一文看懂半導(dǎo)體拋光研磨CMP技術(shù)

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在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)。CMP技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展使得制造更小、更復(fù)雜的芯片成為可能。在單晶硅片的制造過(guò)程中，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)在前半制程中扮演著至關(guān)重要的角色，并且需要多次應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械拋光方法，CMP技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)硅片表面的更高平整度，還因其較低的成本和簡(jiǎn)便的操作流程，已經(jīng)發(fā)展成為目前半導(dǎo)體材料表面平整處理的主流技術(shù)。

什么是化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）？

化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）是一種通過(guò)化學(xué)和機(jī)械作用相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)材料表面平坦化的工藝。在CMP過(guò)程中，待拋光的表面被放置在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，拋光液中含有的磨料與拋光墊的摩擦力共同作用，將表面材料逐層去除。這種技術(shù)不僅能夠去除表面多余的材料，還可以實(shí)現(xiàn)極高的平坦度和低的表面粗糙度，這對(duì)于制造高性能半導(dǎo)體器件至關(guān)重要。

CMP的大致過(guò)程，這種拋光設(shè)備主要包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)的壓板，其表面被一層拋光墊所覆蓋。硅晶圓以面朝下的方式固定在承載器中，而承載器通過(guò)特定的壓力系統(tǒng)，可以是氣壓或機(jī)械背壓，施加預(yù)定的力量壓向拋光墊。在拋光過(guò)程中，硅晶圓本身也會(huì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。拋光墊表面涂有含有物理磨料和化學(xué)活性劑的混合漿料，這種漿料通過(guò)泵送系統(tǒng)均勻分布于墊上。隨著硅晶圓在自身軸線上旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在壓力作用下與拋光墊接觸并隨之移動(dòng)，晶圓表面便開(kāi)始被拋光。在這個(gè)過(guò)程中，晶圓表面的凸起部分會(huì)因?yàn)楦蟮膲毫Χ馐芨嗟哪ハ鳎瑫r(shí)化學(xué)活性劑也對(duì)其產(chǎn)生作用，使得凸起部分的材料去除速度較凹陷部分更快。這種物理和化學(xué)作用的結(jié)合，促進(jìn)了表面的均勻化。由于拋光作用會(huì)產(chǎn)生熱量，而溫度的變化可能會(huì)影響化學(xué)蝕刻的速度，因此在CMP過(guò)程中，維持拋光板與晶圓接觸面的溫度穩(wěn)定非常關(guān)鍵。這通常通過(guò)在拋光板上實(shí)施精確的溫度控制來(lái)達(dá)成。

CMP的重要性

芯片制造是一個(gè)高度復(fù)雜的過(guò)程，分為設(shè)計(jì)、晶圓制造和封裝測(cè)試三個(gè)主要階段。其中，晶圓制造尤為關(guān)鍵，涉及熱處理、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等多個(gè)環(huán)節(jié)。整個(gè)過(guò)程可能持續(xù)6至8周，包含300多個(gè)步驟，有些步驟可能重復(fù)數(shù)百次。CMP工藝在其中非常重要，CMP材料的成本占晶圓制造總成本的7%。

隨著制造層數(shù)的增加，如果晶圓表面不平整，可能導(dǎo)致金屬薄膜厚度不均，進(jìn)而影響電阻值，導(dǎo)致電子遷移或電路短路等問(wèn)題。不平整的表面還會(huì)影響光刻中的對(duì)焦精度，導(dǎo)致線寬控制不準(zhǔn)確，限制集成電路的布線層數(shù)，進(jìn)而降低芯片性能。

因此，CMP在保證晶圓表面質(zhì)量和提升集成電路性能方面至關(guān)重要，它能夠?qū)崿F(xiàn)表面的全局平坦化，為后續(xù)制造工藝提供可靠的基礎(chǔ)。