半导体-第十四讲-CMP.ppt

1、化学机械抛光 CMP 硅片的表面起伏问题与解决方案硅片的表面起伏问题与解决方案 化学机械平坦化化学机械平坦化CMP CMP主要影响因素主要影响因素 工艺参数因素与选择工艺参数因素与选择 抛光液相关问题探讨抛光液相关问题探讨 硅片的表面起伏问题硅片的表面起伏问题 双层金属双层金属IC的表面起伏的表面起伏 平坦化的定性说明平坦化的定性说明 1）未平坦化）未平坦化 2）平滑：台阶角度圆滑和侧壁倾斜，台阶高度未减）平滑：台阶角度圆滑和侧壁倾斜，台阶高度未减 3）部分平坦化：平滑且台阶高度局部减小）部分平坦化：平滑且台阶高度局部减小 平坦化的定性说明平坦化的定性说明 4）局部平坦化：完全填充较小缝隙或局

2、部区域。）局部平坦化：完全填充较小缝隙或局部区域。 相对于平整区域的总台阶高度未显著减小相对于平整区域的总台阶高度未显著减小 5）全局平坦化：局部平坦化且整个）全局平坦化：局部平坦化且整个Si片表面总台阶高片表面总台阶高 度显著减小度显著减小 化学机械平坦化化学机械平坦化CMP 获取全局平坦化的一种手段是化学机械抛光获取全局平坦化的一种手段是化学机械抛光( (简称简称CMP)CMP)。这些设备的销。这些设备的销 售从售从19901990年到年到19941994年上升了三倍，从年上升了三倍，从19941994年到年到19971997年上升了四倍。尽管年上升了四倍。尽管 最初它只是开发用于互连平坦

3、化，今天它也用于像器件隔离这些工艺。最初它只是开发用于互连平坦化，今天它也用于像器件隔离这些工艺。 在微电子制造的早期，最普遍的生产工艺是，先做一层厚的介质层，通在微电子制造的早期，最普遍的生产工艺是，先做一层厚的介质层，通 常是使用旋涂或常是使用旋涂或CVDCVD法生长技术在器件表面形成一层玻璃，然后将硅片放法生长技术在器件表面形成一层玻璃，然后将硅片放 在一种包含有胶质的磨料悬浮液和腐蚀剂的碱性膏剂中机械研磨。在一种包含有胶质的磨料悬浮液和腐蚀剂的碱性膏剂中机械研磨。KOHKOH和和 NaOHNaOH是最常用的悬浮液的基体。典型的是最常用的悬浮液的基体。典型的pHpH值大约是值大约是101

4、0，维持这个值，以，维持这个值，以 便保持硅石颗粒的负向充电，便于避免形成大量的冻胶网状物。有时使便保持硅石颗粒的负向充电，便于避免形成大量的冻胶网状物。有时使 用一种用一种pHpH缓冲剂用于保证工艺的稳定性。所用颗粒的尺寸通常取决于所缓冲剂用于保证工艺的稳定性。所用颗粒的尺寸通常取决于所 要求的去除速率。抛光膏剂之中的固态成分保持在要求的去除速率。抛光膏剂之中的固态成分保持在(1230)(1230)。 CMPCMP工艺被设计用来产生一个全局平整的表工艺被设计用来产生一个全局平整的表 面，既无划伤也无玷污。由于被用于抛光面，既无划伤也无玷污。由于被用于抛光 膏剂中的膏剂中的SiOSiO2 2颗

5、粒并不比被抛光的表面硬，颗粒并不比被抛光的表面硬， 可以避免器件表面的机械损伤。由于可以避免器件表面的机械损伤。由于CMPCMP能能 够形成平整的表面，够形成平整的表面，CMPCMP硅片能产生很少的硅片能产生很少的 金属线缺陷，像短路和开路，这两种缺陷金属线缺陷，像短路和开路，这两种缺陷 最常发生在图形的边缘。最常发生在图形的边缘。 CMPCMP工艺也被用于像铜和钨这样的金属层的平坦化。工艺也被用于像铜和钨这样的金属层的平坦化。 对于金属的平坦化使用酸性对于金属的平坦化使用酸性(pH3)(pH3)的膏剂。这些的膏剂。这些 膏剂并不形成胶质的悬浮液，因此必须使用一些膏剂并不形成胶质的悬浮液，因此

