(第八章)化学机械平坦化解析
化学机械平坦化（CMP）论文：直接浅沟道隔离平坦化技术的研究及应用
化学机械平坦化(CMP)论文：直接浅沟道隔离平坦化技术的研究及应用【中文摘要】随着半导体技术的不断发展,器件尺寸越来越小,因而对于器件间的隔离性能的要求也越来越高。
进入到0.35μm及以下工艺以后,LOCOS(Local Oxidation of Silicon)工艺因其种种局限无法满足要求,进而产生了浅沟道隔离(STI)技术。
而化学机械平坦化(CMP)技术是当今半导体制造中形成浅沟道隔离(STI)的关键技术。
对STI的平坦化,基于CMP对不同密度图形研磨均匀性的考虑,传统的浅沟道隔离平坦化(STI CMP)工艺已经无法满足要求。
直接浅沟道隔离平坦化(DSTI CMP)工艺由于使用了高选择比的二氧化铈研磨液,具有更好的片内平整度(Within wafer uniformity)和更小的碟形化程度,从而成为了0.18微米及以下高端工艺的主流技术。
本文在介绍了化学机械平坦化及STI CMP的基本原理的基础上,能通过对传统浅沟道隔离平坦化与直接浅沟道隔离平坦化的比较,来分析阐述它们各自的优缺点和DSTI CMP的必要性。
由于DSTI CMP的基础在于二氧化铈研磨液的使用,为建立DSTI CMP工艺系统,必须先选择研磨液。
我们将通过实验来比较三种不同二氧化铈研磨液在实验片上的研磨性能,选择具有较好性能的研磨液,并以此研磨液建立可应用于0.18μm及以下工艺的双步DSTI CMP工艺系统。
双步DSTI CMP工艺系统应用到产品生产线后,晶片表面薄膜的厚度更加稳定,均匀度更好,碟形化程度也得到很大改善,使得产品的良率得到了大幅度的提高。
通过对该系统在研磨终点和研磨程序上的优化设计和应用,来提高工艺的稳定性和准确度,降低工艺成本,并增加工艺产能。
【英文摘要】With the continuous development of semiconductor technology, devices get smaller, so the isolation between the device performance requirements has become more strictly. Into 0.35μm and below technology, LOCOS (Local Oxidation of Silicon) technology cannot meet the requirements of its various limitations, which resulted in a shallow trench isolation (STI) technology. The chemical mechanical planarization (CMP) in semiconductor manufacturing technology is today the formation of shallow trench isolation (STI) of the key technologies. For STI planarization, CMP-based polishing consider different density graphics uniformity, traditional shallow trench isolation planarization (STI CMP) process has been unable to meet the requirements. Direct shallow trench isolation planarization (DSTI CMP) process due to the use of high selectivity of ceria slurry, it has a better chip flatness (Within wafer uniformity) and the smaller the degree of the dishing, thereby it becomes the mainstream technology of 0.18μm level and below the high-end process.This paper describes that chemical mechanical planarization and STI CMP on the basis of the basic principles, through thetraditional shallow trench solation planarization and direct shallow trench isolation planarization compared to analyze and explain their advantages and disadvantages, and the necessaryof DSTI CMP.As DSTI CMP is based on the use of ceria slurry forthe establishment DSTI CMP process, we must firstly select the slurry. We will experiment to compare three different ceria slurries in test wafer polishing performance, and then choosea better performance of the slurry, and this slurry can be usedto