平坦化工藝2課件

平坦化工藝

李傳第周天亮陳建鄧應(yīng)達(dá)概要：

簡(jiǎn)單的說就是在晶片的表面保持平整平坦的工藝隨著半導(dǎo)體工業(yè)飛速發(fā)展，電子器件尺寸縮小，要求晶片表面可接受的分辨率的平整度達(dá)到納米級(jí)。傳統(tǒng)的平面化技術(shù)，如選擇淀積、旋轉(zhuǎn)玻璃法等，僅僅能夠局部平面化技術(shù)，但是對(duì)于微小尺寸特征的電子器件，必須進(jìn)行全局平面化以滿足上述要求。90年代興起的新型化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)則從加工性能和速度上同時(shí)滿足了硅片圖形加工的要求，是目前幾乎唯一的可以提供全局平面化的技術(shù)。一傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)反刻玻璃回流旋涂膜層反刻平坦化1.2玻璃回流玻璃回流是在升高溫度的情況下給慘雜氧化硅加熱，使它發(fā)生流動(dòng)。例如，硼磷硅玻璃（BPSG）在850°，氮?dú)猸h(huán)境的高溫爐中退火30分鐘發(fā)生流動(dòng)，使BPSG在臺(tái)階覆蓋出的流動(dòng)角度大約在20度左右，BPSG的這種流動(dòng)性能用來獲得臺(tái)階覆蓋處的平坦化或用來填充縫隙。BPSG在圖形處的回流能獲得部分平坦化。BPSG回流平坦化旋涂膜層平坦化二化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）簡(jiǎn)介2.1現(xiàn)代科技對(duì)平坦化的要求隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，為滿足現(xiàn)代微處理器和其他邏輯芯片要求，硅片的刻線寬度越來越細(xì)。集成電路制造技術(shù)已經(jīng)跨入0.13um和300mm時(shí)代，按照美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)提出的微電子技術(shù)發(fā)展構(gòu)圖，到2008年，將開始使用直徑450mm的硅片，實(shí)現(xiàn)特征線寬0.07um，硅片表面總厚度變化(TTv)要求小于0.2um，硅片表面局部平整度(SFQD)要求為設(shè)計(jì)線寬的2／3，硅片表面粗糙度要求達(dá)到納米和亞納米級(jí)，芯片集成度達(dá)到9000萬個(gè)晶體管／cm2等2.2CMP的開始

常見的傳統(tǒng)平面化技術(shù)很多，如熱流法、旋轉(zhuǎn)式玻璃法、回蝕法電子環(huán)繞共振法、淀積一腐蝕一淀積等，這些技術(shù)在IC工藝中都曾得到應(yīng)用，但是它們都是屬于局部平面化技術(shù)，不能做到全局平面化。l965年Walsh和Herzog首次提出了化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(CMP)之后逐漸被應(yīng)用起來。在半導(dǎo)體行業(yè)，CMP最早應(yīng)用于集成電路中基材硅片的拋光。1990年，IBM公司率先提出了CMP全局平面化技術(shù)，并于1991年成功應(yīng)用于64Mb的DRAM生產(chǎn)中之后，CMP技術(shù)得到了快速發(fā)展。CMP的研究開發(fā)工作過去主要集中在以美國為主的聯(lián)合體SEMATECH，現(xiàn)在已發(fā)展到全球，如歐洲聯(lián)合體JESSI、法國研究公司LETI和CNET、德國FRAUDHOFER研究所等，日本在CMP方面發(fā)展很快，并且還從事硅片CMP設(shè)備供應(yīng)。我國臺(tái)灣和韓國也在CMP方面研究較多，但我國國內(nèi)在這方面研究者甚少?；瘜W(xué)機(jī)械平坦化（CMP)定義化學(xué)機(jī)械平坦化（拋光）工藝是指去除硅片表面不希望存留的雜質(zhì)材料，從而提高器件的成品率，被平坦化的硅片擁有平滑的表面，每層的厚度變化較小（表面起伏較?。?。填充低的部分或者是去掉高的部分是平坦化的兩種方法?；瘜W(xué)機(jī)械平坦化（CMP)原理化學(xué)機(jī)械平坦化是一種全局的平坦化技術(shù)，是唯一能提供硅片全局平坦化的一種方法。他通過硅片和一個(gè)拋光頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來平坦化硅片表面，在硅片和拋光頭之間有磨料，并同時(shí)施加壓力。CMP設(shè)備也稱為拋光機(jī)，在一臺(tái)拋光機(jī)中，硅片放在一個(gè)硅片固定器或載片頭上，并面向轉(zhuǎn)盤上的拋光墊CMP通過比去除低處圖形塊的速度去除高出圖形來獲得均勻的硅片表面，由于它能精確并均勻地把硅片拋光為需要的厚度和平坦度，已稱為一種最廣泛的技術(shù)?；瘜W(xué)機(jī)械平坦化的原理圖平坦化的4個(gè)術(shù)語CMP設(shè)備CMP是采用把一個(gè)拋光墊粘在轉(zhuǎn)盤的表面來進(jìn)行平坦化，在拋光的時(shí)候一個(gè)磨頭裝有一個(gè)硅片，大多數(shù)的生產(chǎn)性拋光機(jī)都是有多個(gè)轉(zhuǎn)盤合拋光墊，以適應(yīng)拋光不同材料的需要。CMP磨頭設(shè)計(jì)CMP的平整度硅片的平整度和均勻性的概念在描述CMP的作用方面很重要。平整度描述了從微米到毫米范圍內(nèi)硅片表面的起伏變化，均勻性是在毫米到厘米尺度下測(cè)量的，反映整個(gè)硅片上膜層厚度的變化。平整度（DP）是指相對(duì)于CMP之前的某處臺(tái)階高度，在做完CMP之后，這個(gè)特殊臺(tái)階位置處硅片表面的平整程度。DP=平整度之前在硅片表面的一個(gè)特殊位置，最高和最低臺(tái)階的高度差。之后在硅片表面的一個(gè)特殊位置，最高和最低臺(tái)階的高度差。氧化硅拋光氧化硅拋光是半導(dǎo)體硅片制造中最先進(jìn)和最廣泛使用的平坦化工藝，是用來全局平坦化金屬層之間淀積的介質(zhì)的。氧化硅拋光速率受壓力和運(yùn)動(dòng)速率的影響。R=KPV其中，R是拋光速率（單位時(shí)間內(nèi)磨去的氧化硅厚度）P是所加壓力V是硅片和拋光墊的相對(duì)速度K與設(shè)備和工藝有關(guān)的參數(shù)，包括氧化硅的硬度、拋光液和拋光墊等參數(shù)磨料中的水與氧化硅反應(yīng)生成氫氧鍵，這種反應(yīng)稱為表面水合反應(yīng)，氧化硅的表面水合降低了氧化硅的硬度、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)耐久性，在拋光過程中，在硅片表面會(huì)由于摩擦而產(chǎn)生熱量，這也降低了氧化硅的硬度，這層含水的軟表層氧化硅被磨料中的顆粒機(jī)械地去掉。金屬拋光金屬拋光的機(jī)理與氧化硅拋光的機(jī)理不同。一個(gè)最簡(jiǎn)化的模型是用化學(xué)和機(jī)械研磨機(jī)理來解釋金屬拋光，磨料與金屬表面接觸并氧化它。例如在銅CMP中，銅會(huì)氧化生成氧化銅和氫氧化銅，然后這層金屬氧化物被磨料中的顆粒機(jī)械的磨掉，一旦這層氧化物去掉，磨料中的化學(xué)成分就氧化新露出的金屬表面，然后又機(jī)械地磨掉，這一過程重復(fù)進(jìn)行直到得到相應(yīng)厚度的金屬。CMP主要過程變量對(duì)拋光速率和表面質(zhì)量的影響為了更好控制拋光過程，需要詳細(xì)了解每一個(gè)CMP參數(shù)所起的作用以及它們之間微妙的交互作用。然而影響化學(xué)作用和機(jī)械作用的因素很多因此在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)要綜合考慮上述各種因素，進(jìn)行合理優(yōu)化，才能得到滿意的結(jié)果。(1)拋光壓力P

