化学机械平坦化解析课件.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。16.1 传统的平坦化技术传统的平坦化技术16.1.1 反刻反刻 由表面图形形成的表面起伏可以用一层厚的介质或其它材料作为平坦化的牺牲层来进行平坦化，这一层牺牲层材料填充空洞和表面的低处。然后用干法刻蚀技术刻蚀这一层牺

3、牲层，通过用比低处图形快的刻蚀速率刻蚀掉高处的图形来使表面平坦化。这一工艺称为反刻平坦化。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16.1.2 玻璃回流玻璃回流 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）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

4、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16.1.3 旋涂膜层旋涂膜层 旋涂膜层是在硅片表面上旋涂不同液体材料以获得平坦化的一种技术，主要用作层间介质。旋涂利用离心力来填充图形低处，获得表面形貌的平滑效果。这种旋涂法的平坦化能力与许多因素有关，如溶液的化学组分、分子重量以及粘滞度。旋涂的膜层材料是有机或无机的材料，包括光刻胶、旋涂玻璃（SOG）和多种树脂。旋涂后的烘烤蒸发掉溶剂，留下溶质填充低处的间隙。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（

5、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一一CMP的平整度的平整度 CMP在制造中用来减小硅片厚度的变化和表面形貌的影响。硅片的平整度和均匀性的概念在描述CMP的作用方面很重要。平整度描述从微米到毫米范围内硅片表

6、面的起伏变化，均匀性是在毫米到厘米尺度下测量的，反映整个硅片上膜厚度的变化。因此，一个硅片可以是平整的，但不是均匀的，反之亦然。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 因此，DP与某一特殊图形有关，DP可通过下式来计算：DP(%)=（1SHpost/SHpre）100 其中，DP=平整度 SHpost=CMP之后在硅片表面的一个特殊位置，最高和最低台阶的高度差 SHpre=CMP之前

7、在硅片表面的一个特殊位置，最高和最低台阶的高度差 如果CMP之后测得硅片表面起伏是完全平整的，则SHpost=0并且DP=100%。这意味着CMP的平坦化是完美的。有两种表达方法可以描述硅片的非均匀性：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。二二CMP技术的特点技术的特点 CMP技术的优点：技术的优点：1能获得全局平坦化；能获得全局平坦化；2各种各样的硅片表面能被平坦化；各种各样的硅片表面能被平坦化；3在同一次抛光过程中对平坦化多层材料有用；在同一次抛光过

8、程中对平坦化多层材料有用；4允许制造中采用更严格的设计规则并采用更多允许制造中采用更严格的设计规则并采用更多的互连层；的互连层；5提供制作金属图形的一种方法。提供制作金属图形的一种方法。6.由于减小了表面起伏，从而能改善金由于减小了表面起伏，从而能改善金属台阶覆盖；属台阶覆盖；7能提高亚能提高亚0.5微米器件和电路的可靠微米器件和电路的可靠性、速度和成品率；性、速度和成品率；8CMP是一种减薄表层材料的工艺并是一种减薄表层材料的工艺并能去除表面缺陷；能去除表面缺陷；9不使用在干法刻蚀工艺中常用的危险不使用在干法刻蚀工艺中常用的危险气体。气体。CMP技术的缺点：技术的缺点：1CMP技术是一种新技

9、术，对工艺变量技术是一种新技术，对工艺变量控制相对较差，并且工艺窗口窄；控制相对较差，并且工艺窗口窄；2CMP技术引入的新的缺陷将影响芯片技术引入的新的缺陷将影响芯片成品率，这些缺陷对亚成品率，这些缺陷对亚0.25微米特征图形更关微米特征图形更关键；键；3.CMP技术需要开发别的配套工艺技术技术需要开发别的配套工艺技术来进行工艺控制和测量；来进行工艺控制和测量；4.昂贵的设备及运转、维护费用（经常更昂贵的设备及运转、维护费用（经常更换化学品和零部件换化学品和零部件）。）。CMP 氧化硅机理氧化硅机理SiO2 层层抛光垫抛光垫SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiS

10、iSiSiSiSiSiSiSiSiCMP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(OH)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

11、，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

12、，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

13、探测器光纤光纤六六CMP清洗清洗 CMP清洗的重点是去除抛光工艺中带来的所有沾污物。这些沾污物包括磨料颗粒、被抛光材料带来的任何颗粒以及从磨料中带来的化学沾污物。16.3.1 浅槽隔离（浅槽隔离（STI）氧化硅抛光）氧化硅抛光 STI是用来在硅片表面的器件之间形成隔离区。STI已经取代硅的局部氧化技术，主要是因为STI技术在器件结构中有更高的空间使用率。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

14、有源区曝露并带来损伤。STI填充氧化硅填充氧化硅CMP16.3.2 局部互连（局部互连（LI）氧化硅抛光）氧化硅抛光 局部互连为实际器件提供穿过ILD-1层的金属连线。LI金属一般是钨，用来连接晶体管和衬底层上的各个端点。淀积一层掺杂氧化硅用作LI氧化硅。ILD-1氧化硅把实际器件与LI金属在电学上隔离开来，并自然地把器件和可动离子沾污等污染源隔离开来。CMP平坦化前后的平坦化前后的LI氧化硅层氧化硅层13.3.3 LI钨抛光钨抛光 局部互连是通过在ILD-1中制作通孔和源漏接触孔的连线图形而成的。淀积在通孔中的金属钨形成钨塞，淀积在沟槽中的金属钨形成局部互连线。在淀积钨之前，先淀积一层薄的T

15、i/TiN复合膜，Ti改善金属钨与SiO2的粘附，TiN作为金属钨的扩散阻挡层并有助于改善源漏接触电阻。然后淀积的金属钨覆盖整个硅片表面，对通孔和沟槽进行填充。CMP是用来抛光金属钨的，同时用氧化层作抛光停止层。13.3.4 ILD氧化硅抛光氧化硅抛光 淀积在金属层之间的层间介质（ILD）用来对金属导体进行电绝缘。它通常是高密度等离子体CVD淀积后，紧接着进行PECVD淀积。这是因为HDPCVD氧化层具有优良的细缝隙填充特性，而PECVD可以提高产量和降低成本。氧化层用CMP抛光至特定的厚度，因为没有抛光停止层，ILD氧化层抛光需要有效的终点检测。ILD 氧化层抛光氧化层抛光16.3.5 钨塞

16、抛光钨塞抛光 光刻在ILD氧化层上制出图形，通过刻蚀制出通孔。为了粘附好，先淀积一层薄的Ti，然后淀积一层TiN阻挡层，再淀积钨覆盖所有的通孔和ILD氧化层表面。接着用CMP把钨抛光至ILD氧化层表面，很方便地利用了氧化硅作为停止层。这一步制作了金属钨塞，使相邻的金属层实现了电连接。16.3.6 双大马士革铜抛光双大马士革铜抛光 CMP用来抛光通孔和双大马士革结构中用的细铜线。首先用光刻技术在ILD中制作出通孔和沟槽图形并进行干法刻蚀，再淀积一层金属阻挡层，紧接着淀积一层薄的铜籽层，然后用电镀工艺把铜淀积到高深宽比的图形中。这些铜用CMP来平坦化，同时用介质做停止层。CMP用于双大马士革铜布线

17、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