establish the two-step process in 0.18μm and below DSTI CMP process system. After two-step DSTI CMP process applied to the production line, the wafer surface film thickness is more stable; uniformity is better; the degree of the dish has also been greatly improved, thereby the product yield has been greatly improved. Through the optimal design and applicationson polishing endpoint and procedures, the process stability and accuracy improved, technology costs reduced and process capacity increased.【关键词】化学机械平坦化(CMP) 浅沟道隔离(STI) 研磨液直接浅沟道隔离平坦化(DSTI CMP) 蝶形化【英文关键词】Chemical Mechanical Planarization (CMP) Shallow Trench Isolation (STI) Slurry Direct Shallow Trench Isolation Planarization (DSTI CMP)Dishing【目录】直接浅沟道隔离平坦化技术的研究及应用摘要4-5ABSTRACT5第一章绪论14-29 1.1 集成电路概述14-15 1.2 化学机械平坦化（CMP）概述15-27 1.2.1 CMP 的原理16-19 1.2.2 CMP 的优点及必要性19-22 1.2.3 研磨液的种类22-24 1.2.4 CMP 的研磨机理及应用24-27 1.3 本文的研究目的与内容27-29第二章传统STI CMP 与DSTI CMP 工艺技术对比分析29-40 2.1 STI CMP 与DSTI CMP 工艺技术简介29-31 2.1.1 浅沟道隔离（STI）的工艺流程30-31 2.2 传统STI CMP 工艺31-35 2.2.1 传统STI CMP 工艺流程31-34 2.2.2 传统STI CMP 工艺的优缺点分析34-35 2.3 直接浅沟道隔离平坦化（DSTI CMP）工艺35-38 2.3.1 DSTI CMP 工艺流程35-37 2.3.2 DSTI CMP 工艺的优缺点分析37-38 2.4 传统STI CMP 工艺与DSTI CMP 工艺的对比分析38-39 2.5 本章小结39-40第三章不同二氧化铈研磨液研磨效果的对比分析40-50 3.1 CeO_2 研磨液的选择40-41 3.2 实验条件的设计41-46 3.2.1 实验设备41-43 3.2.2 实验材料43-44 3.2.3 实验方法44-46 3.3 实验结果及讨论46-49 3.3.1 晶片表面薄膜厚度的对比分析46 3.3.2 晶片表面薄膜不平整度（Non Uniformity，NU%）的对比分析46-47 3.3.3 晶片表面缺陷（Defect）的对比分析47 3.3.4 蝶形化程度（Dishing）的对比分析47 3.3.5 最终台阶高度（Final Step Height）的对比分析47-49 3.4 本章小结49-50第四章双步DSTI CMP 工艺的工程应用50-58 4.1 双步DSTI CMP 工艺的流程及原理50-52 4.2 双步DSTI CMP 工艺在产品生产中的应用研究52-56 4.2.1 研磨液供应系统的设计52-54 4.2.2 双步工艺时间的确定54-56 4.3 双步DSTI CMP 工艺的工程应用效果验证56-57 4.4 本章小结57-58第五章双步DSTI CMP 工艺的优化研究58-71 5.1 双步DSTI CMP 工艺研磨终点的优化设计58-63 5.1.1 背景分析58-59 5.1.2 实验方案设计59-61 5.1.3 实验结果与讨论61-63 5.2 双步DSTI CMP 工艺产能的优化设计63-69 5.2.1 背景分析63-65 5.2.2 实验方案设计65-66 5.2.3 实验结果与讨论66-69 5.3 本章小结69-71第六章总结与未来展望71-74 6.1 总结71-72 6.2 CMP 工艺技术的展望72-74致谢74-75参考文献75-77【备注】索购全文在线加好友QQ：139938848同时提供论文写作一对一指导和论文发表委托服务。
化学机械平坦化
抛光过程
• 抛光主要分两步过程： 1）：主要是去除材料的步骤； 2）：只用去离子水（或特殊磨料）的研磨过程 （主要原因是为了消除表面上微小的擦痕和 颗粒，是为进行CMP后清洗工艺做准备）
图形密度效应
相应的平坦化的电路图
Si衬底
第2层保护膜 第1层保护膜 第2层金属布线 层间绝缘膜2 层间接触通孔（金属） 第1层金属布线 层间绝缘膜1 淀积接触孔（金属） 金属布线 场氧区
侧壁氧化绝缘膜 栅极氧化绝缘膜
对比
Si衬底
Si衬底
硅片平坦化术语
1~10微米范围
化学机械平坦化的平整度
DP（%）＝（１－SHpost/SHpre）x100 SHpre:CMP之后某处最高和最低台阶的高度差 SHpost: CMP之前某处最高和最低台阶的高度差
抛光垫
化学机械平坦化设备
化学机械平坦化设备
终点检测 (电机电流终点检测)
摩擦力 的变化 使电机 电流发 生变化
终点检测 (光学终点检测)
基于光的反 射系数，光 从膜层上反 射的不同角 度与膜层材 料的厚度有 关.
