化學(xué)機(jī)械平坦化

第18章化學(xué)機(jī)械平坦化CMP平坦化主要用在兩道工序中絕緣膜的平坦化金屬布線的形成平坦化的兩個(gè)基本方法填充低的部分或去掉高的部分

使硅片表面平坦化化學(xué)機(jī)械平坦化CMP采用0.25微米的設(shè)計(jì)規(guī)則以后,在幾平方厘米的芯片面積上有數(shù)千萬(wàn)個(gè)晶體管和數(shù)千萬(wàn)條互連線.于是出現(xiàn)了多層金屬布線技術(shù).隨之而來(lái)的是較大的表面起伏,不平整的硅片表面是不理想的,以至導(dǎo)致無(wú)法在硅片表面制作圖形.主要是光刻時(shí)對(duì)線寬失去控制.現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路須要至少6層金屬布線.每層之間用層間絕緣介質(zhì)(ILD)隔開.表面起伏的單層金屬布線IC先進(jìn)IC的表面出現(xiàn)更高的臺(tái)階和深寬比更大的溝槽,使得臺(tái)階覆蓋和溝槽填充變得更加困難.沒(méi)有平坦化的電路圖第2層保護(hù)膜第1層保護(hù)膜第2層金屬布線平坦化絕緣膜層間絕緣膜2第1層金屬布線層間絕緣膜1金屬布線場(chǎng)氧區(qū)側(cè)壁氧化絕緣膜柵極氧化絕緣膜

Si襯底相應(yīng)的平坦化的電路圖

Si襯底第2層保護(hù)膜第1層保護(hù)膜第2層金屬布線層間絕緣膜2層間接觸通孔（金屬）第1層金屬布線層間絕緣膜1淀積接觸孔（金屬）金屬布線場(chǎng)氧區(qū)側(cè)壁氧化絕緣膜柵極氧化絕緣膜對(duì)比

Si襯底

Si襯底硅片平坦化術(shù)語(yǔ)1~10微米范圍化學(xué)機(jī)械平坦化的平整度DP（%）＝（１－SHpost/SHpre）x100SHpre:CMP之后某處最高和最低臺(tái)階的高度差SHpost:CMP之前某處最高和最低臺(tái)階的高度差平整度是描述從微米到毫米范圍內(nèi)的硅片表面的起伏變化傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)反刻如SOG:80%的溶劑和20%的氧化硅傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)玻璃回流在850度,氮?dú)猸h(huán)境中退火30分鐘,使BPSG在臺(tái)階覆蓋處流動(dòng),能夠?qū)崿F(xiàn)部分平坦化,不能滿足深亞微米多層布線的技術(shù)要求傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)旋涂膜層如SOG:80%的溶劑和20%的氧化硅化學(xué)機(jī)械平坦化的原理

通過(guò)硅片和拋光墊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)平坦化硅片表面,

在硅片和拋光墊之間有磨料,同時(shí)施加壓力化學(xué)機(jī)械平坦化的原理平坦化前平坦化中平坦化后拋光墊壓力集中CMP的機(jī)理磨料粒子直徑５０nm複合粒子直徑徑２００nm氧化硅拋光機(jī)理氧化硅的拋光速率RR=kPvR∶拋光速率P∶所加壓力V∶硅片和拋光墊的相對(duì)速度K∶與設(shè)備和工藝相關(guān)的常數(shù)，包括氧化硅的硬度，拋光液和拋光墊等參數(shù)氧化硅拋光機(jī)理∶磨料中的水和氧化硅反應(yīng)生成氫氧鍵Si(OH),這種反應(yīng)稱為表面水合作用，氧化硅的表面水合作用降低了氧化硅的硬度，機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)耐久性.這層含水的軟表層被磨料中的顆粒機(jī)械的去掉.金屬拋光機(jī)理∶在銅(Cu)CMP中，銅被氧化成CuO或CuO2或Cu（OH）2等,氧化物被顆粒磨去最近的研究表明、金屬的化學(xué)氧化和氧化的金屬層的分解比對(duì)金屬CMP更重要，這意味著磨料的化學(xué)特性是重要的拋光過(guò)程拋光主要分兩步過(guò)程：

