化学机械平坦化（CMP）工艺

20世纪90年代初期，光刻对平坦度日益迫切的要求，催生了化学机械平坦化（CMP）工艺，它开始被用于后端（BEOL）金属连线层间介质的平整，当时还是一个不被看好的丑小鸭。然而随着时光的流逝，丑小鸭却越来越显现出她独特的魅力。
20世纪90年代中期，浅槽隔离抛光（STI CMP）在0.35μm技术中被用于形成浅槽隔离，以取代原先的LOCOS。钨抛光（W CMP）也在0.35μm技术中以它高良率低缺陷的优势，取代了原先的反刻蚀（etch back）工艺。到了21世纪初，铜抛光（Cu CMP）闪亮登场，使0.13μm后端铜制程变为现实。不过当时的Cu CMP相对简单，只要求研磨Cu、Ta和TEOS等材料。Cu CMP一直被延续使用到90nm、65nm，直到今天的45/32/28/22nm。抛光材料日益复杂，涉及低k材料、ALD阻挡层、Co、Ru等；抛光要求日益增高，它要求高均匀性、高平整度、低缺陷和低压力等。近年来，CMP技术在32/22nm技术形成高k金属门的工艺中，又有了新的用武之地，这也对CMP提出了更高的要求。另外，CMP也在PCRAM技术中，担当GST CMP的重任。诸如此类，新的CMP应用层出不穷。
CMP技术的发展如表11.1所示。
表11.1 CMP在逻辑技术中的引入及其原因

来源：Joseph M Steigerwald, “Chemical Mechanical Polish:The Enabling Technology”Electron Devices Meeting, 2008.IEDM 2008.IEEE International, Page（s）:1-4; Digital Object Identifier:10.1109/IEDM.2008.4796607

浅槽隔离抛光

STI CMP的要求和演化

STI CMP要求磨去氮化硅（SiN4）上的氧化硅（SiO2），同时又要尽可能减少沟槽中氧化硅的凹陷（dishing），参见图11.1。

图 直接STCMP和反向光罩STI CMP的工艺流程

初期的STI CMP延用ILD CMP的研磨液，以硅胶作为研磨颗粒（silica based slurry）。硅胶研磨液的选择比很低（SiO2:SiN4～4），研磨的终点控制能力较差，工艺窗口（process window）很窄。所以不得不使用抛光前平坦化的方法，比如反向光罩（reverse mask）等方法，这大大增加了工艺成本。

于是，高选择比（SiO2:SiN4＞30）的研磨液（High Selectivity Slurry, HSS）应运而生，它用氧化铈（CeO2）作为研磨颗粒（ceria based slurry）。这样，SiN4就成了抛光的停止层（stop layer），工艺窗口大大加宽，反向光罩的方法成为历史，直接抛光（direct STI CMP）梦想成真，STI CMP大大地向前迈进了一步。至今为止，使用Ceria Based Slurry的抛光工艺仍然是STI CMP的主流方法。然而，任何东西都有它的局限性，Ceria Based Slurry工艺所产生的凹陷（200～600Å，对于约100μm宽的沟槽），依然是它的弱点，不能满足新技术对凹陷日益严格的要求。

在这样的情况下，一种革命性的抛光技术脱颖而出，固定研磨粒抛光工艺（FixedAbrasive STI CMP, FA STI CMP），成功地将凹陷降低至＜100Å（约100μm宽的沟槽）。然而任何东西总有它的两面性，美中不足的是固定研磨粒抛光的划痕类缺陷较多。