光学终点检 测测量到从 抛光膜层反 射过来的光 线之间的干 涉图形.
膜头设计
平整度是描述从微米到毫米范围内的硅片表面的起伏变化
传统的平坦化技术 反刻
如SOG:80%的溶剂和20%的氧化硅
传统的平坦化技术 玻璃回流
在850度,氮气环境中退火30分钟,使BPSG在台阶覆盖处流动,能够实现部 分平坦化,不能满足深亚微米多层布线的技术要求
传统的平坦化技术 旋涂膜层
如SOG:80%的溶剂和20%的氧化硅
化学机械抛光CMP技术概述
◼ 而且，CMP之后硅片表面留下的划痕可能聚集金属， 这很难在标准的等离子体腐蚀液中去除。这些嵌 入的充满金属的划痕有时叫做轨道，并且会造成 以后金属线的短路。在钨CMP工艺中经常会发生， 因为表面的钨一直去除到层间氧化层，而钨仅在 通孔中存在。一旦钨被全部去除，硬的氧化铝颗 粒会严重划伤二氧化硅表面。钨CMP后的清洗相当 难，因为在典型工艺条件下钨颗粒上有的大的静 电电位。一个稀释(100：1)氢氟酸清洗可用来去 除许多更小的金属颗粒和留下的表面损伤。
◼ 平坦化的定性说明
4）局部平坦化：完全填充较小缝隙或局部区域。 相对于平整区域的总台阶高度未显著减小
5）全局平坦化：局部平坦化且整个Si片表面总台阶高 度显著减小
◼ 化学机械平坦化CMP
获取全局平坦化的一种手段是化学机械抛光(简称CMP)。这些设备的销 售从1990年到1994年上升了三倍，从1994年到1997年上升了四倍。尽管 最初它只是开发用于互连平坦化，今天它也用于像器件隔离这些工艺。 在微电子制造的早期，最普遍的生产工艺是，先做一层厚的介质层，通 常是使用旋涂或CVD法生长技术在器件表面形成一层玻璃，然后将硅片放 在一种包含有胶质的磨料悬浮液和腐蚀剂的碱性膏剂中机械研磨。KOH和 NaOH是最常用的悬浮液的基体。典型的pH值大约是10，维持这个值，以 便保持硅石颗粒的负向充电，便于避免形成大量的冻胶网状物。有时使 用一种pH缓冲剂用于保证工艺的稳定性。所用颗粒的尺寸通常取决于所 要求的去除速率。抛光膏剂之中的固态成分保持在(12~30)％。
◼ 对铜的化学机械抛光特别有趣，因为铜具有低的 电阻率并且用等离子体特别难以刻蚀。所以铜的 图形能够通过一种被称为Damascene工艺的CMP技 术形成。铜可以在一种包含有直径为几百个纳米 的颗粒的水状溶剂之中被抛光。典型的膏剂包含 有铵氢氧化物，醋酸，双氧水，可获得高达每分 钟1600nm的抛光速率。与钨不同，铜是一种软金 属。机械效应在抛光过程中具有重大的影响。现 已发现抛光速率与所加压力和相对线速度呈正比。 盘的状况和压力应用机理对铜的CMP尤其重要。
第八章金属化与平坦化
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金属化ห้องสมุดไป่ตู้
集成电路的各个组件制作完成后，需要按照设计要 求将这些组件进行相应的连接以形成一个完整的电路 系统，并提供与外电路相连接的接点，完成此项任务 的就是金属布线。
金属化就是在组件制作完成的器件表面淀积金属薄 膜，金属线在IC中传导信号，介质层则保证信号不受 临近金属线的影响。
对于多层电极系统，由于铜具有更低的电阻率，已在 逐步取代铝成为主要的互连金属材料。
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金属填充塞
多层金属布线使得金属化系统中出现很多通孔，为了 保证两层金属间形成电通路，这些通孔需要用金属塞来 填充。用于制作栓塞的材料有很多种，但实用性较高， 且已被集成电路制造广泛应用的是钨塞和铝塞。
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化学机械平坦化
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金属化工艺的作用
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金属铝互连
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金属铝互连
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金属铝互连
