集成电路制造工艺 课件 第6章 平坦化

集成电路制造工艺

--平坦化的基本原理传统的平坦化方法第六章平坦化先进的平坦化技术CMPCMP平坦化的应用平坦化的基本原理本章要点传统的平坦化方法先进的平坦化技术CMPCMP平坦化的应用平坦化的基本原理本章要点第六章平坦化§6.1平坦化的基本原理平坦化就是一种移除表面凹凸，使晶片表面保持平整平坦的工艺。

2.平坦化的意义：集成度提高单层布线面积不够多层布线中间填充金属介电层平坦化高低起伏影响可靠性一.平坦化的基本概念1.平坦化的定义：集成电路高低不平的表面结构3.平坦化与非平坦化的对比平坦化的IC剖面非平坦化的IC剖面4.平坦化术语

未平坦化平滑处理局部平坦化全局平坦化部分平坦化谢谢！集成电路制造工艺

--传统的平坦化方法单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室传统的平坦化方法第六章平坦化先进的平坦化技术CMPCMP平坦化的应用平坦化的基本原理本章要点传统的平坦化方法第六章平坦化先进的平坦化技术CMPCMP平坦化的应用平坦化的基本原理本章要点§6.2传统平坦化方法反刻又称为回蚀、回刻。它是在表面起伏处用一层厚的介质或其它材料作为平坦化的牺牲层来填充空洞和表面的低处，然后选择合适的刻蚀方法来刻蚀这一层牺牲层，最后通过对高处的刻蚀及低处的保留来使表面平坦化。一.反刻高温回流，即在高温下利用材料具有较好的表面迁移和流动性进行低处填充。一般用于绝缘介质的平坦化。二.高温回流反刻与高温回流应用反刻可用金属层间介质的平坦化，一般实现部分平坦化或者局部平坦化高温回流高温回流适用于金属层前介质，不能用于金属层间介质，因为金属不耐高温，一般用作平滑处理或者部分平坦化。介电层金属层1.平坦化原理：A.利用类似光刻胶旋涂技术，可以把一种溶于溶剂内的介电材料填入凹槽中B.介电材料经适当的热处理后，成为一种非常近似于SiO2的物质三.旋涂玻璃法（SOG)2.平坦化工艺：涂布：转速通常在200rpm到500rpm，厚度从2000到5000固化：热垫板在80到300℃之间预固化，热炉400到450℃之间再固化ILD-1ILD-2淀积3)ILD-1SOG1)ILD-1烘烤后的SOG2)旋涂玻璃法实例谢谢！集成电路制造工艺

--先进的平坦化技术CMP单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室传统的平坦化方法第六章平坦化先进的平坦化技术CMPCMP平坦化的应用平坦化的基本原理本章要点传统的平坦化方法第六章平坦化先进的平坦化技术CMPCMP平坦化的应用平坦化的基本原理本章要点§6.3先进的平坦化技术CMP1.化学：硅片表面与磨料发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层。2.机械：这层反应层在研磨压力的作用下被研磨剂机械地擦去。CMP原理包含两个方面：一.CMP平坦化的工艺原理硅片磨头转盘磨料磨料喷头抛光垫向下施加力一个完整的CMP工艺流程主要由抛光、后清洗和计量测量等部分组成，其中抛光机、抛光液和抛光垫是CMP工艺的三大关键要素，其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平。二.CMP的工艺过程序号特点1能获得全局平坦化。2在同一次抛光过程中对平坦化多层材料有用。3各种各样的硅片表面能被平坦化。4允许制造中采用更严格的设计规则并采用更多的互连层。5能够改善金属台阶覆盖；还可以去除硅片表面的缺陷。6作为一种金属图形制备的新方法，例如大马士革工艺，借助CMP，解决铜布线图形刻蚀困难的问题。7不使用危险气体，环保安全。8适合自动化大批量生产，提高器件的可靠性和成品率。三.CMP的特点—优点1影响因素较多，会引入新的杂质和缺陷，工艺难以控制2CMP技术需要开发额外的技术来进行工艺控制和测量；3设备和消耗品费用昂贵，维护费用高。三.CMP的特点—缺点是指CMP抛光去除台阶的高度与抛光之前台阶的高度之比。它描述了硅片表面的起伏变化情况。SiO2衬底MinMaxSHpreMinMaxSHpost抛磨后测量抛磨前测量SiO2SHpost

