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互连工艺中第一次采用CMP是在Al互连中的钨塞（W Plug）的平坦化工艺中。主要原因是采用非选择性的WCVD工艺能够有效填充互连金属层之间的导通孔（Via）,并具有良好的一致性。但是,随着器件尺寸的减小,结构性能越来越复杂,铝线的缺点越来越明显,包括响应延迟（用RC表征）等。由于铜具有良好的导电性能和优异的电迁移特性,因此铜工艺''>铜工艺'>铜工艺化学机械研磨（Cu CMP）正逐渐进入人们的视野。
Cu CMP 工艺机理及特点
因为铜的硬度要明显低于研磨液中研磨颗粒的硬度（如Al2O3或SiO2）,在铜表面形成机械研磨之前,通过研磨液的化学作用在其表面形成较硬的氧化物或氢氧化物。表面层的形成、金属的溶解等可以通过表面材料的电化学反应理解： 
Cu的电化学势要明显高于Al和W,用于Cu CMP的研磨液既能氧化铜又不能侵蚀铜。图1给出了Cu CMP的研磨机理：（1）溶解铜并形成几个原子层厚度的氧化铜;（2）通过研磨颗粒的机械作用将表面氧化铜去掉;（3）通过研磨垫与晶圆之间的相对转动和研磨液源源不断的加入将含有氧化铜的溶液冲走。
Cu CMP研磨工艺通常包括三步。第一步用来磨掉晶圆表面的大部分金属,第二步通过降低研磨速率的方法精磨与阻挡层接触的金属,并通过终点侦测技术（Endpoint）使研磨停在阻挡层上,第三步是磨掉阻挡层以及少量的介质氧化物,并用大量的去离子水（DIW）清洗研磨垫和晶圆。第一和第二步的的研磨液通常是酸性的,使之对阻挡层和介质层具有高的选择性,而第三步的研磨液通常是偏碱性,对不同材料具有不同的选择性。这两种研磨液（金属研磨液/介质研磨液）都应该含有H2O2、抗腐蚀的BTA（三唑甲基苯）以及其他添加物。Al2O3 或Si2O3可用作研磨颗粒,主要取决于研磨速率以及这种含有颗粒的胶体的稳定性。
Cu CMP工艺一个的棘手问题便是氧化物上的金属残余物 (residue),这会导致电学短路。这种金属残留主要是由于介质层的表面不平引起的。尽管这种下陷厚度比较小,实践发现其表面的金属残留很难被去除,需要长时间的“过磨”,但是这会在连通孔的位置产生侵蚀。
由于铜具有较好的理化性能,铜作为互连材料可以承受更高的电流密度,以及更快的时钟速度。另外,铜几乎在所有的水溶液中产生腐蚀现象但过程比较缓慢,而且通常如果有强氧化剂时,不在表面产生钝化层,因此有必要使用其它表面钝化剂,如BTA或柠檬酸以抑制铜表面的腐蚀。但是,BTA在有效保护铜表面免受腐蚀的同时,使晶圆表面变成憎水性,BTA残留很难清除掉,这会引起CVD介质薄膜的翘曲和脱落,所以BTA一般不用作晶圆清洗化学品。
目前用于Cu CMP的研磨液分为酸性、中性和碱性三种,其中都会用H2O2作氧化剂。
Cu CMP后的晶圆清洗及典型缺陷
Cu CMP工艺会产生许多表面污染颗粒、表面铜残留和BTA的残余,会导致金属离子漂移而产生器件可靠性问题。因此,合适的post-CMP清洗顺序和工艺对布线工艺非常重要。大多数情况下,用于Cu CMP清洗的设备与介质CMP一样,都是由接触清洗、非接触清洗和晶圆甩干三部分组成,主要差别在于化学溶液选择的不同。
Cu CMP典型的缺陷是金属区的碟形缺陷（dishing）和介质区的侵蚀（erosion）,如图2所示。在解决这种缺陷问题时,不光要考虑晶圆上图案密度（pattern density）、线宽（line width）、施加压力（applied down force）和研磨液的选择比（selectivity）,还要考虑研磨垫的性能。 
铜的侵蚀（Corrosion） 是另一种常见的缺陷。引起侵蚀的原因可能有两个,一个是金属/介质界面处没有清洗掉的研磨液等化学物质,与附近铜发生化学反应形成的;另外一个原因主要是产品中的P-N结在光子的照射下产生电子流动,使得Cu原子从P掺杂的连线转移到N掺杂的一端,在随后的清洗过程实现了这个P/N结回路的导通,相当于一个太阳能电池。这种缺陷可以通过加入抑制剂或者在清洗时减少光的照射得到改善。
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