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文檔簡介
平坦化工藝
李傳第周天亮陳建鄧應達概要:
簡單的說就是在晶片的表面保持平整平坦的工藝隨著半導體工業飛速發展,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到納米級。傳統的平面化技術,如選擇淀積、旋轉玻璃法等,僅僅能夠局部平面化技術,但是對于微小尺寸特征的電子器件,必須進行全局平面化以滿足上述要求。90年代興起的新型化學機械拋光技術則從加工性能和速度上同時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。一傳統的平坦化技術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,使它發生流動。例如,硼磷硅玻璃(BPSG)在850°,氮氣環境的高溫爐中退火30分鐘發生流動,使BPSG在臺階覆蓋出的流動角度大約在20度左右,BPSG的這種流動性能用來獲得臺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機械平坦化(CMP)簡介2.1現代科技對平坦化的要求隨著半導體工業的飛速發展,為滿足現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。集成電路制造技術已經跨入0.13um和300mm時代,按照美國半導體工業協會(SIA)提出的微電子技術發展構圖,到2008年,將開始使用直徑450mm的硅片,實現特征線寬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)要求為設計線寬的2/3,硅片表面粗糙度要求達到納米和亞納米級,芯片集成度達到9000萬個晶體管/cm2等2.2CMP的開始
常見的傳統平面化技術很多,如熱流法、旋轉式玻璃法、回蝕法電子環繞共振法、淀積一腐蝕一淀積等,這些技術在IC工藝中都曾得到應用,但是它們都是屬于局部平面化技術,不能做到全局平面化。l965年Walsh和Herzog首次提出了化學機械拋光技術(CMP)之后逐漸被應用起來。在半導體行業,CMP最早應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,并于1991年成功應用于64Mb的DRAM生產中之后,CMP技術得到了快速發展。CMP的研究開發工作過去主要集中在以美國為主的聯合體SEMATECH,現在已發展到全球,如歐洲聯合體JESSI、法國研究公司LETI和CNET、德國FRAUDHOFER研究所等,日本在CMP方面發展很快,并且還從事硅片CMP設備供應。我國臺灣和韓國也在CMP方面研究較多,但我國國內在這方面研究者甚少?;瘜W機械平坦化(CMP)定義化學機械平坦化(拋光)工藝是指去除硅片表面不希望存留的雜質材料,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?。ū砻嫫鸱^?。?。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機械平坦化(CMP)原理化學機械平坦化是一種全局的平坦化技術,是唯一能提供硅片全局平坦化的一種方法。他通過硅片和一個拋光頭之間的相對運動來平坦化硅片表面,在硅片和拋光頭之間有磨料,并同時施加壓力。CMP設備也稱為拋光機,在一臺拋光機中,硅片放在一個硅片固定器或載片頭上,并面向轉盤上的拋光墊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?;瘜W機械平坦化的原理圖平坦化的4個術語CMP設備CMP是采用把一個拋光墊粘在轉盤的表面來進行平坦化,在拋光的時候一個磨頭裝有一個硅片,大多數的生產性拋光機都是有多個轉盤合拋光墊,以適應拋光不同材料的需要。CMP磨頭設計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硅片表面的起伏變化,均勻性是在毫米到厘米尺度下測量的,反映整個硅片上膜層厚度的變化。平整度(DP)是指相對于CMP之前的某處臺階高度,在做完CMP之后,這個特殊臺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特殊位置,最高和最低臺階的高度差。之后在硅片表面的一個特殊位置,最高和最低臺階的高度差。氧化硅拋光氧化硅拋光是半導體硅片制造中最先進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的。氧化硅拋光速率受壓力和運動速率的影響。R=KPV其中,R是拋光速率(單位時間內磨去的氧化硅厚度)P是所加壓力V是硅片和拋光墊的相對速度K與設備和工藝有關的參數,包括氧化硅的硬度、拋光液和拋光墊等參數磨料中的水與氧化硅反應生成氫氧鍵,這種反應稱為表面水合反應,氧化硅的表面水合降低了氧化硅的硬度、機械強度和化學耐久性,在拋光過程中,在硅片表面會由于摩擦而產生熱量,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械地去掉。金屬拋光金屬拋光的機理與氧化硅拋光的機理不同。一個最簡化的模型是用化學和機械研磨機理來解釋金屬拋光,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械的磨掉,一旦這層氧化物去掉,磨料中的化學成分就氧化新露出的金屬表面,然后又機械地磨掉,這一過程重復進行直到得到相應厚度的金屬。CMP主要過程變量對拋光速率和表面質量的影響為了更好控制拋光過程,需要詳細了解每一個CMP參數所起的作用以及它們之間微妙的交互作用。然而影響化學作用和機械作用的因素很多因此在進行化學機械拋光時要綜合考慮上述各種因素,進行合理優化,才能得到滿意的結果。(1)拋光壓力P
拋光壓力對拋光速率和拋光表面質量影響很大,通常拋光壓力增加,機械作用增強,拋光速率也增加,但使用過高的拋光壓力會導致拋光速率不均勻、拋光墊磨損量增加、拋光區域溫度升高且不易控制、使出現劃痕的機率增加等,從而降低了拋光質量。因此拋光壓力是拋光過程中一個重要變量(2)相對速度V相對速度也是拋光過程的一個重要變量,它和拋光壓力的匹配決定了拋光操作區域。在一定條件下,相對速度增加,會引起拋光速率增加。如果相對速度過高會使拋光液在拋光墊上分布不均勻、化學反應速率降低、機械作用增強,從而硅片表面損傷增大,質量下降。但速度較低,則機械作用小,也會降低拋光速率。(3)拋光區域溫度一般情況下工作區溫度升高,加強了拋光液化學反應能力,使拋光速率增加,但由于溫度與拋光速率成指數關系,過高的溫度會引起拋光液的揮發及快速的化學反應,表面腐蝕嚴重,因而會產生不均勻的拋光效果,使拋光質量下降。但工作區溫度低,則化學反應速率低、拋光速率低、機械損傷嚴重;因此拋光區應有最佳溫度值。通常拋光區溫度控制在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性和傳熱性。拋光液的粘度增加,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,降低表面質量。但在流體動力學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生的應力增加,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(膠體穩定性)有很大的影響,從而影響材料的去除率和表面質量,因此應嚴格控制。(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,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,表面質量下降。磨粒的濃度增加時,材料去除率也隨之增加,但當磨粒濃度超過某一值時,材料去除率將停止增加,維持一個常數值,這種現象可稱為材料去除飽和,但磨粒濃度增加,硅片
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