中国粉体网讯
化学机械抛光技术是半导体晶片表面加工的关键技术之一。该技术综合了抛光液的化学腐蚀作用和磨粒及抛光垫的机械去除作用，以实现抛光后工件表面的良好质量、无损伤和高面形精度。
徐嘉慧等，硅片化学机械抛光技术的研究进展
从2000年至今，随着IC制造技术节点的不断延伸，CMP工艺逐渐朝着低K介质、低压力、钴互连技术、钌阻挡层等方面发展。
就CMP技术本身而言，有几个关键节点。
从0.35～0.25μm技术节点开始，CMP技术成为唯一可实现全局平坦化的IC关键技术。0.18～0.13μm技术节点，由于铜正式取代铝成为主流导线材料，使CMP成为铜互连技术必不可少的工艺制程。当技术节点发展到65nm时，用于减小RC延迟时间而引入的低K介质材料，逐步取代传统的SiO2，传统的CMP技术由于较高的压力容易导致低K材料的塌陷或剥落，致使传统的CMP很难应用于65nm节点以下，为此，开发低压力、低K介质材料适用的CMP设备成为新的发展方向。
当技术节点发展到30～20nm时，Cu互连不再适用于20nm以下的互连技术，迫使人们开始研发新的互连材料及互连技术，应用于钴互连技术的CMP技术成为又一发展方向。当集成电路节点发展到14nm时，CMP发展成为实现新的工艺技术如鳍式场效应晶体管（FinFET）、硅通孔技术（TSV）的关键技术。
7nm制程芯片需要30余道CMP抛光处理
随着芯片制程的不断缩小，CMP工艺在半导体生产流程中的应用次数逐步增加，以逻辑芯片为例，65nm制程芯片需经历约12道CMP步骤，而7nm制程芯片所需的CMP处理则增加为30余道，CMP技术应用将更为频繁。
CMP抛光步骤随制程变化情况
CMP抛光工艺所处环节
半导体制造过程是一系列复杂且高度专业化的步骤，将原材料转化为功能性电子组件。这个过程涉及多种技术和工艺，每个阶段都需要精确控制和细致入微的关注。其主要工艺流程包括晶圆制备、清洗、蒸镀、光刻、蚀刻、扩散、退火、电镀、切割等，但涉及到具体步骤远不止此。
半导体制造工艺流程
（1）芯片制造前端制程
硅晶圆材料制造过程主要可分为拉晶、切割、研磨、抛光、清洗等。晶圆制备中，CMP技术用于初始平坦化。晶圆因晶体生长和切割等工艺表面不平整，CMP可将其打磨平整，为光刻、刻蚀等后续工艺提供理想起始平面。
晶圆材料制造环节示意图
（2）半导体制造环节
在半导体制造环节，半导体制造过程按照技术分工主要可分为薄膜沉积、CMP、光刻及显影、刻蚀、离子注入等工艺，半导体制造中的CMP工艺环节是重要环节。在现代芯片多层金属布线制造中，每层金属布线完成后需CMP技术平坦化，为下一层布线提供平坦表面。这如同建造高楼大厦时每层地面需平整夯实，否则会出现短路、信号传输延迟等问题，影响芯片性能。
半导体制造环节示意图
（3）芯片制造后端制程
在芯片封装过程中，CMP技术可精确控制晶圆厚度，满足封装厚度要求。在扇出型封装和系统级封装等特殊封装结构中，也用于平坦化封装表面，提高封装质量和性能。
先进封装测试环节示意图
CMP抛光工艺在半导体中的具体应用
（1）浅沟槽隔离（STI）
浅沟槽隔离（STI）是集成电路中实现不同区域电学特性精确处理的核心技术。其过程是在硅片上精心刻蚀出浅沟槽，随后填充氧化硅，从而构建起电气隔离层。
郭国超等，浅沟槽隔离填充的工艺优化分析
在此工艺里，CMP担当着至关重要的角色。随着芯片集成度的不断攀升，对隔离层的精度与平整度要求近乎苛刻。CMP技术的应用，能够精准去除沟槽中多余的氧化硅，实现晶圆表面的高度平坦化。
（2）多晶硅平坦化
多晶硅在半导体器件中广泛应用，而多晶硅平坦化（Poly CMP）则是确保其性能的关键步骤。多晶硅层在沉积过程中，不可避免地会出现表面不平整现象。这些微观的起伏，在后续的光刻和刻蚀等关键工艺步骤中，犹如隐藏的“陷阱”，可能导致图案转移偏差、器件尺寸不一致等问题，进而严重影响器件性能与生产良率。
