化学机械平坦化

简单的说就是在晶片的表面保持平整平坦 的工艺。
随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸 缩小，要求晶片表面可接受的分辨率的平整度 达到纳米级 。传统的平面化技术，如选择淀 积、旋转玻璃法等，仅仅能够局部平面化技术 ，但是对于微小尺寸特征的电子器件，必须进 行全局平面化以满足上述要求。90年代兴起的 新型化学机械抛光技术则从加工性能和速度上 同时满足了硅片图形加工的要求，是目前几乎 唯一的可以提供全局平面化的技术。
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，这一层牺牲层材料填充空洞和表 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。
反刻平坦化
平坦化的材料
不希望的起伏
光刻胶或SOG
铜 (软表面，高抛磨速率)
四、工艺参数及设备
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。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。
(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。
二．CMP技术的特点
CMP技术的优点：
1．能获得全局平坦化； 2．各种各样的硅片表面能被平坦化； 3．在同一次抛光过程中对平坦化多层材料有用； 4．允许制造中采用更严格的设计规则并采用更多 的互连层； 5．提供制作金属图形的一种方法。
6. 由于减小了表面起伏，从而能改善金 属台阶覆盖；
7．能提高亚0.5微米器件和电路的可靠 性、速度和成品率；
先进的IC需要至少6层或更多的金属布线层，每层 之间由层间介质隔开，建立器件结构和多层连线 会很自然地在层之间形成台阶，层数增加时，硅 片的表面起伏将更加显著，而一个可接受的台阶 覆盖和间隙填充对于芯片的成品率的长期可靠性 是至关重要的。
表面起伏的主要负面影响是在光刻时对线宽失去 了控制，也难以在刻蚀后台阶上不均匀的光刻胶 上制作图形。
(2) 相对速度V
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。
(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38～50℃ (粗抛)和20～30℃ (精抛)。
CMP通过比去除低处图形快的速度去除高 处图形来获得均匀的硅片表面。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， 已经成为一种最广泛采用的技术。
化学机械平坦化的原理图
磨头 硅片 转盘
向下施加力
抛光垫 磨料喷头
磨料
CMP抛光垫
一．CMP的平整度
CMP在制造中用来减小硅片厚度的变化 和表面形貌的影响。硅片的平整度和均匀性 的概念在描述CMP的作用方面很重要。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 ，反映整个硅片上膜厚度的变化。因此，一 个硅片可以是平整的，但不是均匀的，反之 亦然。
• BPSG在图形处的回流能获得部分平坦化。 • 缺点：淀积铝金属层后就不能使用
BPSG回流平坦化
淀积的层间介质 BPSG 回流的平滑效果 BPSG
16.1.3 旋涂膜层
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，主要用作层 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。这种旋涂法的平 坦化能力与许多因素有关，如溶液的化学组 分、分子重量以及粘滞度。
另一个不希望的CMP效果是凹陷，凹陷是 指图形中央位置材料厚度的减小。它被定义为 金属线条中心和SiO2层最高点的高度差。凹陷 的多少与被抛光的线条宽度有关，线条越宽， 凹陷就可能越多。抛光垫的硬度也对凹陷有影 响。
大图形中的CMP凹陷现象
氮化硅抛磨终止 铜去除
凹陷
氧化硅 (硬表面，低 抛磨速率)
Photo
Etch
Test/Sort
Implant
Used with permission from Advanced Micro Devices
Figure 18.4
被平坦化的硅片拥有平滑的表面，填 充低的部分，或去掉高的部分是使硅片表 面平坦化的两种方法。
16.1 传统的平坦化技术
16.1.1 反刻
样重复进行。
金属CMP的机理
磨料
抛光垫 向下施加力
旋转
1) 表面刻蚀 和钝化
2) 机械磨除 3) 再钝化
金属 氧化硅
氧化硅 金属 氧化硅
金属
3．图形密度效应：
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。在 一些情况下，当金属线紧密地挤在一起时， 在CMP过程中对金属结构可能产生不必要的 侵蚀。产生侵蚀的一个原因是当抛光一层覆 盖的金属层时，对下面的SiO2产生轻微的过 抛光。在高图形密度区域，对SiO2的侵蚀要 大一些。
第十八章 化学机械平坦化
本章目标
1. 什么是平坦化？ 2. 列举并论述三种平坦化工艺. 3. 论述化学机械平坦化，硅片平整性问题，以及CMP
的优点 4. 描述氧化物CMP和金属CMP中用的磨料和抛光垫. 5. 论述CMP设备，包括终点检测和磨头. 6. 解释CMP后清洗过程. 7. 列举并描述7种不同的CMP应用.
