岳飛曾說：“陣而后戰，兵法之常，運用之妙，存乎一心?！币馑际钦f，擺好陣勢以后出戰，這是打仗的常規，但運用的巧妙靈活，全在于善于思考。正是憑此理念，岳飛打破了宋朝對遼、金作戰講究布陣而非靈活變通的通病，屢建戰功。如果把化學機械拋光 (CMP，Chemical Mechanical Polishing)的全套工藝比作打仗用兵，那么CMP工藝中的耗材，特別是slurry的選擇無疑是“運用之妙”的關鍵所在。

“越來越平”的IC制造

2006年，托馬斯·弗里德曼的專著《世界是平的》論述了世界的“平坦化”大趨勢，迅速地把哥倫布苦心經營的理論“推到一邊”。對于IC制造來說，“平坦化”則源于上世紀80年代中期CMP技術的出現。

CMP工藝的基本原理是將待拋光的硅片在一定的下壓力及slurry（由超細顆粒、化學氧化劑和液體介質組成的混合液）的存在下相對于一個拋光墊作旋轉運動，借助磨粒的機械磨削及化學氧化劑的腐蝕作用來完成對工件表面材料的去除，并獲得光潔表面（圖1）。

1988年IBM開始將CMP工藝用于4M DRAM器件的制造，之后各種邏輯電路和存儲器件以不同的發展規模走向CMP。CMP將納米粒子的研磨作用與氧化劑的化學作用有機地結合起來，滿足了特征尺寸在0.35μm以下的全局平坦化要求。目前，CMP技術已成為幾乎公認的惟一的全局平坦化技術，其應用范圍正日益擴大。

目前，CMP技術已經發展成以化學機械拋光機為主體，集在線檢測、終點檢測、清洗等技術于一體的CMP技術，是集成電路向微細化、多層化、薄型化、平坦化工藝發展的產物。同時也是晶圓由200mm向300mm乃至更大直徑過渡、提高生產率、降低制造成本、襯底全局平坦化所必需的工藝技術。

Slurry的發展與蛻變

“CMP技術非常復雜，牽涉眾多的設備、耗材、工藝等，可以說CMP本身代表了半導體產業的眾多挑戰?！卑布㈦娮拥腃EO王淑敏博士說，“主要的挑戰是影響CMP工藝和制程的諸多變量，而且這些變量之間的關系錯綜復雜。其次是CMP的應用范圍廣，幾乎每一關鍵層都要求用到CMP進行平坦化。不同應用中的研磨過程各有差異，往往一個微小的機臺參數或耗材的變化就會帶來完全不同的結果，slurry的選擇也因此成為CMP工藝的關鍵之一。”

CMP技術所采用的設備及消耗品包括：拋光機、slurry、拋光墊、后CMP清洗設備、拋光終點檢測及工藝控制設備、廢物處理和檢測設備等。其中slurry和拋光墊為消耗品。Praxair的研發總監黃丕成博士介紹說，一個完整的CMP工藝主要由拋光、后清洗和計量測量等部分組成。拋光機、slurry和拋光墊是CMP工藝的3大關鍵要素，其性能和相互匹配決定CMP能達到的表面平整水平（圖2）。

Slurry是CMP的關鍵要素之一，其性能直接影響拋光后表面的質量。Slurry一般由超細固體粒子研磨劑(如納米級SiO2、Al2O3粒子等)、表面活性劑、穩定劑、氧化劑等組成。固體粒子提供研磨作用，化學氧化劑提供腐蝕溶解作用。影響去除速度的因素有：slurry的化學成分、濃度；磨粒的種類、大小、形狀及濃度；slurry的粘度、pH值、流速、流動途徑等。Slurry的精確混合和批次之間的一致性對獲得硅片與硅片、批與批的重復性是至關重要的，其質量是避免在拋光過程中產生表面劃痕的一個重要因素。

Cabot Microelectronics的亞太地區研發總監吳國俊博士介紹說，拋光不同的材料所需的slurry組成、pH值也不盡相同，早期也是較為成熟的是氧化物研磨用slurry。用于氧化物介質的一種通用slurry是含超精細硅膠顆粒（均勻懸浮）的堿性氫氧化鉀（KOH）溶液，或氫氧化胺（NH4OH）溶液。KOH類slurry由于其穩定的膠粒懸浮特性，是氧化物CMP中應用較廣的一種slurry。K+離子是一種可移動的離子玷污，非常容易被互連氧化層，如硼磷硅玻璃（BPSG）俘獲。NH4OH類的slurry沒有可動離子玷污，但它的懸浮特性不穩定，并且成本較高。此類slurry的pH值通常為10-11，其中的水含量對表面的水合作用和后面的氧化物平坦化至關重要。

