平坦化工艺课件

1、平坦化工艺课件平坦化工艺 李传第李传第 周天亮周天亮 陈建陈建 邓应达邓应达平坦化工艺课件概要：概要： 简单的说就是在晶片的表面保持平整平坦的工艺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，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。子器件，

2、必须进行全局平面化以满足上述要求。90年年代兴起的新型化学机械抛光技术则从加工性能和速度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。的可以提供全局平面化的技术。平坦化工艺课件一一 传统的平坦化技术传统的平坦化技术l反刻反刻l玻璃回流玻璃回流l旋涂膜层旋涂膜层平坦化工艺课件 1.1 1.1反反 刻刻l概念：由表面图形形成的表面起伏可以用一层概念：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，这一层牺

3、牲材料填充空洞和表面的行平坦化，这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。处的图形来使表面平坦化。l反刻不能实现全局的平坦化。反刻不能实现全局的平坦化。平坦化工艺课件反刻平坦化反刻平坦化平坦化工艺课件1.2玻璃回流玻璃回流l玻璃回流是在升高温度的情况下给惨杂氧化硅加热，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（使它发生流动。例如，硼磷硅玻璃（BPSGBPSG）在）在850850，氮气环境的

4、高温炉中退火氮气环境的高温炉中退火3030分钟发生流动，使分钟发生流动，使BPSGBPSG在在台阶覆盖出的流动角度大约在台阶覆盖出的流动角度大约在2020度左右，度左右， BPSGBPSG的这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。缝隙。l BPSGBPSG在图形处的回流能获得部分平坦化。在图形处的回流能获得部分平坦化。平坦化工艺课件BPSGBPSG回流平坦化回流平坦化平坦化工艺课件1.3旋涂膜层旋涂膜层l旋涂膜层是在硅片上旋涂不同的液体材料以获得平坦化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

5、技术在的一种技术，主要是层间介质。这种技术在0.35um0.35um及以及以上器件的制造中得到普遍应用。上器件的制造中得到普遍应用。l旋涂利用离心力来填充图形低处，获得表面形貌的平滑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，用表面的间隙，用CVDCVD在淀积一层氧化硅。在淀积一层氧化硅。平坦化

6、工艺课件旋涂膜层平坦化平坦化工艺课件二二 化学机械平坦化（化学机械平坦化（CMPCMP）简介）简介2.1现代科技对平坦化的要求现代科技对平坦化的要求l随着半导体工业的飞速发展，为满足现代微处随着半导体工业的飞速发展，为满足现代微处 理器和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路制造技术已经跨入0.13u um 和和300mm时代，按照美国时代，按照美国半导体工业协会半导体工业协会(SIA)提出的微电子技术发展构图，提出的微电子技术发展构图， 到到2008年，将开始使用直径年，将开始使用直径450mm 的硅片，的硅

7、片， 实现特征实现特征线宽线宽0.07u um，硅片表面总厚度变化，硅片表面总厚度变化(TTv)要求小于要求小于0.2u um， 硅片表面局部平整度硅片表面局部平整度(SFQD)要求为设计线宽要求为设计线宽的的23， 硅片表面粗糙度要求达到纳米和亚纳米级，硅片表面粗糙度要求达到纳米和亚纳米级，芯片集成度达到芯片集成度达到9000万个晶体管万个晶体管cm2等等平坦化工艺课件2.2CMP的开始的开始l常见的传统平面化技术很多，常见的传统平面化技术很多， 如热流法、旋如热流法、旋转式玻璃法、回蚀法电子环绕共振法、淀积一转式玻璃法、回蚀法电子环绕共振法、淀积一腐蚀一淀积等，腐蚀一淀积等， 这些技术在这

