半導體平坦化制造工藝技術概述

1、半導體平坦化制造工藝技術概述技術創(chuàng)新，變革未來中國芯技術系列1概述2傳統(tǒng)平坦化技術3化學機械平坦化4CMP質量控制1概述圖 10-1兩層布線表面的不平整1概述圖 10-2多層布線技術1概述圖10-3平坦化術語1概述1)平滑處理：平坦化后使臺階圓滑和側壁傾斜，但高度沒有顯著減小，如圖10-3b所示。2)部分平坦化：平坦化后使臺階圓滑，且臺階高度局部減小，如圖10-3c所示。3)局部平坦化：使硅片上的局部區(qū)域達到平坦化。4)全局平坦化：使整個硅片表面總的臺階高度顯著減小，使整個硅片表面平坦化，如圖10-3e所示。2傳統(tǒng)平坦化技術2.1反刻 反刻平坦化是在起伏的硅片表面旋涂一層厚的介質材料或其他材料

2、（如光刻膠或SOG），這層材料可以填充空洞和表面的低處，將作為平坦化的犧牲層，如圖104a所示。然后用干法刻蝕技術進行刻蝕，利用高處刻蝕速率快，低處刻蝕速率慢來實現(xiàn)平坦化。當被刻蝕的介質層達到希望的厚度時刻蝕停止，這樣把起伏的表面變得相對平滑，實現(xiàn)了局部平坦化，如圖104b所示。圖 10-4反刻平坦化2傳統(tǒng)平坦化技術2.2玻璃回流 玻璃回流是對作為層間介質的硼磷硅玻璃（BPSG）或其他的摻雜氧化硅膜層進行加熱升溫，使玻璃膜層發(fā)生流動來實現(xiàn)平坦化的技術，如圖105所示。一般，BPSG在氮氣環(huán)境中，在850加熱30min就發(fā)生流動，這樣可使臺階處變成斜坡。玻璃回流不能滿足深亞微米IC的平坦化要求。

3、圖10-5玻璃回流2傳統(tǒng)平坦化技術 2.3旋涂玻璃法 旋涂玻璃法(Spin On Glass)主要是在起伏的硅片表面旋涂含有溶劑的液體材料，這樣表面低處和縫隙將被填充，然后進行烘烤固化，使溶劑蒸發(fā)，即可獲得表面形貌的平滑效果，如圖106所示。圖10-6旋涂玻璃法3化學機械平坦化圖10-7化學機械平坦化原理圖3化學機械平坦化3.1CMP優(yōu)點和缺點1.優(yōu)點1) 能獲得全局平坦化。2) 對于各種各樣的硅片表面都能平坦化。3) 可對多層材料進行平坦化。4) 減小嚴重的表面起伏，使層間介質和金屬層平坦，可以實現(xiàn)更小的設計圖形，更多層的金屬互連，提高電路的可靠性、速度和良品率。5) 解決了銅布線難以刻蝕良

4、好圖形的問題。6) 通過減薄表層材料，可以去掉表面缺陷。7) CMP是濕法研磨，不使用干法刻蝕中常用的危險氣體。8) CMP可以實現(xiàn)設備自動化、大批量生產、高可靠性和關鍵參數(shù)控制。3化學機械平坦化2.缺點1) 影響平坦化質量的工藝因素很多且不易控制。2) CMP進行平坦化的同時也會引入新的缺陷。3) 需要配套的設備、材料、工藝控制技術，這是一個需要開發(fā)、提高的系統(tǒng)工程。4) 設備、技術、耗材、維護等十分昂貴。3化學機械平坦化3.2CMP機理CMP工作原理是將硅片固定在拋光頭的最下面，將拋光墊放置在研磨盤上，拋光時，旋轉的拋光頭以一定的壓力壓在旋轉的拋光墊上，由亞微米或納米磨粒和化學溶液組成的研

5、磨液在硅片表面和拋光墊之間流動，然后研磨液在拋光墊的傳輸和離心力的作用下，均勻分布其上，在硅片和拋光墊之間形成一層研磨液液體薄膜。研磨液中的化學成分與硅片表面材料產生化學反應，將不溶的物質轉化為易溶物質，或者將硬度高的物質進行軟化，然后通過磨粒的微機械摩擦作用將這些化學反應物從硅片表面去除，溶入流動的液體中帶走，即在化學去膜和機械去膜的交替過程中實現(xiàn)平坦化的目的，如圖108所示。3化學機械平坦化圖10-8CMP具體步驟1) 化學過程：研磨液中的化學品和硅片表面發(fā)生化學反應，生成比較容易去除的物質；2) 物理過程：研磨液中的磨粒和硅片表面材料發(fā)生機械物理摩擦，去除化學反應生成的物質。3化學機械平