另外，新材料的使用总是推动CMP前进的极大动力之一。在45nm及以下的逻辑技术中，为了填充越来越小的沟槽，一种低压CVD工艺形成的氧化硅HARP（high aspect ratio plasma）代替了原先的HDP（high density plasma）。相比于HDP, HARP薄膜具有更高的覆盖层（overburden），这无疑增加了STI CMP的难度，见图11.2。结合Ceria Based Slurry和FA STI CMP的优点，可以有效地解决此问题，见图11.3。也就是，利用Ceria Based Slurry高平坦效率的优点，进行第一步的粗抛光，磨掉HARP较高的覆盖层，然后，利用FA STI CMP低凹陷的优点，进行第二步的细抛光。但是用此方法划痕类缺陷是一个重要的问题。根据设计的综合要求和成本的考虑，也可以选择Silica Based Slurry+FA STI CMP或者纯粹Ceria Based Slurry或者Silica+Ceria Based Slurry来作为HARP STI CMP的解决方法。后两者仍为主流方法。

图11.2 HDP和HARP薄膜抛光前Overburden的比较

来源：美国应用材料公司

图11.3 结合Slurry和FA抛光的STI CMP工艺流程

来源：美国应用材料公司

氧化铈研磨液的特点

不同于以机械作用为主导的氧化硅研磨液抛光，氧化铈（CeO2）研磨液抛光是以化学作用为主导，它具有以下几个特征：

（1）平坦效率高，能选择性地磨平凸面，对沟槽的保护性好。
（2）对氮化硅具有较高的选择比，在一定程度上能实现自动终止抛光。
（3）最大限度地减少不同图形密度区域的膜厚差值。
为什么氧化铈研磨液具有平坦效率高和高选择比的特点呢？这要从氧化铈研磨液和浅槽隔离区的表面电荷说起。
在研磨液中研磨颗粒氧化铈粒子带正电荷，而这些研磨粒子是被带负电荷的添加剂粒子团团包围着的。在一定的外界压力下，研磨液碰到凸起的氧化硅表面时，因局部接触压力增高而产生挤压，把氧化铈粒子与添加剂粒子之间的结合力打破，释放出来的氧化铈粒子就对凸面产生磨削抛光效果，而浅槽隔离区表面因凹陷局部压力小，氧化铈始终被带负电荷的添加剂团团包围而很少或几乎没有磨削抛光效果，由此持续不断地就达到了选择性地平整凸面保护沟槽的效果，原理图如图11.4所示。在抛光的初期阶段，平坦效率是由凸面上的局部压力与研磨液中的添加剂相互作用共同主导的，直到晶片表面的台阶高度基本被磨平。

图11.4 氧化铈研磨液选择性地平整凸面保护沟槽原理图
当晶片表面的台阶高度基本平整后，来到了抛光的后期阶段，这时氧化硅逐渐磨完而抛光终止层氮化硅露出表面。氧化硅表面带负电荷，而氮化硅表面带正电荷。这个阶段的抛光效率是由研磨液中的氧化铈粒子和添加剂粒子主导的，氧化铈研磨液显示了它对氮化硅的高选择比，见图11.5。由于氮化硅表面带正电荷，它的表面吸附了一层带负电荷的添加剂粒子，形成了坚固的保护层；同时也由于带正电荷的氧化铈粒子与氮化硅表面的相互排斥，氧化铈研磨液对氮化硅的抛光速率要远远低于对氧化硅，所以抛光能自动终止在氮化硅层上。

图11.5 氧化铈研磨液高选择比原理图
正因为氧化铈研磨液具有选择性地磨平凸面，对沟槽的保护性好以及对氮化硅具有高选择比，所以最大限度地减少了不同图形密度区域的膜厚差异。