8、些技术在IC工艺中都曾得工艺中都曾得到应用，到应用， 但是它们都是属于局部平面化技术，但是它们都是属于局部平面化技术，不能做到全局平面化。不能做到全局平面化。l965年年Walsh和和Herzog首次提出了化学机械抛光技术首次提出了化学机械抛光技术(CMP)之后逐渐被应用起来。之后逐渐被应用起来。平坦化工艺课件CMPCMP的优点的优点平坦化工艺课件在半导体行业，在半导体行业，CMP最早应用于集成电路中基材最早应用于集成电路中基材硅片的抛光硅片的抛光 。l1990年，年，IBM 公司率先提出了公司率先提出了CMP全局平面化全局平面化技术，并于技术，并于1991年成功应用于年成功应用于64Mb的的

9、DRAM 生产中之后，生产中之后，CMP技术得到了快速发展。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的研究开发工作过去主要集中在以美国为主的联合体联合体SEMATECH，现在已发展到全球，如欧，现在已发展到全球，如欧洲联合体洲联合体JESSI、法国研究公司、法国研究公司LETI和和CNET、德国德国FRAUDHOFER研究所等，研究所等， 日本在日本在CMP方方面发展很快，并且还从事硅片面发展很快，并且还从事硅片CMP设备供应。设备供应。我国台湾和韩国也在我国台湾和韩国也在CMP方面研究较多，方面研究较多，l但我国国内在这方面研究者甚少。但我国国内在这方面研究者甚少。

10、平坦化工艺课件化学机械平坦化（化学机械平坦化（CMP)CMP)定义定义l化学机械平坦化（抛光）工艺是指去除硅片表化学机械平坦化（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，每层品率，被平坦化的硅片拥有平滑的表面，每层的厚度变化较小（表面起伏较小）。填充低的的厚度变化较小（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。部分或者是去掉高的部分是平坦化的两种方法。平坦化工艺课件化学机械平坦化（化学机械平坦化（CMP)CMP)原理原理l化学机械平坦化是一种全局的平坦化技术，是唯一能提化学

11、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。之间有磨料，并同时施加压力。CMPCMP设备也称为抛光机，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，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并面向转盘上的抛光垫lCMPCMP通过比去除低处图形块的速度去除高出图形来获得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

12、于它能精确并均匀地把硅片抛光为均匀的硅片表面，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。需要的厚度和平坦度，已称为一种最广泛的技术。平坦化工艺课件 l一般的化学机械抛光系统构造整个系统是由三一般的化学机械抛光系统构造整个系统是由三大部分组成。大部分组成。 1一个旋转的硅片夹持器一个旋转的硅片夹持器 2承载抛光垫的工作台承载抛光垫的工作台 3抛光浆料供给装置抛光浆料供给装置平坦化工艺课件化学机械平坦化的原理图平坦化工艺课件平坦化的4个术语平坦化工艺课件CMPCMP设备设备lCMPCMP是采用把一个抛光垫粘在转盘的表面来进行平坦化，在抛光的时是采用把一个抛光垫粘在

13、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l抛光垫，以适应抛光不同材料的需要。抛光垫，以适应抛光不同材料的需要。平坦化工艺课件磨头磨头l磨头（抛光头）是使硅片保持在转盘表面抛光垫的上方，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。传送合抛光过程中，磨头常常用真空来吸住硅片。平坦化工艺课件CMPCMP磨头设计磨头设计平坦化工艺课件CMPC

14、MP的平整度的平整度l硅片的平整度和均匀性的概念在描述硅片的平整度和均匀性的概念在描述CMPCMP的作用方面的作用方面很重要。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。的，反映整个硅片上膜层厚度的变化。l平整度（平整度（DPDP）是指相对于）是指相对于CMPCMP之前的某处台阶高度，之前的某处台阶高度，在做完在做完CMPCMP之后，这个特殊台阶位置处硅片表面的平之后，这个特殊台阶位置处硅片表面的平整程度。整程度。平坦化工艺课件DP=DP