6、必须使用一些 搅动以利于获得均匀性。搅动以利于获得均匀性。 对于钨对于钨CMPCMP工艺，氧化铝工艺，氧化铝( (矾土矾土) )是最常用的是最常用的 研磨料，由于它比其他大多数研磨料都更研磨料，由于它比其他大多数研磨料都更 接近于钨的硬度。钨通过不断的，自限制接近于钨的硬度。钨通过不断的，自限制 的钨表面的氧化和随之以后的机械研磨被的钨表面的氧化和随之以后的机械研磨被 去除。这种膏剂形成含水钨氧化物，被数去除。这种膏剂形成含水钨氧化物，被数 量级为量级为200nm200nm的氧化铝颗粒选择性去除。已的氧化铝颗粒选择性去除。已 经表明，对于典型的经表明，对于典型的CVDCVD钨，当膜变薄时去钨，

7、当膜变薄时去 除速率增加。这与钨晶粒尺寸的改变相关。除速率增加。这与钨晶粒尺寸的改变相关。 对铜的化学机械抛光特别有趣，因为铜具有低的对铜的化学机械抛光特别有趣，因为铜具有低的 电阻率并且用等离子体特别难以刻蚀。所以铜的电阻率并且用等离子体特别难以刻蚀。所以铜的 图形能够通过一种被称为图形能够通过一种被称为DamasceneDamascene工艺的工艺的CMPCMP技技 术形成。铜可以在一种包含有直径为几百个纳米术形成。铜可以在一种包含有直径为几百个纳米 的颗粒的水状溶剂之中被抛光。典型的膏剂包含的颗粒的水状溶剂之中被抛光。典型的膏剂包含 有铵氢氧化物，醋酸，双氧水，可获得高达每分有铵氢氧化物

8、，醋酸，双氧水，可获得高达每分 钟钟1600nm1600nm的抛光速率。与钨不同，铜是一种软金的抛光速率。与钨不同，铜是一种软金 属。机械效应在抛光过程中具有重大的影响。现属。机械效应在抛光过程中具有重大的影响。现 已发现抛光速率与所加压力和相对线速度呈正比。已发现抛光速率与所加压力和相对线速度呈正比。 盘的状况和压力应用机理对铜的盘的状况和压力应用机理对铜的CMPCMP尤其重要。尤其重要。 在在CMPCMP单项工艺之中，抛光后清洗是非常重要的步单项工艺之中，抛光后清洗是非常重要的步 骤。通常我们必须权衡抛光指标骤。通常我们必须权衡抛光指标( (均匀性，平整度，均匀性，平整度， 产能产能) )

9、与清洗指标与清洗指标( (颗粒，划伤，其他表面损伤，颗粒，划伤，其他表面损伤， 残余的离子和金属玷污残余的离子和金属玷污) )。超声搅拌可与柔软的抛。超声搅拌可与柔软的抛 光板刷或清洁溶剂相结合，以帮助去除硅表面的光板刷或清洁溶剂相结合，以帮助去除硅表面的 胶状悬浮物。通常硅片都需要转移到预留用于清胶状悬浮物。通常硅片都需要转移到预留用于清 洁的第二块抛光盘，这个转移必须及时进行以防洁的第二块抛光盘，这个转移必须及时进行以防 硅片表面的悬浮物变干，一旦悬浮物变干则残留硅片表面的悬浮物变干，一旦悬浮物变干则残留 物的去除会变得非常困难。物的去除会变得非常困难。 而且，而且，CMPCMP之后硅片表

10、面留下的划痕可能聚集金属，之后硅片表面留下的划痕可能聚集金属， 这很难在标准的等离子体腐蚀液中去除。这些嵌这很难在标准的等离子体腐蚀液中去除。这些嵌 入的充满金属的划痕有时叫做轨道，并且会造成入的充满金属的划痕有时叫做轨道，并且会造成 以后金属线的短路。在钨以后金属线的短路。在钨CMPCMP工艺中经常会发生，工艺中经常会发生， 因为表面的钨一直去除到层间氧化层，而钨仅在因为表面的钨一直去除到层间氧化层，而钨仅在 通孔中存在。一旦钨被全部去除，硬的氧化铝颗通孔中存在。一旦钨被全部去除，硬的氧化铝颗 粒会严重划伤二氧化硅表面。钨粒会严重划伤二氧化硅表面。钨CMPCMP后的清洗相当后的清洗相当 难，