1）：主要是去除材料的步驟；

2）：只用去離子水（或特殊磨料）的研磨過(guò)程（主要原因是為了消除表面上微小的擦痕和顆粒，是為進(jìn)行CMP后清洗工藝做準(zhǔn)備）圖形密度效應(yīng)通常圖形密度高(圖形間距窄)的區(qū)域，比其他區(qū)域拋光速度快？？？(小而孤立凸起的區(qū)域壓力大于其他區(qū)域,所以拋光快)侵蝕∶拋光時(shí)產(chǎn)生的過(guò)拋光侵蝕現(xiàn)象引起的不完全通孔刻蝕氧化物磨料和金屬磨料磨料∶是精細(xì)研磨顆粒和化學(xué)藥品的混合物、包含平坦化所需的化學(xué)成分和拋光顆粒、磨料均勻分布在硅片表面是重要的、磨料的質(zhì)量直接影響平坦化的質(zhì)量。磨料的PH值通常在10~11附近。氧化物磨料∶氫氧化鉀(KOH)、它具有穩(wěn)定的膠粒懸浮特性、是氧化物CMP中常用的磨料、K+離子是一種可移動(dòng)的沾污。氫氧化胺NH4OH溶液沒(méi)有金屬沾污、但是它的膠粒特性不穩(wěn)定、費(fèi)用高.金屬鎢磨料∶過(guò)氧化氫(H2O2)和氧化鋁(Al2O3)或硅膠粉末為研磨顆粒的溶液，(H2O2)分解成H2O和O2，O2和鎢反應(yīng)生成氧化鎢(WO3)，氧化鎢比鎢軟，所以鎢被拋光.金屬鋁磨料∶過(guò)氧化氫(H2O2)和氧化鋁(Al2O3)或硅膠粉末為研磨顆粒的溶液、硅膠粉末比氧化鋁還要軟、不會(huì)損傷表面、廣泛采用。

金屬銅磨料∶過(guò)氧化氫(H2O2)和氧化鋁(Al2O3)或硅膠粉末為研磨顆粒的溶液、對(duì)于銅的磨料的研究現(xiàn)在正在大力研究之中。

拋光速率和均勻性硬的拋光墊可以把侵蝕減到最小，可以提高局部平整性，但是有較大的片內(nèi)非均勻性．加大壓力和旋轉(zhuǎn)速度可以提高拋光速率，但是有較大的片內(nèi)非均勻性．磨料的運(yùn)動(dòng)影響拋光速率,邊緣可能比中心部位有更多的磨料晶圓平坦度平坦度的比喻：8英寸（200mm）的晶圓，如果平坦度要求可以存在0.01mm的凸凹，那么相當(dāng)于0.01mm→1x10－2mm＝1x10－6cm200mm→2x10－4km＝200x10－6km相當(dāng)于在200公里的海平面上，最高只有1cm的波浪！??！CMP參數(shù)和平坦化結(jié)果拋光時(shí)間磨掉材料的數(shù)量·平整性磨頭壓力拋光速率·平坦化和均勻性轉(zhuǎn)盤速度拋光速率·非均勻性磨頭速度非均勻性磨料化學(xué)成分材料選擇比·拋光速率磨料流速影響拋光墊上的磨料數(shù)量和設(shè)備的潤(rùn)滑性能拋光墊修整拋光速率·非均勻性·CMP工藝的穩(wěn)定性磨片·磨料溫度拋光速率硅片背壓中央變慢·非均勻性·碎片參數(shù)硅片上的平坦化結(jié)果拋光墊為了能控制磨料，拋光墊通常由聚亞胺脂做成.此材料具有海棉一樣的機(jī)械和吸水特性，具有好的磨料傳輸特性．拋光墊的壽命大約為800硅片用去離子水或鉆石修整孔徑30～80mm拋光墊拋光墊，可以降低65nm及以下工藝節(jié)點(diǎn)中淺槽隔離和層間介電材料的缺陷。其特點(diǎn)是采用了先進(jìn)的高分子材料可以降低所有商用掩膜漿料造成的缺陷。該拋光墊還對(duì)墊上孔的尺寸和孔的密度進(jìn)行了優(yōu)化，將CMP引起的劃痕和擦傷降低了50%。拋光墊

