第18章 化学机械平坦化资料
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第十六章 化学机械平坦化
建立器件结构和多层内连线会很自 然的在层之间形成台阶，出现不平整的 硅片表面。层数增加时，硅片的表面起 伏将更加显著，可以看到一个单层金属 IC，用以说明硅片的表面起伏。
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
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。在硅片上，可以进 行局部平坦化，也可以对包含所有芯片的 整个硅片表面进行全局平坦化。
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)IΒιβλιοθήκη D-1ILD-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。
16.1 传统的平坦化技术
16.1.1 反刻
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。
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
4. 昂贵的设备及运转、维护费用。
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
反刻平坦化
平坦化的材料
不希望的起伏
光刻胶或SOG
SiO2
反刻后的形貌
SiO2
16.1.2 玻璃回流
硼磷硅玻璃（BPSG）和其他掺杂氧化 硅早已被用做层间介质，是采用APCVD淀 积的。玻璃回流是在升高温度的情况下给掺 杂氧化硅加热，使它发生流动。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，如此就可以获得在图形周围 进行部分平坦化的方法。但是不足以满足深 亚微米IC中的多层金属布线技术的要求。
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。
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；
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。
(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
(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
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；
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。
CMP 氧化硅机理
抛光垫
(1) 磨料喷嘴
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。
建立器件结构和多层内连线会很自 然的在层之间形成台阶，出现不平整的 硅片表面。层数增加时，硅片的表面起 伏将更加显著，可以看到一个单层金属 IC，用以说明硅片的表面起伏。
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
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。在硅片上，可以进 行局部平坦化，也可以对包含所有芯片的 整个硅片表面进行全局平坦化。
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)IΒιβλιοθήκη D-1ILD-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。
16.1 传统的平坦化技术
16.1.1 反刻
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。
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
4. 昂贵的设备及运转、维护费用。
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
反刻平坦化
平坦化的材料
不希望的起伏
光刻胶或SOG
SiO2
反刻后的形貌
SiO2
16.1.2 玻璃回流
硼磷硅玻璃（BPSG）和其他掺杂氧化 硅早已被用做层间介质，是采用APCVD淀 积的。玻璃回流是在升高温度的情况下给掺 杂氧化硅加热，使它发生流动。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，如此就可以获得在图形周围 进行部分平坦化的方法。但是不足以满足深 亚微米IC中的多层金属布线技术的要求。
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。
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；
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。
(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
(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
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；
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。
CMP 氧化硅机理
抛光垫
(1) 磨料喷嘴
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。