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半导体开放世界

CMP

Chemical Mechanical Planarization也称 化学机械抛光

让浆料化学先改变表面可去除性，再由抛光垫、磨粒、压力和相对运动选择性移除高处材料，获得可继续叠层的平面。

基础出处 2 本教材
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速览

约 1 分钟

化学机械平坦化：用抛光垫与浆料把晶圆表面磨平，为后续光刻与多层互连提供可叠层平面。

系统理解

约 2 分钟

多层金属与介质堆积会产生起伏。CMP 结合化学腐蚀与机械磨削，在选择比与均匀性约束下把表面拉平。过度抛光会造成碟形凹陷或金属损失；不足则影响下层套刻与焦深。它是后端工艺得以『一层层往上做』的几何前提。

后端互连前后的关键平坦化步骤。

关键参数

关键参数
参数单位含义
RRnm/min材料去除速率
DOP无量纲由初始与最终台阶高度定义的平坦化程度
P / VPa / m·s⁻¹晶圆—抛光垫压力与相对速度
选择比无量纲目标材料与停止层或邻近材料的去除速率比
过抛量s / nm达到清除终点后继续抛光的时间或等效去除量

常见误区

  • 以为 CMP 只是物理打磨，与化学选择无关

工程深入

12 条结论

为什么需要全局平坦化

定义

CMP是以平坦化为目标的选择性材料去除

CMP把表面化学反应和机械摩擦组合起来，使高处比受遮蔽的低处更快去除；它与无图形硅片镜面抛光共享基本作用链，但图形片CMP还必须处理材料选择性和局部图形密度。12

成立条件 不能把硅片原始抛光配方直接等同于STI、钨或铜CMP；目标是获得后续工艺所需几何，而非只降低平均厚度

关联

平坦化同时服务光刻焦深和后续薄膜覆盖

台阶会造成光刻胶厚度、焦平面和曝光剂量不均，也会放大侧壁变薄、悬垂和空洞；随着互连层数增加，这些几何误差会逐层累积。1

成立条件 先进DUV/EUV焦深越小，对全局高度变化越敏感；局部平坦并不自动保证晶圆级全局平坦

曝光 影响：CMP降低焦平面和光刻胶厚度变化。
金属互连 用于：每层互连前后的平坦化抑制台阶累积。
公式

平坦化程度比较最终与初始台阶高度

DOP把台阶降低程度归一化：0表示没有改善，1表示理想完全平坦；它必须在明确的空间尺度、图形和测量位置下使用。1

DOP=1−hfinal/hinitial

hinitial
CMP前台阶高度，单位 nm
hfinal
CMP后台阶高度，单位 nm

成立条件 DOP不描述材料损失、划伤和电性是否合格；局部DOP不能替代晶圆级非均匀性评价

化学—机械耦合

机制

化学改性与机械移除必须连续耦合

浆料中的碱、氧化剂、络合剂或表面活性组分先形成水合、氧化或易溶解表层，磨粒和垫面微凸体再把反应层移走并暴露新表面，循环作用形成持续去除。12

成立条件 只有化学反应可能变成非选择性腐蚀或形成钝化层；只有机械作用会提高划伤、缺陷和选择性失控风险

机制

载具、旋转抛光垫、浆料和调理器共同构成去除链

晶圆由载具施加背压并相对抛光垫运动，浆料持续输送反应物和磨粒，调理器恢复垫面粗糙度与浆料输运通道；任一环节漂移都会改变去除速率和均匀性。12

成立条件 量产设备常用分区压力补偿中心—边缘差异；垫面会随使用发生压实、堵塞和温度变化

公式

Preston关系是去除速率的经验起点

宏观去除速率常近似与晶圆—抛光垫压力及相对速度成正比；比例系数吸收了薄膜、浆料、垫材、温度和化学状态，因此不能跨材料或设备直接复用。1

RR=Kp·P·V

RR
材料去除速率，单位 nm/min
P
局部或平均接触压力，单位 Pa
V
晶圆与抛光垫相对速度，单位 m/s
Kp
包含化学和机械状态的经验系数

成立条件 关系不能自动描述终点、图形效应和垫面老化；局部压力并不等于设备设定平均压力

图形依赖与材料选择性

机制

CMP去除是由周围图形共同决定的非局域过程

半柔顺抛光垫只会有限地进入凹区，凸起特征承受更高局部压力，低处则被周围高处遮蔽；垫硬度、图形间距和密度共同决定压力传播尺度。1

成立条件 相同平均膜厚和平均压力不保证不同版图区相同去除量；dummy fill可用于调节图形密度但也会改变电气寄生

边界

材料选择性既提供停止能力也制造过抛风险

通过浆料化学可让目标膜比停止层或邻近材料去除更快，从而清除场区材料；但为保证全片清除而增加过抛时，较软或较快材料会继续损失。1

成立条件 高选择比便于终点停止但可能放大材料间高度差；低选择比减小差速却可能损伤停止层和介质

边界

dishing与erosion来自不同的局部去除失衡

宽金属结构中，垫面进入并继续去除较快金属会形成碟形凹陷；密集金属线让邻近介质承受额外去除则形成整体侵蚀。两者都会减小导线截面或改变层间几何。1

成立条件 dishing通常随线宽、过抛和金属/介质选择比增加而恶化；erosion与局部图形密度、垫柔顺性和浆料有关

金属互连 影响：凹陷与侵蚀改变互连截面、电阻和下一层形貌。

量产控制与集成边界

边界

CMP配方是压力、速度、浆料和垫状态的联合窗口

压力、相对速度、浆料流量与pH、磨粒浓度和粒径、垫材硬度、调理、温度及去除量共同决定速率、选择性、均匀性和缺陷，单参数优化容易把问题转移到另一指标。12

成立条件 不同材料体系需要独立配方和Kp标定；量产还需考虑耗材寿命、腔体清洁和批间漂移

关联

STI、钨塞和铜镶嵌都依赖过填充后CMP定义最终图形

材料先沉积或电镀超过沟槽/通孔深度，再由CMP清除场区覆盖层并保留凹槽内材料；同一基本流程因氧化物、钨、铜和阻挡层不同而具有完全不同的化学与停止条件。12

成立条件 铜难以用常规等离子体各向异性刻蚀，使镶嵌+CMP尤其关键；低k介质机械强度会限制可用压力和缺陷窗口

金属互连 用于：CMP定义钨塞和铜镶嵌互连的最终截面。
PVD 工艺顺序：阻挡/种子层沉积与电镀后通常进入金属CMP。
边界

抛光终点之后仍需完成缺陷与清洗闭环

达到几何清除终点后，过抛量仍要覆盖片内非均匀性；CMP后必须清除磨粒、反应残留和金属污染，并控制划伤、腐蚀、颗粒和脆弱图形损伤。12

成立条件 清洗强度不足会留污，过强机械或兆声作用也可能损伤图形；几何平坦、表面洁净和电性合格应分别验证

出处

2 本教材 · 2 处引用
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    Integrated Circuit Fabrication: Science and Technology

    James D. Plummer, Peter B. Griffin · 2023 prepublication version · 2023

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