電子科大《集成電路工藝》第十八章匯編

1、1第十八章 化學(xué)(huxu)機(jī)械平坦化微固學(xué)院(xuyun) 張金平共四十六頁218.1 引 言本章(bn zhn)主要內(nèi)容：平坦化工藝CMP工藝的原理(yunl)及應(yīng)用CMP設(shè)備本章知識(shí)要點(diǎn)：掌握平坦化工藝的目的和應(yīng)用；掌握CMP工藝的原理及其應(yīng)用；了解CMP設(shè)備。共四十六頁3單層金屬(jnsh)的IC圖p+ silicon substratep- epi layerField oxiden+n+p+p+n-wellILDOxidePadOxide氮化硅頂層(dn cn)Gate oxide側(cè)墻氧化層金屬前氧化層PolyMetalPolyMetal18.1 引 言 低：填充 高：去掉（磨削）

2、共四十六頁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 言共四十六頁50.25um 多層布線(b xin) CMOS cross section硅和鎢的平坦(pngtn)化層18.1 引 言共四十六頁6Planarized IC product平坦(pngtn)化及非平坦(pngtn)化比較18.1 引 言共四十六頁7亞微米(wi m)CMOS IC 制造廠典型的硅片流程模型測試(csh)/揀選t注入擴(kuò)散刻蝕拋光光刻完成的硅片無圖形的硅片硅片起始薄膜硅片制造前端18.1 引 言共四十六頁818.2 傳統(tǒng)平坦(pngtn)化技術(shù)共四十六頁918.2 傳統(tǒng)

3、(chuntng)平坦化技術(shù) 反刻 玻璃(b l)回流 Glass Reflow 旋涂膜層 共四十六頁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：通過比刻蝕犧牲填充材料更快的刻蝕速率來刻蝕減小臺(tái)階高度的平坦(pngtn)化方法。反刻不能實(shí)現(xiàn)全局平坦化；反刻無需掩膜版共四十六頁11BPSG回流的平滑效果BPSG淀積的層間介質(zhì)18.2.2 玻璃(b l)回流玻璃回流(hu li)：利用BPSG的流動(dòng)性來平坦化。玻璃回流能獲得部分平坦化。共四十六頁12ILD-1ILD-2 deposition3)ILD-1SOG1)ILD-1SOG a

4、fter baking2)18.2.2 旋涂膜層旋涂膜層：旋涂液體材料(cilio)并利用離心力來填充圖形低處，獲得平坦化效果。該技術(shù)在ILD的低k介質(zhì)膜中具有很大的應(yīng)用前景共四十六頁1318.3 化學(xué)(huxu)機(jī)械平坦化(CMP)共四十六頁1418.3.1 CMP基本概念 CMP：通過比去除低處圖形更快的速率去除高處圖形以獲得均勻表面，是一種化學(xué)和機(jī)械作用結(jié)合(jih)的平坦化過程。 化學(xué)作用表面材料與磨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成較易去除的表面層； 機(jī)械作用新表面層在研磨劑和研磨壓力與拋光墊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中去除。 CMP是表面全局平坦化技術(shù)。 CMP技術(shù)平坦化后臺(tái)階高度可控制到50左右。共四十六頁15

5、轉(zhuǎn)盤Wafer磨頭磨料磨料噴頭拋光墊向下施加壓力 CMP精確均勻地把硅片拋光到需要的厚度(hud)；CMP能用適當(dāng)設(shè)計(jì)的磨料和拋光墊，來拋光多層金屬化互連結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)和金屬層。18.3.1 CMP基本概念共四十六頁16CMP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 減小嚴(yán)重表面起伏(qf), 改善臺(tái)階覆蓋；平坦化不同的材料；平坦化多層材料；全局平坦化；制作金屬圖形的方法之一；不使用危險(xiǎn)氣體；減薄表面材料去除表面缺陷。CMP技術(shù)的缺點(diǎn)新技術(shù)，工藝難度稍大；引入新缺陷；設(shè)備昂貴。18.3.1 CMP基本概念共四十六頁17SiO2SubstrateMinMaxSHpreMinMaxSHpost拋磨后測量拋磨前測量SiO2片內(nèi)非均

