集成電路制造工藝

--先進(jìn)的平坦化技術(shù)CMP單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子教研室傳統(tǒng)的平坦化方法第六章平坦化先進(jìn)的平坦化技術(shù)CMPCMP平坦化的應(yīng)用平坦化的基本原理本章要點(diǎn)傳統(tǒng)的平坦化方法第六章平坦化先進(jìn)的平坦化技術(shù)CMPCMP平坦化的應(yīng)用平坦化的基本原理本章要點(diǎn)§6.3先進(jìn)的平坦化技術(shù)CMP1.化學(xué)：硅片表面與磨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一層相對容易去除的表面層。2.機(jī)械：這層反應(yīng)層在研磨壓力的作用下被研磨劑機(jī)械地擦去。CMP原理包含兩個(gè)方面：一.CMP平坦化的工藝原理硅片磨頭轉(zhuǎn)盤磨料磨料噴頭拋光墊向下施加力一個(gè)完整的CMP工藝流程主要由拋光、后清洗和計(jì)量測量等部分組成，其中拋光機(jī)、拋光液和拋光墊是CMP工藝的三大關(guān)鍵要素，其性能和相互匹配決定CMP能達(dá)到的表面平整水平。二.CMP的工藝過程序號特點(diǎn)1能獲得全局平坦化。2在同一次拋光過程中對平坦化多層材料有用。3各種各樣的硅片表面能被平坦化。4允許制造中采用更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則并采用更多的互連層。5能夠改善金屬臺階覆蓋；還可以去除硅片表面的缺陷。6作為一種金屬圖形制備的新方法，例如大馬士革工藝，借助CMP，解決銅布線圖形刻蝕困難的問題。7不使用危險(xiǎn)氣體，環(huán)保安全。8適合自動化大批量生產(chǎn)，提高器件的可靠性和成品率。三.CMP的特點(diǎn)—優(yōu)點(diǎn)1影響因素較多，會引入新的雜質(zhì)和缺陷，工藝難以控制2CMP技術(shù)需要開發(fā)額外的技術(shù)來進(jìn)行工藝控制和測量；3設(shè)備和消耗品費(fèi)用昂貴，維護(hù)費(fèi)用高。三.CMP的特點(diǎn)—缺點(diǎn)是指CMP拋光去除臺階的高度與拋光之前臺階的高度之比。它描述了硅片表面的起伏變化情況。SiO2襯底MinMaxSHpreMinMaxSHpost拋磨后測量拋磨前測量SiO2SHpost

越小，平整度越高，CMP效果越好。若SHpost=0，則DP=100%，表示CMP的平坦化完美。四.CMP的主要參數(shù)—平整度平整度（DP）片間非均勻性描述多個(gè)硅片之間的膜層厚度的變化。片內(nèi)非均勻性用來衡量一個(gè)單獨(dú)硅片上膜層厚度的變化量，通過測量硅片上的多個(gè)點(diǎn)而獲得拋光墊調(diào)節(jié)、下壓力分布、相對速率和硅片形狀等等。四.CMP的主要參數(shù)—均勻性片內(nèi)非均勻性片間非均勻性影響因素

磨除速率是指CMP拋光時(shí)去除表面材料的速率。一般突出部分的磨除速率更高。壓力大，磨除快沒有壓力，沒有磨除壓力大，磨除快四.CMP的主要參數(shù)—磨除速率選擇比是指在同樣的條件下對兩種無圖形覆蓋材料拋光速率的比值。選擇比=磨除材料1的速率/磨除材料2的速率通常如果需要磨除材料1，保留材料2，就必須使得磨除材料1的速率如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磨除材料2的速率，選擇比較大，選擇性就比較好。四.CMP的主要參數(shù)—選擇比CMP會引入一些新的缺陷，例如劃痕、殘留拋光液、顆粒等，產(chǎn)生的原因有很多：大的外來顆粒和硬的拋光墊容易導(dǎo)致劃痕氧化物表面劃痕里殘留的鎢可能導(dǎo)致短路不適當(dāng)?shù)南聣毫?、拋光墊老舊、拋光墊調(diào)節(jié)不恰當(dāng)，顆粒表面吸附，和拋光液干燥硅片表面的拋光液殘留導(dǎo)致沾污。四.CMP的主要參數(shù)—缺陷擦痕凹陷氮化硅拋磨終止凹陷氧化硅(硬表面，低拋磨速率)銅去除銅(軟表面，高拋磨速率)CMP技術(shù)所采用的設(shè)備主要包括：拋光機(jī)、后CMP清洗設(shè)備、拋光終點(diǎn)檢測及工藝控制設(shè)備、廢物處理和檢測設(shè)備等。拋光機(jī)是最重要的設(shè)備，它的整個(gè)系統(tǒng)是由三大部分組成：一個(gè)旋轉(zhuǎn)的硅片夾持器（拋光頭）、承載拋光墊的工作臺（拋光盤）、拋光漿料供給裝置（噴頭）五.CMP設(shè)備1.拋光機(jī)2.拋光頭磨頭是用來吸附固定硅片并將硅片壓在研磨墊上帶動硅片旋轉(zhuǎn)的裝置。在傳送和拋光過程中，磨頭常常用真空來吸住硅片。拋光墊可以貯存拋光液，并把它均勻運(yùn)送到工件的整個(gè)加工區(qū)域等作用。3.拋光墊它通常采用聚亞胺脂材料制造，類似海綿的機(jī)械特性和多孔特性，表面有特殊之溝槽，可以提高拋光的均勻性。拋光墊要求具有高平整度，高強(qiáng)度。拋光墊對比拋光墊背膜硅晶片拋光墊移動拋光墊背膜硅片拋光墊移動拋光墊使用后會產(chǎn)生變形，表面變得光滑，孔隙減少和被堵塞，使拋光速率下降，必須進(jìn)行修整來恢復(fù)其粗糙度，改善傳輸拋光液的能力，一般采用鉆石修整器來修整。拋光墊注意事項(xiàng)一個(gè)拋光墊雖不與晶圓直接接觸，但使用壽命約僅為45至75小時(shí)。如果更換拋光墊，則同時(shí)需要添加新的拋光液。拋光液的成分