固定研磨粒抛光工艺

2001年，第三代固定研磨粒（fixed-abrasive）抛光垫问世。2002年，美国应用材料公司的Reflexion WebTM抛光机推出。

固定研磨粒抛光是一种革命性的抛光技术。固定研磨粒抛光台由三部分组成（见图11.6）:①机械底座；②带有真空小孔的圆形基垫（sub-pad）; ③卷成筒状平铺在基垫上的固定研磨粒抛光垫（fixed-abrasive pad）及能单方向牵引抛光垫的电机系统。在传统的使用研磨液的抛光过程中，研磨颗粒是在研磨液中，而研磨液在抛光中持续地添加在抛光垫上；对于固定研磨粒抛光，氧化铈（Ceria）研磨颗粒是固定在抛光垫（见图11.7）上。在抛光中添加的是不含研磨颗粒而只用来增强选择比的化学液。在传统的研磨液抛光中，抛光台只作圆周旋转，圆形的研磨垫固定在圆形的抛光台上，一直到了使用寿命才进行更换，这样就有一个新旧研磨垫抛光效果的偏差问题；而对于固定研磨粒抛光，抛光垫是像胶带似的做成一卷，抛光时抛光垫由真空牢固地吸附在基垫上，抛光间隙时底座上的电机拉动抛光垫向前步进一个固定距离（几毫米），缓慢地释放新的抛光垫表面同时卷起用过的表面以补充新的研磨颗粒（见图11.8），这样就不存在新旧研磨垫抛光效果的偏差问题，而能取得较稳定的抛光效果。每筒抛光垫能连续抛光8000多片晶圆。在传统的研磨液抛光中，研磨液中的研磨颗粒聚集在晶片表面，并随着研磨垫的形变直接压迫晶片表面，较易产生凹陷。而在固定研磨粒抛光中，抛光垫中的研磨粒是通过侧向力的作用而慢慢释放，当晶片凹凸不平时，研磨时产生较大的侧向力刺激较多的研磨粒释放，抛光速率较高；而当晶片平坦时，研磨时因侧向力刺激较小研磨粒释放较少，抛光速率减慢，就起到了自我停止的作用，见图11.9。

图11.6 固定研磨粒抛光台实型及结构图
来源：美国应用材料公司

图11.7 固定研磨粒抛光垫

来源：美国应用材料公司

来源：美国应用材料公司

来源：美国应用材料公司
固定研磨粒抛光应用在浅槽隔离抛光上的突出优势是凹陷度非常低，不同图形密度之间的膜厚差值非常小，工艺窗口比传统氧化铈研磨液要宽，见图11.10。

图11.10 固定研磨粒抛光较宽的工艺窗口
来源：美国应用材料公司
但是任何事物都有正负两面，目前固定研磨粒抛光的最大缺憾就是划痕较多，而且，过度抛光时间越长，划痕则越多，参见图11.11。近年来，通过降低氧化铈研磨颗粒的大小，有效地降低了划痕的程度。但是，还有待氧化铈研磨粒固化工艺的进一步改进，新一代氧化铈研磨粒的研发以及高选择比化学液的完善。
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图11.11 固定研磨粒抛光的划痕及与过度抛光时间的关系
来源：美国应用材料公司

铜抛光

Cu CMP的过程和机理

Cu CMP研磨工艺通常包括三步（见图11.12）。第一步用铜研磨液来磨掉晶圆表面的大部分铜；第二步通常也用相同的铜研磨液，但用较低的研磨速率精磨与阻挡层接触的铜，并通过终点侦测技术（Endpoint）使研磨停在阻挡层上；第三步是用阻挡层研磨液磨掉阻挡层以及少量的介质氧化物，并用大量的去离子水（DIW）清洗研磨垫和晶圆。

图11.12 铜抛光工艺的过程
来源：美国应用材料公司
对于前两步铜抛光所用研磨液的基本要求是：较高的去除速率、平坦化能力、对阻挡层和介质层较高的选择性以及抗腐蚀和缺陷控制能力等。铜抛光研磨液分为酸性、中性和碱性三种，其中的研磨颗粒通常是Al2O3或SiO2，氧化剂是H2O2，并含有抗腐蚀抑制剂，通常是BTA（三唑甲基苯）以及其他添加物，详见表11.2。由于Cu的电化学势要明显高于Al和W，另一方面铜的硬度要明显低于研磨液中研磨颗粒的硬度（如Al2O3或SiO2）。所以，用于Cu CMP的研磨液需要既能氧化铜又不能侵蚀铜。①通过研磨液的化学作用，在其表面形成几个原子层厚度的较硬的氧化铜，同时又溶解铜。其电化学反应式如图11.13所示。②通过研磨颗粒的机械作用将表面氧化铜去掉。③通过研磨垫与晶圆之间的相对转动和研磨液源源不断的加入将含有氧化铜的溶液冲走。