6、坦化1. CMP機理模型(1) Preston方程從微觀上來看，拋光同時是機械摩擦作用也是化學行為，理想的情況是化學作用速率和機械磨除速率相等，但這很難達到。(2) Cook的模型Cook模型僅適用于單純的硅片拋光，是目前描述拋光最詳細的模型。2. CMP主要參數(shù)(1)平均磨除率(MRR)在設定時間內磨除材料的厚度是工業(yè)生產所需要的。(2)CMP平整度與均勻性平整度是硅片某處CMP前后臺階高度之差占CMP之前臺階高度的百分比。3化學機械平坦化圖10-9硅片平整度的測量(3)選擇比在CMP中，對不同材料的拋光速率是影響硅片平整性和均勻性的一個重要因素。3化學機械平坦化圖10-10CMP選擇比應用

7、3化學機械平坦化圖10-11阻擋層(4)表面缺陷CMP工藝造成的硅片表面缺陷一般包括擦傷或溝、凹陷、侵蝕、殘留物和顆粒污染。1)硅片表面上的擦痕或溝。3化學機械平坦化圖10-12CMP微擦痕造成的鎢塞間的短路3化學機械平坦化圖10-13大圖形中的CMP凹陷現(xiàn)象3)侵蝕。圖10-14高密度圖形區(qū)域的CMP侵蝕2)凹陷。3化學機械平坦化圖10-15由于侵蝕帶來的不完全通孔刻蝕問題4)殘留物。3.3CMP設備1. CMP設備組成3化學機械平坦化圖10-16CMP設備組成(1)拋光機運動組件(常叫拋光機)包括拋光頭、研磨盤，是實現(xiàn)CMP的關鍵機械裝置。1)拋光頭組件。3化學機械平坦化圖10-17拋光頭

8、3化學機械平坦化圖10-18CMP非均勻邊沿區(qū)域3化學機械平坦化圖 10-19更新的拋光頭設計2)研磨盤是CMP研磨的支撐平臺，其作用是承載拋光墊并帶動其轉動。3化學機械平坦化(2) 研磨過程的控制它是控制拋光頭壓力大小、轉動速度、開關動作、研磨盤動作的電路和裝置。(3) 拋光墊與拋光墊修整1)拋光墊大多是使用發(fā)泡式的多孔聚亞胺脂材料制成，是一種多孔的海綿，利用這種類似海綿的機械特性和多孔特性的材料，提高拋光的均勻性。圖10-20拋光墊3化學機械平坦化2)拋光墊修整。3)拋光墊壽命及定期更換。(4)研磨液的供給與循環(huán)系統(tǒng)1)研磨液由磨粒、酸堿劑、純水及添加物構成，其成分見表10-1。表10-1

9、研磨液成分表10-1研磨液成分3化學機械平坦化2)研磨液供給與輸送系統(tǒng)。 研磨液供給與輸送系統(tǒng)與CMP工藝之間的關系：研磨液中的化學品在配比混合輸送過程中可能有許多變化，這一點，使輸送給機臺的研磨液質量與拋光工藝的成功形成了非常緊密的關系，其程度超過了與高純化學品的聯(lián)系。盡管CMP設備是控制并影響CMP工藝結果的主要因素，但是研磨液在避免缺陷和影響CMP的平均拋光速率方面起著巨大的作用。3化學機械平坦化 研磨液供給與輸送系統(tǒng)實現(xiàn)的目標：通過恰當設計和管理研磨液供給與輸送系統(tǒng)來保證CMP工藝的一致性。研磨液的混合、過濾、滴定以及系統(tǒng)的清洗等程序會減輕很多與研磨液相關的問題。那么就要設計一個合適的

10、研磨液的供給與輸送系統(tǒng)，完成研磨液的管理，控制研磨液的混合、過濾、濃度、滴定及系統(tǒng)的清洗，減少研磨液在供給、輸送過程中可能出現(xiàn)的問題和缺陷，保證CMP的平坦化效果。 研磨液混合和輸送設備的設計特點：攪動：一般來講，研磨液中的固體顆粒經過一段時間后會逐漸淀積，為了滿足特定的工藝要求，必須保持桶中和儲蓄罐中的液體均一，專業(yè)的研磨液系統(tǒng)制造商可以為每種研磨液設置特定的淀積率和分散率。3化學機械平坦化 各種CMP工藝的操作問題：在處理化學品和研磨液時，一定要理解各種化學品之間的細微差別，并在系統(tǒng)中將這些不同點體現(xiàn)出來。半導體工業(yè)使用的化學品已經超過了2000種，任何兩種化學品在操作和安全方面都不同。在