6、勻(jnyn)性片間非均勻(jnyn)性 平整度(DP) ：相對(duì)于CMP之前的某處臺(tái)階高度，在做完CMP之后，這個(gè)特殊(tsh)臺(tái)階位置處硅片表面的平整程度SHpost：CMP之后在硅片表面的一個(gè)特殊位置，最高和最低臺(tái)階的高度差（厚度變化） SHpre：CMP之前在硅片表面的一個(gè)特殊位置，最高和最低臺(tái)階的高度差18.3.1 CMP基本概念共四十六頁18 表面材料與磨料發(fā)生反應(yīng)，生成容易去除的表面層； 表面層通過磨料中的研磨劑和研磨壓力與拋光墊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而機(jī)械磨去。 氧化物拋光： R：拋光速率；P：壓力；v：硅片和拋光墊的相對(duì)速度；k：與工藝(gngy)相關(guān)的常數(shù)18.3.2 CMP機(jī)理(j l

7、)共四十六頁19拋光(pogung)墊SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiCMP System(1) 磨料(mlio)噴嘴SiSiSi(5)副產(chǎn)物去除副產(chǎn)物排水管SlurrySiO2 layer(2) H2O & OH- 運(yùn)動(dòng)到硅片表面 (4)表面反應(yīng)和機(jī)械磨損SiSi(OH)4SiSi18.3.2 CMP機(jī)理Rotation(3) 機(jī)械力將磨料壓到硅片中共四十六頁20拋光墊2) 機(jī)械研磨Rotation1) 表面刻蝕和鈍化3) 再鈍化Slurry機(jī)械力將磨料壓到硅片中OxideMetalOxideMetalOxideMetal18.3.

8、2 CMP機(jī)理(j l) 金屬的化學(xué)氧化和氧化的金屬層的分解(fnji)比機(jī)械研磨更重要共四十六頁21在高線條(xintio)密度區(qū)域的CMP 侵蝕鎢互連 (軟材料、高磨拋速率) 侵蝕Oxide (硬材料、低磨拋速率)圖形密度(md)效應(yīng)：圖形間距窄的區(qū)域，即高圖形密度區(qū)域，通常比寬圖形間距區(qū)域的拋光速度快； 侵蝕：指在圖形區(qū)域氧化物和金屬被減簿，即拋光前后氧化層厚度的差。18.3.3 CMP效應(yīng)共四十六頁22侵蝕(qnsh)帶來的不完全通孔刻蝕問題SiO2在前面層間介質(zhì)層侵蝕引起SiO2厚度變化，由于SiO2不均勻的厚度，通孔刻蝕不完全。AluminumTungsten viaLI tung

9、stenTungsten viaUnplanarized SiO2Planarized SiO2Planarized SiO2侵蝕最初發(fā)生的地方18.3.3 CMP效應(yīng)(xioyng)共四十六頁23氮化硅磨拋終止凹陷Oxide (硬表面，低磨拋速率)銅去除Copper(軟表面，高磨拋速率)大圖形(txng)中的CMP凹陷 凹陷：指圖形中央位置材料厚度的減小，即金屬線條中心(這是凹陷處的最低點(diǎn))和SiO2層最高點(diǎn)的高度差。影響(yngxing)因素：線條越寬，凹陷就可能越多；拋光墊的硬度。18.3.3 CMP效應(yīng)共四十六頁24多磨頭的CMP 磨料磨料噴嘴轉(zhuǎn)盤拋光墊磨頭連桿磨頭背膜Wafer18.