化學(xué)機(jī)械平坦化設(shè)備化學(xué)機(jī)械平坦化設(shè)備終點(diǎn)檢測(cè)

(電機(jī)電流終點(diǎn)檢測(cè))摩擦力的變化使電機(jī)電流發(fā)生變化終點(diǎn)檢測(cè)

(光學(xué)終點(diǎn)檢測(cè))基于光的反射系數(shù)，光從膜層上反射的不同角度與膜層材料的厚度有關(guān).光學(xué)終點(diǎn)檢測(cè)測(cè)量到從拋光膜層反射過(guò)來(lái)的光線之間的干涉圖形.膜頭設(shè)計(jì)廢棄片沿大約3毫米拋光墊CMP清洗清洗的重點(diǎn)是去除拋光工藝中帶來(lái)的沾污，用去離子水和毛刷對(duì)硅片進(jìn)行清理．用氫氧化胺對(duì)毛刷本身進(jìn)行清洗.CMP的應(yīng)用(進(jìn)行多層金屬布線)使用化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)拋光的IC剖面圖化學(xué)機(jī)械平坦化成為實(shí)現(xiàn)多層金屬技術(shù)的主要平坦化技術(shù)CMP的應(yīng)用

(淺槽隔離氧化硅拋光)用熱磷酸剝離氮化硅CMP的應(yīng)用

(局部互連(LI)氧化硅拋光)CMP平臺(tái)AEONCMP平臺(tái)結(jié)合了帶有SteadySweep研磨墊調(diào)節(jié)器的Hexazone傳送裝置，并將他們集成于一個(gè)升級(jí)后的控制系統(tǒng)內(nèi)。Hexazone使得CMP性能最優(yōu)化，并與沉積膜的形貌相匹配，在3mmEE時(shí)獲得低于4%的WIWN，提高CMP的一致性。SteadySweep調(diào)節(jié)器在更低的向下壓力下獲得對(duì)研磨墊更可靠的調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以保證完全一致的SECS/GEM協(xié)議。

CMP的應(yīng)用

(層間介質(zhì)(ILD)氧化硅拋光)CMP的應(yīng)用

(大馬士革銅拋光)CMP的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)∶能獲得全局平坦化可以平坦不同的材料提供制作金屬圖形的另一種方法不使用危險(xiǎn)氣體等等缺點(diǎn)∶主要是對(duì)硅片平坦化的技術(shù)、對(duì)工藝變量控制相對(duì)不太好?？赡芤胄碌娜毕菪枰_發(fā)額外的新技術(shù)來(lái)進(jìn)行工藝控制、如終點(diǎn)檢測(cè)的等設(shè)備費(fèi)用昂貴(設(shè)備本身、化學(xué)藥品和設(shè)備維護(hù)等)傳統(tǒng)平坦化技術(shù)和

化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)的比較反刻∶局部平坦化玻璃回流∶部分平坦化旋涂膜層∶應(yīng)用于0.35微米以上器件化學(xué)機(jī)械平坦化∶全局平坦化比較∶同樣條件下反刻后的最大臺(tái)階高度約為7000?；瘜W(xué)機(jī)械平坦后的最大臺(tái)階高度約為50埃大約為140倍CMP平臺(tái)現(xiàn)代工藝中，CMP平臺(tái)中包含了洗凈設(shè)備