半导体制造技术导论（第二版）萧宏 第十二章 化学机械研磨工艺
本章要求
1.列出化学机械研磨工艺的应用
化学机械研磨是一种移除工艺技术，结合化学反应和机械研磨去除沉积的薄膜，使表面更加平滑和平坦；也用于移除表面上大量的电介质薄膜，并在硅衬底上形成浅沟槽隔离STI；还可以从晶圆表面移出大量金属薄膜而在电介质薄膜中形成金属连线栓塞或金属线
Cmp工艺主要的应用包括电介质平坦化以及在STI、钨栓塞和双重金属镶嵌铜互连线中的大量薄膜移除
2.说明电介质平坦化的必要性
为了从金属层接触孔和金属线图形化工艺中获得高解析度，并且要求易于进行金属沉积，多层金属需要平坦化电介质表面
3.说明化学机械研磨系统的基本结构
基本的cmp系统包括一个旋转晶圆载具，一个放置在旋转平台上的研磨垫，一个垫片调整器和一个研磨浆输送系统
4.说明氧化物化学机械研磨的研磨浆与金属化学机械研磨的研磨浆的区别
氧化物cmp研磨浆是以胶状二氧化硅悬浮物为研磨料的碱性溶液，PH值在10到12之间；金属cmp研磨浆是以氧化铝为研磨料的酸性溶液，PH值在4到7之间
5.说明氧化物化学机械研磨工艺流程
氧化物cmp工艺中，硅化物粒子与表面原子形成化学键将材料从表面去除。高PH值的研磨浆将溶解二氧化硅并从晶圆表面移除
6.说明金属抛光工艺
金属cmp工艺中有两种金属移除机制：湿法刻蚀和钝化作用。湿法刻蚀过程中，氧化剂形成金属氧化物离子，这些离子在研磨浆中可溶；而在钝化作用中，氧化剂氧化金属形成一个钝化的氧化层，这可以阻止金属氧化。氧化物会被研磨浆中的研磨粒子移除
7.说明化学机械研磨工艺后清洗的重要性
Cmp后清洗工艺是减小缺陷并改善成品率的重要工艺流程。具有氢氧化氨的超纯水常用于cmp后清洗中。对于氧化物cmp工艺，HF用于移除与表面分子形成化学键但却不能被氢氧化铵溶液移除的二氧化硅粒子。对于金属工艺，氧化剂和硝酸都可以用于氧化并溶解无法被氢氧化铵溶液移除的金属粒子
8.说明化学机械研磨在铜金属化中的应用
9.列出应用于栅高k介质工艺和金属栅MOSFET制造工艺中需要的两种化学机械研磨工艺
习题
1.cmp工艺在半导体工业中最早期的应用是什么？
从世纪80年代开始，用于金属层间电介质的平坦化
2.对于铝铜互连，cmp工艺在IC芯片制造中主要的两个应用是什么？
钨栓塞和双重金属镶嵌铜互连线中的大量薄膜移除
3.Cmp工艺广泛应用于IC工业之前，使用哪些平坦化方法？
加热流动技术、溅射回刻蚀技术，光刻胶回刻蚀技术以及旋涂硅玻璃SOG回刻蚀技术
4.为什么图形尺寸小于0.25微米的IC芯片必须使用cmp技术？
当尺寸大于0.35微米时，其他的平坦化方法可以满足光刻技术的景深需求。当图形尺寸小于0.25微米时，所需的平坦化只能通过使用cmp工艺达到。
5.与其他平坦化方法比较，Cmp工艺有哪些优点？
将缺陷减到最少并提高成品率；晶圆表面平坦化，允许高解析度的光刻技术；被平坦化的表面可以消除侧壁引起的金属导线高电阻和电迁移问题
6.为什么cmp工艺中，研磨垫底需要重新调整？
因为cmp加工过程中，衬底本身会因研磨变得光滑，因此需要调整重新建立粗糙的衬底表面。
7.什么粒子常用于氧化物研磨浆？
氧化物研磨浆通常由二氧化硅粒子的悬浮胶浮液和碱性添加物组成。另一种用于氧化物cmp工艺中的二氧化硅研磨料是硅胶，也被称为沉淀白炭黑。
8.什么粒子常用于金属研磨浆？
钨研磨浆，酸性；铝研磨浆通常是以水为基础的酸性溶液；铜研磨浆通常是以氧化铝为研磨料的酸性溶液
9.为什么氧化物研磨浆需要高的PH值？
因为研磨浆的PH值将严重影响二氧化硅颗粒。这些粒子会获得表面电荷，而电荷的极性和带电性则取决于溶液的PH值。当PH值达到7.5时，液态媒介物中的二氧化硅研磨浆粘滞度会高到足以防止二氧化硅颗粒扩散。当PH值高于7.5时，二氧化硅颗粒就会获得足够的电荷而产生静电排斥作用，排斥作用将有效分散研磨浆中的二氧化硅颗粒。当PH值高于10.7时，粒子就会分解并形成硅酸盐。