11、因为在典型工艺条件下钨颗粒上有的大的静难，因为在典型工艺条件下钨颗粒上有的大的静 电电位。一个稀释电电位。一个稀释(100(100：1)1)氢氟酸清洗可用来去氢氟酸清洗可用来去 除许多更小的金属颗粒和留下的表面损伤。除许多更小的金属颗粒和留下的表面损伤。 化学机械研磨化学机械研磨(CMP)(CMP)工艺与已有工艺与已有2020多年历史的晶片抛光工多年历史的晶片抛光工 艺相近似。在艺相近似。在19951995年，化学研磨已成为全球主要集成电路年，化学研磨已成为全球主要集成电路 公司的平坦化关键技术。图公司的平坦化关键技术。图1 1为为CMPCMP工艺示意图。研磨平台、工艺示意图。研磨平台、 研磨

12、剂研磨剂(Slurry)(Slurry)，研磨垫，研磨垫(Pad)(Pad)及晶片载具及晶片载具(Wafer (Wafer Carrier)Carrier)是组合成研磨机台的要件。研磨机台在是组合成研磨机台的要件。研磨机台在19951995年前，年前， 已具备批量生产的功能。该研磨机台能够满足下面的工艺已具备批量生产的功能。该研磨机台能够满足下面的工艺 目标：目标：(a)(a)精准度；以一般工艺要求，应可满足精准度；以一般工艺要求，应可满足1010的误的误 差范围。差范围。(b)(b)均匀度：一般的下均匀度应小于均匀度：一般的下均匀度应小于1010。(c)(c)平平 坦度：这是工艺人员对坦度：

13、这是工艺人员对CMPCMP技术期待的地方，也是其他工技术期待的地方，也是其他工 艺步骤无法达到的规格，对第一代艺步骤无法达到的规格，对第一代CMPCMP机台言，小于机台言，小于0 01 1 微米微米( (在整个晶片面积上在整个晶片面积上) )误差是可达到的规格。误差是可达到的规格。 为了满足上述工艺的目标，第一代为了满足上述工艺的目标，第一代CMPCMP机台功能已机台功能已 具备：具备：(1)(1)以热交换系统，控制研磨平台的常温状以热交换系统，控制研磨平台的常温状 况；况；(2)(2)精确控制与均匀的晶片施压；精确控制与均匀的晶片施压；(3)(3)精确控精确控 制旋转速率；制旋转速率；(4)

14、(4)维持机台乾净；维持机台乾净；(5)(5)晶片装卸自晶片装卸自 动化。最早完成的商品化设备为动化。最早完成的商品化设备为IPECIPECWestechWestech 372372系列产品系列产品。此此372372系列可略分为系列可略分为9 9种功能：种功能：(1)(1) 电脑监控及显示；电脑监控及显示；(2)(2)研磨剂帮浦与流量控制；研磨剂帮浦与流量控制；(3)(3) 研磨平台及排放：研磨平台及排放：(4)(4)卸晶片区：卸晶片区：(5)(5)上晶片区；上晶片区； (6)(6)载具清洁区：载具清洁区：(7)(7)研磨垫整容器：研磨垫整容器：(8)(8)主臂驱动主臂驱动 装置；装置；(9)

15、(9)研磨主旋臂。研磨主旋臂。IPECIPECWestechWestech因为成功因为成功 开发出这种化学机械抛光设备，在开发出这种化学机械抛光设备，在19951995年时拥有年时拥有 全球全球7575以上市场。以上市场。 图1 化学机械研磨设备示意图 这种设备可以满足全面平坦化工艺需求，但从生产量方面考虑，该设这种设备可以满足全面平坦化工艺需求，但从生产量方面考虑，该设 备每小时平均低于备每小时平均低于2020片晶片，不符合生产的要求。因此在片晶片，不符合生产的要求。因此在CMPCMP工艺为工艺为 更多集成电路制造商所接受时，对高产量的抛光设备的要求越来越迫更多集成电路制造商所接受时，对高产

16、量的抛光设备的要求越来越迫 切。为了提升单机生产量，目前切。为了提升单机生产量，目前SpeedfanSpeedfan，CybeqCybeq等使用多头单一平等使用多头单一平 台台( (见图见图2)2)的近似成批处理方式，使得单机的生产能力有显著的改善。的近似成批处理方式，使得单机的生产能力有显著的改善。 然而在集成电路工艺发展日趋完善以及晶片尺寸逐渐加大的情况下，然而在集成电路工艺发展日趋完善以及晶片尺寸逐渐加大的情况下， 单头或双头单一平台的精确控制，比多头单一平台的成批处理适合未单头或双头单一平台的精确控制，比多头单一平台的成批处理适合未 来的潮流。来的潮流。 图图2 2 研磨机台表面配置研