15、=平整度平整度 CMPSHpostCMPSHpre之前在硅片表面的一个特殊位置，最高和最低台阶的高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。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。%100*)1 (%)SHSHprepostDP平坦化工艺课件三三 CMPCMP的机理的机理l有两种机理可以解释是如何来进行硅片表面平坦化的：有两种机理可以解释是如何来进行硅片表面平坦化的： 1 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，表面层， 2 2、这一反应生成

16、的硅片表面层通过磨料中研磨剂和研磨压、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。力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。lCMPCMP的微观作用是化学和机械作用的结合，不能使用一个完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。磨过程会损坏硅片的表面，带来沟槽和擦伤。平坦化工艺课件氧化硅抛光氧化硅抛光l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

17、平坦化金属层之间淀积的介质的。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。氧化硅抛光速率受压力和运动速率的影响。l R=KPVR=KPV 其中，其中，R R是抛光速率（单位时间内磨去的氧化硅厚度）是抛光速率（单位时间内磨去的氧化硅厚度） P P 是所加压力是所加压力 V V是硅片和抛光垫的相对速度是硅片和抛光垫的相对速度 K K与设备和工艺有关的参数，包括氧化硅的硬度、抛光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液和抛光垫等参数平坦化工艺课件l磨料中的水与氧化硅反应生成氢氧键，这种反应称磨料中的水与氧化硅反应生成氢氧键，这种反应

18、称为表面水合反应，氧化硅的表面水合降低了氧化硅为表面水合反应，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，的硬度、机械强度和化学耐久性，l在抛光过程中，在硅片表面会由于摩擦而产生热量，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。硅被磨料中的颗粒机械地去掉。平坦化工艺课件金属抛光金属抛光l金属抛光的机理与氧化硅抛光的机理不同。一个最简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，化的模型是用化学和机械研磨机理来解释金属抛

19、光，磨料与金属表面接触并氧化它。例如在铜磨料与金属表面接触并氧化它。例如在铜CMPCMP中，铜中，铜会氧化生成氧化铜和氢氧化铜，然后这层金属氧化物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，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。平坦化工艺课件金属CMP的机理平坦化工艺课件CMP主要过程变量对抛光速率和表面质量的影响l为了更好控制抛光过程，为了更好

20、控制抛光过程， 需要详细了解需要详细了解每一个每一个CMP参数所起的作用以及它们之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，机械抛光时要综合考虑上述各种因素， 进行合理优化，进行合理优化， 才能得到满意的结果。才能得到满意的结果。平坦化工艺课件(1)抛光压力抛光压力Pl 抛光压力对抛光速率和抛光表面质量影响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

21、的抛光压力会导致光速率也增加，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抛光过程中一个重要变量平坦化工艺课件(2)相对速度相对速度Vl相对速度也是抛光过程的一个重要变量，它和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。在一定抛光压力的匹配决定了抛光操作区域。在一定条件下，条件下， 相对速度增加，相对速度增加， 会引起抛光速

22、率增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、机械作用增分布不均匀、化学反应速率降低、机械作用增强，强， 从而硅片表面损伤增大，从而硅片表面损伤增大， 质量下降。但质量下降。但速度较低，速度较低， 则机械作用小，则机械作用小， 也会降低抛光速也会降低抛光速率。率。平坦化工艺课件(3)抛光区域温度抛光区域温度l一般情况下工作区温度升高，加强了抛光液化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抛光速

23、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，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佳温度值。通常抛光区温度控制在3850 (粗抛粗抛)和和2030 (精抛精抛)平坦化工艺课件(4)抛光液粘度、抛光液粘度、pH 值值l抛光液粘度影响抛光液的流动性和传热性。抛光液的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。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，但在流体动力学模型中抛光液的粘度增加， 则液体薄则液体薄膜最小厚度增加、液体膜在硅片表面产生的应力增加，膜最小厚度增加、液体膜在硅片表面产生的应力增加，减少磨粒在硅片表面的划痕，从而使材料去除增加。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