4.拋光液的成分Al2O3硬度比較大，容易對硅片擦傷，多應(yīng)用于金屬CMP膠體SiO2磨料能獲得較好的表面平整度，表面刮痕數(shù)量少、尺寸小，應(yīng)用廣泛目前常用的磨料有膠體硅、SiO2、Al2O3，及CeO2等。一般由超細(xì)固體粒子研磨劑（俗稱磨料）、表面活性劑、穩(wěn)定劑、氧化劑等組成。為了能夠快速地在表面形成一層軟而脆的氧化膜，提高拋光效率和表面平整度，通常會在拋光液中加入一種或多種氧化劑，常用H2O2拋光液（特別是離子濃度大且酸堿度很高的拋光液）中還可加入適量的分散劑，使磨料顆粒之間產(chǎn)生排斥力，防止磨料聚集，保證拋光液的穩(wěn)定性。酸性拋光液常用于拋光金屬可溶性好、酸性范圍內(nèi)氧化劑較多、拋光效率高腐蝕性大，對拋光設(shè)備要求高，選擇性較差常選擇PH=4。堿性拋光液拋光非金屬材料腐蝕性小、選擇性pH最優(yōu)為10～12在弱堿性中很難找到氧化勢高的氧化劑，拋光效率較低。拋光液的分類電流CMP不適合進(jìn)行層間介質(zhì)（ILD）CMP檢測，這是因?yàn)橐Ａ纛A(yù)定的氧化層厚度，沒有能引起電流變化的材料露出來。電機(jī)控制器終點(diǎn)探測系統(tǒng)RPM設(shè)備點(diǎn)驅(qū)動電流反饋電機(jī)電流信號終點(diǎn)信號電機(jī)磨頭拋光墊時(shí)間電流W/Ti/TiNWTiN/SiO2SiO2六.終點(diǎn)檢測1.電動機(jī)電流CMP終點(diǎn)檢測光學(xué)干涉法是利用第一表面和第二表面反射形成的干涉來確定材料的厚度。以厚度測量確定終點(diǎn)。氧化硅硅硅片磨頭光至光學(xué)探測器光纖2.光學(xué)干涉法終點(diǎn)檢測3.紅外終點(diǎn)檢測紅外檢測是根據(jù)不同介質(zhì)及同種介質(zhì)不同厚度的紅外吸收和反射系數(shù)不同的原理精確的選擇平坦化終點(diǎn)。不同強(qiáng)度不同波長的紅外線包含了不同物體不同材料或者厚度的信息。因此檢測安全可靠，無需接觸，不影響工藝過程，適合在線檢測。CMP后清洗的重點(diǎn)是去除拋光工藝中帶來的所有沾污物，包括磨料顆粒、被拋光材料帶來的任何顆粒以及磨料中帶來的化學(xué)玷污物。CMP后清洗是利用帶有去離子水的機(jī)械凈化清洗器，去離子水體積越大，刷洗壓力越高，清洗效率也越高。七.CMP后清洗1.拋光壓力P

P過大時(shí)，產(chǎn)生什么后果？P較小時(shí)，產(chǎn)生什么后果？思考：八.CMP質(zhì)量的影響因素轉(zhuǎn)速指的是拋光頭上硅片的轉(zhuǎn)速、拋光墊的轉(zhuǎn)速以及二者之差（相對速度）。拋光墊的轉(zhuǎn)速通常影響研磨的整體速率；硅片的轉(zhuǎn)速則可以用以調(diào)節(jié)研磨后的整體形貌。直接影響拋光效果的重要還是他們的相對速度。如何影響？2.轉(zhuǎn)速當(dāng)溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速度加快，磨除速率提高溫度過高會引起拋光液的揮發(fā)及快速的化學(xué)反應(yīng)，使表面腐蝕嚴(yán)重，拋光不均勻。溫度過低，則會使反應(yīng)速率降低低、機(jī)械損傷嚴(yán)重。通常拋光區(qū)溫度控制在38～50℃（粗拋）和20～30℃（精拋）3.拋光區(qū)域溫度4.拋光液粘度拋光液粘度增加，則流動性減小，傳熱性降低，拋光液分布不均勻，易造成材料去除率不均勻，降低表面質(zhì)量。思考：拋光液粘度越小越好么？？5.拋光液的PH值

不同材料的拋光應(yīng)選擇不同的酸堿性溶液。6.拋光液的流速流速較小時(shí)？？流速較大時(shí)？？硅片、磨料及拋光墊三者之間的摩擦力較大，溫度升高，表面粗糙度增大，硅片表面平整度會降低；反應(yīng)速度