10、3.4 CMP 設(shè)備(shbi)共四十六頁2518.3.4 CMP 設(shè)備(shbi)共四十六頁26磨料成分：化學(xué)成分和拋光顆粒 1. 氧化物磨料 用于氧化物介質(zhì)的一種通用磨料是含超精細(xì)硅膠顆粒的堿性氫氧化鉀(qn yn hu ji)(KOH)溶液，或氫氧化銨(NH4OH)溶液 2. 金屬鎢磨料 以精細(xì)氧化鋁粉末或硅膠作為研磨顆粒。硅膠粉末比氧化鋁要軟，擦傷表面幾率小，因而普遍采用。 3. 金屬銅磨料 采用NH4OH氧化表面，在低的圖形區(qū)域里生成一層自然氧化銅膜。同時(shí)加入一種氧化鋁的合成物，快速溶解高處圖形上的氧化銅，再用研磨顆粒磨去。 4. 特殊磨料 適合特殊硅片表面材料的不同磨料在同一臺(tái)設(shè)備

11、上使用18.3.4 CMP 設(shè)備(shbi)共四十六頁27多孔的表面拋光墊：用像海綿一樣的機(jī)械特性和多孔吸水特性的聚亞胺脂做成。拋光墊修整：降低光滑表面，獲得一致(yzh)的拋光性能方法：機(jī)械式摩擦或用去離子水噴濺或鉆石輪，重新產(chǎn)生粗糙的表面；18.3.4 CMP 設(shè)備(shbi)共四十六頁28 終點(diǎn)檢測：檢測平坦(pngtn)化工藝把材料磨到一個(gè)正確厚度的能力。原位終點(diǎn)檢測(jin c)方法： 電機(jī)電流 光學(xué)測量18.3.4 CMP 設(shè)備共四十六頁29電機(jī)控制器終點(diǎn)探測系統(tǒng)RPM 設(shè)備點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電流反饋電機(jī)電流信號(hào)終點(diǎn)信號(hào)馬達(dá)磨頭墊Time電機(jī)電流W/Ti/TiNWTiN/SiO2SiO2 電機(jī)

12、電流終點(diǎn)檢測(jin c)：檢測磨頭電機(jī)或轉(zhuǎn)盤電機(jī)中的電流量。 不適合(shh)用做層間介質(zhì)(ILD)終點(diǎn)檢測。18.3.4 CMP 設(shè)備共四十六頁30OxideSiliconWafer磨頭光到光學(xué)探測器光纖 光學(xué)終點(diǎn)檢測(jin c)：基于光的反射系數(shù)的光學(xué)干涉終點(diǎn)檢測。 當(dāng)膜層界面變化(binhu)，光學(xué)終點(diǎn)檢測測量到從拋光膜層反射過來的紫外光或可見光之間的干涉。18.3.4 CMP 設(shè)備共四十六頁31 拋光速率：平坦化過程中材料被去除的速度，單位通常是納米每分鐘或微米(wi m)每分鐘。硬拋光墊：減小致密圖形處的侵蝕，提高硅片的局部平整性。然而有較大的片內(nèi)非均勻性。軟拋光墊：能減少表面的

13、擦痕。18.3.5 拋光(pogung)速率與均勻性 影響因素：壓力和旋轉(zhuǎn)速度硬拋光墊和較大的壓力引起更嚴(yán)重的表面損傷；小的壓力可改善平整性，但片與片之間的非均勻性增大；使用硬的拋光墊和小的壓力能獲得最好的平整性。共四十六頁32+更多的材料被去除較少的材料去除CMP 中間(zhngjin)變慢的等值曲線中央慢設(shè)備(shbi)：硅片邊沿的拋光速率比硅片中間要快。原因：磨料通過旋轉(zhuǎn)力沿著拋光墊表面運(yùn)動(dòng)，硅片邊沿比硅片中間有更多的磨料。解決辦法：磨頭中通入N2，在硅片背面產(chǎn)生背壓，使硅片凸起，減小中間拋光速率的降低。磨頭輕微凸起，改善硅片中間的拋光性能。18.3.5 拋光速率與均勻性共四十六頁33C

