第18章化學機械平坦化

第18章化學機械平坦化2/5/20231集成電路工藝目標描述平坦化列舉并論述三種傳統(tǒng)平坦化工藝論述化學機械平坦化，硅片平整性問題，以及CMP優(yōu)點描述氧化物CMP和金屬CMP中用到的磨料和拋光墊解釋CMP后清洗過程列舉并描述7種不同的CMP應用。2/5/20232集成電路工藝提綱1.概述2.傳統(tǒng)的平坦化技術3.化學機械平坦化4.CMP應用2/5/20233集成電路工藝1.概述多層金屬技術早在70年代出現(xiàn)，但較大的表面起伏成為亞微米圖形制作的不利因素，因為更多層的加入使硅片表面變得不平整。不平整的表面難以進行圖形制作，因為它受到光學光刻中步進透鏡焦距深度的限制。已開發(fā)出多種平坦化技術來減少表面起伏問題，效果最好的是80年代后期開發(fā)出的化學機械平坦化(chemicalmechanicalplanarization,CMP)全局平坦化方法。2/5/20234集成電路工藝2.傳統(tǒng)的平坦化技術反刻(Etchback)玻璃回流(Glassreflow)旋涂膜層(Spin-onfilms)2/5/20235集成電路工藝反刻(Etchback)由表面圖形形成的表面起伏可以用一層厚的介質或其它材料作為平坦化的犧牲層（如光刻膠或SOG）來進行平坦化，這一層犧牲材料填充空洞和表面的低處。然后用干法刻蝕技術刻蝕這一層犧牲層，通過用比低處圖形快的刻蝕速率刻蝕掉高處的圖形來使表面平坦化。這一工藝稱為反刻平坦化。2/5/20236集成電路工藝玻璃回流(Glassreflow)玻璃回流是在升高溫度的情況下給摻雜氧化硅（如BPSG）加熱，使它發(fā)生流動。如BPSG在850℃，氮氣環(huán)境的高溫爐中退火30分鐘發(fā)生流動。BPSG的這種流動性能用來獲得臺階覆蓋處的平坦化或用來填充縫隙，可以獲得在圖形周圍部分平坦化。2/5/20237集成電路工藝旋涂膜層(Spin-onfilms)旋涂膜層是在硅片表面上旋涂不同液體材料以獲得平坦化的一種技術，主要用做層間介質。旋涂利用離心力來填充圖形低處，獲得表面形貌的平滑效果。2/5/20238集成電路工藝3.化學機械平坦化化學機械平坦化(CMP－ChemicalMechanicalPlanarization)是一種表面全局平坦化技術CMP通過硅片和一個拋光頭之間的相對運動來平坦化硅片表面，在硅片和拋光頭之間有磨料，并同時施加壓力。CMP設備也常稱為拋光機。2/5/20239集成電路工藝Chemicalmechanicalpolishing2/5/202310集成電路工藝拋光材料ClimaxEngineeredMaterials開發(fā)的用于銅拋光的新材料Azure?拋光速率可達到2μm每分鐘。2/5/202311集成電路工藝CMP的平整度和均勻性平整度描述從微米到毫米范圍內硅片表面的起伏變化。均勻性是在毫米到厘米尺度下測量的，反映整個硅片上膜層厚度的變化。非均勻性分兩種：片內非均勻性(WIWNU-within-wafernonuniformity)和片間非均勻性(WTWNU-wafer-to-wafernonuniformity)。2/5/202312集成電路工藝CMP技術的優(yōu)點能獲得全局平坦化平坦化不同的材料平坦化多層材料表面減小嚴重的表面起伏結合大馬士革工藝制作金屬圖形改善金屬臺階覆蓋增加IC可靠性通過減薄表層材料減少缺陷不使用危險氣體2/5/202313集成電路工藝CMP技術的缺點對工藝變量控制相對較差，且工藝窗口窄引入新的缺陷將影響芯片成品率需要開發(fā)額外的技術（如終點檢測）來進行工藝控制和測量昂貴的設備和消耗品費用2/5/202314集成電路工藝CMP的機理（1）表面材料與磨料發(fā)生化學反應生成一層相對容易去除的表面層（2）這一反應生成的硅片表面層通過磨料中研磨劑和研磨壓力與拋光墊的相對運動被機械地磨去用來平坦化硅片的CMP的微觀作用是化學和機械作用的結合。2/5/202315集成電路工藝氧化硅拋光氧化硅拋光是用來全局平坦化金屬層之間淀積的ILD介質的。氧化硅拋光速率用Preston方程來表達：R=kPvP為所加的壓力；v為硅片和拋光墊的相對速度；k為與設備和工藝有關的常數，包括氧化硅的硬度、拋光液和拋光墊等參數。2/5/202316集成電路工藝氧化硅拋光機理Cook理論：在基本磨料中，磨料中的水與氧化硅反應生成氫氧鍵，氧化硅的表面水合作用降低了氧化硅的硬度、機械強度和化學耐久性。這層含水的軟表層氧化硅被磨料中的顆粒機械地去掉。在硅片中較高的區(qū)域，局部的壓力大于較低的區(qū)域，高處的氧化硅的拋光速率快，從而產生平坦化。2/5/202317集成電路工藝金屬拋光磨料與金屬表面接觸并氧化它；這層金屬氧化物被磨料中的顆粒機械地磨掉；一旦這層氧化物去掉，磨料中的化學成分就氧化新露出的金屬表面，然后又被機械地磨掉。2/5/202318集成電路工藝CMP磨料磨料是精細研磨顆粒和化學品的混合物，在CMP中用來磨掉硅片表面的特殊材料。氧化物磨料：用于氧化物介質的一種通用磨料是含超精細硅膠顆粒的堿性氫氧化鉀溶液，或氫氧化銨溶液。金屬鎢磨料：鎢金屬CMP的磨料是以精細氧化鋁粉末或硅膠作為研磨顆粒。金屬銅磨料：納米硅溶膠（SiO2,20－30nm）2/5/202319集成電路工藝CMP變量拋光時間磨頭壓力轉盤速度磨料化學成分磨料流速拋光墊修整硅片/磨料溫度硅片背壓2/5/202320集成電路工藝終點檢測一種檢測到平坦化工藝把材料磨到一個正確厚度的能力。電機電流終點檢測：檢測磨頭電機或轉盤電機中的電流量。光學終點檢測：這項技術基于光的反射系數，光從膜層上反射的不同角度與膜層材料和厚度有關。2/5/202321集成電路工藝4.CMP應用STI氧化硅拋光L1氧化硅拋光L1鎢拋光ILD氧化硅拋光鎢塞拋光雙大馬士革銅拋光2/5/202322集成電路工藝小結三種傳統(tǒng)的平坦化方法：反刻、玻璃回流和旋涂膜層化學機械拋光能獲得金屬和介質層的局部和全局平坦化。氧化硅CMP機理基于表面的水合作用，這種水合作用能降低氧化硅的表面硬度，從而能機械地磨掉。金屬層是被磨料氧化，從而使它能用拋光的方法去掉表面層