影響。

以下是拋光墊微觀接觸狀態(tài)的影響因素的詳細(xì)討論：

(1)微觀接觸狀態(tài)主要取決于拋光墊的材料力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

拋光墊一般是由聚氨酯材料制作而成，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，耐磨損性，以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性。另外，聚氨酯材料具有很好的可設(shè)計(jì)性和可加工性，可以滿足不同的工藝需求。這種設(shè)計(jì)和制造工藝的不同，導(dǎo)致不同拋光墊之間的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)差異明顯?；趻伖鈮|的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將主流的商用拋光墊分為以下四類，如表所示。

可見，每種類型的拋光墊都有獨(dú)特的表面微觀結(jié)構(gòu)，表面微觀結(jié)構(gòu)決定了拋光墊的真實(shí)接觸狀態(tài)，決定了磨粒在接觸界面內(nèi)的承載狀態(tài)以及工件表面的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，從而對(duì)最終的材料去除率產(chǎn)生影響。

另外，拋光墊的力學(xué)特性表現(xiàn)出明顯的非線性特點(diǎn)，首先，為了保證拋光液在接觸界面的存儲(chǔ)和運(yùn)輸，大部分拋光墊都含有微孔或者間隙結(jié)構(gòu)。

以IC1000系列拋光墊為例，其在制備過程中會(huì)填充一定比例的空心聚合物微球，混合固化后在內(nèi)部形成大量半徑10~50 μm的封閉微孔，這種多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致拋光墊表現(xiàn)出明顯的材料非線性特點(diǎn)。并且，由于拋光機(jī)械載荷的作用以及化學(xué)溶劑帶來的聚氨酯水解現(xiàn)象，拋光墊表層的力學(xué)特性和基體層也將存在很大差異，同樣會(huì)帶來顯著的非線性問題。復(fù)雜的力學(xué)特性導(dǎo)致拋光墊的微觀接觸狀態(tài)變得更加復(fù)雜。

(2)微觀接觸狀態(tài)很容易受到拋光過程和修整過程的影響

一方面，CMP的運(yùn)動(dòng)特征導(dǎo)致拋光墊粗糙峰不斷經(jīng)歷拋光載荷以及剪切力的循環(huán)作用，從而誘發(fā)粗糙峰發(fā)生塑性流動(dòng)并趨于平面化，這種拋光墊表面平面化的現(xiàn)象也被稱為釉化現(xiàn)象，如圖(b)所示。

另一方面，拋光液中的磨粒很容易積累在表面微孔結(jié)構(gòu)中，并導(dǎo)致材料去除效率的惡化以及劃痕的產(chǎn)生。因此，實(shí)際的CMP過程中大多會(huì)引入修整工藝來保證加工質(zhì)量以及加工過程的穩(wěn)定性。

修整是對(duì)拋光墊表面進(jìn)行機(jī)械加工的過程，如圖(c)所示。

嵌有金剛石顆粒的修整盤在一定的修整載荷下劃擦拋光墊表面，通過金剛石顆粒的切割作用，重新生成具有一定粗糙度的表面，如圖(d)所示。修整過程直接決定拋光墊表面的微觀形貌，從而影響拋光墊/工件之間的微觀接觸狀態(tài)。然而修整過程是一種隨機(jī)過程，如何表征隨機(jī)修整過程中的微觀接觸特征，是導(dǎo)致拋光墊微觀接觸狀態(tài)研究復(fù)雜的另外一個(gè)重要因素。

六、CMP面臨的挑戰(zhàn)

多行業(yè)的應(yīng)用導(dǎo)致CMP技術(shù)面臨多樣化的材料以及加工工藝需求。CMP技術(shù)所面臨的多樣化挑戰(zhàn)包括以下幾部分：

(1)材料多樣化挑戰(zhàn)

CMP工藝所涉及的材料越來越多，包括玻璃、單晶硅、砷化鎵、碳化硅、氮化硅、氮化鎵、硅鍺化合物、銅、鋁、鎢、金、藍(lán)寶石、金剛石和各種陶瓷等。

根據(jù)易磨損（Easy to Abrade，簡(jiǎn)稱ETA），難磨損（Difficult to Abrade，簡(jiǎn)稱DTA）兩類機(jī)械特性和易反應(yīng)（Easy to React，簡(jiǎn)稱ETR），難反應(yīng)（Difficult to React，簡(jiǎn)稱DTR）兩類化學(xué)特性，將材料分為以下四個(gè)大類：

(a)ETA–ETR材料，Cu，Al這種質(zhì)軟、化學(xué)特性活潑的金屬材料一般屬于這一類，其在CMP過程中很容易產(chǎn)生劃痕以及化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。

(b)DTA–ETR材料，SiO2等氧化物阻擋層一般屬于這一類，雖然表面很難被劃擦，但是比較容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

(c)ETA–DTR材料，IC領(lǐng)域中的Low k材料和MEMS領(lǐng)域中SU-8光刻膠就屬于這一類。

(d)DTA–DTR材料，一些新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料如SiC和GaN一般屬于這一類，材料本身比較硬且有具有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)惰性。

