引言
前金属介质 (PMD) 层通常被称为第一层层间介电 (ILD) 层，它是前段工艺 (FEOL) 有源器件与后段工艺 (BEOL) 金属化层之间至关重要的电气隔离屏障 , 。在第一层金属沉积之前，由于晶体管栅极、源极/漏极接触区以及浅沟槽隔离 (STI) 边界等底层结构的存在，晶圆表面具有高度的非平面性 , 。如果不对其进行平坦化处理，这种严峻的形貌会限制光刻过程中的焦深，从而阻碍亚微米级特征的精确定义，并导致随后的金属化步骤中出现结构空洞和电气短路 , 。为克服这些局限，采用化学机械平坦化 (CMP) 工艺以实现晶圆范围内的全局和局部平坦度 , 。该工艺对现代器件微缩至关重要，因为完全平坦的表面能使先进的光刻技术在严格的焦深范围内运行 。
物理原理与机制
PMD 化学机械平坦化 (CMP) 中的材料去除机制是由机械磨损与化学表面反应的协同耦合作用所支配的 。对于基于 SiO₂ 的 PMD 材料，化学反应通常发生在碱性环境中，高 pH 值的抛光液会使介电层表面发生水解 。抛光液中的氢氧根离子与氧化层的外层发生反应，破坏硅氧键 (Si-O-Si)，形成一层水合的、软化的类硅酸盐表面层 (Si-O-H) 。这种经化学改性的脆弱表面层在机械性能上弱于下方的本体介电材料 。
与此同时，当悬浮在抛光液中的磨料颗粒（通常为胶体二氧化硅或二氧化铈）以及旋转聚氨酯抛光垫的微凸起扫过晶圆表面时，会产生机械去除作用 。施加在晶圆上的法向力将这些磨料压入软化的水合硅酸盐层中，而相对运动产生的剪切力则会对材料进行犁削和剪切去除 。一旦改性层被机械剥离，下方的新鲜氧化层便暴露在碱性抛光液中，化学表面改性与机械去除的循环过程便会持续重复 。这种化学-机械联合去除机制确保了材料的去除速率远高于纯机械磨损或纯化学溶解所能达到的水平 。
工艺原理
PMD CMP 期间的材料去除速率 (RR) 从根本上由 Preston 方程描述，该方程指出去除速率与施加的下压力和相对速度成正比：
$$RR = k \cdot P \cdot V$$
其中 $k$ 为 Preston 系数（涵盖了化学活性、抛光液输运和材料属性），$P$ 为施加的下压力，而 $V$ 为晶圆与抛光垫之间的相对速度 。增加下压力会驱使磨料颗粒更深入地进入化学改性层，从而加速机械去除，但同时也会增加机械缺陷的风险 。增加抛光盘和载具的转速会提高相对速度，从而增加去除速率，但也会改变抛光垫-晶圆界面处的流体动力学和抛光液膜厚度 。
抛光垫的宏观形貌，特别是抛光垫沟槽，在调节局部化学和机械环境方面起着至关重要的作用 。沟槽的设计旨在通过控制晶圆下方的抛光液膜厚度来防止水漂现象，确保抛光垫凸起与晶圆表面之间稳定的直接接触 。此外，这些沟槽的几何形状（如对数或螺旋图案）会影响摩擦系数 (COF)，增强新鲜反应物向晶圆表面的均匀输运，并促进废旧抛光液和磨料碎屑的持续排出 。这种热量和质量传递的控制至关重要，因为高摩擦抛光过程中抛光垫-晶圆界面的温度会升高，这会使氧化物的水解速率呈指数级增加 。
挑战与失效模式
PMD CMP 面临的一个主要挑战是版图图案密度变化，这会导致晶圆内 (WID) 的不均匀性 。与高密度特征区域相比，稀疏结构区域（局部图案密度低）所受到的局部压力不同，从而导致局部过抛或欠抛 。为了减轻这种依赖于版图的厚度变化，设计人员使用可制造性设计 (DFM) 规则来插入伪金属填充结构，以平衡晶圆片内的局部图案密度 。