17、磨机台表面配置 CMP原理原理: 在一定压力及抛光液的存在下在一定压力及抛光液的存在下,抛光机的抛光头夹持住抛光机的抛光头夹持住 被抛光工件相对于抛光垫做高速的相对运动被抛光工件相对于抛光垫做高速的相对运动,抛光液在工件抛光液在工件 与抛光点之间连续流动与抛光点之间连续流动,抛光液中的氧化剂对裸露的工件表抛光液中的氧化剂对裸露的工件表 面进行腐蚀面进行腐蚀,产生了氧化膜产生了氧化膜,借助于抛光液中的微粒的机械借助于抛光液中的微粒的机械 研磨作用去除氧化膜研磨作用去除氧化膜,由于表面的微观不平整由于表面的微观不平整,凹处的氧化凹处的氧化 膜未被去除膜未被去除,以及抛光液中的缓蚀剂等化学成分生成钝

18、化膜以及抛光液中的缓蚀剂等化学成分生成钝化膜 ,保护了金属不被氧化保护了金属不被氧化;凸处的氧化膜被去除凸处的氧化膜被去除,新的裸露的工新的裸露的工 件表面又被氧化剂腐蚀件表面又被氧化剂腐蚀,产生氧化膜产生氧化膜,再通过微粒的研磨作再通过微粒的研磨作 用去除氧化膜用去除氧化膜,如此反复作用如此反复作用,对工件表面进行材料去除对工件表面进行材料去除,使使 被抛光表面形成光洁表面被抛光表面形成光洁表面,达到全局平整化达到全局平整化 . 表面材料与磨料发生化学反应生成一层表面材料与磨料发生化学反应生成一层 相对容易去除的表面层，这一表面层通过磨相对容易去除的表面层，这一表面层通过磨 料中的研磨剂和研

19、磨压力与抛光垫的相对运料中的研磨剂和研磨压力与抛光垫的相对运 动被机械地磨去。动被机械地磨去。 在化学机械研磨的处理过程中，晶片表面薄膜与研磨剂，在化学机械研磨的处理过程中，晶片表面薄膜与研磨剂， 研磨垫相互运动的机制里，包含了机械与化学作用。因此研磨垫相互运动的机制里，包含了机械与化学作用。因此 在同样的机台下，配合晶片表面薄膜的材料特性。可能需在同样的机台下，配合晶片表面薄膜的材料特性。可能需 要不同的研磨剂与研磨垫的组合，才能获取工艺的最佳状要不同的研磨剂与研磨垫的组合，才能获取工艺的最佳状 况。然而从实际生产的角度而言，主要的应用是在晶片后况。然而从实际生产的角度而言，主要的应用是在晶

20、片后 段工艺介质膜的平坦化。段工艺介质膜的平坦化。 介质材料目前主要使用的是硼磷玻璃介质材料目前主要使用的是硼磷玻璃(BPSG)(BPSG) 或低压生长的或低压生长的TEOSTEOS氧化硅。在金属层间的氧化硅。在金属层间的 绝缘介质材料则有绝缘介质材料则有PECVDPECVD、TEOSTEOS、PSGPSG、 OZONE TEOSOZONE TEOS、ECR CVDECR CVD、SOG(SOG(涂布玻璃涂布玻璃) )及及 PolyimidesPolyimides等，以二氧化硅为主要成分的等，以二氧化硅为主要成分的 绝缘介质在绝缘介质在CMPCMP所使用的研磨剂，是源自光所使用的研磨剂，是源自

21、光 学玻璃抛光的研磨剂，已具有近数十年的学玻璃抛光的研磨剂，已具有近数十年的 历史。但在集成电路工艺的要求精确，均历史。但在集成电路工艺的要求精确，均 匀度与洁净度下，大都未能适合在匀度与洁净度下，大都未能适合在CMPCMP的应的应 用。用。 目前市场上有众多的产品进行竞争，而被 微电子行业多数厂商接受的仅Cabot系列产 品，其全球市场占有率则在八成以上。该 系列研磨剂的主要固态粒子为二氧化硅 (Silica)。在Cabot系列研磨剂的差异是在固体 含量百分比与pH值的区别。在使用时，其 较浓的固态百分比，以去离子的纯水稀释 至1215。另一个主要参数为pH值，一 般是维持在10.0至11.