14、MP 磨頭設(shè)計(jì)(shj)和硅片邊沿的非均勻性定位環(huán)壓力柔性隔膜壓力定位環(huán) (無壓力)磨頭和膜壓力Pad轉(zhuǎn)盤Wafer常規(guī)的磨頭升級(jí)的磨頭 邊沿廢棄量：硅片邊沿很少受控的一段距離。目前大約(dyu)3mm。 原因：拋光墊在硅片邊沿存在輕微的彎曲。 解決辦法：定位環(huán)加壓；球膽式磨頭。18.3.5 拋光速率與均勻性共四十六頁3418.3.6 CMP 參數(shù)(cnsh)共四十六頁35CMP后清洗(qngx)藥品用毛刷DI水和化學(xué)試劑多孔刷18.3.7 CMP清洗(qngx) CMP清洗的重點(diǎn)是去除拋光工藝中帶來的所有沾污物：磨料顆粒、被拋光材料帶來的任何顆粒以及從磨料中帶來的化學(xué)沾污物。 清洗設(shè)備：毛刷

15、洗擦、酸性噴淋清洗、兆聲波清洗以及旋轉(zhuǎn)清洗干燥設(shè)備。 后清洗步驟：氧化硅、 STI、多晶硅、鎢和銅共四十六頁3618.4 CMP應(yīng)用(yngyng)共四十六頁3718.4 CMP的應(yīng)用(yngyng) STI oxide polish ILD oxide polish LI tungsten polish Tungsten plug polish Dual Damascene copper polish 共四十六頁3818.4.1 STI氧化硅拋光(pogung) STI中的填充氧化層平坦化通過CMP技術(shù)磨去比氮化硅層高的所有氧化硅實(shí)現(xiàn)。 氮化硅在CMP中作為一個(gè)拋光(pogung)阻擋層。

16、避免凹陷產(chǎn)生，即溝槽中的氧化硅減薄太多。共四十六頁3918.4.2 LI氧化硅拋光(pogung) LI氧化層包括一層薄氮化硅或氮氧化硅，作為器件(qjin)保護(hù)和LI阻擋層。 HDPCVD氧化硅代替了需要高溫回流的BPSG。 共四十六頁4018.4.3 LI鎢拋光(pogung) CMP磨拋金屬(jnsh)鎢，氧化硅為拋光停止層。 LI層的鎢金屬化有很高的鎢圖形密度，因此凹陷和侵蝕現(xiàn)象突出。 共四十六頁4118.4.4 ILD氧化物拋光(pogung) ILD對(duì)金屬導(dǎo)體進(jìn)行電絕緣。它由HDPCVD + PECVD淀積構(gòu)成(guchng)。 ILD氧化層拋光需要有效的終點(diǎn)檢測。 共四十六頁42

17、18.4.5 鎢塞拋光(pogung)共四十六頁432 Cu deposition 3 Cu/Ta/nitride/oxide CMPOxide1 Ta depositionTantalumCopperNitride18.4.6 雙大馬士革(d m sh )銅拋光 Cu金屬通過淀積銅種子層(約500)+電化學(xué)淀積(ECD)工藝形成。 CMP來平坦化銅，介質(zhì)(jizh)做停止層。 共四十六頁4418.5 CMP質(zhì)量(zhling)測量共四十六頁453) 鎢CMPSiO2Tungstenplug在兩個(gè)鎢塞間短路2)通孔刻蝕后用鎢填充(tinchng)通孔Tungsten1) SiO2 淀積后進(jìn)行CMPMetal-1 stack微擦痕ILD-1SiO2ILD-218.5 CMP中的微擦痕共四十六頁內(nèi)容摘要1。亞微米CMOS IC 制造廠典型的硅片流程模型。 侵蝕：指