另一个显著的失效模式是氧化物表面划痕的产生 。划痕是由异常接触引起的局部高应力机械事件 。它们主要由抛光液颗粒团聚、修整碎屑或划过化学软化氧化物表面的大型异物颗粒引起 。为了最大限度地减少划痕产生，必须优化抛光头与抛光盘之间的相对速度比以稳定摩擦，并控制下压力 。
此外，在互连图案密度 (IPD) 较低的区域，终点检测变得十分困难 。在此类区域，传统的光学或摩擦终点检测系统难以检测目标层何时被清除 。这一挑战可以通过结合坚硬且高选择性的平坦化停止层（如氮化硅、氮碳化硅或碳化硅）来解决 。抛光液在主要氧化物与这些停止层之间具有高选择性，从而产生明显且可检测的摩擦力或化学信号变化，以防止过抛 。
技术节点演进
在技术节点过渡期间，平坦化策略必须适应重大的架构转变（工程实践）。在 28nm 平面工艺中，PMD CMP 的重点在于平坦化平面栅极上的标准层间介电材料，如硼磷硅玻璃 (BPSG) 或高密度等离子体 (HDP) 氧化物 , 。平坦化长度和厚度变化主要通过设计层面的伪金属填充和标准二氧化硅抛光液来管理 , 。
随着 14nm FinFET 节点的引入，架构从平面晶体管转变为三维鳍式场效应晶体管 (FinFET)，导致形貌极为严峻且栅极结构更高 。使用替换金属栅极 (RMG) 工艺的 高 k 金属栅极 (HKMG) 堆叠的集成引入了严格的平坦化要求 。PMD 平坦化必须以纳米级的精度暴露整个晶圆上牺牲多晶硅栅极的顶部，这需要超高选择性抛光液和先进的抛光垫设计，以避免对脆弱的鳍片结构造成损伤 。
在 7nm FinFET 及后续节点中，垂直特征的微缩以及 低 k 介电材料的使用引入了在高抛光力下易于分层和剪切失效的脆弱结构 。这要求向超低下压力 CMP 工艺、经过高度工程化设计的抛光垫沟槽以及替代性材料去除技术转型 , 。
相关工艺
PMD CMP 与相邻工艺步骤高度耦合（工程实践）。它依赖于先前的沉积工艺，例如化学气相沉积 (CVD) 或 原子层沉积 (ALD)，这些工艺必须在抛光前实现高深宽比 (HAR) 特征上的保形薄膜覆盖 。
PMD CMP 完成后，平坦化的表面需为定义接触孔的 干法刻蚀 做准备 。完美的平坦 PMD 表面确保光刻扫描仪能够在整个视场内解析亚分辨率的接触孔 。如果平坦化不均匀，残留氧化层厚度的变化会导致刻蚀不足（引起断路）或刻蚀过量（击穿至有源区）。
此外，随后的接触金属化通常采用钴或钌等先进阻挡层来封装接触金属，这依赖于 PMD CMP 期间形成的清洁、无缺陷的氧化物界面，以防止电迁移和阻挡层泄漏 , 。
未来展望
随着半导体器件持续微缩至埃米时代，由于先进超低 k 介电材料的机械脆弱性，传统的 PMD CMP 面临着物理极限 。为了减轻剪切引起的剥离，研究重点正转向将 CMP 与各向同性、无损伤的原子层刻蚀 (ALEt) 相结合，以选择性地凹陷目标材料 。ALEt 利用自限性表面功能化与高选择性化学去除相结合，提供了一种减少平坦化过程中所施加物理应力的替代方案 。
此外，铜双大马士革结构中非挥发性金属阻挡层方案（如钴衬垫）的引入，要求使用高选择性的多步抛光液，能够在不产生碟形坑 (dishing) 的情况下平坦化多材料堆叠 。工艺与设计协同优化 (PDC) 将继续发挥主导作用，集成先进的停止层和智能版图拓扑结构，以确保 2nm 以下节点的稳健良率 , 。