11、處理研磨液過程中，其特性和問題基本上和工藝有關。研磨液參數(shù)對特定CMP應用工藝的影響見表10-2。作為成熟的工藝，氧化物和鎢CMP都各自面臨挑戰(zhàn)。作為新出現(xiàn)的技術，STI、銅和低k介質為業(yè)界帶來新的挑戰(zhàn)。3化學機械平坦化表10-2研磨液參數(shù)對特定CMP應用工藝的影響3化學機械平坦化 拋光研磨液后處理：作為消耗品，研磨液一般是一次性使用。隨著CMP市場的擴大，拋光研磨液的排放及后處理工作量也在增大(出于環(huán)保原因，即使研磨液不再重復利用，也必須先處理才可以排放)。而且，拋光研磨液價格昂貴，如何對拋光研磨液進行后處理，補充必要的化學添加劑，重復利用其中的有效成分，或降級使用，不僅可以減少環(huán)境污染，而

12、且可以大大降低加工成本。拋光研磨液的后處理研究將是未來的新研究熱點。(5)終點檢測設備終點檢測是檢測CMP工藝把材料磨除到一個正確的厚度的能力。1)電動機電流終點檢測。2)光學干涉法終點檢測。3化學機械平坦化圖10-21終點檢測的光學干涉3化學機械平坦化圖10-22CMP后的CMOS電路剖面圖(未經過光學檢測)3化學機械平坦化圖10-23經光學終點檢測后的剖面圖3)先進的終點檢測技術紅外終點檢測技術。3化學機械平坦化(6)清洗設備與干出干進過去CMP設備只是研磨拋光，與清洗設備是分開的。2. CMP設備的發(fā)展(1)單拋光頭旋轉式系統(tǒng)CMP 轉動設備是用以玻璃陶瓷或其他金屬的磨平拋光設備為基礎的

13、，這種設備由單個研磨盤和單個拋光頭構成。(2) 多拋光頭旋轉式CMP系統(tǒng)隨著生產力需求和缺陷標準提高，出現(xiàn)了多研磨頭的旋轉體系，這類設備有很多種。圖10-24多拋光頭CMP設備3化學機械平坦化(3) 多研磨盤CMP系統(tǒng)由于Auriga公司和Symphony公司的設備缺乏靈活性，例如加工的硅片片數(shù)是22片而不是25片硅片，就不能發(fā)揮它們生產力高的優(yōu)點。(4) 軌道式CMP系統(tǒng)由于對于工藝的靈活性和生產力的需求提高，IPEC公司開發(fā)出了676軌道式CMP系統(tǒng)。(5) 線性CMP設備最后，有些公司開發(fā)出能夠實現(xiàn)高線速度的線性CMP設備。3.4CMP工藝控制 CMP工藝操作雖然簡單，可是CMP效果受多

14、方面因素的控制，所以要得到期望的效果，工藝控制就非常重要。1. CMP工藝流程3化學機械平坦化1)前期準備：根據(jù)研磨的材料對象(如硅、二氧化硅、鋁、銅等)、工藝對象(STI、ILD、LI等)來選擇合適的研磨液、拋光墊、清洗液等消耗品，并按照要求做好CMP設備、硅片、化學品(研磨液、清洗液)配置和輸送系統(tǒng)、環(huán)境等的前期準備(例如設備和硅片清洗、檢測，環(huán)境是否達到要求等)。2)研磨拋光、清洗、甩干：按照工藝文件的要求設置工藝參數(shù)進行CMP、清洗和甩干并監(jiān)控工藝過程，做好工藝記錄。3)質量檢測與評估：按照檢驗工藝文件的檢測方案(抽樣、質量參數(shù)、檢測工具和儀器、測量點等)進行測量和計算，并按照標準判斷

15、CMP工藝的合格性，做好記錄。2. 影響CMP效果的主要參數(shù)3化學機械平坦化表10-3影響CMP效果的主要參數(shù)3化學機械平坦化圖10-25單晶硅片拋光速率v與壓力p的關系圖(1) 拋光頭壓力以對單晶硅片進行CMP為例來說明。3化學機械平坦化(2)拋光頭與研磨盤間的相對速度拋光速率隨著拋光頭與研磨盤間的相對速度的增大而增大。(3)拋光墊拋光墊是在CMP中決定拋光速率和平坦化能力的一個重要部件。 碎片后為防止缺陷而更換拋光墊。 優(yōu)化襯墊選擇以便取得好的硅片內和硬膜內的均勻性和平坦化(建議采用層疊或兩層墊)。 運用集成的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)進行研磨墊溫度控制。 孔型墊設計、表面紋理化、打孔和制成流動渠道等有