22、0之间。 Cabot所用的氧化硅粒子是经由四氯化碳 (SiCl4)在近乎1800的高温下与高纯度的氢、 氧作用烧结成氧化硅粒子，可以获得高纯 度及均匀分布的颗粒。经由燃烧条件的控 制，即可调整粒子的尺寸，生产的稳定性 好。相对其他氧化硅粒子的制作方式，高 温烧结可拥有较窄的粒径尺寸分布。这是 Cabot持续占有全球主要市场的因素。 CMP主要主要 影响因素影响因素 工艺参数因素工艺参数因素 抛光液抛光液 抛光垫的选择抛光垫的选择 抛光的工艺参数亦会对抛光后的表面粗糙度抛光的工艺参数亦会对抛光后的表面粗糙度 和表面形貌等产生重要的影响和表面形貌等产生重要的影响,主要的工艺参数主要的工艺参数 有抛

23、光速度、抛光压力、抛光液流量、抛光时间有抛光速度、抛光压力、抛光液流量、抛光时间 等，它们以不同的方式和程度影响着抛光结果等，它们以不同的方式和程度影响着抛光结果 工艺参数因素：工艺参数因素： 抛光速度：要选择合适的抛光速度，若抛光速度过高,使抛光液 的润滑作用过强,材料去除率可能会下降,并且容易造成过抛,引 起芯片断路,造成灾难性的后果,或引起缺陷,影响全局平整化效 果 抛光压力：在抛光过程中，压力必须分布均匀，会造成表面各 点的抛光速率不同，引起缺陷 抛光液流量：如果抛光液流量过低,不能及时带走抛光下来的化 学反应物, 如果抛光液流量过高，不经济 抛光时间：为防止过抛,根据去除率选择抛光时

24、间,一般为1一3 分钟 抛光液抛光液 抛光液的成分决定着抛光液的性能,抛光液中 的化学成分主要用于加强抛光去除率及钝化保护 凹处。影响其成分的主要因素有络合剂、表面活 性剂、氧化剂、pH值、磨料 络合剂：能与金属离子形成络合离子的化合物,在CMP中主 要作用是与表面的氧化物结合生成可溶性物质,防止对抛光 表面产划伤。 表面活性剂：以适当的浓度和形式存在于环境(介质)中时, 可以减缓或加速材料腐蚀，得到较好的表面平坦化效果 氧化剂：能够快速地在加工表面形成一层软氧化膜,表面膜 的存在可以降低表面的硬度,便于后续的机械去除,从而提 高抛光效率和表面平整度 pH值：决定了最基本的抛光加工环境,会对表

25、面膜的形成、 材料的去除分解及溶解度、抛光液的粘性等方面造成影响 磨料：磨料的尺寸、形状、在溶液中的稳定性、在晶圆表 面的粘附性和脱离性对抛光效果都有着重要的作用 抛光垫的选择抛光垫的选择 研磨垫则是研磨剂外的另一个重要消耗材。由于集成电路研磨垫则是研磨剂外的另一个重要消耗材。由于集成电路 工艺的目的是平坦化，不同于传统光学玻璃与硅晶片的抛工艺的目的是平坦化，不同于传统光学玻璃与硅晶片的抛 光作用。平坦化的作用即要将晶片表面轮廓凸出部份削平，光作用。平坦化的作用即要将晶片表面轮廓凸出部份削平， 达到全面平坦化。理想的研磨垫是触及凸出面而不触及凹达到全面平坦化。理想的研磨垫是触及凸出面而不触及凹

26、 面，达到迅速平坦化的效果。因此光学玻璃所使用的研磨面，达到迅速平坦化的效果。因此光学玻璃所使用的研磨 垫，并不适合集成电路平坦化的工艺需求。就研磨垫的应垫，并不适合集成电路平坦化的工艺需求。就研磨垫的应 用言，对材料化学性质的需求较为单纯，一般只要耐酸碱，用言，对材料化学性质的需求较为单纯，一般只要耐酸碱， 有一定的稳定性。但对其物理性质的要求较为严格。有一定的稳定性。但对其物理性质的要求较为严格。 RodelRodel的研磨垫的研磨垫SubaSuba系列产品为美国系列产品为美国 SematechSematech等所评定，适合等所评定，适合CMPCMP工艺应用。此工艺应用。此 SubaSub

