1988年，美國商用機器公司（IBM）最先將CMP工藝應(yīng)用于4M DRAM 器件的制造。由于介電質(zhì)、金屬材料等通過化學(xué)氣相沉積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）工藝沉積在硅片表面，在多層沉積后使硅片表面變得起伏不平，致使光刻工藝無法聚焦，因此CMP工藝被應(yīng)用于實現(xiàn)硅片表面的平坦化，以繼續(xù)進行下一步的光刻工序。

        化學(xué)機械拋光或化學(xué)機械平坦化（Chemical Mechanical Polishing 或 Chemical Mechanical Planarization，CMP）是芯片制造的關(guān)鍵工藝之一。

        CMP的基本原理是將待拋光的硅片（有圖形的正面朝下）以一定的壓力壓在拋光墊上，將拋光液引流到拋光墊表面溝槽中，同時維持硅片與拋光墊之間作相對旋轉(zhuǎn)摩擦運動，借助化學(xué)助劑的化學(xué)反應(yīng)作用，利用納米顆粒、拋光墊等的機械摩擦作用反復(fù)拋光，使硅片表面達到平坦化。

        與傳統(tǒng)的純機械或純化學(xué)拋光方法不同，CMP技術(shù)通過化學(xué)和機械的組合技術(shù)避免了由單純機械拋光造成的表面損傷，利用摩擦中的“軟硬磨”原理，即用較軟的材料來實現(xiàn)高質(zhì)量的表面拋光，使化學(xué)腐蝕和機械磨削作用達到一種平衡。

        CMP工藝從0.35μm 技術(shù)節(jié)點開始應(yīng)用并被逐步推廣使用。

        最初，CMP工藝僅用于對二氧化硅介質(zhì)層（SiO2）和鎢（W）金屬互連的平坦化處理。隨著工藝復(fù)雜性的持續(xù)提高，多晶硅（Poly）、淺溝槽隔離層（Shallow Trench Isolation，STI）、鎢接觸孔、鋁（Al）金屬互連、銅（Cu）金屬互連以及鉭（Ta/TaN）阻擋層等的平坦化要求被提上日程，使CMP工藝得到廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。

        伴隨著新材料和新器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展，CMP延續(xù)在傳統(tǒng)平面器件工藝中應(yīng)用的同時，在高k金屬柵（HKMG）結(jié)構(gòu)、鰭式場效應(yīng)管（FinFET）及STI的形成、假柵開口(Dummy Gate)、后柵金屬柵（Gate Last）的平坦化和局部互連等工藝中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

        從平面器件到三維鰭式場效應(yīng)管（3D FinFET）器件的快速演進，給許多傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)提出了重要挑戰(zhàn)和新的需求。器件特征線寬越來越小，對光刻設(shè)備分辨率的要求越來越高，尤其7nm以下EUV光刻技術(shù)的導(dǎo)入，對硅片表面的平坦化、均勻性、缺陷率的要求越來越嚴格，使得對CMP工藝的要求比以往任何時候都更加嚴格，直接促進了拋光液和拋光墊等多種先進技術(shù)的快速發(fā)展。

        CMP工藝應(yīng)用的主要材料和關(guān)鍵部件有拋光液（Slurry）、拋光墊(Pad)和修整盤(Conditioning Disc)、CMP后清洗液(Post CMP Cleaning Chemical)、保持環(huán)（Retainer Ring）、硅片吸附膜(Membrane)、清洗棉(Brush)、過濾器(Filter)等。其中，拋光液、拋光墊和修整盤是關(guān)鍵的三大消耗性材料。

        他們之間的性能的相互匹配決定了CMP工藝能達到的表面平坦化的水平和表面質(zhì)量。CMP工藝用材料占晶圓制造總材料成本的6%~7%。其中，拋光液和拋光墊分別約占60%和30%，是CMP工藝技術(shù)和成本的核心。CMP拋光后清洗液在第6章功能化學(xué)品中已有描述，在此不再贅述。