越小，平整度越高，CMP效果越好。若SHpost=0，则DP=100%，表示CMP的平坦化完美。四.CMP的主要参数—平整度平整度（DP）片间非均匀性描述多个硅片之间的膜层厚度的变化。片内非均匀性用来衡量一个单独硅片上膜层厚度的变化量，通过测量硅片上的多个点而获得抛光垫调节、下压力分布、相对速率和硅片形状等等。四.CMP的主要参数—均匀性片内非均匀性片间非均匀性影响因素

磨除速率是指CMP抛光时去除表面材料的速率。一般突出部分的磨除速率更高。压力大，磨除快没有压力，没有磨除压力大，磨除快四.CMP的主要参数—磨除速率选择比是指在同样的条件下对两种无图形覆盖材料抛光速率的比值。选择比=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，就必须使得磨除材料1的速率如果远远大于磨除材料2的速率，选择比较大，选择性就比较好。四.CMP的主要参数—选择比CMP会引入一些新的缺陷，例如划痕、残留抛光液、颗粒等，产生的原因有很多：大的外来颗粒和硬的抛光垫容易导致划痕氧化物表面划痕里残留的钨可能导致短路不适当的下压力、抛光垫老旧、抛光垫调节不恰当，颗粒表面吸附，和抛光液干燥硅片表面的抛光液残留导致沾污。四.CMP的主要参数—缺陷擦痕凹陷氮化硅抛磨终止凹陷氧化硅(硬表面，低抛磨速率)铜去除铜(软表面，高抛磨速率)CMP技术所采用的设备主要包括：抛光机、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。抛光机是最重要的设备，它的整个系统是由三大部分组成：一个旋转的硅片夹持器（抛光头）、承载抛光垫的工作台（抛光盘）、抛光浆料供给装置（喷头）五.CMP设备1.抛光机2.抛光头磨头是用来吸附固定硅片并将硅片压在研磨垫上带动硅片旋转的装置。在传送和抛光过程中，磨头常常用真空来吸住硅片。抛光垫可以贮存抛光液，并把它均匀运送到工件的整个加工区域等作用。3.抛光垫它通常采用聚亚胺脂材料制造，类似海绵的机械特性和多孔特性，表面有特殊之沟槽，可以提高抛光的均匀性。抛光垫要求具有高平整度，高强度。抛光垫对比抛光垫背膜硅晶片抛光垫移动抛光垫背膜硅片抛光垫移动抛光垫使用后会产生变形，表面变得光滑，孔隙减少和被堵塞，使抛光速率下降，必须进行修整来恢复其粗糙度，改善传输抛光液的能力，一般采用钻石修整器来修整。抛光垫注意事项一个抛光垫虽不与晶圆直接接触，但使用寿命约仅为45至75小时。如果更换抛光垫，则同时需要添加新的抛光液。抛光液的成分

4.抛光液的成分Al2O3硬度比较大，容易对硅片擦伤，多应用于金属CMP胶体SiO2磨料能获得较好的表面平整度，表面刮痕数量少、尺寸小，应用广泛目前常用的磨料有胶体硅、SiO2、Al2O3，及CeO2等。一般由超细固体粒子研磨剂（俗称磨料）、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。为了能够快速地在表面形成一层软而脆的氧化膜，提高抛光效率和表面平整度，通常会在抛光液中加入一种或多种氧化剂，常用H2O2抛光液（特别是离子浓度大且酸碱度很高的抛光液）中还可加入适量的分散剂，使磨料颗粒之间产生排斥力，防止磨料聚集，保证抛光液的稳定性。酸性抛光液常用于抛光金属可溶性好、酸性范围内氧化剂较多、抛光效率高腐蚀性大，对抛光设备要求高，选择性较差常选择PH=4。碱性抛光液抛光非金属材料腐蚀性小、选择性pH最优为10～12在弱碱性中很难找到氧化势高的氧化剂，抛光效率较低。抛光液的分类电流CMP不适合进行层间介质（ILD）CMP检测，这是因为要保留预定的氧化层厚度，没有能引起电流变化的材料露出来。电机控制器终点探测系统RPM设备点驱动电流反馈电机电流信号终点信号电机磨头抛光垫时间电流W/Ti/TiNWTiN/SiO2SiO2六.终点检测1.电动机电流CMP终点检测光学干涉法是利用第一表面和第二表面反射形成的干涉来确定材料的厚度。以厚度测量确定终点。氧化硅硅硅片磨头光至光学探测器光纤2.光学干涉法终点检测3.红外终点检测红外检测是根据不同介质及同种介质不同厚度的红外吸收和反射系数不同的原理精确的选择平坦化终点。不同强度不同波长的红外线包含了不同物体不同材料或者厚度的信息。因此检测安全可靠，无需接触，不影响工艺过程，适合在线检测。CMP后清洗的重点是去除抛光工艺中带来的所有沾污物，包括磨料颗粒、被抛光材料带来的任何颗粒以及磨料中带来的化学玷污物。CMP后清洗是利用带有去离子水的机械净化清洗器，去离子水体积越大，刷洗压力越高，清洗效率也越高。七.CMP后清洗1.抛光压力P