拋光壓力對(duì)拋光速率和拋光表面質(zhì)量影響很大，通常拋光壓力增加，機(jī)械作用增強(qiáng)，拋光速率也增加，但使用過高的拋光壓力會(huì)導(dǎo)致拋光速率不均勻、拋光墊磨損量增加、拋光區(qū)域溫度升高且不易控制、使出現(xiàn)劃痕的機(jī)率增加等，從而降低了拋光質(zhì)量。因此拋光壓力是拋光過程中一個(gè)重要變量(2)相對(duì)速度V相對(duì)速度也是拋光過程的一個(gè)重要變量，它和拋光壓力的匹配決定了拋光操作區(qū)域。在一定條件下，相對(duì)速度增加，會(huì)引起拋光速率增加。如果相對(duì)速度過高會(huì)使拋光液在拋光墊上分布不均勻、化學(xué)反應(yīng)速率降低、機(jī)械作用增強(qiáng)，從而硅片表面損傷增大，質(zhì)量下降。但速度較低，則機(jī)械作用小，也會(huì)降低拋光速率。(3)拋光區(qū)域溫度一般情況下工作區(qū)溫度升高，加強(qiáng)了拋光液化學(xué)反應(yīng)能力，使拋光速率增加，但由于溫度與拋光速率成指數(shù)關(guān)系，過高的溫度會(huì)引起拋光液的揮發(fā)及快速的化學(xué)反應(yīng)，表面腐蝕嚴(yán)重，因而會(huì)產(chǎn)生不均勻的拋光效果，使拋光質(zhì)量下降。但工作區(qū)溫度低，則化學(xué)反應(yīng)速率低、拋光速率低、機(jī)械損傷嚴(yán)重；因此拋光區(qū)應(yīng)有最佳溫度值。通常拋光區(qū)溫度控制在38～50℃(粗拋)和20～30℃(精拋)(4)拋光液粘度、pH值拋光液粘度影響拋光液的流動(dòng)性和傳熱性。拋光液的粘度增加，則流動(dòng)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。但在流體動(dòng)力學(xué)模型中拋光液的粘度增加，則液體薄膜最小厚度增加、液體膜在硅片表面產(chǎn)生的應(yīng)力增加，減少磨粒在硅片表面的劃痕，從而使材料去除增加。pH值對(duì)被拋表面刻蝕及氧化膜的形成、磨料的分解與溶解度、懸浮度(膠體穩(wěn)定性)有很大的影響，從而影響材料的去除率和表面質(zhì)量，因此應(yīng)嚴(yán)格控制。(5)磨粒尺寸、濃度及硬度CMP的磨粒一般有SiO2，和Al2O3其尺寸在20～200nm之間。一般情況下，當(dāng)磨粒尺寸增加，拋光速率增加，但磨粒尺寸過小則易凝聚成團(tuán)，使硅片表面劃痕增加；磨粒硬度增加，拋光速率增加，但劃痕增加，表面質(zhì)量下降。磨粒的濃度增加時(shí)，材料去除率也隨之增加，但當(dāng)磨粒濃度超過某一值時(shí)，材料去除率將停止增加，維持一個(gè)常數(shù)值，這種現(xiàn)象可稱為材料去除飽和，但磨粒濃度增加，硅片