Poly CMP技术通过精确控制研磨参数，去除多晶硅层表面的不平整部分，使表面达到近乎镜面的平整度。这就好比为后续工艺铺设了一条平坦的“高速公路”，光刻光线能够准确无误地投射到预定位置，刻蚀过程也能沿着精确的路径进行，从而确保了器件尺寸的精确性和一致性，为高性能芯片的制造奠定了坚实基础。
（3）层间介质平坦化（ILD CMP）
在半导体制造的复杂架构中，层间介质（ILD）平坦化是连接各个功能层的关键桥梁。随着芯片朝着更高集成度和更小尺寸发展，多层互连线结构变得愈发复杂。ILD平坦化的重要性也随之凸显。
二氧化硅化学机械平坦化机理
詹阳等，层间介质（ILD）CMP工艺分析
ILD CMP的主要任务是确保晶圆表面达到高度平坦化，为后续的多层互连线工艺打造完美的“画布”。一个平坦的表面对于光刻和刻蚀工艺的精度提升至关重要。在光刻过程中，平坦的表面能够保证光刻胶均匀涂覆，光线透过掩膜版时不会因表面起伏而产生折射偏差，从而使图案精确转移到晶圆上。而在刻蚀阶段，平整的表面有助于刻蚀剂均匀作用，减少因表面不平整导致的刻蚀过度或不足等缺陷。通过ILD CMP，有效提高了器件的性能和良率，使得芯片能够在有限的空间内实现更多功能的集成。
（4）金属间介质平坦化（IMD CMP）
金属间介质平坦化面临着更为复杂的局面，因为它需要同时处理多种材料，如二氧化硅、氮化硅等。不同材料的物理和化学性质差异，给CMP工艺带来了巨大挑战。例如，不同材料的硬度、化学反应活性不同，在研磨过程中需要精确控制研磨速率和选择性，以确保各种材料都能得到适当的处理，同时保持表面的平整度。
此外，金属间介质的表面不平整性对于后续的Al CMP也是一个棘手的问题。如果介电层（SiO2）的凹陷过大，在Al CMP后极易留下铝的残留，这如同在电路中埋下了一颗“定时炸弹”，随时可能引发金属短路等严重故障，导致芯片失效。因此，IMD CMP工艺需要不断优化，采用先进的研磨液配方和工艺控制技术，在多种材料之间寻求平衡，确保金属间介质的高质量平坦化，为后续的金属布线工艺提供可靠保障。
（5）铜互连平坦化（Cu CMP）
铜互连技术作为现代半导体制造的核心技术之一，凭借铜的低电阻率和高导电性，为实现多层布线结构中的高效电气连接提供了可能。然而，铜的加工面临着独特的挑战。由于铜的化学刻蚀较为困难，其对应的化学反应产物挥发性较差，传统的刻蚀方法难以奏效。因此，铜的图形化通常采用大马士革工艺，即先刻蚀介质形成图形，然后再电镀铜填充。
杜志友，关于铜互连化学机械抛光液的技术研究
在大马士革工艺的最后，Cu CMP成为完成平坦化的关键一步。但铜的化学性质活泼，在空气中极易氧化，且其硬度较低，这使得平坦化过程犹如在“钢丝上跳舞”，需要格外小心。为了克服这些困难，研究人员开发了专门的研磨液和工艺条件，既能有效去除多余的铜，实现表面平坦化，又能防止铜的氧化，同时避免对铜层造成过度损伤。Cu CMP的成功应用，使得铜互连技术得以广泛应用，推动了半导体制造向更高性能、更低功耗的方向发展。
化学机械研磨（CMP）技术在半导体制造的各个关键场景中都发挥着不可替代的作用。从浅沟槽隔离的精准控制，到多晶硅、层间介质、金属间介质以及铜互连的平坦化处理，CMP技术不断突破材料与工艺的限制，为半导体产业的持续创新与发展注入了强大动力。
参考来源：
[1] 中国粉体网、晶格半导体
[2] 孙兴汉等，碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展
[3] 徐嘉慧等，硅片化学机械抛光技术的研究进展
[4] 郭国超等，浅沟槽隔离填充的工艺优化分析
[5] 詹阳等，层间介质（ILD）CMP工艺分析
[6] 杜志友，关于铜互连化学机械抛光液的技术研究
（中国粉体网编辑整理/山林）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
