簡單介紹半導體製程中的CMP在幹嘛

CMP, Chemical-Mechanical Planarization, 是半導體製程中非常重要的一步（每一步驟都很重要啦）。今天這篇完章就來簡單介紹一下CMP的原理和功用，以及CMP slurry（漿料）的種類。

CMP 是什麼的縮寫？

CMP就是Chemical-Mechanical Planarization的縮寫，中文翻為「化學機械平坦化」。以前剛出來的時候被稱為Chemical-Mechanical Polishing，化學機械研磨。

有一段時間Polishing和Planarization兩個字都有人使用，非常混亂。一直到2007年，美國材料學會（MRS）才將CMP的P統一為“Planarization”¹。

CMP是什麼時候 由誰發明的

CMP技術是由美國的IBM公司於1980年代末發明的，原本只是拿來把裸晶圓磨平的技術。

後來半導體由單層進化到多層，尺寸也越來越小，所以每一層堆疊上去後，平坦化就非常關鍵。

當時就發現，CMP技術的平坦化效果，遠比其他的工法還要好用。參考資料^１的作者還說，CMP根本就用了會上癮＝＝。

CMP設備的重要部分有哪些？

直接看維基百科上的圖吧：

簡單來說就是，晶圓會被壓在一個鋪有襯墊（研磨墊）的旋轉平台上，要被研磨的那一面會朝下，然後被Carrier壓在研磨墊上。

研磨墊和平台都會一直旋轉，同時機台會供應研磨液到研磨墊上。

就這樣，有研磨液和晶圓表面的化學反應，再加上晶圓被壓著旋轉在研磨墊上，用機械的力量磨來磨去，將晶圓的表面變平，這就是「化學機械平坦化」。

CMP在磨什麼？

以半導體層層疊疊的構造來看，幾乎每做完一層就要平坦化一次。常見的需要CMP部位有裸晶圓的CMP, STI （Shallow Trench Isolation）, 絕緣層, W plug（接腳）CMP、和配線的CMP^1,2。

雖然CMP是把東西磨平的概念，但是由於現代的半導體尺寸已經越來越小了，CMP的研磨速度已經是用 「奈米/分」甚至「埃/分」(10^-10公尺/分鐘)來表示了，是非常非常精細的製程了。遠遠我們超出日常中「用砂紙把東西磨平」的印象了。

為什麼CMP很重要？

直接看下面的圖吧：

半導體就像蛋糕一樣，把各種元件一層一層往上疊。

如果沒有把每一層的元件磨平排列整齊，尤其是現在半導體元件的尺寸越來越小，稍微「歪掉」可能就會讓裡面的電晶體或是配線短路，做出來的晶片也不能使用。

從一片什麼都沒有的晶圓，做成一顆可以運作的晶片，可能需要上千道製程，花費好幾個月，所以不只是CMP，任何一道製程都不能馬虎啊！

接下來就稍微介紹一下各種部位用的CMP Slurry的原理。

CMP slurry的主要成分

依據要磨的材料不同，成分也會不同，不過添加的東西大概會有這些：

磨料(abrasive)固體成分，通常是二氧化矽（SiO₂）或是氧化鈰(CeO₂)

分散劑（讓固體的磨料均勻的懸浮在溶液中不沈澱）

氧化劑（如H₂O₂,氧化鐵等等 ）、防腐蝕劑(inhibitor，賦予Slurry選擇性)、溶解劑、錯合劑等等。

雖然這樣有說跟沒說一樣，不過因爲CMP的化學反應極其複雜，各種藥劑的配合要恰到好處，才能磨出漂亮又平整的表面。

絕緣層的氧化膜（SiO2）CMP

半導體上的不導電的絕緣層材料通常是二氧化矽。而研磨二氧化矽絕緣層的漿料，依所含磨料可以分成兩種：一種是SiO₂，另一種是CeO₂。

二氧化矽SiO₂系列Slurry

要磨平半導體上的二氧化矽層，最常見的就是用同樣以二氧化矽粒子為磨料的CMP漿料研磨。不過因為磨人和被磨的都同為SiO₂材料，彼此之間的硬度差不多，硬度相同的東西很難彼此消磨這樣。

所以通常會把Surry調整成鹼性的。讓晶圓表面變的比較滑，而且SiO₂在鹼性液體中溶解度也較高。

氧化鈰CeO₂系列Slurry

研磨SiO₂絕緣層的時候，用CeO₂磨料會比SiO₂的研磨速度高上許多。

簡單來說，4價的Ce是強氧化劑，會和SiO₂表面有很複雜的化學反應，結果來說就是會讓SiO2表面變軟，所以加速了研磨效率這樣。詳細原理可以參考^3,4。

不過CeO₂顆粒比SiO₂容易沈澱，是個缺點。

鎢栓(tungsten plug)CMP

鎢金屬在被磨料磨出傷痕後，氧化劑會將傷痕的W金屬氧化成氧化鎢，被氧化的部分會再被磨料磨掉。

W_(s) + 氧化劑 -> WOx ⬆️

銅配線層CMP

銅配線層的研磨和W Plug很像，不過銅不是變成氧化物之後就被磨掉，而是形成錯合物之後才被磨掉。

(1) Cu_(s) + 氧化劑 -> Cu²⁺
(2) Cu²⁺ + 螯合劑 -> Cu錯合物 錯合物再被磨掉。

CMP之後，把晶圓洗乾淨，檢查晶圓表面沒什麼問題（被磨傷之類），就可以進到下一道製程了。

以上就是半導體製程的CMP「化學機械平坦化」的簡單介紹。今天的文章就到這啦。

參考資料

1. 「半導体プロセスの CMP 技術」 精密工学会誌 vol.83 no.3 2017 P.220-P223 這篇文章寫得超生動有趣。 ↩︎
2. 「半導体プロセスにおける CMP技術の適用」 精密工学会誌 vol.88 No.8 2022 P.627-630 ↩︎
3. “Simple and facile synthesis of single-crystal CeO₂ abrasives and its highly efficient removal mechanism on SiO₂ film” Li Wang, et al., Applied Surface Science, Volume 654, 1 May 2024, 159510 ↩︎
4. 「半導体平坦化用CMP研磨材」日立評論, Vol.90 No.02 202-203 ↩︎

5. 國家教育研究院 樂詞網 （名詞翻譯部分）
6. 維基百科-化學機械平坦化 條目

拍玩郎阿凱

化學系畢業，目前在化學產業工作。開始上班後不久開始學日文，學了好幾年終於JLPT N1合格。最喜歡的休閒是打羽球，球打得普普球拍卻買了不少。跟大家一樣很喜歡去日本玩，旅行中喜歡拿著相機到處亂拍，買一些精緻可愛但沒什麼用的小廢物。開始寫網誌是無名小站時代的事，目前異想天開的妄想這個部落格以後可以養活自己。