16、利于研磨液的傳送。 CMP前對研磨墊進行修正、造型或平整。 有規(guī)律地對研磨墊用刷子或金剛石修整器做臨場和場外修整。3化學機械平坦化(4) 研磨液研磨液是影響CMP速率和效果的重要因素，在半導體工藝中，針對SiO2、鎢栓、多晶硅和銅，需要用不同的研磨液來進行研磨，不同廠家的研磨液的特性也有所區(qū)別。1)磨粒。 磨粒材料：對不同的薄膜CMP和不同工藝的CMP要精心選擇磨粒材料。即使是對同種薄膜材料進行CMP，其磨粒材料不同，拋光速率也不同。例如對于ILD氧化硅進行CMP ,采用二氧化鈰(CeO2 )作為磨粒的拋光速率比用氣相納米SiO2為磨粒的拋光速率大約快3倍。Christopher L.Bors

17、t對含碳量不同的三種PECVD的SiOC進行了拋光實驗，發(fā)現(xiàn)SiOC在基于SiO2 磨粒的堿性研磨液作用下的拋光速率明顯高于基于氧化鋁磨粒的酸性拋光液作用下的拋光速率，而且隨著pH值的增加，拋光速率顯著增大。3化學機械平坦化圖10-26磨粒含量對拋光速率的影響3化學機械平坦化 磨粒含量：磨粒含量是指研磨液中磨粒質量的百分數(shù)。即(磨粒質量/研磨液質量)100%，又叫磨粒濃度。由圖10-26可知，對于硅拋光，在低磨粒含量時，在一定范圍內對硅的拋光速率隨著磨粒含量的增加而增加，平整度趨于更好。這主要是由于，隨著磨粒含量的提高，研磨液中參與機械研磨的有效粒子數(shù)增多，拋光液的質量傳遞作用提高，使平坦化速

18、率增加，可以減小塌邊情況的發(fā)生。但并不是磨粒含量越高越好，當磨粒含量達到一定值之后，平坦化速率增加緩慢，且流動性也會受影響，成本也增加，不利于拋光。要通過實驗對確定的拋光對象找出一個最優(yōu)的磨粒含量。3化學機械平坦化 磨粒大小及硬度：隨著微粒尺寸和硬度的增加，去除速率也隨之增加。但會產生更多的凹痕和劃傷。所以要很細心地選擇顆粒的大小和硬度，顆粒硬度要比去除材料的硬度小。要不能使平坦化的表面產生凹痕和擦傷等表面缺陷。2)研磨液的選擇性：對確定的研磨液，在同樣條件下對兩種不同的薄膜材料進行拋光時其拋光速率的不同，這就是研磨液的選擇性。3)研磨液中添加物的濃度與pH值：與MRR有直接關系。3化學機械平

19、坦化(5)溫度對去除率的影響CMP在加工過程中無論是酸性液體還是堿性液體，在與去除材料的化學反應中都是放熱的反應，造成溫度的上升，同時在加工過程中，由于拋光頭的壓力作用和拋光頭及研磨盤的旋轉具有做功的情況，所以有能量的釋放，造成溫度的上升。(6) 薄膜特性CMP研磨薄膜材料的性質(化學成分、硬度、密度、表面狀況等)也影響拋光速度和拋光效果。3. CMP主要工藝控制(1)研磨速率的控制CMP的基本工藝控制主要是改變研磨盤轉速、拋光頭角速度和研磨壓力。(2)硅片內拋光均勻性控制研磨均勻性是考量CMP的一個非常重要的考核指標，必須很好地優(yōu)化設備、耗材和工藝。3化學機械平坦化(3)CMP后清洗清洗液的

20、成分、濃度和清洗設備有機地結合，可以達到清洗的最佳效果。表10-4CMP工藝對象與CMP后清洗3化學機械平坦化3.5CMP應用CMP技術應用的領域相當廣泛，有如下幾個方面：半導體表面的平坦化處理；去除硅片損傷層，達成良好的表面粗度與平坦度；CMP用在無電鍍磷化鎳鋁鎂基板的雙面拋光。此外還有一些其他應用，如鏡頭、薄膜液晶顯示器的零組件的導電玻璃與彩色濾光片的拋光、微機電元件等制作。CMP的應用領域見表105。表10-5CMP的應用領域3化學機械平坦化表10-5CMP的應用領域3化學機械平坦化圖10-27STI淺槽隔離制作步驟1. 淺溝槽隔離平坦化(STI CMP)3化學機械平坦化1)薄膜制作：先