在金屬鎢（W）的CMP工藝中，使用的典型slurry是硅膠或懸浮Al2O3粒子的混合物，溶液的pH值在5.0～6.5之間。金屬的CMP大多選用酸性條件，主要是為了保持較高的材料去除速率。一般來說，硅膠粉末比Al2O3要軟，對硅片表面不太可能產生擦傷，因而使用更為普遍。WCMP使用的slurry的化學成分是過氧化氫（H2O2）和硅膠或Al2O3研磨顆粒的混合物。拋光過程中，H2O2分解為水和溶于水的O2，O2與W反應生成氧化鎢（WO3）。WO3比W軟，由此就可以將W去除了。

Slurry研究的最終目的是找到化學作用和機械作用的理想結合，以致能獲得去除速率高、平面度好、膜厚均勻性好及選擇性高的slurry。此外還要考慮易清洗性、對設備的腐蝕性、廢料的處理費用及安全性等問題。與二十多年前相比，slurry的研究已經從基于經驗轉變為成熟的基于理論和實踐的結合。因此，最終用戶可以更好地控制并提高系統和工藝的穩定性、可靠性及可重復性。

Slurry急需“與時俱進”

盡管CMP工藝在0.35μm節點就被廣為采用，但是其發展和進步還是隨著IC集成的發展“與時俱進”，特別是新材料和新結構為其帶來了不少進步良機。

“CMP工藝相當復雜，其發展速度一直處于IC制造工藝的前沿?！盓ntrepix的總裁兼CEO Tim Tobin說，“新材料包括了摻雜氧化物、稀有金屬、聚合物、高k/低k材料以及III-V族半導體材料等，比較熱門的前沿結構則有MEMS、TSV、3D結構以及新的納米器件等（圖3），所有這些新興技術都是擺在CMP面前亟待解決的課題。也正因為如此，CMP在半導體整個制造流程中的重要性不言而喻，成本與性能的博弈是未來不得不面對的問題。”

那么，所有這些芯片制造的“新寵兒”對于slurry來說意味著什么呢？“隨著芯片制造技術的提升，對slurry性能的要求也愈發的嚴格。除了基本的質量要求外，如何保證CMP工藝整體足夠可靠、如何保證slurry在全部供應鏈（包括運輸及儲藏）過程中穩定等，一直是slurry過去和現在面對的關鍵。摩爾定律推動技術節點的代代前進，這將使slurry的性能、質量控制、工藝可靠性及供應穩定性面臨更大的挑戰?！蓖跏缑舨┦空f。

對于新材料來說，slurry不僅要有去除材料的能力，還要保證能夠適時恰當的停留在所要求的薄膜層上。對于某些新材料，如低k材料，其親水性差，親油性強，多孔性和脆性等特點還要求slurry的性能要足夠溫和，否則會造成材料的垮塌和剝離。因此，如何去除線寬減小和低k材料帶來的新缺陷，如何在減低研磨壓力的情況下提高生產率等也是研發的重點?！癈abot目前傳統材料的slurry就包括氧化物（D3582和D7200）、Cu（C8800）、Barrier （B7000）等，”吳國俊博士說，“同時，其它一些新材料，如Ru、Nitride、SiC等的slurry也有所涉足。”

在新結構方面，直接淺溝槽隔離(DSTI，Direct STI）就是典型的代表。由于DSTI CMP應用高選擇比的slurry，相較于傳統的STI CMP，它不需要額外的刻蝕步驟將大塊的有源區上的氧化硅薄膜反刻，可以直接研磨。顯然，傳統的氧化物slurry已無法滿足DSTI CMP工藝的要求，以Ce為主要成分的slurry成為90nm以下節點DSTI CMP工藝的首選。BASF已經開始與專業化學品廠商Evonik Industries AG進行基于二氧化鈰（CeO2）的slurry研發工作。