P过大时，产生什么后果？P较小时，产生什么后果？思考：八.CMP质量的影响因素转速指的是抛光头上硅片的转速、抛光垫的转速以及二者之差（相对速度）。抛光垫的转速通常影响研磨的整体速率；硅片的转速则可以用以调节研磨后的整体形貌。直接影响抛光效果的重要还是他们的相对速度。如何影响？2.转速当温度升高，化学反应速度加快，磨除速率提高温度过高会引起抛光液的挥发及快速的化学反应，使表面腐蚀严重，抛光不均匀。温度过低，则会使反应速率降低低、机械损伤严重。通常抛光区温度控制在38～50℃（粗抛）和20～30℃（精抛）3.抛光区域温度4.抛光液粘度抛光液粘度增加，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。思考：抛光液粘度越小越好么？？5.抛光液的PH值

不同材料的抛光应选择不同的酸碱性溶液。6.抛光液的流速流速较小时？？流速较大时？？硅片、磨料及抛光垫三者之间的摩擦力较大，温度升高，表面粗糙度增大，硅片表面平整度会降低；反应速度较快，产生的反应产物能及时脱离表面．使得抛光表面温度相对一致，获得较好的抛光效果。但流速过大，又会破坏抛光表面平整度，降低抛光效率。7.磨粒尺寸、浓度及硬度

当磨粒尺寸、硬度、浓度增加，抛光速率增加磨粒尺寸过小则易凝聚成团，使硅片表面划痕增加硬度过大，则划痕增加，表面质量下降。磨粒浓度增加，硅片表面缺陷（划痕）增加，表面质量降低。谢谢！集成电路制造工艺

--CMP平坦化的应用单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室传统的平坦化方法第六章平坦化先进的平坦化技术CMPCMP平坦化的应用平坦化的基本原理本章要点传统的平坦化方法第六章平坦化先进的平坦化技术CMPCMP平坦化的应用平坦化的基本原理本章要点1.磨除速率

氧化硅CMP磨除速率受压力和运动速率的影响。R=KPV

R是磨除速率

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一.二氧化硅的CMP§6.4CMP平坦化的应用2.ILD层间介质CMP表5-2硅靶中各种离子的Rp,ΔRp值（单位：）3.浅沟槽隔离CMP

CVD法淀积氧化层抛光后的STI氧化层去除氮化硅采用化学机械抛光法进行平坦化P-外延层P+硅衬底P-阱n-阱123

早期的PolyCMP工艺较难达到良好的研磨速率，研磨后晶圆表面的平整度不稳定的继续进行。研磨终点的精确控制也是PolyCMP的重点。

PolyCMP要能够很低的缺陷率和掺杂物的损失。缺陷越少，则器件良率就越高。二.多晶硅CMP二.多晶硅的CMP抛光垫2）机械磨除旋转表面刻蚀和钝化3）再钝化磨料向下施加力氧化硅金属氧化硅金属氧化硅金属三.金属的CMP铜双大马士革工艺层间介质淀积，通孔刻蚀阻挡层金属淀积，CVD淀积铜种子层CMP抛光清除多余的铜铜电镀Cu的CMP第一步磨掉晶圆表面的大部分金属；第二步降低研磨速率的