如果换一句话总结来说，就是：氧化物cmp工艺中硅化物粒子与表面原子形成化学键，将材料从表面去除；高PH值的研磨浆将溶解二氧化硅，并从晶圆表面移除。
10.说明金属cmp工艺中的二重竞争移除原理。
金属化学机械研磨工艺中，研磨浆内的氧化剂会使金属表面氧化。在不同的条件下，不同的金属氧化物被移除，而且每一种金属氧化物都有不同的溶解度，从而导致两种竞争移除过程。
11.什么是腐蚀和蝶化效应？
腐蚀问题主要由图形密度所造成的选择性恶化引起。它会在金属连线的后续层中导致不完全的连线，因为它会增加金属层间接触窗孔的深度，进而导致不完整的金属层接触窗孔刻蚀，并在下一个双重金属层镶嵌连线之间形成断路。
蝶化效应通常发生在较大的开放区，如氧化中的大型金属衬垫或沟槽内的STI氧化物。因为有较多的材料从区域的中心部分移除，而横截面看起来如同一个碟子，故称作蝶化效应。
12.什么测量工具可以用于测量腐蚀和蝶化？
蝶化和缺陷可以通过原子力显微镜(AFM)测量。
13.如何测量晶圆表面上的粒子和缺陷？
粒子和缺陷可以通过光散射测量。
14.WCMP工艺后，什么监测系统用于检测如接触孔和漏电等电性能缺陷？可以用光学方法检测这些缺陷吗？为什么？
WCMP工艺后广泛应用EBI，因为它可以捕获光学检测无法捕捉到的电缺陷或电压对比缺陷。
所以光学方法检测不到这些缺陷。
由于电子束可以使表面带电而影响二次电子发射，接地金属接触栓塞的SEM信号与没有接地的信号有较大差别，这就是所谓的电压对比。只有电子束检测EBI才有电压对比信号，电压对比可以用于捕获电缺陷，如接触栓塞和通孔栓塞的开路和结穿透引起的结漏电。
15.说明cmp工艺后清洗的重要性。
Cmp后清洗工艺是减小缺陷并改善成品率的重要工艺流程。具有氢氧化氨的超纯水常用于cmp后清洗中。对于氧化物cmp工艺，HF用于移除与表面分子形成化学键但却不能被氢氧化铵溶液移除的二氧化硅粒子。对于金属工艺，氧化剂和硝酸都可以用于氧化并溶解无法被氢氧化铵溶液移除的金属粒子
16.说明湿法化学清洗过程中两种粒子移除原理。
金属cmp工艺中有两种金属移除机制：湿法刻蚀和钝化作用。湿法刻蚀过程中，氧化剂形成金属氧化物离子，这些离子在研磨浆中可溶；而在钝化作用中，氧化剂氧化金属形成一个钝化的氧化层，这可以阻止金属氧化。氧化物会被研磨浆中的研磨粒子移除
17.如果研磨浆在工艺间中溅射出来并变干，会导致什么问题？
因为研磨浆粒子会形成很强的化学键，当研磨浆在晶圆表面凝固时，有些研磨浆粒子会与晶圆表面的原子发生化学反应。因此避免晶圆表面的残余研磨浆凝固非常重要。
18.为什么铜cmp工艺工具只能用于铜抛光过程？（答案不确定）
使用等离子体回刻蚀工艺图形化铜金属非常困难，因为不会形成易挥发的无机铜化合物。双金属镶嵌工艺并不需要金属刻蚀，所以双金属镶嵌工艺是铜金属化的最好选择。
双金属镶嵌的铜金属化工艺中，大量的铜和钽遮蔽层都需要化学机械研磨工艺移除。因为铜研磨浆无法有效移除钽，所以过度的钽移除研磨将导致铜的凹陷及蝶化效应。
19.当硅化物粒子与氧化物表面形成分子键时，将无法通过氢氧化铵移除。哪种化学药品可以用于移除这些硅化物颗粒？说明移除工艺过程。（答案不确定）
化学添加物如氰化氨NH4OH、氢氟酸HF或界面活性剂，都可以减弱或破坏晶粒子表面的化学键而去除这些已成键的粒子。
20.哪两种cmp工艺需要用先进的HKMG CMOS器件制造？（好像缺一个）
铜金属化和低k介质的结合；MOSFET中的高k金属栅。电子化学机械抛光ECMP被应用于从金属表面移除铜。