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金属铝互连系统中的失效与改进
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金属铜互连
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金属铜互连
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金属铜互连
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铜大马士革
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铝互连&铜互连
最早用于集成电路制造的金属就是铝，室温下，铝的 电阻率比铜、金、银的电阻率稍高，但是由于铜和银比较 容易腐蚀，在硅和二氧化硅中的扩散率太高，这些都不利 于它们用于集成电路的制造；另外，金和银的成本比铝高， 而且与二氧化硅的粘附性不好，所以，也不常用。铝则能 很容易的淀积在wafer上，而且刻蚀时分辨率较高，所以， 铝作为首选金属用于金属化。
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旋涂膜层平坦化
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化学机械平坦化（CMP）
传统的平坦化方法都只是局部化的平坦，如果是整 个平面的介电层平坦则通常采用化学机械抛光法来完成。
化学机械平坦化
CMP毛刷的化学药品传输
CMP应用
STI填充氧化硅CMP
CMP平坦化前后的氧化硅层
ILD氧化层抛光
1、列举平坦化的类型 2、列举并论述硅片平坦化中用到的4个术语 3、列举并描述三种传统的平坦化方法 4、列举CMP的优点 5、叙述用于解释CMP平坦化表面方式的两种机理 6、CMP清洗的重点是什么
反刻平坦化
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。 BPSG在图形处的回流能获得部分平坦化。
CMP磨头设计
CMP清洗
CMP清洗的重点是去除抛光工艺中带来的所有玷污物，这 些玷污物包括磨料颗粒、被抛光材料带来的任何颗粒以及 磨料中带来的化学玷污物。 CMP清洗从最初的用去离子水进行兆声波清洗，发展到用 双面洗擦毛刷和去离子水对硅片进行物理洗擦，毛刷转动 并压在硅片表面，机械地去除颗粒。然而对于用双面洗擦 毛刷和只用去离子水进行清洗而言，毛刷很快就被颗粒玷 污了，一个被颗粒玷污的毛刷很容易把颗粒传给别的硅片， 为了解决毛刷玷污的问题，CMP清洗通常使用带有稀释的 氢氧化胺毛刷，这些氢氧化胺会流过毛刷中心，对毛刷进 行冲洗。
磨料中的水与氧化硅反应生成氢氧键，这种反应称为表面 水合反应，氧化硅的表面水合降低了氧化硅的硬度、机械 强度和化学耐久性，在抛光过程中，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地去掉。
金属抛光
金属抛光的机理与氧化硅抛光的机理不同。一个 最简化的模型是用化学和机械研磨机理来解释金 属抛光，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的磨掉，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，然后又机械地磨掉，这一过程 重复进行直到得到相应厚度的金属。
化学机械平坦化
化学机械平坦化（重定向自化学机械抛光）化学机械平坦化（英语：Chemical-Mechanical Planarization, CMP），又称化学机械研磨（Chemical-Mechanical Polishing），是半导体器件制造工艺中的一种技术，使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理。
背景化学机械平坦化工作原理CMP技术早期主要应用于光学镜片的抛光和晶圆的抛光。
20世纪70年代，多层金属化技术被引入到集成电路制造工艺中，此技术使芯片的垂直空间得到有效的利用，并提高了器件的集成度。
