磨料对集成电路 CMP 工艺质量的影响

化学机械抛光CMP工艺不仅用于不同衬底材料的制备，还常用于晶圆表面纳米级的平坦化，特别在极大规模集成电路中，CMP是唯一可以实现全局平坦化的技术。CMP质量与CMP设备、抛光垫和抛光液紧密相关。磨料作为抛光液的核心组分之一，不仅直接参与机械研磨过程，还与抛光液中的其他化学成分相互作用，共同影响抛光效果。

1 磨料的种类

磨料的种类有很多，除了传统的磨料之外，近年来涌现了很多新型磨料。按其成分划分为:单一磨料、混合磨料、特殊磨料等"。其特性与应用比较见表1、表2.

2 磨料的选择

在CMP工艺中，磨料的选择是确保抛光质量、效率和经济性的关键。选择磨料时，必须考虑多项因素。

（1）材料的匹配性：磨料种类的选择首先要考虑被抛光材料的匹配性，主要包括硬度匹配和化学兼容性，避免过度磨损或抛光不足。

（2）工艺条件：磨料种类的选择还需要综合考虑压力、转速、抛光液的pH值、氧化剂种类及浓度、抛光垫的材质和工艺参数等，这些工艺条件也会影响磨料的选择。

（3）去除速率与选择性：在集成电路CMP工艺中，选择的磨料需能提供足够的机械作用，实现目标材料的高效去除。同时还需通过优化磨料种类和工艺参数，实现对不同材料(如铜、钨、介质层)的精细去除，具有高的选择性。但这两项有时会有冲突，这时就需要综合考虑去除速率与选择性。

（4）经济性与环保性：选择磨料还须考虑环保和成本。优先选择无毒、无害、可降解的磨料，减少对环境的影响。在满足性能要求的前提下，尽量选择便宜的磨料。

3 磨料对 CMP 质量的影响

3.1 磨料对抛光速率和抛光质量的影响

3.1.1 磨料种类的影响

不同种类的磨料物理和化学性质不同，得到的CMP质量也不同。例如，SiO2因其良好的分散性、低硬度能够提供较为均匀的抛光效果，但抛光速率可能相对较低。Al2O;因其硬度较高，抛光速率快，但由于其在水溶液中容易团聚，可能导致抛光表面产生划伤等缺陷。CeO2引起具有良好的化学反应活性，能够获得较高质量的表面;但制备工序复杂，成本高。

3.1.2 磨料粒径的影响

磨料的粒径对抛光速率和抛光质量影响很大。这是因为磨料粒径不同，与晶圆表面的接触面积也不同。从机械研磨角度来看，较大的粒径(>100nm)能提供较高的抛光速率，但可能增加表面划伤的风险，导致表面粗糙度上升;较小的粒径(<50nm)在抛光液中更容易保持稳定分散状态，有利于获得均匀的抛光效果，但抛光速率下降。从化学作用来看，小粒径的磨料颗粒比表面积大，磨料与表面材料得以极低的活化能发生反应，提升抛光速率。粒径过小，发生团聚的概率增大，表面反而变得粗糙。粗抛一般选用大粒径的磨料，精抛则选用小粒径的磨料。选择磨料时，不仅需要考虑粒径的大小还需要考虑粒径分散度。粒径分散度表示粒径大小的均匀性，直接影响磨料的稳定性。

3.1.3 磨料形貌对的影响

磨料的形貌会影响抛光液的电导率、黏度以及粒径的分布等，直接影响抛光速率及抛光效果。如:球形磨料在抛光过程中滚动较多，减少棱角接触，降低划痕概率，可能减少划伤。

非球形磨料(如柱状或片状)或不规则磨料会可能增强机械划擦作用，提高抛光速率的同时，产生划伤和坑洼，增加表面损伤。因此，磨料颗粒通常做成为球形或类球形，这就需要对非球形磨料进行改进，常用采用介孔或掺杂的方式进行处理。

3.1.4 磨料浓度的影响

磨料浓度(或质量分数)同样会影响抛光速率和表面质量。通常磨料浓度越高，抛光速率越快。但在实际生产中，磨料浓度达到一定数值后，抛光速率并不会显著增加。这是因为随着磨料浓度不断增大，磨料颗粒可能会发生团聚或形成薄膜，使磨料的实际接触面积变小，研磨作用减弱，甚至阻碍抛光液其他成分的作用。某些特殊的材料，磨料浓度在一定范围，抛光速率随着浓度的增加反而会减小，这是因为该阶段以化学作用为主。随着磨料浓度增大，表面附着的粒子数量增加，导致表面划伤的可能性增加，产生更多缺陷。生产实践中，有的材料随磨料浓度的增大，粗糙度先减小再增大，这是因为浓度较低时，抛光过程以化学反应为主，磨料浓度的增加，反而改善了材料表面的粗糙度。当浓度增加到一定程度，抛光过程变成机械研磨为主。

3.2 磨料对抛光垫的磨损影响

磨料的种类和硬度还会影响抛光垫的磨损和寿命。不同种类和粒径的磨料对抛光垫的磨损程度不同，硬度较高的磨料可能会对抛光垫造成更严重的磨损，从而缩短抛光垫的使用寿命。因此，选择磨料时，必须考虑其对抛光垫的影响。

3.3 磨料对缺陷的影响

CMP工艺很容易引人缺陷，大部分缺陷都与磨料有关。表3列出了常见的缺陷与磨料之间的关系，并给除了优化策略。如表3所示。

磨料在使用过程中，会发生损耗或者性质的变化，因此生产过程中，需要即时监控磨料的状态，若出现钝化或破碎，及时更换。

来源 芯片封装综述

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