第18章化学机械平坦化

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第18章化学机械平坦化
提纲
• 1.概述 • 2.传统的平坦化技术 • 3.化学机械平坦化 • 4.CMP应用
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第18章化学机械平坦化
1.概述
• 多层金属技术早在70年代出现，但较大的表面起 伏成为亚微米图形制作的不利因素，因为更多层 的加入使硅片表面变得不平整。
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CMP的平整度和均匀性
• 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 映整个硅片上膜层厚度的变化。
• 非均匀性分两种：片内非均匀性(WIWNUwithin-wafer nonuniformity)和片间非均匀性 (WTWNU-wafer-to-wafer nonuniformity)。
• 磨料是精细研磨颗粒和化学品的混合物，在CMP 中用来磨掉硅片表面的特殊材料。
• 氧化物磨料：用于氧化物介质的一种通用磨料是 含超精细硅胶颗粒的碱性氢氧化钾溶液，或氢氧 化铵溶液。
• 金属钨磨料：钨金属CMP的磨料是以精细氧化铝 粉末或硅胶作为研磨颗粒。
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氧化硅抛光机理
• Cook理论：
• 在基本磨料中，磨料中的水与氧化硅反应生成氢 氧键，氧化硅的表面水合作用降低了氧化硅的硬 度、机械强度和化学耐久性。
• 这层含水的软表层氧化硅被磨料中的颗粒机械地 去掉。
• 在硅片中较高的区域，局部的压力大于较低的区 域，高处的氧化硅的抛光速率 快，从而产生平坦 化。
• 用来平坦化硅片的CMP的微观作用是化学 和机械作用的结合。
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氧化硅抛光
• 氧化硅抛光是用来全局平坦化金属层之间 淀积的ILD介质的。
• 氧化硅抛光速率用Preston方程来表达：
R=kPv
• P为所加的压力；v为硅片和抛光垫的相对 速度；k为与设备和工艺有关的常数，包括 氧化硅的硬度、抛光液和抛光垫等参数。
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CMP技术的优点
能获得全局平坦化 平坦化不同的材料 平坦化多层材料表面 减小严重的表面起伏 结合大马士革工艺制作金属图形 改善金属台阶覆盖 增加IC可靠性 通过减薄表层材料减少缺陷 不使用危险气体
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• 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。
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玻璃回流(Glass reflow)
• 玻璃回流是在升高温度的情况下给掺杂氧 化硅（如BPSG）加热，使它发生流动。
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2.传统的平坦化技术
• 反刻(Etchback) • 玻璃回流(Glass reflow) • 旋涂膜层(Spin-on films)
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反刻(Etchback)
• 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 （如光刻胶或SOG）来进行平坦化，这一 层牺牲材料填充空洞和表面的低处。
• 不平整的表面难以进行图形制作，因为它受到光 学光刻中步进透镜焦距深度的限制。
• 已开发出多种平坦化技术来减少表面起伏问题， 效果最好的是80年代后期开发出的化学机械平坦 化(chemical mechanical planarization, CMP)全 局平坦化方法。
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金属抛光
• 磨料与金属表面接触并氧化它； • 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。
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CMP磨料
• CMP设备也常称为抛光机。
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Chemical mechanical polishing
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抛光材料
• Climax Engineered Materials 开发的用于 铜抛光的新材料
• Azure™ 抛光速率可 达到2μm 每分钟。
• 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。
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3.化学机械平坦化
• 化学机械平坦化(CMP－Chemical Mechanical Planarization)是一种表面全局 平坦化技术
• CMP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技术的缺点
对工艺变量控制相对较差，且工艺窗口窄 引入新的缺陷将影响芯片成品率 需要开发额外的技术（如终点检测）来进 行工艺控制和测量 昂贵的设备和消耗品费用
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第18章化学机械平坦化
CMP的机理
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• （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
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第18章化学机械平坦化
第18章化学机械平坦化
目标
• 描述平坦化 • 列举并论述三种传统平坦化工艺 • 论述化学机械平坦化，硅片平整性问题，以及
CMP优点 • 描述氧化物CMP和金属CMP中用到的磨料和抛光
垫 • 解释CMP后清洗过程 • 列举并描述7种不同的CMP应用。
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• 如BPSG在850℃，氮气环境的高温炉中退 火30分钟发生流动。
• 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，可以获得在图 形周围部分平坦化。
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第18章化学机械平坦化
旋涂膜层(Spin-on films)
• 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，主要用做层 间介质。