电子科大《集成电路工艺》第十八章汇编

1、1第十八章 化学(huxu)机械平坦化微固学院(xuyun) 张金平共四十六页218.1 引 言本章(bn zhn)主要内容：平坦化工艺CMP工艺的原理(yunl)及应用CMP设备本章知识要点：掌握平坦化工艺的目的和应用；掌握CMP工艺的原理及其应用；了解CMP设备。共四十六页3单层金属(jnsh)的IC图p+ silicon substratep- epi layerField oxiden+n+p+p+n-wellILDOxidePadOxide氮化硅顶层(dn cn)Gate oxide侧墙氧化层金属前氧化层PolyMetalPolyMetal18.1 引 言 低：填充 高：去掉（磨削）

2、共四十六页4e) 全局平坦化a) 未平坦化b) 平滑c) 部分平坦化d) 局部平坦化18.1 引 言共四十六页50.25um 多层布线(b xin) CMOS cross section硅和钨的平坦(pngtn)化层18.1 引 言共四十六页6Planarized IC product平坦(pngtn)化及非平坦(pngtn)化比较18.1 引 言共四十六页7亚微米(wi m)CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型测试(csh)/拣选t注入扩散刻蚀抛光光刻完成的硅片无图形的硅片硅片起始薄膜硅片制造前端18.1 引 言共四十六页818.2 传统平坦(pngtn)化技术共四十六页918.2 传统

3、(chuntng)平坦化技术 反刻 玻璃(b l)回流 Glass Reflow 旋涂膜层 共四十六页10SiO2反刻后的形貌Resist or SOGSiO2平坦化的材料不希望的起伏18.2.1 反 刻反刻：通过比刻蚀牺牲填充材料更快的刻蚀速率来刻蚀减小台阶高度的平坦(pngtn)化方法。反刻不能实现全局平坦化；反刻无需掩膜版共四十六页11BPSG回流的平滑效果BPSG淀积的层间介质18.2.2 玻璃(b l)回流玻璃回流(hu li)：利用BPSG的流动性来平坦化。玻璃回流能获得部分平坦化。共四十六页12ILD-1ILD-2 deposition3)ILD-1SOG1)ILD-1SOG a

4、fter baking2)18.2.2 旋涂膜层旋涂膜层：旋涂液体材料(cilio)并利用离心力来填充图形低处，获得平坦化效果。该技术在ILD的低k介质膜中具有很大的应用前景共四十六页1318.3 化学(huxu)机械平坦化(CMP)共四十六页1418.3.1 CMP基本概念 CMP：通过比去除低处图形更快的速率去除高处图形以获得均匀表面，是一种化学和机械作用结合(jih)的平坦化过程。 化学作用表面材料与磨料发生化学反应生成较易去除的表面层； 机械作用新表面层在研磨剂和研磨压力与抛光垫的相对运动中去除。 CMP是表面全局平坦化技术。 CMP技术平坦化后台阶高度可控制到50左右。共四十六页15

5、转盘Wafer磨头磨料磨料喷头抛光垫向下施加压力 CMP精确均匀地把硅片抛光到需要的厚度(hud)；CMP能用适当设计的磨料和抛光垫，来抛光多层金属化互连结构中的介质和金属层。18.3.1 CMP基本概念共四十六页16CMP技术的优点 减小严重表面起伏(qf), 改善台阶覆盖；平坦化不同的材料；平坦化多层材料；全局平坦化；制作金属图形的方法之一；不使用危险气体；减薄表面材料去除表面缺陷。CMP技术的缺点新技术，工艺难度稍大；引入新缺陷；设备昂贵。18.3.1 CMP基本概念共四十六页17SiO2SubstrateMinMaxSHpreMinMaxSHpost抛磨后测量抛磨前测量SiO2片内非均

6、匀(jnyn)性片间非均匀(jnyn)性 平整度(DP) ：相对于CMP之前的某处台阶高度，在做完CMP之后，这个特殊(tsh)台阶位置处硅片表面的平整程度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（厚度变化） SHpre：CMP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18.3.1 CMP基本概念共四十六页18 表面材料与磨料发生反应，生成容易去除的表面层； 表面层通过磨料中的研磨剂和研磨压力与抛光垫的相对运动而机械磨去。 氧化物抛光： R：抛光速率；P：压力；v：硅片和抛光垫的相对速度；k：与工艺(gngy)相关的常数18.3.2 CMP机理(j l