图11.13 铜研磨的电化学反应
表11.2 主流铜研磨液的主要成分及作用

对于第三步阻挡层抛光，去除速率、抛光选择性的调整能力、表面形貌修正能力以及抗腐蚀和缺陷控制能力等，都是先进工艺中对理想阻挡层研磨液的基本要求。阻挡层抛光研磨液分为酸性和碱性两种，其中的研磨颗粒通常是SiO2，氧化剂是H2O2，也含有抗腐蚀抑制剂如BTA（三唑甲基苯）以及其他添加物，详见表11.3。对不同材料抛光选择性的优化是阻挡层抛光的关键之一。在阻挡层抛光中，涉及的材料有铜、阻挡层（Ta/TaN）和氧化硅介质层。在先进工艺中还会涉及帽封层（TEOS, TiN）和低k材料。在前两步的铜抛光以后，晶圆表面会有一定的凹陷（dishing）和细线的腐蚀（erosion），见图11.14。如果阻挡层研磨液具有较高的介质层对铜的选择比（oxide:Cu＞1），在阻挡层抛光之后，不同宽度铜线的凹陷和腐蚀将得到有效的修正。这对于实现平坦的研磨后晶片表面和均匀的不同尺度铜线电阻值分布尤为重要。对晶圆的形貌修正能力是评价阻挡层研磨液好坏的重要标准之一。但是如果介质层对铜的选择比太高，又会造成较难控制研磨后介质层的厚度，使铜线电阻值的晶圆对晶圆（wafer-to-wafer）稳定性降低。一般情况下，介质层对铜的选择比介于2～4（oxide:Cu=2～4）。然而，如果在铜抛光中使用的是能产生低凹陷的研磨液，则阻挡层抛光中宜选择低选择比的研磨液（oxide:Cu～1），这也是近期研磨液发展的趋势之一。
表11.3 主流阻挡层研磨液的主要成分及作用

实际上，如同其他所有的研磨过程一样，铜及阻挡层研磨的优化是一个化学及机械研磨的平衡过程。当研磨中的机械作用占优势时，金属残余的去除能力较强，长距平整化能力较强，铜腐蚀类缺陷较少，但是，对过度抛光的容忍度较差，工艺窗口较小。反之，当研磨中的化学作用占优势时，划痕类缺陷较少，容忍过度抛光的工艺窗口较大，但是，金属残余的去除能力较差，铜腐蚀类缺陷较多，另外研磨液的寿命（pod life）较短。所以，关键是要找到化学及机械研磨作用的最佳平衡点。

图11.14 凹陷和细线的腐蚀
来源：美国应用材料公司

先进工艺对Cu CMP的挑战

在先进工艺中，随着金属连线的尺寸越来越小，微小的铜线高度的变化，就会造成很大的电阻值和电容值的变化。在铜抛光中铜去除量的波动是电阻值波动的主要来源之一。所以先进工艺对铜抛光的第一大挑战是如何降低电阻值Rs的波动。