27、a系列的材质为系列的材质为 PolyurethaneImpregnatedPolyurethaneImpregnated PolysterPolyster FeltsFelts。上述的。上述的PUPU材料，具多孔性及一定的材料，具多孔性及一定的 硬度，适合硅基材与光学玻璃的抛光技术。硬度，适合硅基材与光学玻璃的抛光技术。 研磨垫的压缩性差异，形成不同的垂直与研磨垫的压缩性差异，形成不同的垂直与 水平变形。软性的研磨垫，因变形而容易水平变形。软性的研磨垫，因变形而容易 触及凹面，形成平坦度较差的现象。触及凹面，形成平坦度较差的现象。 因此因此，RodelRodel另一系列的另一系列的IC(IC(

28、品名品名) )产品，具较低压缩性，较高产品，具较低压缩性，较高 硬度的硬度的MicroporousPolyurethaneMicroporousPolyurethane，可以有效提升平坦度的效，可以有效提升平坦度的效 果，但均匀度的控制降低。使用果，但均匀度的控制降低。使用IC1000IC1000Suba IVSuba IV的组合垫则的组合垫则 兼顾了平坦度与均匀度的效果，也就成为今日对氧化硅薄膜兼顾了平坦度与均匀度的效果，也就成为今日对氧化硅薄膜 在在CMPCMP工艺的主要研磨垫。稳定的工艺除了选择适当的研磨垫工艺的主要研磨垫。稳定的工艺除了选择适当的研磨垫 外，适当的保养则是必要的过程。在

29、研磨过程中，研磨垫表外，适当的保养则是必要的过程。在研磨过程中，研磨垫表 面材质也会耗损，变形。面材质也会耗损，变形。 另外表面堆积的反应物也需妥当的排除。另外表面堆积的反应物也需妥当的排除。 因此在使用中，如无适当的处理，研磨垫因此在使用中，如无适当的处理，研磨垫 表面将呈现快速老化，造成蚀刻率衰退等表面将呈现快速老化，造成蚀刻率衰退等 现象。为了解决研磨垫的老化问题，现代现象。为了解决研磨垫的老化问题，现代 的的CMPCMP机台都具备研磨垫整理器，具备与研机台都具备研磨垫整理器，具备与研 磨过程同步整理或定时整理的功能。该整磨过程同步整理或定时整理的功能。该整 理器的设计经由研磨垫表面磨损

30、的控制，理器的设计经由研磨垫表面磨损的控制， 可以维持稳定的工艺及维持研磨垫的使用可以维持稳定的工艺及维持研磨垫的使用 寿命寿命 聚 氨 酯 抛 光 垫 聚氨酷抛光垫： 主要成分是发泡体固化的聚氨酷,其 表面许多空球体微孔封闭单元结构, 这些 微孔能起到收集加工去除物、传送抛光 液以及保证化学腐蚀等作用,有利于提高 抛光均匀性和抛光效率,但是由于硬度较 大,能够得到较高的抛光去除率,但容易产 生划痕 带 绒 毛 的 无 纺 布 抛 光 垫 带绒毛的无纺布抛光垫： 这种抛光垫以无纺布为基体,中间一层 为聚合物,表面层为多孔的绒毛结构;当抛光 垫受到挤压时,抛光液会进入到空洞中,而在 压力释放时会

31、恢复到原来的形状,将旧抛光 液和反应物排出,并补充新的抛光液;这种抛 光垫硬度小!压缩性大!弹性好,可获得较小的 表面粗糙度 化学机械研磨工艺控制化学机械研磨工艺控制 化学机械研磨过程中，研磨垫、研磨剂与 晶片表面材料产生相互运动，因此各材质 本身的质量都将影响工艺的过程。另外研 磨的机制中，化学与机械作用交互影响， 因此工艺的监控也可以多样变化。在实际 的应用上，如能了解研磨机制，即可掌握 化学与机械作用的主轴关系，达到合理的 工艺控制。 对化学机械研磨机制，预测蚀刻率、均匀度及薄膜材料研磨后的粗糙对化学机械研磨机制，预测蚀刻率、均匀度及薄膜材料研磨后的粗糙 度等的了解是控制生产工艺的关键。

