化學機械研磨(CMP)技術

在矽晶圓的研磨過程申所引進的機械研磨技術。可追溯到1960 年代前半，

由IBM 公司的 E. Mendel 等發表，利用銅置換化學反應的矽面研磨技巧。其後，

E. Mendel 等在 1967 年發展出了現代矽晶圓化學機械研磨的雛形。以此研磨技 術應用於元件製造初期的元件隔離製程(Device Isolation, DI)中。

大型積體電路元件的平坦化製程發展至此，依積體電路的種類不同也產生 了各式各樣的應用情況。和一般的蝕刻相同，平坦化製程也同樣被應用在元件 形成、元件與元件問的分離以及導線工程。以研磨對象而言，除了有做為層間 絕緣(lnterlevel dielectric)的氧化矽膜(SiO2)之外，還有導線材料用的金屬膜(鎢、

鋁、銅等)及底層材料的多晶矽及單晶矽等。以下將氧化矽膜、金屬材料與多 晶矽的CMP 應用製程分別概述及整理如下：

(1) 氧化矽膜的 CMP：

氧化矽膜的 CMP 大多應用在層間絕緣膜及元件間之隔離(Insulation)的平 坦化工程。前者將導線或元件上之層間絕緣氧化矽膜進行平坦化，以利之後接 膜、硼磷矽玻璃膜(BPSG)及熱氧化膜(Thermal oxide)等。每一種對象的 CMP 研磨條件都隨著研磨液種類、研磨壓力與研磨時間而有所不同。在對特性不同

的絕緣膜研磨時，大多以偵測研磨終點(End point)來判定完成與否。放在研磨

(3) 淺溝槽隔離(Shallow trench isolation, STI)製程的 CMP：

在矽晶圓上以反應性蝕刻形成溝槽後，以化學氣相沉積的方式沉積氧化矽 膜，再將末被埋入凹溝內的氧化矽膜以 CMP 去除。如此一來，就可以用氧化 矽膜作為元件間的隔離。再用研磨速度相對緩慢的膜(例如：氮化矽膜)來作為 CMP 的研磨停止層(Stop layer)。在此要特別注意的是，若選用之停止層的研磨 速度和氧化矽膜的研磨速度差異不大的話，會使 CMP 無法停止而造成過度研 研磨停止層。此方法常見於溝槽電容(Trench capacitor)的形成製程。

(5) 金屬膜的 CMP：

在半導體製程上採用作為導線的金屬膜有鋁、鎢、銅等。其中，銅有低電 阻及耐電致遷移(Electron migration)的優點而被各方矚意為下一世代的導線材 料。在導線金屬製程中最先使用CMP 的是美國 IBM 公司的邏輯元件製程。最

主要的原因是與其它方法相較之下，應用 CMP 能在金屬導線的製程中得到最 好的平坦化效果。

另一個金屬膜 CMP 的應用是在形成上層導線與下層導線間之接觸窗製 程。如圖 2.5[9]所示，在絕緣膜之間有連接上下兩層金屬導線的接觸窗，在做 為導線材料的金屬膜沉積，接觸窗以外的金屬即以CMP 磨除。這就是 IBM 公 司所提出著名的Damascene 法。由於將沉積之金屬膜施以 CMP 使金屬如同埋 入接觸窗及導線溝中，因此也稱為"鑲嵌法"。然而，因從研磨墊(Polishing pad) 所傳來的壓力會在晶片凸出部份被分攤掉。故依照導線的密度及大小，受到研 磨的程度也有所不同。也就是說，以區域絕緣膜在一般情況下做為研磨停止層 的效果頗佳，但在高密度金屬導線圖形的部份，因絕緣膜所佔的面積較小而容 易發生不良的過度研磨(Over polishing)現象。

圖 2.5：一般的鑲嵌法。[9]

此過度研磨會依金屬導線圖形的密度及尺寸而有不同程度的差異。由於這 種原因金屬導線因被過度研磨而造成厚度減少的現象稱為Thinning。另一種大 區域導線中央因研磨去除速度過快而使導線產生形似碟盤的凹陷，這種現象稱 為 Dishing。另外，導線部份受到過度研磨的程度也取決於研磨墊的彈性及研 磨液的化學性質。