铜抛光中铜去除量的波动是其WIW/WID/WTW非均匀性，以及其凹陷（dishing）与侵蚀（erosion）所形成的综合效果。当WIW/WID/WTW非均匀性得到改进，铜的去除量则可降低；另外当主要由凹陷与侵蚀引起的上一层的非平整度降低，下一层铜抛光中的铜去除量也可大大降低。铜抛光中WIW/WID/WTW非均匀性以及凹陷与侵蚀的改善依赖于很多因素，它是研磨液、抛光垫和抛光垫修整过程在各种抛光条件下相互作用的综合效果。第三步阻挡层的研磨对Rs 波动的影响尤为明显。所以通过终点检测和APC提高其控制能力，通过抛光垫和抛光垫修整条件的改善减少新旧抛光垫间的差异以及阻挡层研磨液抛光选择性的优化、表面形貌修正能力的改善，对降低Rs波动至关重要。另外，在先进工艺中，介质层会由帽封层（如TEOS）和低k材料所组成。为了提高抛光的控制能力，降低WTW的Rs波动，低k材料的抛光速率应该低于帽封层的抛光速率。采用这种具有自动停止（self-stop）功能的研磨液，也成为近年来的发展趋势之一，以降低电阻值的波动，见图11.15。

图11.15 采用具有“自动停止”功能的研磨液，以降低电阻值的波动
来源：H.H.Kuo et al., “Novel CMP Barrier Slurry for Integrated Porous Low-k Technology of 45nm Node”, Interconnect Technology Conference,2006 International,5-7 June 2006, Burlingame, CA, Page（s）:137-139, Digital Object Identifier:10.1109/IITC.2006.1648669
随着集成器件尺寸的缩小和金属线数量的增多，由金属互连结构的寄生效应引起的严重的RC延迟成为130nm及其以下技术中限制信号传输速率（频率）的主要因素。因此，采用低k材料做介质成为发展的方向。采用k值越来越低的低k材料（低k:k=2.5～2.7）或超低k材料（ULK:k＜2.5），也给CMP带来新的挑战。
一方面低k材料具有高度的多孔性及低硬度的性质，在抛光中容易发生裂缝及剥离的问题。这要求CMP向低压力的方向发展。一般在45nm及以下的技术中，抛光压力要求在1.5psi以下。有一种E-CMP的技术就是用来应对低压力的挑战的，但是E-CMP在缺陷及其他方面遇到了一些瓶颈问题。目前传统的研磨液抛光技术仍然是CMP的主流。
另一方面对于低k材料，由于它的多孔性，抛光时会对它造成损害，引起k值的变化。一般来说，采用碱性的研磨液或清洗液，k值的变化较大；采用酸性的研磨液或清洗液，k值的变化较小。k值变化的问题，可通过抛光后的一些处理工艺得到解决。

Cu CMP产生的缺陷

降低缺陷是CMP工艺，乃至整个芯片制造的永恒话题。随着器件特征尺寸的不断缩小，缺陷对于工艺控制和最终良率的影响愈发明显，致命缺陷的大小至少要求小于器件尺寸的50%。

1．金属残余物

Cu CMP一个基本的问题便是氧化硅介质上的金属残余物（residue），这会导致电学短路。这种金属残留主要是由于介质层的表面不平引起的，上一层铜抛光所产生的凹陷（dishing）和侵蚀（erosion），则会在下一层铜抛光中形成金属残留。

2．铜的腐蚀（corrosion）
铜的腐蚀（corrosion）是一种常见而棘手的缺陷。引起腐蚀的原因有很多种。
1）电偶腐蚀（galvanic corrosion）
电偶腐蚀是一种电化学过程，两种不同的金属连接在一起浸在电解液中形成一个电势差，阳极金属离子通过电解液向负极迁移，阳极金属发生腐蚀。一个普通的例子是：碳锌电池中，锌发生腐蚀并产生电流。
在Cu CMP的过程中，铜和阻挡层金属钽（tantalum）恰好形成电偶，而含有硫、氯或氟的去离子水（DIW），研磨液或清洗液则正好是电解液。
2）隙间腐蚀（crevice corrosion）
隙间腐蚀是由渗透在铜和钽（Cu/Ta）之间微小间隙中的电解液引起的，见图11.16。来自于铜中的硫或FTEOS中的氟，溶解于电解液后则会加强此效应。

