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化学机械平坦化硅片制造涉及薄膜的淀积和生长工艺,以及之后形成器件和内部互连构造所需的屡次图形制作。先进的IC需要至少6层或更多的金属布线层,每层之间由层间介质〔ILD〕隔开。建立器件构造和多层内连线会很自然的在层之间形成台阶,消灭不平坦的硅片外表。层数增加时,硅片的外表起伏将更加显著,而一个可承受的台阶掩盖和间隙填充对于芯片的成品率和长期牢靠性是至关重要的。外表起伏的主要负面影响是在光刻时对线宽失去了掌握,由它引起的光刻胶厚度不均是限制亚微米光刻的主要因素。这种不均是由于受到步进光刻机焦深的限制,也难以在刻蚀后台阶上不均匀的光刻胶上制作图形。,可以看到一个单层金属IC,用以说明硅片的外表起伏。更高的芯片封装密度加剧了外表起伏的程度,会消灭更高的台阶和深宽比更大的沟槽,使台阶掩盖和沟槽填充变得更困难,造成光刻时对线宽失去掌握。被平坦化的硅片拥有平滑的外表,填充低的局部,或去掉高的局部是使硅片外表平坦化的两种方法。在硅片外表进展平坦化对于后续工艺步骤是很重要的。在硅片上,可以进展局部平谈话,它只对一个芯片中近距离起伏特点起作用,也可以对包含全部芯片的整个硅片外表进展全局平坦化。传统的平坦化技术反刻由外表图形形成的外表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展平坦化,这一层牺牲层材料填充空洞和外表的低处。然后用干法刻蚀技术刻蚀这一层牺牲层,通过用比低处图形快的刻蚀速率刻蚀掉高处的图形来使外表平坦化。这一工艺称为反刻平坦化〔〕。刻蚀过程始终进展,直到被刻蚀的介质层到达一个最终的厚度,同时平坦化材料仍旧填充着外表的低处。有不同的反刻工艺,这取决于图形、金属层次等。把外表相近的台阶变得平滑是一种局部平坦化。反刻不能实现全局的平坦化。玻璃回流硼磷硅玻璃〔BPSG〕和其他掺杂氧化硅早已被用做层间介质,是承受APCVD淀积的。玻璃回流是在上升温度的状况下给掺杂氧化硅加热,使它发生流淌。BPSG的这种流淌性能用来获得台阶掩盖处的平坦化或用来填充缝隙,如此就可以获得在图形四周进展局部平坦化的方法。但是缺乏以满足深亚微米IC中的多层金属布线技术的要求。。旋涂膜层旋涂膜层是在硅片外表上旋涂不同液体材料以获得平坦化的一种技术,主要用作层间介质。旋涂利用离心力来填充图形低处,获得外表形貌的平滑效果。这种旋涂法的平坦化力量与很多因素有关,如溶液的化学组分、分子重量以及粘滞度。旋涂的膜层材料是有机或无机的材料,包括光刻胶、旋涂玻璃〔SOG〕和多种树脂。旋涂后的烘烤蒸发掉溶剂,留下溶质填充低处的间隙。旋涂膜层不能完全填充外表的缝隙。化学机械平坦化化学机械平坦化〔CMP〕是一种外表全局平坦化技术,它通过硅片和一个抛光头之间的相对运动来平坦化硅片外表,在硅片和抛光头之间有磨料,并同时施加压力〔〕。CMP设备也常称为抛光机。CMP通过比去除低处图形快的速度去除高处图形来获得均匀的硅片外表。由于它能准确并均匀地把硅片抛光为需要的厚度和平坦度,已经成为一种最广泛承受的技术。CMP的独特方面之一是它能用适当设计的磨料和抛光垫,来抛光多层金属化互连构造中的介质和金属层。。硅片的平坦度和均匀性的概念在描述CMP的作用方面很重要。平坦度描述从微米到毫米范围内硅片外表的起伏变化,均匀性是在毫米到厘米尺度下测量的,反映整个硅片上膜厚度的变化。因此,一个硅片可以是平坦的,但不是均匀的,反之亦然。这里可以这样来理解:硅片上两个特别区域能够被抛光得很平坦,但硅片上每一个这样的区域被抛光为不同的厚度。所以对于每个区域自己来说都具有很好的平坦度,但彼此之间均匀性就很差。平坦度〔DP〕指的是,相对于CMP之前的某处台阶高度,在做完CMP之后,这个特别台阶位置处硅片外表的平坦程度〔〕。因此,DP与某一特别图形有关,DP可通过下式来计算:preDP(%)=〔1—SHpost/SH其中,DP=平坦度〕×100 〔13—1〕SHpost=CMP之后在硅片外表的一个特别位置,最高和最低台阶的高度差SHpre=CMP之前在硅片外表的一个特别位置,最高和最低台阶的高度差假设CMP之后测得硅片外表起伏是完全平坦的,则SHpost=0并且DP=100%。这意味着CMP的平坦化是完善的。有两种表达方法可以描述硅片的非均匀性:片内非均匀性〔WIWNU〕和片间非均匀性〔WTWNU〕。WIWNU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。WTWNU描述多个硅片之间的膜层厚度的变化。这两个术语常用来描述全局平坦性。