化学机械平坦化讲解课件.ppt

1、 p+硅衬底硅衬底p 外延层外延层场氧化层场氧化层n+n+p+p+n-阱阱ILD氧化硅氧化硅垫氧垫氧氧化硅氧化硅Metal氮化硅氮化硅顶层顶层栅氧化层栅氧化层侧墙氧化层侧墙氧化层金属化前氧化层金属化前氧化层PolyMetalPolyMetal单层金属单层金属IC的表面起伏剖面的表面起伏剖面 多层金属化结构多层金属化结构非平坦化的非平坦化的IC剖面剖面平坦化的平坦化的IC剖面剖面硅平坦化术语Table 18.1 平坦化的定性说明e)全局全局a)未未b)平滑平滑c)部分部分d)局部局部Figure 18.2 CMP在硅工艺中的位置ImplantDiffusionTest/SortEtchPolis

2、hPhotoCompleted waferUnpatterned waferWafer startThin FilmsWafer Fabrication(front-end)Used with permission from Advanced Micro DevicesFigure 18.4 被平坦化的硅片拥有平滑的表面，填充低的部分，或去掉高的部分是使硅片表面平坦化的两种方法。反刻平坦化反刻平坦化SiO2反刻后的形貌反刻后的形貌光刻胶或光刻胶或SOGSiO2平坦化的材料平坦化的材料不希望的起伏不希望的起伏 玻璃回流是在升高温度的情况下给惨杂氧化硅加热，使它发生流动。例如，硼磷硅玻璃（BPSG

3、）在850，氮气环境的高温炉中退火30分钟发生流动，使BPSG在台阶覆盖出的流动角度大约在20度左右，BPSG的这种流动性能用来获得台阶覆盖处的平坦化或用来填充缝隙。BPSG在图形处的回流能获得部分平坦化。缺点：淀积铝金属层后就不能使用 BPSG回流平坦化回流平坦化BPSG回流的平滑效果回流的平滑效果BPSG淀积的层间介质淀积的层间介质淀积了淀积了ILD-2氧化层的旋涂膜层氧化层的旋涂膜层ILD-1ILD-2淀积淀积3)ILD-1SOG1)ILD-1烘烤后的烘烤后的SOG2)化学机械平坦化（CMP）是一种表面全局平坦化技术，它通过硅片和一个抛光头之间的相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头之

4、间有磨料，并同时施加压力。CMP设备也常称为抛光机。CMP通过比去除低处图形快的速度去除高处图形来获得均匀的硅片表面。由于它能精确并均匀地把硅片抛光为需要的厚度和平坦度，已经成为一种最广泛采用的技术。化学机械平坦化的原理图化学机械平坦化的原理图硅片硅片磨头磨头转盘转盘磨料磨料磨料喷头磨料喷头抛光垫抛光垫向下施加力向下施加力 平整度（DP）指的是，相对于CMP之前的某处台阶高度，在做完CMP之后，这个特殊台阶位置处硅片表面的平整程度。硅片平整度的测量硅片平整度的测量SiO2衬底衬底MinMaxSHpreMinMaxSHpost抛磨后测量抛磨后测量抛磨前测量抛磨前测量SiO2 有两种表达方法可以描

5、述硅片的非均匀性：片内非均匀性（WIWNU）和片间非均匀性（WTWNU）。WIWNU用来衡量一个单独硅片上膜层厚度的变化量，通过测量硅片上的多个点而获得。WTWNU描述多个硅片之间的膜层厚度的变化。CMP 氧化硅机理氧化硅机理SiO2 层层抛光垫抛光垫SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiCMP系统系统(5)副产物去除副产物去除(1)磨料喷嘴磨料喷嘴副产物副产物(2)H2O&OH-运动到硅片表面运动到硅片表面(4)表面反应和表面反应和 机械磨损机械磨损排水管排水管磨料磨料(3)机械力将磨料压到硅片中机械力将磨料压到硅片中Si(O