图11.16 隙间腐蚀相片
3）光助铜腐蚀（Photo Assisted Copper Corrosion, PACC）
产品中的PN结在光子的照射下产生电子流动，使得Cu原子从P掺杂的连线转移到N掺杂的一端，实现了这个PN结回路的导通，相当于一个太阳能电池，这就是所谓的光助铜腐蚀（PACC），见图11.17和图11.18。在其他的金属抛光（如W CMP和GST CMP）中也会发生此现象。当此现象发生时，你会发现在某些固定的位置（都是P掺杂区域），部分金属神秘地消失了。这种缺陷可以通过在抛光和清洗时减少光的照射得到改善，所以，铜抛光机都有遮光系统（dark skin）。合理的产品图形设计是解决此问题最根本的方法。

图11.17 光助铜腐蚀原理图
来源：A.Beverina et al., “Copper Photo Corrosion Phenomenon during Post CMP Cleaning”, Electrochemical and Solid-State Letters,3（3）156-158（2000）, S1099-0062（99）10-108-1 The Electrochemical Society.Inc

图11.18 光助铜腐蚀相片
来源：美国应用材料公司
4）化学腐蚀（chemical corrosion）
金属表面处如有没清洗掉的研磨液等化学物质，与铜发生化学反应形成化学腐蚀，见图11.19。这在抛光机发生故障、抛光中途停止时，经常会发生。所以当此情况发生时，应将晶片立即送去清洗和干燥，而不能让沾染研磨液或其他化学物质的潮湿晶片停留在抛光机内。

图11.19 化学腐蚀相片
来源：Yoshio Homma et al., “Control of Photo Corrosion in the Copper Damascene Process”, Journal of The Electrochemical Society,147（3）1193-1198（2000）, S0013-4651（99）06-039-5 The Electrochemical Society.Inc
5）环境和等待时间的影响
（1）抛光后的等待时间。Cu CMP结束后，如果晶片在普通净化室的环境中长久等待，铜的表面上会长出很多麻疹似的小颗粒，在铜线边缘尤为严重。这是由于铜在空气中的氧化形成的，此生长物的主要成分是氧化铜，它会随等待时间的增长而快速增多，严重的会造成金属线的短路，见图11.20。抛光后应尽快覆盖上氮化硅保护层，等待时间最好控制在12～24小时之内。重新轻微抛光能去除此生长物，但会在铜线边缘形成空洞，严重的会造成金属线的断线。抛光后，将晶片放在氮气箱或真空中，能有效地阻止此生长物的形成。

图11.20 铜氧化相片
来源：Shiwei Xiong et al., “Investigation of Defects in Post-Cu CMP”, ECS Transactions,18（1）441-446（2009）,10.1149/1.3096483 The Electrochemical Society
（2）抛光前的等待时间。镀铜后，抛光前，如果晶片长久等待，有时会发现在抛光后会发生铜的块状剥离，见图11.21。这是因为镀铜后长久等待时，铜会发生自我韧化（self anneal），引起铜晶粒的边界（grain boundary）变弱。抛光时在摩擦力作用下，引发了块状剥离。抛光压力越高，此效应越明显。所以，从镀铜后至抛光前，也必须设置等待时间的限制。

图11.21 块状剥离相片
来源：美国应用材料公司
（3）环境的影响。空气中如水汽、硫、氯或氟等成分较高以及温度较高，会加强与铜腐蚀有关的缺陷的形成。
3．有机物残留（organic residues）
铜抛光以后，有时会出现一些黑色的斑块，这是有机物残留，主要成分是碳，它来自于没清洗干净的BTA, benzotriazole（C6H5N3）（三唑甲基苯），它在抛光后起钝化铜表面的作用，见图11.22。正确的抛光机保养和清洗程序是消除有机物残留的主要措施。抛光后，如有NH3等离子体处理的步骤，则能大大去除有机物残留。