但这项技术使得硅片表面不平整度加剧，由此引发的一系列问题（如引起光刻胶厚度不均进而导致光刻受限）严重影响了大规模集成电路（ULSI）的发展。
针对这一问题，业界先后开发了多种平坦化技术，主要有反刻、玻璃回流、旋涂膜层等，但效果并不理想。
80年代末，IBM公司将CMP技术进行了发展使之应用于硅片的平坦化，其在表面平坦化上的效果较传统的平坦化技术有了极大的改善，从而使之成为了大规模集成电路制造中有关键地位的平坦化技术。
工艺描述化学机械平坦化是表面全局平坦化技术中的一种，既可以认为是化学增强型机械抛光也可以认为是机械增强型湿法化学刻蚀。
该工艺使用具有研磨性和腐蚀性的磨料，并配合使用抛光垫和支撑环。
抛光垫的尺寸通常比硅片要大。
抛光垫和硅片被一个可活动的抛光头压在一起，而塑料的支撑环则用于保持硅片的位置。
硅片和抛光垫同时转动（通常是以相反的方向转），但是它们的中心并不重合。
在这个过程中硅片表面的材料和不规则结构都被除去，从而达到平坦化的目的。
平面化后的硅片表面使得干法刻蚀中的图样的成型更加容易。
平滑的硅片表面还使得使用更小的金属图样成为可能，从而能够提高集成度。
工作机理化学机械平坦化是在机械抛光的基础上根据所要抛光的表面加入相应的化学添加剂从而达到增强抛光和选择性抛光的效果。
氧化硅抛光氧化硅抛光主要被应用于平坦化金属层间淀积的层间介质（ILD），其基本机理是Cook理论。
化学机械平坦化
化学机械平坦化应用
ILD氧化硅抛光
1 ILD-1 oxide deposition 2 Oxide CMP 3 ILD-1 oxide etch
ILD-1 LI oxide
n-well p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
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p-well
化学机械平坦化应用
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。
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化学机械平坦化机理
向下施加力 磨头 硅片 磨料 转盘
抛光垫
磨料喷头
化学机械平坦化的原理图
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化学机械平坦化机理
研磨速率Preston公式：R=kPv
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 钨通孔 铝 钨通孔 LI钨 SiO2 平坦化的 SiO2 侵蚀最初发生的地方 未平坦化的 SiO2 平坦化的 SiO2
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金属CMP的机理
大图形中的CMP凹陷
氮化硅抛磨终止 铜去除
凹陷
氧化硅 (硬表面，低 抛磨速率)
双大马士革铜抛光
2 Cu deposition
Tantalum Nitride Copper
1 Ta deposition
3 Cu/Ta/nitride/oxide CMP
Oxide
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Summary
CMP技术的特点： Байду номын сангаасMP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。
(第八章)化学机械平坦化
CMP技术的缺点 1. 新技术，工艺窗口窄，工艺变量控制相对较差。
2. 厚度及均匀性的控制比较困难加强终点检测。
3. 设备昂贵。
第二十页，编辑于星期五：二十三点 十二分。
* 侵蚀
钨互连 (软材料、高磨抛速率)
侵蚀
Oxide (硬材料、低磨抛速率)
在高线条密度区域的CMP 侵蚀
STI 氧化硅抛光
第二十四页，编辑于星期五：二十三点 十二分。
LI 氧化硅抛光
第二十五页，编辑于星期五：二十三点 十二分。
LI 钨抛光
第二十六页，编辑于星期五：二十三点 十二分。
钨塞抛光
第二十七页，编辑于星期五：二十三点 十二分。
ILD 氧化硅抛光
第二十八页，编辑于星期五：二十三点 十二分。