32、由于研磨中的机械与化学交互作度等的了解是控制生产工艺的关键。由于研磨中的机械与化学交互作 用，机制的探讨是相当复杂的问题。而在实际生产中，用，机制的探讨是相当复杂的问题。而在实际生产中，CMPCMP设备在机设备在机 械参数控制上已相当稳定，因此以机械作用为主的研磨工艺，就成为械参数控制上已相当稳定，因此以机械作用为主的研磨工艺，就成为 稳定工艺的最佳设计方式。稳定工艺的最佳设计方式。19271927年年PrestonPreston所发表的经验方程式可以所发表的经验方程式可以 有效说明研磨的基本关系，其式为有效说明研磨的基本关系，其式为 RR=KpPVRR=KpPV 其中其中RRRR为蚀刻率，为

33、蚀刻率，P P为晶片上的施加压力，而为晶片上的施加压力，而V V为相对线性速率。为相对线性速率。 KpKp则称为则称为PrestonPreston常数。常数。 PrestonPreston方程式说明了蚀刻率与压力、线性速度成正比关系，其他物方程式说明了蚀刻率与压力、线性速度成正比关系，其他物 性、化性及机械参数及特性都隐藏在性、化性及机械参数及特性都隐藏在PrestonPreston常数内。在良好的机台常数内。在良好的机台 参数控制下，一般氧化层膜的工艺控制范围都可适用参数控制下，一般氧化层膜的工艺控制范围都可适用PrestonPreston方程式。方程式。 典型的例子如图典型的例子如图3 3

34、所示。由图上可以看出氧化硅膜的蚀刻率与施加压所示。由图上可以看出氧化硅膜的蚀刻率与施加压 力呈正比的线性关系。另外在不同设定的转速下亦都呈现正比的线性力呈正比的线性关系。另外在不同设定的转速下亦都呈现正比的线性 关系，其斜率则随著转速而增加。图关系，其斜率则随著转速而增加。图4 4即在固定的施压下，观察蚀刻即在固定的施压下，观察蚀刻 率与平台转速的关系。一般实验结果可以得到线性但非正比关系。此率与平台转速的关系。一般实验结果可以得到线性但非正比关系。此 现象的原因较为复杂。在实际的研磨机台参数设定为研磨盘及载具的现象的原因较为复杂。在实际的研磨机台参数设定为研磨盘及载具的 转速，换算成相对速度

35、言，理论值即有差值。另外转速的改变，对研转速，换算成相对速度言，理论值即有差值。另外转速的改变，对研 磨剂的流动与有效分布可能形成干扰，而不再是稳定状况。因此相对磨剂的流动与有效分布可能形成干扰，而不再是稳定状况。因此相对 的转速与蚀刻率关系，将因机台的区别，状况设定的差异，研磨垫的的转速与蚀刻率关系，将因机台的区别，状况设定的差异，研磨垫的 材质、纹理而有所改变。材质、纹理而有所改变。 图图3 3 热氧化硅薄膜的热氧化硅薄膜的CMPCMP刻蚀速率与压力的关系刻蚀速率与压力的关系 图图4 4 热氧化硅薄膜的热氧化硅薄膜的CMPCMP刻蚀速率与平台转速的关系刻蚀速率与平台转速的关系 对化学机械研

36、磨工艺而言，要维持蚀刻率 的稳定性相当不容易，但相对蚀刻率的比 值容易控制。主要的原因是相对蚀刻率比 值是受薄膜本身材质的影响，而机台的机 械参数及消耗材的变数是同步改变。因此 相对蚀刻率则可作为抛光终点的一个参考 指标。 CMP技术的优点技术的优点 1. 全局平坦化，全局平坦化，台阶高度可控制到台阶高度可控制到50左右左右 2. 平坦化不同的材料平坦化不同的材料 3. 平坦化多层材料平坦化多层材料 4. 减小严重表面起伏减小严重表面起伏 5. 能配合制作金属图形（大马士革工艺）能配合制作金属图形（大马士革工艺） 6. 改善金属台阶覆盖改善金属台阶覆盖 7. 减少缺陷减少缺陷 8. 不使用危险气体不使用危险气体 CMP技术的缺点技术的缺点 1. 新技术，工艺窗口窄，工艺变量控制相对较差。新技术，工艺窗口窄，工艺变量控制相对较差。 2. 厚度及均匀性的控制比较困难加强终点检测。厚度及均匀性的控制比较困难加强终点检测。 3. 设备昂贵。设备昂贵。