6、H)4旋转旋转SiSiSi 金属金属CMP的机理的机理抛光垫抛光垫2)机械磨除机械磨除旋转旋转1)表面刻蚀表面刻蚀 和钝化和钝化3)再钝化再钝化磨料磨料向下施加力向下施加力氧化硅氧化硅金属金属氧化硅氧化硅金属金属氧化硅氧化硅金属金属 在高线条密度区域的在高线条密度区域的CMP侵蚀侵蚀钨互连钨互连(软材料，高抛磨速率软材料，高抛磨速率)侵蚀侵蚀氧化硅氧化硅(硬材料，低抛磨速率硬材料，低抛磨速率)侵蚀带来的不完全通孔刻蚀问题侵蚀带来的不完全通孔刻蚀问题SiO2在前面层间介质层侵蚀引起在前面层间介质层侵蚀引起SiO2厚厚度变化，由于度变化，由于SiO2不均匀的厚度，不均匀的厚度，通孔刻蚀不完全通孔刻

7、蚀不完全 铝铝钨通孔钨通孔LI钨钨钨通孔钨通孔未平坦化的未平坦化的 SiO2平坦化的平坦化的 SiO2平坦化的平坦化的 SiO2侵蚀最初发生的地方侵蚀最初发生的地方 大图形中的大图形中的CMP凹陷现象凹陷现象氮化硅抛磨终止氮化硅抛磨终止凹陷凹陷氧化硅氧化硅 (硬表面，低硬表面，低抛磨速率抛磨速率)铜去除铜去除铜铜(软表面，高抛磨速率软表面，高抛磨速率)12材 料 的 抛 光 速 率选 择 比 材 料的 抛 光 速 率Porous surfaceFigure 18.15 终点检测是指CMP设备检测到CMP工艺把材料磨到一个正确厚度的能力。方法：电机电流检测 光学终点检测 电机电流终点检测电机电流

8、终点检测电机控制器电机控制器终点探测终点探测系统系统RPM设备点设备点驱动电流驱动电流反馈反馈电机电流信电机电流信号号终点信号终点信号电机电机磨头磨头垫垫TimeMotor CurrentW/Ti/TiNWTiN/SiO2SiO2 终点检测的光学干涉终点检测的光学干涉氧化硅氧化硅硅硅硅片硅片磨头磨头光光至光学探测器至光学探测器光纤光纤 STI中的填充氧化层是用CMP技术磨去比氮化硅层高的所有氧化硅，从而实现平坦化。氮化硅的作用是在CMP中作为一个抛光阻挡层，通过终点检测在从氧化硅过渡到氮化硅的时候停止抛光过程。氮化硅的厚度也决定了允许的CMP过抛光量，使抛光过程不至于把器件的有源区曝露并带来损

9、伤。STI填充氧化硅填充氧化硅CMP CMP平坦化前后的平坦化前后的LI氧化硅层氧化硅层 ILD 氧化层抛光氧化层抛光 CMP用于双大马士革铜布线用于双大马士革铜布线2 Cu deposition3 Cu/Ta/nitride/oxide CMPOxide1 Ta depositionTantalumCopperNitride CMP带来的一个显著的质量问题是表面微擦痕微擦痕。小而难以发现的微擦痕导致淀积的金属中存在隐藏区，可能引起同一层金属之间的短路。微擦痕主要是由磨料中不受欢迎的颗粒沾污引起的。表13.1中列出了CMP质量测量的主要方法。CMP中的微擦痕中的微擦痕3)钨钨CMPSiO2钨塞钨塞在两个钨塞间短路在两个钨塞间短路2)通孔刻蚀，随后用钨填充通孔刻蚀，随后用钨填充钨钨1)SiO2 淀积，随后淀积，随后CMP复合金属复合金属1微擦痕微擦痕ILD-1SiO2ILD-2