抛磨前测量
Max
SHpre Min
SiO2
SiO2
Substrate
抛磨后测量 SHpost
Max Min
平整度(DP) ：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。
DP%1SSH Hpporset
100
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 （厚度变化）
5）全局平坦化：局部平坦化且整个Si片表面总台阶高 度显 著减小
第五页，编辑于星期五：二十三点 十二分。
8.2 传统的平坦化技术
传统的平坦化技术 1. 反刻 2. 玻璃回流 3. 旋涂膜层
第六页，编辑于星期五：二十三点 十二分。
1. 反刻（回蚀）
在表面起伏的硅片上涂上一层光刻胶或其它材料做为平坦化 的牺牲层，然后利用比低处图形快的刻蚀速率刻蚀高处部 分的过程称为反刻（也称为回蚀）。反刻能达到局部平坦 化。
清华大学 集成电路制造工艺 王水弟 课件第8章平坦工艺-1
Si
多晶硅
铝引线
多晶硅线条
溅射铝
光刻后实际效果
涂光刻胶
在侧壁陡直的台阶上淀积薄膜，如果薄膜 厚度比台阶低，就会造成断线。 淀积的薄膜 SiO2
衬底
溅射的薄膜厚度必须高于台阶的高度
淀积的薄膜
SiO2
衬底
如果下面的线条侧壁倾角越小， 就越不容易断线。
Si
Si
8.2 场氧化层的平坦化
场区SiO2
60克SiO2的体积是27.27 cm3 Si与SiO2的高度比是12.017 ︰ 27.27 = 1 ︰ 2.27
8.3 平坦化工艺
● 反刻法
Poly-Si
Si Si
SiO2
淀积SiO2
Si Si
Poly-Si
光刻胶
涂光刻胶
Si Si
Poly-Si
干法刻蚀
Si Si
Poly-Si
刻蚀时，由于多晶硅线条上面的光刻胶较薄，因 此那里的光刻胶很快被刻掉而露出SiO2。
APCVD 填STI (Shield Trench Insulator)
பைடு நூலகம்
世界上第一个90nm 72Mbit QDR SRAM样品 （ Cypress 2004）
IC制造工艺中出现的表面不平整形貌种类 脱层（delamination） 划痕（scratch） 凹坑（dishing） 杂质（contamination） 侵蚀（erosion） 去除这些不平整形貌，必须采用CMP 设备进行研磨、抛光，然后清洗、烘干。
CMP 装置示意图
圆片吸盘
浆液 研磨垫
硅圆片
● 没有平面化的Al 引线工艺
Al
光刻电极孔 Al淀积并光刻 光刻电极孔 淀积 TiN后 淀积W
平坦化工艺
CMP通过比去除低处图形块的速度去除高出图形来获 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，已称为一种最广泛的技术。
BPSG在图形处平坦化
1.3旋涂膜层
旋涂膜层是在硅片上旋涂不同的液体材料以获得平坦化 的一种技术，主要是层间介质。这种技术在0.35um及 以上器件的制造中得到普遍应用。
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 液的化学组份、分子重量以及粘滞度。旋涂后烘烤蒸发 掉溶剂，留下氧化硅填充低处的间隙。为了进一步填充 表面的间隙，用CVD在淀积一层氧化硅。
三 CMP的机理
有两种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剂和研磨压 力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。
CMP的微观作用是化学和机械作用的结合，不能使用一个 完全的机械过程，如用砂纸来磨一块板子，因为这样一个研 磨过程会损坏硅片的表面，带来沟槽和擦伤。
2.2CMP的开始
常见的传统平面化技术很多， 如热流法、旋 转式玻璃法、回蚀法电子环绕共振法、淀积一 腐蚀一淀积等， 这些技术在IC工艺中都曾得 到应用， 但是它们都是属于局部平面化技术， 不能做到全局平面化。l965年Walsh和 Herzog首次提出了化学机械抛光技术(CMP) 之后逐渐被应用起来。
18-化学机械平坦化解析
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.