21、做一層很薄的隔離氧化層(15nm)用來在后面去除氮化硅時保護有源區(qū)。2)STI淺溝槽刻蝕：對氮化硅、氧化硅、硅進行光刻、刻蝕、去膠，刻出STI溝槽，如圖10-27c所示。3)STI溝槽氧化硅淀積：先在暴露的溝槽側壁熱氧化一層氧化硅(約15nm)，改善硅與溝槽CVD填充氧化物之間的界面特性。4)STI CMP氧化物：對圖10-27d中的不平坦的CVD氧化硅進行CMP，如圖10-27e所示。 單液型是指在出廠前已經將研磨粒子與添加劑等混合好，可以直接使用的研磨液。這種研磨液使用相對簡單、風險小，但是工藝靈活度相對欠缺。3化學機械平坦化 雙液型是指研磨粒子液體和添加劑液體分別包裝，IC工廠根據(jù)自己的

22、配方現(xiàn)場調配。這種方法靈活度高，但是操作煩瑣，增加了操作風險。2.層間介質平坦化(ILD CMP)圖10-28ILD制作及CMP3化學機械平坦化3.金屬鎢拋光1)金屬鈦淀積(PVD工藝)：淀積一薄金屬鈦襯墊于介質溝道的底部和側壁上。2)氮化鈦淀積(CVD工藝)：淀積完鈦之后立即在鈦金屬層的表面淀積氮化鈦(TiN)，阻止金屬鎢向硅和氧化硅介質擴散，即做擴散阻擋層。3)鎢淀積：鎢填滿局部互連的溝槽并覆蓋硅片表面，如圖10-29b所示。4)鎢CMP：鎢被CMP到局部互連介質層的上表面，如圖10-29c所示。3化學機械平坦化圖10-29鎢金屬栓塞的制作流程3化學機械平坦化4. 銅CMP1)對層間介質層

23、進行平坦化并蝕刻開出布線槽，如圖10-30a所示。2)利用濺射(PVD)方法形成絕緣用的阻擋層和導電用的籽銅層，如圖10-30b、c所示。3)在此基礎上，采用電鍍技術制成銅膜，如圖10-30d所示。4)銅CMP：磨除掉層間介質表面以上的銅，完成布線埋入工藝，如圖10-30e所示。圖10-30銅布線的雙大馬士革工藝流程4CMP質量控制4.1膜厚的測量及均勻性分析1.膜厚測量圖10-31分光光學干涉法測量(1)分光光學干涉法分光光學干涉是利用光在介質上下表面反射的路程差形成干涉，測量干涉后的光強即可計算出薄膜厚度，如圖10-31所示。4CMP質量控制(2)橢圓偏振法橢圓偏振法簡稱橢偏法，是一種先進

24、的測量薄膜納米級厚度的方法。2. 硅片表面的非均勻性分析1) 轉盤上的拋光墊不平將導致中間快、中間慢或一些邊緣問題。2) 磨頭的壓力(向下的壓力)設置的不正確。3) 檢查拋光墊修整臂是否調節(jié)到恰當位置，是否破舊(沒有平滑面出現(xiàn))。4) 磨料流量不夠或粘滯度不正確(流動的能力)。5) 磨頭上的墊膜破損，硅片不能保持成一個平面。6) 轉盤轉速的設置不對。7) 硅片的背壓設置得不合適。4CMP質量控制4.2硅片表面狀態(tài)的觀測方法及分析CMP后，有必要了解硅片的表面狀況，觀察和測量CMP后的表面缺陷。以此來評估拋光的質量。1. 硅片表面狀態(tài)的觀測方法圖10-32掃描電子顯微鏡4CMP質量控制(1)掃描

25、電子顯微鏡(Scan Electron Microscope)關鍵尺寸測量的一個重要原因是要達到對產品所有線寬的準確控制。圖10-33原子力顯微鏡示意圖4CMP質量控制(2)原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM)是一個表面形貌儀，用一個較小的平衡探針頭掃描硅片表面產生的三維表面圖形，使用光學技術，直接用針尖接觸，并用激光器感應出其在硅片上的位置，如圖10-33所示，探針和表面的距離非常小，以致原子力影響表面，針尖的幾何尺寸極為關鍵，必須分類以便準確測量。(3)光散射探測儀光散射探測儀主要是根據(jù)光的散射效應，由于光的散射攜帶有很多豐富的信息，因此，提取這種信息將非常有助于分析其上層、下層甚至襯底的表面情況。(4)光散射表面缺陷