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1、平坦化工艺,李传第 周天亮 陈建 邓应达,概要：,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。,一 传统的平坦化技术,反刻 玻璃回流 旋涂膜层,1.1反 刻,概念：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
2、一层牺牲材料填充空洞和表面的低处，然后用干法刻蚀技术来刻蚀这一层牺牲层，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。 反刻不能实现全局的平坦化。,反刻平坦化,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。 BPSG在图形处的回流能获得部分平坦化。,BPSG回流平坦化,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。
3、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。,旋涂膜层平坦化,二 化学机械平坦化（CMP）简介,2.1现代科技对平坦化的要求 随着半导体工业的飞速发展，为满足现代微处 理器和其他逻辑芯片要求，硅片的刻线宽度越来越细。集成电路制造技术已经跨入0.13um 和300mm时代，按照美国半导体工业协会(SIA)提出的微电子技术发展构图， 到2008年，将开始使用直
4、径450mm 的硅片， 实现特征线宽0.07um，硅片表面总厚度变化(TTv)要求小于0.2um， 硅片表面局部平整度(SFQD)要求为设计线宽的23， 硅片表面粗糙度要求达到纳米和亚纳米级，芯片集成度达到9000万个晶体管cm2等,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。,CMP的优点,在半导体行业，CMP最早应用于集成电路中基材硅片的抛光
5、。,1990年，IBM 公司率先提出了CMP全局平面化技术，并于1991年成功应用于64Mb的DRAM 生产中之后，CMP技术得到了快速发展。CMP的研究开发工作过去主要集中在以美国为主的联合体SEMATECH，现在已发展到全球，如欧洲联合体JESSI、法国研究公司LETI和CNET、德国FRAUDHOFER研究所等， 日本在CMP方面发展很快，并且还从事硅片CMP设备供应。我国台湾和韩国也在CMP方面研究较多， 但我国国内在这方面研究者甚少。,化学机械平坦化（CMP)定义,化学机械平坦化（抛光）工艺是指去除硅片表面不希望存留的杂质材料，从而提高器件的成品率，被平坦化的硅片拥有平滑的表面，每层
6、的厚度变化较小（表面起伏较小）。填充低的部分或者是去掉高的部分是平坦化的两种方法。,化学机械平坦化（CMP)原理,化学机械平坦化是一种全局的平坦化技术，是唯一能提供硅片全局平坦化的一种方法。他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设备也称为抛光机，在一台抛光机中，硅片放在一个硅片固定器或载片头上，并面向转盘上的抛光垫 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。,一般的化学机械抛光系统构造整个系统是由三大部分组成。 1一个旋转的硅片夹持
7、器 2承载抛光垫的工作台 3抛光浆料供给装置,化学机械平坦化的原理图,平坦化的4个术语,CMP设备,CMP是采用把一个抛光垫粘在转盘的表面来进行平坦化，在抛光的时候一个磨头装有一个硅片，大多数的生产性抛光机都是有多个转盘合 抛光垫，以适应抛光不同材料的需要。,磨头,磨头（抛光头）是使硅片保持在转盘表面抛光垫的上方，磨头向下的力和相对于转盘的旋转运动能影响均匀性，在传送合抛光过程中，磨头常常用真空来吸住硅片。,CMP磨头设计,CMP的平整度,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。平整度描述了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
8、层厚度的变化。 平整度（DP）是指相对于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=平整度,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。,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。,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
9、沟槽和擦伤。,氧化硅抛光,氧化硅抛光是半导体硅片制造中最先进和最广泛使用的平坦化工艺，是用来全局平坦化金属层之间淀积的介质的。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,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
10、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。,金属CMP的机理,CMP主要过程变量对抛光速率和表面质量的影响,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。,(
11、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。因此抛光压力是抛光过程中一个重要变量,(2)相对速度V,相对速度也是抛光过程的一个重要变量，它和抛光压力的匹配决定了抛光操作区域。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
12、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3850 (粗抛)和2030 (精抛),(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
13、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。,(5)磨粒尺寸、浓度及硬度,CMP的磨粒一般有SiO2，和Al2O 3其尺寸在 20200nm 之间。一般情况下， 当磨粒尺寸增加，抛光速率增加，但磨粒尺寸过小则易凝聚成团， 使硅片表面划痕增加； 磨粒硬度增加， 抛光速率增加， 但划痕增加， 表面质量下降。磨粒的浓度增加时，材料去除率也随之增加，但当磨粒浓度超过某一值时，材料去除率将停止增加，维持一个常数值，这种现象可称为材料去除饱和，但磨粒浓度增加， 硅片表面缺陷(划痕)增加， 表面质量降低。,结束语,虽然CMP技术发展很快，但还有很多理论和技术问题需要解决， 还有太多的理论处于假设阶段， 没有被人所证实、所认同，CMP材料去除机理还有待深入研究和理解，CMP系统过程变量必须进行优化与控制， 从而建立完善的CMP工艺，增加CMP技术的可靠性和再现性。相信不久的将来，CMP技术将会走向成熟和完善。,