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。
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 磨料 (3)机械力将磨料压到硅片中 旋转 副产物 (5) 副产物去除
Si Si Si Si
CMP系统
排水管
(2) H2O & OH- 运动到硅片表面
Si(OH)4
(4) 表面反应和 机械磨损
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。
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传统的平坦化技术
1. 反刻
2. 玻璃回流
3. 旋涂膜层
1. 反刻（回蚀） 在表面起伏的硅片上涂上一层光刻胶或其它材料做
为平坦化的牺牲层，然后利用比低处图形快的刻蚀
速率刻蚀高处部分的过程称为反刻（也称为回蚀）。
反刻能达到局部平坦化。
1. 反刻（回蚀）
反刻平坦化
反刻平坦化扫描电镜图像
2. 玻璃回流 玻璃回流是利用硼磷硅玻璃（BPSG）在高温
平坦化的定性说明
1）未平坦化
2）平滑：台阶角度圆滑和侧壁倾斜，台阶高度未减小
3）部分平坦化：平滑且台阶高度局部减小
平坦化的定性说明
4）局部平坦化：完全填充较小缝隙或局部区域。 相对于平整区域的总台阶高度未显著减小
5）全局平坦化：局部平坦化且整个Si片表面总台阶高 度显著减小
8.2 传统的平坦化技术
8.4 CMP的应用
STI 氧化硅抛光 LI 氧化硅抛光 LI 钨抛光 ILD 氧化硅抛光 钨塞抛光 双大马士革铜抛光
STI 氧化硅抛光
LI 氧化硅抛光
LI 钨抛光
钨塞抛光
ILD 氧化硅抛光
双大马士革铜抛光
本章习题
书中第18章：3、12
第八章 化学机械平坦化
8.1 引 言
硅片的表面起伏问题
在集成电路制造技术发展过程中，遇到了硅片的表 面起伏（即不平坦）这个非常严重的问题，它使亚 微米光刻无法进行，表面起伏使光刻胶的厚度不均、 超出光刻机的焦深范围，无法实现亚微米线宽的图 形转移。
硅片的表面起伏问题
单层金属IC的表面起伏
20世纪90年代中期，CMP成为多层金属化深亚微 米集成电路工艺的主要平坦化技术。
没有CMP就没有ULSI芯片。
CMP是表面全局平坦化技术。
CMP系统属于超精密设备， CMP技术平坦化后 的台阶高度可控制到50Å左右。
CMP的原理图
CMP的机理 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，这一表面层通过磨料中的研磨剂和研 磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。CMP的
8.3 化学机械平坦化
化学机械平坦化CMP
（Chemical Mechanical Planarization）也称为化学机 械抛光CMP（Chemical Mechanical Polish）是通过 化学反应和机械研磨相结合的方法对表面起伏的硅 片进行平坦化的过程。
20世纪80年代后期，IBM开发了CMP用于半导体硅片 平坦化。
微观作用是化学和机械作用的结合。
CMP的平整度
抛磨前测量 SHpre Max Min SiO2 SiO2 Substrate Min 抛磨后测量
SHpost
Max
平整度(DP) ：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。
SH post DP % 1 SH pre 100
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（厚度变化） 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
CMP技术的优点
1. 全局平坦化，台阶高度可控制到50Å左右 2. 平坦化不同的材料 3. 平坦化多层材料 4. 减小严重表面起伏
5. 能配合制作金属图形（大马士革工艺）
6. 改善金属台阶覆盖
7. 减少缺陷
8. 不使用危险气体
CMP技术的缺点
1. 新技术，工艺窗口窄，工艺变量控制相对较差。
2. 厚度及均匀性的控制比较困难加强终点检测。
3. 设备昂贵。
* 侵蚀
钨互连 (软材料、高磨抛速率) Oxide (硬材料、低磨抛速率) 侵蚀
在高线条密度区域的CMP 侵蚀
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。
Tungsten via Aluminum Tungsten via LI tungsten Unplanarized SiO2 Planarized SiO2
SiO2
Planarized SiO2
侵蚀最初发生的地方
侵蚀带来的不完全通孔刻蚀问题
* 凹陷
氮化硅磨抛终止
凹陷
铜去除
Oxide (硬表面 ，低磨抛速率) Copper (软表面，高磨抛速率)
（通常为850℃左右）的流动性进行的平坦化过
程。玻璃回流只能达到部分平坦化，它不能满足
亚微米IC中的多层金属布线技术的要求。
2. 玻璃回流
BPSG回流平坦化
3. 旋涂膜层 通过在表面起伏的硅片上旋涂液体层间介质材料
获得平坦化的技术。旋涂膜层技术在0.35μm及以
上器件的制造中应用普遍。