7、)共四十六页19抛光(pogung)垫SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiCMP System(1) 磨料(mlio)喷嘴SiSiSi(5)副产物去除副产物排水管SlurrySiO2 layer(2) H2O & OH- 运动到硅片表面 (4)表面反应和机械磨损SiSi(OH)4SiSi18.3.2 CMP机理Rotation(3) 机械力将磨料压到硅片中共四十六页20抛光垫2) 机械研磨Rotation1) 表面刻蚀和钝化3) 再钝化Slurry机械力将磨料压到硅片中OxideMetalOxideMetalOxideMetal18.3.

8、2 CMP机理(j l) 金属的化学氧化和氧化的金属层的分解(fnji)比机械研磨更重要共四十六页21在高线条(xintio)密度区域的CMP 侵蚀钨互连 (软材料、高磨抛速率) 侵蚀Oxide (硬材料、低磨抛速率)图形密度(md)效应：图形间距窄的区域，即高图形密度区域，通常比宽图形间距区域的抛光速度快； 侵蚀：指在图形区域氧化物和金属被减簿，即抛光前后氧化层厚度的差。18.3.3 CMP效应共四十六页22侵蚀(qnsh)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SiO2厚度变化，由于SiO2不均匀的厚度，通孔刻蚀不完全。AluminumTungsten viaLI tung

9、stenTungsten viaUnplanarized SiO2Planarized SiO2Planarized SiO2侵蚀最初发生的地方18.3.3 CMP效应(xioyng)共四十六页23氮化硅磨抛终止凹陷Oxide (硬表面，低磨抛速率)铜去除Copper(软表面，高磨抛速率)大图形(txng)中的CMP凹陷 凹陷：指图形中央位置材料厚度的减小，即金属线条中心(这是凹陷处的最低点)和SiO2层最高点的高度差。影响(yngxing)因素：线条越宽，凹陷就可能越多；抛光垫的硬度。18.3.3 CMP效应共四十六页24多磨头的CMP 磨料磨料喷嘴转盘抛光垫磨头连杆磨头背膜Wafer18.

10、3.4 CMP 设备(shbi)共四十六页2518.3.4 CMP 设备(shbi)共四十六页26磨料成分：化学成分和抛光颗粒 1. 氧化物磨料 用于氧化物介质的一种通用磨料是含超精细硅胶颗粒的碱性氢氧化钾(qn yn hu ji)(KOH)溶液，或氢氧化铵(NH4OH)溶液 2. 金属钨磨料 以精细氧化铝粉末或硅胶作为研磨颗粒。硅胶粉末比氧化铝要软，擦伤表面几率小，因而普遍采用。 3. 金属铜磨料 采用NH4OH氧化表面，在低的图形区域里生成一层自然氧化铜膜。同时加入一种氧化铝的合成物，快速溶解高处图形上的氧化铜，再用研磨颗粒磨去。 4. 特殊磨料 适合特殊硅片表面材料的不同磨料在同一台设备

11、上使用18.3.4 CMP 设备(shbi)共四十六页27多孔的表面抛光垫：用像海绵一样的机械特性和多孔吸水特性的聚亚胺脂做成。抛光垫修整：降低光滑表面，获得一致(yzh)的抛光性能方法：机械式摩擦或用去离子水喷溅或钻石轮，重新产生粗糙的表面；18.3.4 CMP 设备(shbi)共四十六页28 终点检测：检测平坦(pngtn)化工艺把材料磨到一个正确厚度的能力。原位终点检测(jin c)方法： 电机电流 光学测量18.3.4 CMP 设备共四十六页29电机控制器终点探测系统RPM 设备点驱动电流反馈电机电流信号终点信号马达磨头垫Time电机电流W/Ti/TiNWTiN/SiO2SiO2 电机