另一新集成結構的典型代表就是高k/金屬柵結構?！霸?5nm技術節點，高k/金屬柵結構得以采用，它在為芯片帶來更好性能的同時，也為CMP工藝和slurry帶來了諸多問題?！盩im Tobin說。金屬柵的CMP過程通?？煞譃閮刹剑貉趸锏腃MP和金屬柵的CMP（圖4）。在氧化物CMP中，首先是要求氧化物的有效平坦化，其次是多晶硅的打開，這要求CMP后的薄膜要能夠停留在恰當位置。在金屬柵的CMP中，柵極材料具有一定的特殊性，特別是未來極有可能被采用的釕（Ruthenium）、鉑（Platinum）等金屬很有可能成為金屬柵材料的新選擇。這就要求所選擇的slurry能夠將柵極材料去除，endpoint的控制是關鍵和難點。此外不能有金屬殘留和盡可能少的dishing缺陷。當然，slurry本身也不能在柵極部分帶來額外的殘留物。

降低缺陷是CMP工藝，乃至整個芯片制造的永恒話題。王淑敏博士介紹說，半導體業界對于CMP工藝也有相應的“潛規則”，即CMP工藝后的器件材料損耗要小于整個器件厚度的10%。也就是說slurry不僅要使材料被有效去除，還要能夠精準的控制去除速率和最終效果。隨著器件特征尺寸的不斷縮小，缺陷對于工藝控制和最終良率的影響愈發的明顯，致命缺陷的大小至少要求小于器件尺寸的50%（圖5）。新缺陷的不斷出現，為slurry的研發帶來了極大的困難。

新型slurry創意無限

吳國俊博士認為，盡管目前的研磨顆粒仍為SiO2、Al2O3和CeO2為主，但是slurry的整體趨勢朝著更強的化學反應活性、更溫和的機械作用的方向發展。這將促進柔軟研磨顆粒的研發，從而減少在低k絕緣材料表面產生線狀劃痕的可能。在slurry中采用混合型的顆粒，即聚合物與傳統陶瓷顆粒的結合體，在平整度改善以及缺陷度降低方面展示出了良好的前景。

陶瓷顆粒通常具有較強的研磨能力，因此去除率較高，但同時這也會在與硅片接觸點附近產生更強的局部壓強。很多時候，這會導致缺陷的產生。因此，研磨顆粒的形狀變得至關重要（邊緣尖銳的或是圓滑的），而通常這依賴于slurry顆粒的合成工藝。與陶瓷顆粒相反，聚合物顆粒通常比較柔軟，具有彈性且邊緣圓滑，因此能夠將所施加的應力以一種更加溫和、分布均勻的方式傳遞到硅片上。理論上講，帶聚合物外殼的陶瓷顆粒能夠將這兩者的優點完美的結合在一起，因為堅硬的顆?？梢砸砸环N非損傷的方式施加局部應力。這種結合體具有提高研磨移除率、改善平整度、降低缺陷發生率的潛力。

在slurry中添加抑制劑或其它添加劑也是未來slurry發展的趨勢之一。Tim Tobin認為，在IC器件進一步向著體積更小，速度更快的技術要求驅動下，互連技術平坦化要求集中體現在：提高平面度、減少金屬損傷、降低缺陷率。對于銅互連結構來說，由于銅本身無法產生自然鈍化層，發生在寬銅線上的分解或腐蝕力，可能對窄線條產生極大的局部影響，造成嚴重的失效。對于先進的銅互連工藝，slurry中的抑制劑成分至關重要。已有研究人員正在研究采用陰離子吸附的銅鈍化工藝中的熱力學問題。用貴金屬釕作為阻擋層材料可以減少甚至消除對籽晶層的需要，這樣就可以直接在釕的阻擋層上電鍍金屬銅，這也是如今銅互連的研究重點之一。但是，金屬釕在電化學腐蝕中具有更高的驅動力，因此需要更為有效或者濃度更高的陽極抑制劑。此外，向slurry中添加吸附劑也可以使CMP工藝所造成的碟形凹陷得以降低。

越來越平的IC制造是不可逆轉的趨勢，同樣不可逆轉的還有更多的新興材料和集成結構闖入半導體的大家族。當大家還在揣測“摩爾定律的發展如何為繼？”的時候，身處其中的人已經明白：不斷的研發進步乃是理想的應對之策。