平坦化工艺PPT课件

1、一一 传统的平坦化技术传统的平坦化技术反刻反刻玻璃回流玻璃回流旋涂膜层旋涂膜层第1页/共34页 1.1 1.1反反 刻刻 概念：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，这概念：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，这一层牺牲材料填充空洞和表面的低处，然后用干法刻蚀技术来刻蚀这一层牺牲层，通过用比低处图形快的一层牺牲材料填充空洞和表面的低处，然后用干法刻蚀技术来刻蚀这一层牺牲层，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。刻蚀速率刻蚀掉高处的图形来使表面平坦化。 反刻不能实现全局的平坦化。反

2、刻不能实现全局的平坦化。第2页/共34页反刻平坦化反刻平坦化第3页/共34页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，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（硼磷硅玻璃（BPSGBPSG）在）在850850，氮气环境的高温炉中退火，氮气环境的高温炉中退火3030分钟发生流动，分钟发生流动，使使BPSGBPSG在台阶覆盖出的流动角度大约在在台阶覆盖出的流动角度大约在2020度左右，度左右， BPSGBPSG的这种流动性能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。用来获得台阶覆盖处的平坦化或用来填充

3、缝隙。 BPSGBPSG在图形处的回流能获得部分平坦化。在图形处的回流能获得部分平坦化。第4页/共34页BPSGBPSG回流平坦化回流平坦化第5页/共34页1.3旋涂膜层旋涂膜层 旋涂膜层是在硅片上旋涂不同的液体材料以获得平坦旋涂膜层是在硅片上旋涂不同的液体材料以获得平坦化的一种技术，主要是层间介质。这种技术在化的一种技术，主要是层间介质。这种技术在0.35um0.35um及以上器件的制造中得到普遍应用。及以上器件的制造中得到普遍应用。 旋涂利用离心力来填充图形低处，获得表面形貌的平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，滑效果。这种旋涂法的

4、平坦化能力与许多因素有关，如溶液的化学组份、分子重量以及粘滞度。旋涂后烘如溶液的化学组份、分子重量以及粘滞度。旋涂后烘烤蒸发掉溶剂，留下氧化硅填充低处的间隙。为了进烤蒸发掉溶剂，留下氧化硅填充低处的间隙。为了进一步填充表面的间隙，用一步填充表面的间隙，用CVDCVD在淀积一层氧化硅。在淀积一层氧化硅。第6页/共34页旋涂膜层平坦化第7页/共34页二二 化学机械平坦化（化学机械平坦化（CMPCMP）简介）简介2.1现代科技对平坦化的要求 随着半导体工业的飞速发展，为满足现代微处 理器和其他逻辑芯片要求，硅片的刻线宽度越来越细。集成电路制造技术已经跨入0.13u um 和300mm时代，按照美国半

5、导体工业协会(SIA)提出的微电子技术发展构图， 到2008年，将开始使用直径450mm 的硅片， 实现特征线宽0.07u um，硅片表面总厚度变化(TTv)要求小于0.2u um， 硅片表面局部平整度(SFQD)要求为设计线宽的23， 硅片表面粗糙度要求达到纳米和亚纳米级，芯片集成度达到9000万个晶体管cm2等第8页/共34页2.2CMP的开始 常见的传统平面化技术很多， 如热流法、旋转式玻璃法、回蚀法电子环绕共振法、淀积一腐蚀一淀积等， 这些技术在IC工艺中都曾得到应用， 但是它们都是属于局部平面化技术，不能做到全局平面化。l965年Walsh和Herzog首次提出了化学机械抛光技术(C

6、MP)之后逐渐被应用起来。第9页/共34页CMPCMP的优点的优点第10页/共34页在半导体行业，CMP最早应用于集成电路中基材硅片的抛光 。 1990年，IBM 公司率先提出了CMP全局平面化技术，并于1991年成功应用于64Mb的DRAM 生产中之后，CMP技术得到了快速发展。CMP的研究开发工作过去主要集中在以美国为主的联合体SEMATECH，现在已发展到全球，如欧洲联合体JESSI、法国研究公司LETI和CNET、德国FRAUDHOFER研究所等， 日本在CMP方面发展很快，并且还从事硅片CMP设备供应。我国台湾和韩国也在CMP方面研究较多， 但我国国内在这方面研究者甚少。第11页/共