在高线条密度区域的CMP侵蚀
钨互连 (软材料，高抛磨速率)
氧化硅 (硬材料，低抛磨速率)
侵蚀
侵蚀带来的不完全通孔刻蚀问题
钨通孔 铝
钨通孔 LI钨
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
平坦化的 SiO2
SiO2
未平坦化的 SiO2 平坦化的 SiO2 侵蚀最初发生的地方
平坦化金属层之间淀积的ILD介质的。 氧化硅CMP的基本机理是磨料中的水与
氧化硅反应生成氢氧键，降低了氧化硅的硬 度、机械强度和化学耐久性。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的去掉。
氧化硅抛光速率受压力和运动速率的影响。
a) 未平坦化
b) 平滑
c) 部分平坦化 d) 局部平坦化 e) 全局平坦化
Figure 18.2
CMP在硅工艺中的位置
Wafer start
Unpatterned wafer
Cn (front-end)
Thin Films
Polish
Diffusion
全局平坦化
描述
台阶角度圆滑和侧壁倾斜，但高度没有显著减小. 平滑且台阶高度局部减小. 完全填充较小缝隙 (1 – 10 m) 或一个芯片内的局部区 域。硅片上相对于平整区域的总的台阶高度没有显著 减小. 局部平坦化并且整个硅片表面总的台阶高度显著减 小，又称为均匀性.
Table 18.1
平坦化的定性说明
8．CMP是一种减薄表层材料的工艺并 能去除表面缺陷；
9．不使用在干法刻蚀工艺中常用的危险 气体。
CMP技术的缺点：
1．CMP技术是一种新技术，对工艺变量 控制相对较差，并且工艺窗口窄；
2．CMP技术引入的新的缺陷将影响芯片 成品率，这些缺陷对亚0.25微米特征图形更关 键；
3. CMP技术需要开发别的配套工艺技术 来进行工艺控制和测量；
单层金属IC的表面起伏剖面
顶层
Poly n+ 金属化前氧化层 侧墙氧化层 栅氧化层
氮化硅
垫氧 ILD
n+
场氧化层
氧化硅
Metal
氧化硅 Poly Metal
p+
p+
p– 外延层
n-阱 Metal
p+ 硅衬底
多层金属化结构
非平坦化的IC剖面
平坦化的IC剖面
硅平坦化术语
平坦化类型 平滑
部分平坦化 局部平坦化
4. 昂贵的设备及运转、维护费用（经常更 换化学品和零部件）。
三．CMP的机理
有两种CMP机理可以解释是如何来进 行硅片表面平坦化的:
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 料中研磨机和研磨压力与抛光垫的相对运动 被机械地磨去。
1．氧化硅抛光: 氧化硅抛光是用来全局
平整度（DP）指的是，相对于CMP 之前的某处台阶高度，在做完CMP之后， 这个特殊台阶位置处硅片表面的平整程 度。
硅片平整度的测量
抛磨前测量
SHpre
Max Min
抛磨后测量
SiO2
衬底
SiO2
SHpost
Max Min
因此，DP与某一特殊图形有关，DP可通 过下式来计算：
DP(%) = （1—SHpost / SHpre）×100 其中，DP = 平整度
旋涂的膜层材料是有机或无机的材料，包 括光刻胶、旋涂玻璃（SOG）和多种树脂。 旋涂后的烘烤蒸发掉溶剂，留下溶质填充低 处的间隙。
淀积了ILD-2氧化层的旋涂膜层
SOG
1)
ILD-1
烘烤后的SOG
2)
ILD-1
ILD-2淀积
3)
ILD-1
16.2 化学机械平坦化
化学机械平坦化（CMP）是一种表面全局 平坦化技术，它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。
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
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
如果CMP之后测得硅片表面起伏是完全平 整的，则SHpost = 0并且DP = 100%。这意味着 CMP的平坦化是完美的。
有两种表达方法可以描述硅片的非均匀 性：片内非均匀性（WIWNU）和片间非均匀 性（WTWNU）。WIWNU用来衡量一个单独 硅片上膜层厚度的变化量，通过测量硅片上的 多个点而获得。WTWNU描述多个硅片之间的 膜层厚度的变化。
R=KPV 其中，R是抛光速率（单位时间内磨去的氧 化硅厚度） P 是所加压力 V是硅片和抛光垫的相对速度 K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
CMP 氧化硅机理
抛光垫
(1) 磨料喷嘴
(3)机械力将磨料压到硅片中
磨料
旋转
CMP系统
副产物 (5) 副产物去除
Si Si
排水管
(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，则流动性减小，传热性降低，抛 光液分布不均匀，易造成材料去除率不均匀，降低 表面质量。但在流体动力学模型中抛光液的粘度增 加，则液体薄膜最小厚度增加、液体膜在硅片表面 产生的应力增加，减少磨粒在硅片表面的划痕，从 而使材料去除增加。pH值对被抛表面刻蚀及氧化膜 的形成、磨料的分解与溶解度、悬浮度(胶体稳定 性)有很大的影响， 从而影响材料的去除率和表面 质量， 因此应严格控制。
(2) H2O & OH- 运动到硅片表面
Si(OH)4
Si
Si
(4) 表面反应和 机械磨损
Si Si Si Si Si Si
Si Si
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
SiO2 层
2．金属抛光：
金属CMP的机理与氧化硅抛光的机理 不同。磨料与金属表面接触并氧化它，例 如在铜CMP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，这一过程就这
SiO2
反刻后的形貌
SiO2
16.1.2 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，硼磷硅玻璃（BPSG） 在850°，氮气环境的高温炉中退火30分钟发生流 动，使BPSG在台阶覆盖出的流动角度大约在20度 左右， 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。