CMP化学机械抛光
一、定义CMP 全称为 Chemical Mechanical Polishing,即化学机械抛光,是普通抛光技术的高端升级版本。其中单晶硅片制造过程和前半制程中需要多次用到化学机械抛光技术。与此前普遍使用的机械抛光相比,化学机械抛光能使硅片表面变得更加平坦,并且还具有加工成本低及加工方法简单的优势,因而成为目前最为普遍的半导体材料表面平整技术。
集成电路制造过程好比建房子,每搭建一层楼层都需要让楼层足够水平齐整,才能在其上方继续搭建另一层楼,否则楼面就会高低不平,影响整体可靠性,而这个使楼层整体平整的技术在集成电路中制造中用的就是化学机械抛光技术。
二、CMP的重要性
芯片制造过程大致可以分为顶层设计、晶圆制造、封装测试三大步骤,其中晶圆制造过程尤为复杂。
晶圆制造过程主要可以分为热处理、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械抛光(CMP)、清洗、前道量测等工艺流程。这些工艺并不是按单一顺序执行,而是根据要生产的芯片特性选择性地重复进行。典型的晶圆制造需要花费6-8周时间,涵盖300多道工艺流程,某些工序可能需要执行几百次。例如,根据不同工艺制程和技术节点的要求,每一片晶圆在生产过程中都会经历几道甚至几十道的化学机械抛光(CMP)工序。在众多制造环节中,CMP抛光材料总体占到晶圆制造所需各类材料成本的7%,是非常重要的一道工序。
若未经平坦化处理,晶片起伏随着层数增多变得更为明显,同层金属薄膜由于厚度不均导致电阻值不同,引起电子迁移造成电路短路。起伏不平的晶片表面还会使得光刻时无法准确对焦,导致线宽控制失效,严重限制了布线层数,降低集成电路的使用性能。
三、CMP工作原理介绍
CMP 是通过纳米级粒子的物理研磨作用与抛光液的化学腐蚀作用的有机结合,对集成电路器件表面进行平滑处理,并使之高度平整的工艺技术。当前集成电路中主要是通过 CMP 工艺,对晶圆表面进行精度打磨,并可到达全局平整落差 100A°~1000A°(相当于原子级 10~100nm)超高平整度。
抛光液一般包含磨粒、氧化剂、络合剂、表面活性剂、磨料、pH调节剂、腐蚀抑制剂等成分。
化学机械抛光采用将机械摩擦和化学腐蚀相结合的工艺,在CMP工作过程中,CMP用的抛光液中的化学试剂将使被抛光基底材料氧化,生成一层较软的氧化膜层,然后再通过机械摩擦作用去除氧化膜层,这样通过反复的氧化成膜-机械去除过程,从而达到了有效抛光的目的。
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