第18章化学机械平坦化

第18章化学机械平坦化2/5/20231集成电路工艺目标描述平坦化列举并论述三种传统平坦化工艺论述化学机械平坦化，硅片平整性问题，以及CMP优点描述氧化物CMP和金属CMP中用到的磨料和抛光垫解释CMP后清洗过程列举并描述7种不同的CMP应用。2/5/20232集成电路工艺提纲1.概述2.传统的平坦化技术3.化学机械平坦化4.CMP应用2/5/20233集成电路工艺1.概述多层金属技术早在70年代出现，但较大的表面起伏成为亚微米图形制作的不利因素，因为更多层的加入使硅片表面变得不平整。不平整的表面难以进行图形制作，因为它受到光学光刻中步进透镜焦距深度的限制。已开发出多种平坦化技术来减少表面起伏问题，效果最好的是80年代后期开发出的化学机械平坦化(chemicalmechanicalplanarization,CMP)全局平坦化方法。2/5/20234集成电路工艺2.传统的平坦化技术反刻(Etchback)玻璃回流(Glassreflow)旋涂膜层(Spin-onfilms)2/5/20235集成电路工艺反刻(Etchback)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（如光刻胶或SOG）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。这一工艺称为反刻平坦化。2/5/20236集成电路工艺玻璃回流(Glassreflow)玻璃回流是在升高温度的情况下给掺杂氧化硅（如BPSG）加热，使它发生流动。如BPSG在850℃，氮气环境的高温炉中退火30分钟发生流动。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，可以获得在图形周围部分平坦化。2/5/20237集成电路工艺旋涂膜层(Spin-onfilms)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，主要用做层间介质。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。2/5/20238集成电路工艺3.化学机械平坦化化学机械平坦化(CMP－ChemicalMechanicalPlanarization)是一种表面全局平坦化技术CMP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。2/5/20239集成电路工艺Chemicalmechanicalpolishing2/5/202310集成电路工艺抛光材料ClimaxEngineeredMaterials开发的用于铜抛光的新材料Azure™抛光速率可达到2μm每分钟。2/5/202311集成电路工艺CMP的平整度和均匀性平整度描述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下测量的，反映整个硅片上膜层厚度的变化。非均匀性分两种：片内非均匀性(WIWNU-within-wafernonuniformity)和片间非均匀性(WTWNU-wafer-to-wafernonuniformity)。2/5/202312集成电路工艺CMP技术的优点能获得全局平坦化平坦化不同的材料平坦化多层材料表面减小严重的表面起伏结合大马士革工艺制作金属图形改善金属台阶覆盖增加IC可靠性通过减薄表层材料减少缺陷不使用危险气体2/5/202313集成电路工艺CMP技术的缺点对工艺变量控制相对较差，且工艺窗口窄引入新的缺陷将影响芯片成品率需要开发额外的技术（如终点检测）来进行工艺控制和测量昂贵的设备和消耗品费用2/5/202314集成电路工艺CMP的机理（1）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（2）这一反应生成的硅片表面层通过磨料中研磨剂和研磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去用来平坦化硅片的CMP的微观作用是化学和机械作用的结合。2/5/202315集成电路工艺氧化硅抛光氧化硅抛光是用来全局平坦化金属层之间淀积的ILD介质的。氧化硅抛光速率用Preston方程来表达：R=kPvP为所加的压力；v为硅片和抛光垫的相对速度；k为与设备和工艺有关的常数，包括氧化硅的硬度、抛光液和抛光垫等参数。2/5/202316集成电路工艺氧化硅抛光机理Cook理论：在基本磨料中，磨料中的水与氧化硅反应生成氢氧键，氧化硅的表面水合作用降低了氧化硅的硬度、机械强度和化学耐久性。这层含水的软表层氧化硅被磨料中的颗粒机械地去掉。在硅片中较高的区域，局部的压力大于较低的区域，高处的氧化硅的抛光速率快，从而产生平坦化。2/5/202317集成电路工艺金属抛光磨料与金属表面接触并氧化它；这层金属氧化物被磨料中的颗粒机械地磨掉；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，然后又被机械地磨掉。2/5/202318集成电路工艺CMP磨料磨料是精细研磨颗粒和化学品的混合物，在CMP中用来磨掉硅片表面的特殊材料。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溶液，或氢氧化铵溶液。金属钨磨料：钨金属CMP的磨料是以精细氧化铝粉末或硅胶作为研磨颗粒。金属铜磨料：纳米硅溶胶（SiO2,20－30nm）2/5/202319集成电路工艺CMP变量抛光时间磨头压力转盘速度磨料化学成分磨料流速抛光垫修整硅片/磨料温度硅片背压2/5/202320集成电路工艺终点检测一种检测到平坦化工艺把材料磨到一个正确厚度的能力。电机电流终点检测：检测磨头电机或转盘电机中的电流量。光学终点检测：这项技术基于光的反射系数，光从膜层上反射的不同角度与膜层材料和厚度有关。2/5/202321集成电路工艺4.CMP应用STI氧化硅抛光L1氧化硅抛光L1钨抛光ILD氧化硅抛光钨塞抛光双大马士革铜抛光2/5/202322集成电路工艺小结三种传统的平坦化方法：反刻、玻璃回流和旋涂膜层化学机械抛光能获得金属和介质层的局部和全局平坦化。氧化硅CMP机理基于表面的水合作用，这种水合作用能降低氧化硅的表面硬度，从而能机械地磨掉。金属层是被磨料氧化，从而使它能用抛光的方法去掉表面层