图11.22 有机物残留相片
来源：Alok Jain, Geok San Toh, Albert Lau, Edwin Goh, “Post Cu-CMP Defects:Organic Residue—Sources and Potential Solutions”,204thMeeting（2003）The Electrochemical Society.
4．划痕（scratches）
划痕类缺陷主要可分为两种，一种是较大的划痕（scratches），它主要是由抛光垫上的各种杂质颗粒造成的，如抛光垫修正器上掉下的金刚石粒，晶片边缘的剥离物，还有抛光后产生的副产品等。另一种是较小的划痕（micro-scratches），它是由研磨液中较大的研磨颗粒（abrasives）造成的，它的宽度与研磨颗粒的尺寸接近（0.05～0.5μm）。由于划痕破坏了铜表面的钝化层，有时在划痕处会长出氧化铜。随着金属连线尺寸的降低，对划痕类缺陷的要求也越来越高，采用更小、更少、颗粒大小更均匀的研磨颗粒，也是研磨液发展的一个方向。

高k金属栅抛光的挑战

在32nm及以下技术中，栅后方法（gate last approach）是形成高k金属栅的主流方法之一，而CMP在栅后方法中担当着重要而富有挑战性的角色。

图11.23描述了栅后方法的工艺流程。在此流程中有两次CMP的应用：第一次是ILD0 CMP，用以研磨开多晶硅（poly）；第二次是Al CMP，用以抛光铝金属。对于ILD0 CMP，所涉及的抛光材料比较复杂，要求同时研磨二氧化硅、氮化硅以及多晶硅三种材料，而且它对抛光均匀性控制的要求很高。多晶硅的高度和均匀性控制，以及多晶硅（poly）和介电层（SiO2）的表面不平整性是ILD0 CMP的难点。如果研磨不够，则会造成门的高宽比太高，影响随后的高k金属填充，也可能会造成under-etched contact。严重的研磨不够，留下氮化硅在poly上，则会造成随后poly去除不干净，高k金属的填充就有问题了。多晶硅（poly）和介电层（SiO2）的表面不平整性对于后面的Al CMP也是很大的挑战，如果介电层（SiO2）的凹陷太大，易于在Al CMP后留下铝的残留，造成金属短路，参见表11.4。对于Al CMP，抛光材料是硬度极软的铝金属，在研磨中易于产生刮伤，铝金属是很活泼的金属，很容易被腐蚀以及产生点缺陷（pits），同时Al CMP对抛光均匀性控制的要求也很高。如果研磨不够，则会造成金属短路；如果研磨过度，则会造成金属栅太低以及over-etched contact，见表11.5。这些问题使ILD0 CMP和Al CMP的工艺难度较高，工艺窗口很窄。另外，因为高k金属栅的小尺度，使它的良率对CMP缺陷尤为敏感，对CMP缺陷的程度要求很高。总而言之，CMP均匀性控制的改进和CMP缺陷的减少对以栅后方法形成高k金属门的技术至关重要。

图11.23 用栅后方法形成高k金属栅的工艺流程
来源：Joseph M Steigerwald, “Chemical Mechanical Polish:The Enabling Technology”Electron Devices Meeting,2008.IEDM 2008.IEEE International, Page（s）:1-4; Digital Object Identifier:10. 1109/IEDM.2008.4796607
表11.4 ILD0 CMP的常见问题及其影响

表11.5 Al CMP的常见问题及其影响

 ILD0 CMP的方法及使用的研磨液
ILD0 CMP一般采用三步研磨法（见图11.24）：

图11.24 ILD0 CMP的三步研磨法
来源：美国应用材料公司
第一步：采用研磨粒为氧化硅（SiO2）的研磨液，去除大部分的氧化硅（SiO2）层，留下1000Å至2000Å的氧化硅（SiO2）层在多晶硅门（poly）上。
第二步：采用研磨粒为氧化铈（CeO2）的研磨液或固定研磨液抛光，研磨终止在氮化硅（SiN4）上，类似于STI CMP。由于氧化铈（CeO2）的研磨液或固定研磨液抛光都有很高的选择比，能达到研磨自动停止的效果，因此有很好的均匀性。
第三步：采用研磨粒为氧化硅（SiO2）的研磨液，去除氮化硅（SIN4），研磨终止在多晶硅（poly）上。
在三步研磨法中，第三步是最有挑战性的一步，所涉及抛光材料比较复杂，要求同时研磨氧化硅、氮化硅以及多晶硅三种材料。研磨液很难达到均匀地研磨并自动终止在多晶硅（poly）上，另外，抛光选择比（氧化硅：氮化硅：多晶硅）的优化对凹陷纠正及多晶硅门的高度控制至关重要。