12、电流终点检测(jin c)：检测磨头电机或转盘电机中的电流量。 不适合(shh)用做层间介质(ILD)终点检测。18.3.4 CMP 设备共四十六页30OxideSiliconWafer磨头光到光学探测器光纤 光学终点检测(jin c)：基于光的反射系数的光学干涉终点检测。 当膜层界面变化(binhu)，光学终点检测测量到从抛光膜层反射过来的紫外光或可见光之间的干涉。18.3.4 CMP 设备共四十六页31 抛光速率：平坦化过程中材料被去除的速度，单位通常是纳米每分钟或微米(wi m)每分钟。硬抛光垫：减小致密图形处的侵蚀，提高硅片的局部平整性。然而有较大的片内非均匀性。软抛光垫：能减少表面的

13、擦痕。18.3.5 抛光(pogung)速率与均匀性 影响因素：压力和旋转速度硬抛光垫和较大的压力引起更严重的表面损伤；小的压力可改善平整性，但片与片之间的非均匀性增大；使用硬的抛光垫和小的压力能获得最好的平整性。共四十六页32+更多的材料被去除较少的材料去除CMP 中间(zhngjin)变慢的等值曲线中央慢设备(shbi)：硅片边沿的抛光速率比硅片中间要快。原因：磨料通过旋转力沿着抛光垫表面运动，硅片边沿比硅片中间有更多的磨料。解决办法：磨头中通入N2，在硅片背面产生背压，使硅片凸起，减小中间抛光速率的降低。磨头轻微凸起，改善硅片中间的抛光性能。18.3.5 抛光速率与均匀性共四十六页33C

14、MP 磨头设计(shj)和硅片边沿的非均匀性定位环压力柔性隔膜压力定位环 (无压力)磨头和膜压力Pad转盘Wafer常规的磨头升级的磨头 边沿废弃量：硅片边沿很少受控的一段距离。目前大约(dyu)3mm。 原因：抛光垫在硅片边沿存在轻微的弯曲。 解决办法：定位环加压；球胆式磨头。18.3.5 抛光速率与均匀性共四十六页3418.3.6 CMP 参数(cnsh)共四十六页35CMP后清洗(qngx)药品用毛刷DI水和化学试剂多孔刷18.3.7 CMP清洗(qngx) CMP清洗的重点是去除抛光工艺中带来的所有沾污物：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。 清洗设备：毛刷

15、洗擦、酸性喷淋清洗、兆声波清洗以及旋转清洗干燥设备。 后清洗步骤：氧化硅、 STI、多晶硅、钨和铜共四十六页3618.4 CMP应用(yngyng)共四十六页3718.4 CMP的应用(yngyng) STI oxide polish ILD oxide polish LI tungsten polish Tungsten plug polish Dual Damascene copper polish 共四十六页3818.4.1 STI氧化硅抛光(pogung) STI中的填充氧化层平坦化通过CMP技术磨去比氮化硅层高的所有氧化硅实现。 氮化硅在CMP中作为一个抛光(pogung)阻挡层。

16、避免凹陷产生，即沟槽中的氧化硅减薄太多。共四十六页3918.4.2 LI氧化硅抛光(pogung) LI氧化层包括一层薄氮化硅或氮氧化硅，作为器件(qjin)保护和LI阻挡层。 HDPCVD氧化硅代替了需要高温回流的BPSG。 共四十六页4018.4.3 LI钨抛光(pogung) CMP磨抛金属(jnsh)钨，氧化硅为抛光停止层。 LI层的钨金属化有很高的钨图形密度，因此凹陷和侵蚀现象突出。 共四十六页4118.4.4 ILD氧化物抛光(pogung) ILD对金属导体进行电绝缘。它由HDPCVD + PECVD淀积构成(guchng)。 ILD氧化层抛光需要有效的终点检测。 共四十六页42

17、18.4.5 钨塞抛光(pogung)共四十六页432 Cu deposition 3 Cu/Ta/nitride/oxide CMPOxide1 Ta depositionTantalumCopperNitride18.4.6 双大马士革(d m sh )铜抛光 Cu金属通过淀积铜种子层(约500)+电化学淀积(ECD)工艺形成。 CMP来平坦化铜，介质(jizh)做停止层。 共四十六页4418.5 CMP质量(zhling)测量共四十六页453) 钨CMPSiO2Tungstenplug在两个钨塞间短路2)通孔刻蚀后用钨填充(tinchng)通孔Tungsten1) SiO2 淀积后进行CMPMetal-1 stack微擦痕ILD-1SiO2ILD-218.5 CMP中的微擦痕共四十六页内容摘要1。亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型。 侵蚀：指