        CMP拋光液

        CMP拋光液一般由納米級固體磨料顆粒 (如納米級二氧化硅SiO2、三氧化二鋁Al2O3、氧化鈰CeO2等拋光顆粒)和一些特殊化學(xué)試劑（如氧化劑、催化劑、金屬絡(luò)合劑、表面抑制劑、表面活性劑、酸堿調(diào)節(jié)劑、殺菌劑等）組成。固體磨料顆粒主要提供拋光過程中的機械作用；化學(xué)試劑則提供拋光物質(zhì)之間的相互化學(xué)作用。其中，氧化劑的作用為氧化被拋光材料的表面，以達到進一步去除的目的；催化劑的作用主要是提高被拋光表面的反應(yīng)速率，提高拋光速率；金屬絡(luò)合劑的主要作用是絡(luò)合被拋光表面的金屬離子，達到快速拋光和去除金屬離子在表面的殘留；表面抑制劑的作用是實現(xiàn)對被拋光材料表面的鈍化作用，對表面進行保護，實現(xiàn)更好的表面平坦化；表面活性劑的使用往往在拋光過程中體現(xiàn)出一些特殊的功用，如減少劃傷、提高平坦化等；酸堿調(diào)節(jié)劑的作用是調(diào)節(jié)拋光液的酸堿度；殺菌劑的作用是防止拋光液中細菌的生長。

        集成電路制造工藝中使用的拋光液按照功能可以分為介質(zhì)層拋光液、金屬鎢拋光液、 金屬銅拋光液、阻擋層拋光液、TSV拋光液、晶硅拋光液等。同時，CMP拋光液也可以根據(jù)拋光顆粒的類型不同分為氧化鈰拋光液、二氧化硅拋光液、氧化鋁拋光液等。二氧化硅拋光液具有選擇性和分散性好的特點，機械磨損性能較好，化學(xué)性質(zhì)較活潑，拋光后清洗過程的廢液處理較容易，使用比較廣泛。氧化鈰拋光液對介質(zhì)層的拋光速率高，對氧化硅和氮化硅有很好的選擇比，廣泛應(yīng)用于存儲器的介質(zhì)層拋光和邏輯產(chǎn)品的淺溝槽隔離層（STI）拋光。納米氧化鋁拋光液對鎢、鋁等金屬薄膜有很好的平坦化效應(yīng)。

拋光液產(chǎn)品種類及其應(yīng)用工藝

        拋光墊

        拋光墊具有多重功能和作用，主要用于蓄積和傳輸拋光液、傳遞被拋光材料所需要的機械載荷、傳輸出拋光過程中產(chǎn)生的拋光廢液廢屑、控制和維持均勻穩(wěn)定的化學(xué)和機械環(huán)境等，是影響化學(xué)機械拋光的“機械”因素。

        拋光墊的材料通常為聚氨酯或聚酯中加入飽和聚氨酯，關(guān)鍵性質(zhì)主要有硬度、多孔性、填充性以及表面形態(tài)結(jié)構(gòu)等。拋光墊的各項性能直接影響CMP工藝的平坦化率、去除速率和表面缺陷。

        根據(jù)表面形態(tài)結(jié)構(gòu)和硬度，拋光墊一般可分為硬拋光墊（簡稱硬墊）和軟拋光墊（簡稱軟墊）。其中，多晶硅CMP工藝多使用軟拋光墊，而其他介質(zhì)層、金屬互連、接觸孔等的CMP工藝多采用硬拋光墊與軟拋光墊搭配。

        通常，在硬拋光墊表面制作無數(shù)凹型溝槽以達到承載拋光液的功能，在拋光工藝中滿足較高的拋光速率和較好的均勻性；軟拋光墊通過改變其化學(xué)成分或多孔結(jié)構(gòu)來協(xié)助傳送拋光液并進行拋光，可以實現(xiàn)更好的表面平坦化品質(zhì)，降低表面缺陷。

常用的拋光墊產(chǎn)品種類一覽表

        金剛石修整盤

        金剛石修整盤一般是在表面涂布鍍鎳金剛石顆粒的圓盤。金剛石顆粒以一定的圖形排列而成，根據(jù)不同的技術(shù)要求，輔助以不同的凹凸圖案，提升再生效果。在CMP工藝中，拋光墊本身不斷被拋光而變得光滑，使用過的拋光液以及在拋光過程中產(chǎn)生的廢棄物會沉積在拋光墊的表面，這就需要使用修整盤對拋光墊進行修整再生，重新塑造拋光墊的表面粗糙度，恢復(fù)使用性能。修整可以清除堵塞小孔的碎屑和微粒，去除拋光墊的釉面，使拋光墊得到重生，獲得所需的粗糙度和多孔性。此外，修整還可以減少更換拋光墊的次數(shù)，節(jié)省使用新拋光墊所需的重新調(diào)整校正到穩(wěn)定的步驟和時間，從而大大提高CMP工藝的穩(wěn)定性。