Al CMP的方法及使用的研磨液
主流Al CMP一般采用三步研磨法（见图11.25）：

图11.25 Al CMP的三步研磨法
来源：美国应用材料公司
第一步：采用研磨粒为三氧化二铝（Al2O3）的研磨液，去除大部分Al金属层，留下薄而均匀的Al金属层（＜1000Å）。
第二步：采用同样的研磨液，用较低的压力去除剩余的薄而均匀的Al金属层。
第三步：采用同样的研磨液，用较软的研磨垫去除金属阻挡层。
在三步研磨法中，如何控制Al金属层和介电层（SiO2）的表面不平整性以及如何降低研磨中所产生的缺陷，是Al CMP的核心部分。Al CMP在研磨中所产生的缺陷主要包括表面划痕、腐蚀及点缺陷（pits），这些缺陷与Al CMP所采用的Al的沉积方式、沉积温度、掺杂浓度、Al CMP制程中所使用的研磨液及研磨垫、研磨液供应系统和管线的清洁程度都有很强的关联性。

GST抛光（GST CMP）

GST CMP的应用

GST（Ge2Sb2Te5）是一种硫系化合物相变薄膜材料，用于PCRAM（相变存储器）中的存储介质。PCRAM则是以硫系化合物为存储介质，利用电能（热量）使相变薄膜材料在晶态（低阻）和非晶态（高阻）之间相互转换实现信息的写入和擦除，信息的读出是通过测量电阻的变化实现的。

GST相变薄膜材料的图案化有刻蚀和化学机械研磨两种方式，两种方式对应有不同的制程步骤。刻蚀的方法是先用物理或化学沉积的方法沉积GST层，再经过光刻和刻蚀形成图案，该方法在尺寸较大的IC制程中（90nm以上）广泛应用。化学机械研磨的方法是近期受到极大关注的方法，先是形成尺寸较小的钨互连，化学沉积介电层（SiO2），通过光刻和刻蚀形成孔洞，再用物理或化学沉积的方法沉积GST层，通过化学机械研磨来去除孔洞外面的GST，从而形成GST和钨的互连。该方法有很好的自对准性，适合较小尺寸的IC制程（90nm以下）。

GST CMP的挑战

GST是一种合金材料，Ge（锗）、Sb（锑）和Te（碲）分别属于第四族、第五族和第六族元素，其得失电子的能力各不相同，表现为在氧化剂中的被氧化程度各不相同，Ge（锗）和Sb（锑）较容易被氧化而形成相应的氧化物，Te（碲）较难被氧化形成氧化物，在研磨中的副产品仍为金属态。

GST CMP的挑战主要有以下几个方面：

（1）研磨残留：Te（碲）较难被氧化形成氧化物，在研磨中的副产物仍为金属态，它会重新粘回到GST表面形成残留，导致短路而失效。

（2）介电层损失：尽管GST CMP的研磨浆料本身对介电层的研磨速率很低（＜100Å/min），但在研磨产生的副产物（Ge、Sb、Te的氧化物）也会成为研磨粒子，对介电层有一定的研磨速度，从而导致介电层损失。

研磨液的研制是现阶段GST CMP技术开发的重要方面之一。研磨液的生产厂家试图在研磨液中加入一些成分，加速Te（碲）的被氧化速率或是减慢Ge（锗）和Sb（锑）的被氧化速率，从而解决研磨残留的问题。