7、34页化学机械平坦化（化学机械平坦化（CMP)CMP)定义定义 化学机械平坦化（抛光）工艺是指去除硅片表面不希望存留的杂质材料，从而提高器件的成品率，被平坦化学机械平坦化（抛光）工艺是指去除硅片表面不希望存留的杂质材料，从而提高器件的成品率，被平坦化的硅片拥有平滑的表面，每层的厚度变化较小（表面起伏较小）。填充低的部分或者是去掉高的部分是化的硅片拥有平滑的表面，每层的厚度变化较小（表面起伏较小）。填充低的部分或者是去掉高的部分是平坦化的两种方法。平坦化的两种方法。第12页/共34页化学机械平坦化（化学机械平坦化（CMP)CMP)原理原理 化学机械平坦化是一种全局的平坦化技术，是唯一能化学机械平

8、坦化是一种全局的平坦化技术，是唯一能提供硅片全局平坦化的一种方法。他通过硅片和一个提供硅片全局平坦化的一种方法。他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。抛光头之间有磨料，并同时施加压力。CMPCMP设备也称设备也称为抛光机，在一台抛光机中，硅片放在一个硅片固定为抛光机，在一台抛光机中，硅片放在一个硅片固定器或载片头上，并面向转盘上的抛光垫器或载片头上，并面向转盘上的抛光垫 CMPCMP通过比去除低处图形块的速度去除高出图形来获通过比去除低处图形块的速度去除高出图形来获得均匀的硅片表面，由于它能

9、精确并均匀地把硅片抛得均匀的硅片表面，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，已称为一种最广泛的技术。光为需要的厚度和平坦度，已称为一种最广泛的技术。第13页/共34页 一般的化学机械抛光系统构造整个系统是由三大部分组成。 1一个旋转的硅片夹持器 2承载抛光垫的工作台 3抛光浆料供给装置第14页/共34页化学机械平坦化的原理图第15页/共34页平坦化的4个术语第16页/共34页CMPCMP设备设备 CMPCMP是采用把一个抛光垫粘在转盘的表面来进行平坦化，在抛光是采用把一个抛光垫粘在转盘的表面来进行平坦化，在抛光的时候一个磨头装有一个硅片，大多数的生产性抛光机都是有多的时候一个磨头

10、装有一个硅片，大多数的生产性抛光机都是有多个转盘合个转盘合 抛光垫，以适应抛光不同材料的需要。抛光垫，以适应抛光不同材料的需要。第17页/共34页磨头磨头 磨头（抛光头）是使硅片保持在转盘表面抛光垫的上方，磨头（抛光头）是使硅片保持在转盘表面抛光垫的上方，磨头向下的力和相对于转盘的旋转运动能影响均匀性，磨头向下的力和相对于转盘的旋转运动能影响均匀性，在传送合抛光过程中，磨头常常用真空来吸住硅片。在传送合抛光过程中，磨头常常用真空来吸住硅片。第18页/共34页CMPCMP磨头设计磨头设计第19页/共34页CMPCMP的平整度的平整度 硅片的平整度和均匀性的概念在描述硅片的平整度和均匀性的概念在描

11、述CMPCMP的作用方的作用方面很重要。平整度描述了从微米到毫米范围内硅面很重要。平整度描述了从微米到毫米范围内硅片表面的起伏变化，均匀性是在毫米到厘米尺度片表面的起伏变化，均匀性是在毫米到厘米尺度下测量的，反映整个硅片上膜层厚度的变化。下测量的，反映整个硅片上膜层厚度的变化。 平整度（平整度（DPDP）是指相对于）是指相对于CMPCMP之前的某处台阶高度，之前的某处台阶高度，在做完在做完CMPCMP之后，这个特殊台阶位置处硅片表面的之后，这个特殊台阶位置处硅片表面的平整程度。平整程度。第20页/共34页DP=DP=平整度平整度 CMPSHpostCMPSHpre之前在硅片表面的一个特殊位置，

12、最高和最低台阶的高之前在硅片表面的一个特殊位置，最高和最低台阶的高度差度差。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。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。%100*)1 (%)SHSHprepostDP第21页/共34页三三 CMPCMP的机理的机理 有两种机理可以解释是如何来进行硅片表面平坦化的：有两种机理可以解释是如何来进行硅片表面平坦化的： 1 1、表面材料与磨料发生化学反应生成一层相对容易去、表面材料与磨料发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层，除的表面层， 2 2、这一反应生成的硅片表面层通过磨料中研磨剂和研、这一反应生成的硅片表面层通过磨料中研磨剂和

13、研磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。 CMPCMP的微观作用是化学和机械作用的结合，不能使用一个的微观作用是化学和机械作用的结合，不能使用一个完全的机械过程，如用砂纸来磨一块板子，因为这样一完全的机械过程，如用砂纸来磨一块板子，因为这样一个研磨过程会损坏硅片的表面，带来沟槽和擦伤。个研磨过程会损坏硅片的表面，带来沟槽和擦伤。第22页/共34页氧化硅抛光氧化硅抛光 氧化硅抛光是半导体硅片制造中最先进和最广泛使用的氧化硅抛光是半导体硅片制造中最先进和最广泛使用的平坦化工艺，是用来全局平坦化金属层之间淀积的介质平坦化工艺，是用来全局平坦化金属层之间淀积的介质

