半导体工艺中铜为何采用 CMP 而非 Dry ET 去除?

在半导体制造领域，金属互连材料的处理工艺对芯片性能与精度起着决定性作用。随着摩尔定律的推进，芯片尺寸不断缩小，集成度越来越高，铝互连的局限性逐渐显现，如较大的 RC 延迟、电子迁移导致的器件可靠性下降等问题日益突出。在这样的背景下，铜以其优异的性能脱颖而出，成为新一代金属互联材料的首选。

铜具备诸多优势，较低的电阻率使其有助于降低 RC 延迟，有效减少信号传输延迟，从而提升芯片工作速度;在高频工作条件下，铜的寄生效应更少，且电迁移抗性更高，能够显著延长芯片的使用寿命。但在铜互连技术中，如何去除多余的铜成为关键难题。目前，化学机械研磨(CMP)是半导体工艺中去除多余铜的主要方法，而非刻蚀方法，这背后有着多方面的原因。

CMP 和刻蚀工艺介绍

CMP 利用研磨液的机械研磨和化学腐蚀交互作用实现全局平坦化。其原理是，研磨液中的氧化剂(如高铈等)先将金属铜氧化为一价铜或二价铜离子，随后研磨粒子(如氧化硅、氧化铈复合物等)发挥机械作用，将氧化后的铜离子去除，如此循环达成平坦化效果。在实际操作中，需综合考虑研磨粒子的种类与特性、氧化剂的氧化能力与稳定性、络合剂对金属离子的络合作用等因素，以确保铜与介质层的研磨速率达到平衡，避免出现碟型凹陷等问题，实现全局高度平坦化。

刻蚀工艺旨在有选择性地移除不需要的材料以创建微细图案，涉及 “选择比”“刻蚀方向选择性”“刻蚀速率” 等关键概念。刻蚀工艺可分为湿刻蚀和干刻蚀。湿刻蚀刻蚀速率快且选择比高，但准确度较差，光刻胶背面受保护部分也可能被腐蚀，不适用于制作半导体核心层;干刻蚀包括采用化学反应的等向性刻蚀和采用物理反应的非等向性刻蚀，实际中常采用将化学和物理方法结合的反应性离子刻蚀(RIE)，通过将刻蚀气体变成等离子体 ，利用阳离子的物理刻蚀作用、弱化材料化学键以及自由基的高化学活性，实现非等向性很高的刻蚀。

铜难以采用刻蚀方法去除的原因

化学特性方面

在芯片制程里，干法刻蚀能对大多数材料形成易从表面蒸发的反应产物，这些产物迅速扩散，不会再次沉积在晶圆表面。但铜与常见刻蚀气体(如氟基气体等)反应生成的化合物往往是非挥发性的，像铜与气体反应产生的副产物熔点在 1000℃以上，会在晶圆表面形成一层难以去除的 “锈”。若要去除这层 “锈”，需向晶圆施加 1000℃高温，而这会烧毁其他重要电子元件。

精度控制方面

在纳米尺度下，湿法刻蚀铜难以实现高度均匀和精确的控制。一般湿法刻蚀适用于线宽 3um 以上的情况，而在当前芯片制程新线宽几十纳米的情况下，其精度远远达不到要求。虽然在特定条件下，如线宽较大时可用湿法刻蚀除去铜，Cu 层较薄时可考虑用离子束刻蚀(IBE)去除，但 IBE 存在速率慢、设备成本高、铜容易再沉积等问题，均无法成为主流的除铜方式。

成本和工艺复杂性方面

CMP 工艺经过多年发展已相对成熟，能够较好地满足铜互连技术对多余铜去除及全局平坦化的要求，并且在成本控制和工艺稳定性方面具有优势。相比之下，开发适用于铜的刻蚀工艺面临诸多技术难题，不仅需要研发新的刻蚀气体和工艺参数，还可能增加工艺的复杂性和成本，且难以保证刻蚀的精度和均匀性。

综上所述，在半导体工艺中，由于铜自身的化学特性、刻蚀工艺在精度控制上的局限性以及成本和工艺复杂性等多方面因素，使得化学机械研磨工艺成为去除多余铜的更优选择。随着半导体技术持续向更小尺寸、更高性能发展，铜互连技术以及相关的 CMP 等工艺也将不断改进与完善，为芯片制造的进步提供坚实支撑。