如何通俗理解晶圓制造CMP工藝

2025-12-04 10:57:56 32

一、CMP到底是干嘛的？為什么半導體離不開它？

CMP = Chemical Mechanical Polishing（化學機械拋光），也叫化學機械平坦化。

簡單說：它就是半導體制造里的“磨地板神器”。

現在芯片都是多層布線（10層、20層金屬很常見），每做完一層介質（氧化物或Low-k），表面都會高低不平，下一層金屬填進去會出各種問題。CMP就是要把這層“地板”磨得跟鏡子一樣平（全局平坦度做到幾納米以內），否則后面光刻、對準、填金屬全完蛋。

沒有CMP，90nm以下工藝根本玩不下去，它是實現多層互連的*核心工藝。

二、CMP到底在磨什么？典型應用場景

STI CMP（淺溝槽隔離）

填完HDP氧化物后，把多余的氧化物磨掉，只留下溝槽里的部分，形成隔離。

聚硅柵CMP（Gate Last工藝里常用）

高K金屬柵時代，常用Replacement Metal Gate，磨掉多余金屬和聚硅。

ILD CMP（層間介質拋光）

每層金屬前的氧化物平坦化，最常見的。

銅互連CMP（Damascene工藝核心）

最復雜、最賺錢的CMP！

電鍍完厚厚一層銅后，先把凸出來的銅全部磨掉（銅清除），停在阻擋層（Ta/TaN）上；然后再把阻擋層和部分介質一起磨掉（Barrier CMP），最終形成平坦的銅線。

W-CMP（鎢栓拋光

早年接觸孔、Via用鎢填，現在還會在某些地方用到。

新材料CMP

如Co（鈷互連）、Ru（釕）、Mo（鉬）、SiGe、III-V族等等，先進節點越來越多。

三、CMP的原理：化學 + 機械雙管齊下

別看就叫一個“拋光”，其實是化學腐蝕 + 機械磨除同時進行：

拋光液（Slurry）里含有：

氧化劑（H?O?最常見）→ 把銅氧化成CuO/Cu?O，變軟
納米磨粒（SiO?、Al?O?、CeO?等）→ 機械刮除
絡合劑、腐蝕抑制劑、pH調節劑 → 控制反應速度和選擇比

機械部分靠：
拋光墊（Polyurethane材質，有溝槽）
旋轉的拋光頭（Wafer被真空吸住，倒扣在墊子上）
下壓力（Down Force，通常幾psi）

化學讓材料變軟，機械把它刮走，兩者缺一不可。

只化學會腐蝕過度，只機械會嚴重劃傷。

四、CMP設備長什么樣？核心部件逐個講

主流CMP設備：Applied Materials Reflexion LK、Ebara FREX、Lam Research等。

一臺典型12英寸CMP設備結構：

1、4個拋光頭（Head）

每個Head可以獨立加壓、轉速控制，帶著晶圓倒扣在墊子上旋轉。

2、3~4個拋光盤（Platen）

每個盤貼一塊大拋光墊，Platen 1磨銅，Platen 2磨Barrier，Platen 3清洗或Buffing。

3、拋光液供應系統（Slurry Delivery）

大桶漿料 + 管路 + 噴嘴，流量要精確到ml/min。

4、修墊器（Conditioner/Disk）

上面鑲滿金剛石顆粒，實時刮拋光墊表面，防止墊子“釉化”（glazing），保持粗糙度。

5、終點檢測系統（Endpoint Detection）

電機電流檢測（銅清完后摩擦力變大，電流上升）
光學干涉（激光打到晶圓上，銅和介質反射信號不同）
Eddy Current（渦流傳感器，銅厚實時監測，最主流）

5、后清洗模塊（Post-CMP Clean）

兆聲清洗 + 刷洗 + Marangoni干燥，務必把殘留磨粒、漿料徹底洗干凈，否則缺陷爆炸。

五、CMP最難的幾個技術痛點（工藝工程師最頭疼的）

1、劃傷（Scratch）

大顆粒、漿料結塊、修墊盤掉金剛石都會造成致命劃傷。

2、腐蝕（Dishing & Erosion）

銅線中心下陷（Dishing）、密集區介質磨太多（Erosion），導致電阻上升和可靠性問題。

3、殘留（Residue）

銅、Ta、磨粒殘留 → 短路、漏電。

4、選擇比控制

銅：Barrier：TEOS的選擇比要幾百:幾:1，否則停不住或者過磨。

5、晶圓內均勻性（WIWNU）

中心和邊緣磨除速率差要控制在幾個%以內。

6、缺陷水平

先進節點要求大顆粒（>0.1μm）加起來不超過幾個。

六、銅CMP三步經典工藝（7nm及以上還在用）

Platen 1（Bulk Cu Remove）

高去除率漿料（>5000?/min）
大下壓力
渦流終點，留1000~2000?銅

Platen 2（Soft Landing + Barrier Remove）

低去除率漿料 + 高選擇比
小下壓力，停在Barrier上不傷介質

Platen 3（Buffing + 水拋）

純DI水或極稀漿料
去除表面微劃傷和殘留

七、未來趨勢

極低下壓力（<1psi）拋光 → 防止Low-k介質塌陷
無磨粒漿料（Abrasive-free）→ 減少劃傷
新材料選擇比漿料（Co、Ru、Mo）
AI實時終點控制 + 機器學習優化參數
單盤多步工藝（減少設備投資）

總結一句話：CMP看起來就是“磨一磨”，其實是化學、機械、材料、設備、檢測、清洗、缺陷全鏈條最復雜的工藝之一，良率和成本都卡在它手里。真正的CMP大神，是能在劃傷、Dishing、均勻性、缺陷之間找到*平衡的人。

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