14、的。氧化硅抛光速率受压力和运动速率的影响。的。氧化硅抛光速率受压力和运动速率的影响。 R=KPVR=KPV 其中，其中，R R是抛光速率（单位时间内磨去的氧化硅厚度）是抛光速率（单位时间内磨去的氧化硅厚度） P P 是所加压力是所加压力 V V是硅片和抛光垫的相对速度是硅片和抛光垫的相对速度 K K与设备和工艺有关的参数，包括氧化硅的硬度、抛与设备和工艺有关的参数，包括氧化硅的硬度、抛光液和抛光垫等参数光液和抛光垫等参数第23页/共34页 磨料中的水与氧化硅反应生成氢氧键，这种反应称为表面水合反应，氧化硅的表面水磨料中的水与氧化硅反应生成氢氧键，这种反应称为表面水合反应，氧化硅的表面水合降低了

15、氧化硅的硬度、机械强度和化学耐久性，合降低了氧化硅的硬度、机械强度和化学耐久性， 在抛光过程中，在硅片表面会由于摩擦而产生热量，这也降低了氧化硅的硬度，这层在抛光过程中，在硅片表面会由于摩擦而产生热量，这也降低了氧化硅的硬度，这层含水的软表层氧化硅被磨料中的颗粒机械地去掉。含水的软表层氧化硅被磨料中的颗粒机械地去掉。第24页/共34页金属抛光金属抛光 金属抛光的机理与氧化硅抛光的机理不同。一个最简化的模型是用化学和金属抛光的机理与氧化硅抛光的机理不同。一个最简化的模型是用化学和机械研磨机理来解释金属抛光，磨料与金属表面接触并氧化它。例如在铜机械研磨机理来解释金属抛光，磨料与金属表面接触并氧化它

16、。例如在铜CMPCMP中，铜会氧化生成氧化铜和氢氧化铜，然后这层金属氧化物被磨料中中，铜会氧化生成氧化铜和氢氧化铜，然后这层金属氧化物被磨料中的颗粒机械的磨掉，一旦这层氧化物去掉，磨料中的化学成分就氧化新露的颗粒机械的磨掉，一旦这层氧化物去掉，磨料中的化学成分就氧化新露出的金属表面，然后又机械地磨掉，这一过程重复进行直到得到相应厚度出的金属表面，然后又机械地磨掉，这一过程重复进行直到得到相应厚度的金属。的金属。第25页/共34页金属CMP的机理第26页/共34页CMP主要过程变量对抛光速率和表面质量的影响 为了更好控制抛光过程， 需要详细了解每一个CMP参数所起的作用以及它们之间微妙的交互作用

17、。然而影响化学作用和机械作用的因素很多因此在进行化学机械抛光时要综合考虑上述各种因素， 进行合理优化， 才能得到满意的结果。第27页/共34页(1)抛光压力P 抛光压力对抛光速率和抛光表面质量影响很大，通常抛光压力增加，机械作用增强，抛光速率也增加，但使用过高的抛光压力会导致抛光速率不均匀、抛光垫磨损量增加、抛光区域温度升高且不易控制、使出现划痕的机率增加等，从而降低了抛光质量。因此抛光压力是抛光过程中一个重要变量第28页/共34页(2)相对速度V 相对速度也是抛光过程的一个重要变量，它和抛光压力的匹配决定了抛光操作区域。在一定条件下， 相对速度增加， 会引起抛光速率增加。如果相对速度过高会使

18、抛光液在抛光垫上分布不均匀、化学反应速率降低、机械作用增强， 从而硅片表面损伤增大， 质量下降。但速度较低， 则机械作用小， 也会降低抛光速率。第29页/共34页(3)抛光区域温度 一般情况下工作区温度升高，加强了抛光液化学反应能力，使抛光速率增加，但由于温度与抛光速率成指数关系，过高的温度会引起抛光液的挥发及快速的化学反应，表面腐蚀严重，因而会产生不均匀的抛光效果，使抛光质量下降。但工作区温度低，则化学反应速率低、抛光速率低、机械损伤严重；因此抛光区应有最佳温度值。通常抛光区温度控制在3850 (粗抛)和2030 (精抛)第30页/共34页(4)抛光液粘度、pH 值 抛光液粘度影响抛光液的流动性和传热性。抛光液的粘度增加，则流