可見，不同的材料具有不同的物理化學(xué)特性，而CMP技術(shù)本身又是一種依靠化學(xué)和機(jī)械協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)材料去除的加工方式，材料多樣化的挑戰(zhàn)對(duì)CMP過程中化學(xué)和機(jī)械協(xié)同作用的理解和控制提出新的要求。

(2)加工技術(shù)指標(biāo)的多樣化挑戰(zhàn)

不同領(lǐng)域?qū)MP的加工要求和精度指標(biāo)有所差異，即使是相同領(lǐng)域，不同工藝路線和流程下的加工指標(biāo)也有所不同。多樣化的加工技術(shù)指標(biāo)是CMP技術(shù)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。以IC制造為例，鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Fin Field-effect Transistor，簡(jiǎn)稱FinFET）是7nm制程下廣泛使用的工藝設(shè)計(jì)。FinFET制造中對(duì)CMP技術(shù)提出的技術(shù)指標(biāo)是在SiN和SiO2層上實(shí)現(xiàn)Poly-Si層的選擇性去除，即要求CMP在平坦化過程中具有較高的選擇性去除能力，滿足Poly-Si的高去除率又保證作為襯底材料的SiN，SiO2不被去除。

而3D-NAND是一種將存儲(chǔ)單元在垂直方向進(jìn)行堆疊從而提高芯片存儲(chǔ)容量的技術(shù)。為了滿足存儲(chǔ)單元在垂直方向堆疊，就需要一些大的溝道結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致阻擋層和隔離層材料如SiN，SiO2以及poly-Si在沉積時(shí)，出現(xiàn)明顯的高度差，如下圖(a)所示。

為了保證全局和局部的平坦化的要求，就要在一次CMP過程中實(shí)現(xiàn)SiN，SiO2以及Poly Si這幾種不同材料的同時(shí)去除，這提出了和FinFET制造中不同的工藝需求。

另外，半導(dǎo)體制造流程在前段制程（Front End of Line）以及后段制程（Back End of Line）中經(jīng)常遇到一些高縱深比的三維結(jié)構(gòu)。這些高縱深比的三維結(jié)構(gòu)在填充后，很容易產(chǎn)生一些大的臺(tái)階高度，如上圖(b)所示，這些高縱深比結(jié)構(gòu)的存在，則對(duì)CMP的去除效率提出新的要求。

(3)各產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的挑戰(zhàn)

隨著各領(lǐng)域的發(fā)展，各種新型材料會(huì)被不斷的開發(fā)出來，一些傳統(tǒng)材料也在新的背景需求下得到新的應(yīng)用。

同時(shí)，各個(gè)領(lǐng)域的不斷的發(fā)展又會(huì)不斷提出新的加工工藝指標(biāo)和技術(shù)要求，這就需要CMP技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力和調(diào)控能力，能夠快速滿足產(chǎn)業(yè)化需求。如何快速開發(fā)針對(duì)特定材料和加工性能要求的CMP工藝，是決定未來市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和產(chǎn)業(yè)化速度的關(guān)鍵問題之一，同樣也是CMP技術(shù)面臨的新的挑戰(zhàn)。

以IC領(lǐng)域?yàn)槔呻娐氛^續(xù)遵循摩爾定律向著更小線寬、更多互連層數(shù)、更大晶圓尺寸的方向發(fā)展，對(duì)晶圓平坦化工藝的平整度和缺陷控制的要求越來越苛刻，可以預(yù)見，CMP技術(shù)將成為未來IC制造的瓶頸之一。

下表列舉了IC領(lǐng)域中新的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于CMP技術(shù)的影響。

對(duì)于晶體管來說，為了提高晶體管柵極結(jié)構(gòu)的電子遷移率，提出利用Ge、III-V族半導(dǎo)體和石墨烯以及碳納米管等碳類材料作為溝道材料的MOSFET結(jié)構(gòu)。

這種新型三維結(jié)構(gòu)和柵極材料的使用，導(dǎo)致CMP技術(shù)的開發(fā)難度急劇增加。對(duì)于互連來說， 隨著互連線寬縮小，互連溝槽深寬比增大，傳統(tǒng)的鉭基阻擋層無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻沉積，容易出現(xiàn)縮口現(xiàn)象。因此，提出新的銅/釕（鈷）亞10nm結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)的銅/鉭結(jié)構(gòu)。

然而，銅、釕之間的電化學(xué)性能差異極大，如果機(jī)械力和化學(xué)的耦合作用控制不當(dāng)，極易導(dǎo)致界面電偶腐蝕，造成芯片斷路。因此，這種新型結(jié)構(gòu)的使用對(duì)CMP過程中機(jī)械和化學(xué)作用的調(diào)控提出了更嚴(yán)格的要求。

七、總結(jié)

可以預(yù)見，在未來幾年，隨著不同物理化學(xué)響應(yīng)的拋光材料的增加，再加上面形精度、表面粗糙度、材料去除均勻性、材料選擇去除性等不同加工結(jié)果的要求，CMP技術(shù)面臨越來越多樣化的挑戰(zhàn)。然而，由于影響CMP加工質(zhì)量和效率的因素眾多，且各因素的影響間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，人們依舊需要提高對(duì)CMP技術(shù)機(jī)理的認(rèn)知。