:;各种各样的硅片外表能被平坦化;在同一次抛光过程中对平坦化多层材料有用;能减小外表起伏使得在制造中承受更严格的设计规章并承受更多的互连层;供给制作金属图形的一种方法,使得不需要对难以刻蚀的金属和合金等离子刻蚀;由于减小了外表起伏,从而能改善金属台阶掩盖;、速度和成品率;CMP是一种减薄表层材料的工艺并能去除外表缺陷;不使用在干法刻蚀工艺中常用的危急气体。CMP技术的缺点:CMP技术是一种技术,对工艺变量掌握相对较差,并且工艺窗口窄;CMP技术引入的的缺陷将影响芯片成品率,;CMP技术需要开发别的配套工艺技术来进展工艺掌握和测量;昂贵的设备及运转、维护费用。:1)外表材料与磨料发生化学反响生成一层相对简洁去除的外表层;2〕这一反响生成的硅片外表层通过磨料中研磨机和研磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。用来平坦化硅片的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,由于这样一个研磨过程会损伤硅片的外表,带来沟槽和擦伤。氧化硅抛光:氧化硅抛光是半导体硅片制造中最先和最广泛使用的CMP平坦化工艺。氧化硅抛光是用来全局平坦化金属层之间淀积的ILD介质的。氧化硅抛光速率〔R〕与所加的压力〔P〕、硅片和抛光垫的相对速度〔v〕、氧化硅的硬度、抛光液和抛光垫的参数〔k〕等有关。抛光速率R=kPv氧化硅CMP的根本机理是磨料中的水与氧化硅反响生成氢氧键〔这种反响称为外表水合作用〕,氧化硅的外表水合作用降低了氧化硅的硬度、机械强度和化学耐久性。抛光过程中,在硅片外表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的去掉。在硅片中较高的区域,局部的压力大于较低的区域,高处的氧化硅的抛光速率就较快,从而产生平坦化。金属抛光:金属CMP的机理与氧化硅抛光的机理不同。磨料与金属外表接触并氧化它,然后这层金属氧化物被磨料中的颗粒机械地磨掉。一旦这层氧化物去掉,磨料中的化学成分就氧化露出的金属外表,然后又被机械地磨掉,这一过程就这样重复进展。图形密度效应:图形间距窄的区域,即高图形密度区域,通常比宽图形间距区域的抛光速度快。小而孤立凸出的图形在平坦化过程中承受较大的压力,抛光速度较快。反过来说,低处图形承受较小的压力,抛光速度较慢。对高性能集成电路来说,抛光速度的变化能显著影响CMP的结果。在一些状况下,当金属线严密地挤在一起时,在CMP过程中对金属构造可能产生不必要的侵蚀。侵蚀是指在图形区域氧化物和金属被减薄,它被定义为抛光前后氧化层厚度的差。产生侵2蚀的一个缘由是当抛光一层掩盖的金属层时,对下面的SiO产生稍微的过抛光。在高图形密度区域,对SiO2的侵蚀要大一些。为了最大限度的减小这种侵蚀,抛光过程应被缩短。另一个不期望的CMP效果是凹陷,凹陷是指图形中心位置材料厚度的减小。它被定义为金属线条中心和SiO2层最高点的高度差。凹陷的多少与被抛光的线条宽度有关,线条越宽,凹陷就可能越多。抛光垫的硬度也对凹陷有影响。,CMP设备要有检测到把材料磨到一个正确厚度的力量。有些CMP应用对终点检测来说是简洁的,如抛光钨掩盖层时由于高的选择比,抛光会在下面的介质氧化层上停下来。然而其他的应用由于CMP工艺变量之多为准确估量抛光时间带来了困难。目前最常用的原位终点检测方法是电机电流终点检测和光学终点检测。电机电流终点检测:是检测磨头电机或转盘电机中的电流量。磨头旋转速度是不变的,硅片外表摩擦或粗糙程度不同电机负载就变化,电机驱动电流也随之变化。光学终点检测:是基于光的反射系数。光从膜层上反射的不同角度与膜层材料和厚度有关。。这些沾污物包括磨料颗粒、被抛光材料带来的任何颗粒以及从磨料中带来的化学沾污物。颗粒要么由于CMP过程中所加的压力而机械性的嵌入硅片外表,要么由于静电力或原子力而物理地粘附在被抛光的硅片外表。在酸性的磨料中,氧化铝磨料外表的电荷与硅片外表的电荷是相反的电荷,因此会导致微颗粒沾污。在CMP后清洗工艺使用不同的清洗设备:毛刷洗擦、酸性喷淋清洗、兆声波清洗以及旋转清洗枯燥设备。CMP后清洗步骤主要包括:氧化硅CMP后清洗、浅沟槽隔离CMP后清洗、多晶硅CMP后清洗、钨CMP后清洗和铜CMP后清洗。CMP应用浅槽隔离〔STI〕氧化硅抛光STI是用来在硅片外表的器件之间形成隔离区。STI已经取代硅的局部氧化技术,主要是由于STI技术在器件构造中有更高的空间使用率。。STI中的填充氧化层是用CMP技术磨去比氮化硅层高的全部氧化硅,从而实现平坦化,。氮化硅的作用是在CMP中作为一个抛光阻挡层,通过终点检测在从氧化硅过渡到氮化硅的时候停顿抛光过程。氮化硅的厚度也打算了允许的CMP过抛光量,使抛光过程不至于把器件的有源区曝露并带来损伤。STI要留意的是要避开沟槽中的氧化硅减薄太多或产生凹陷。局部互连〔LI〕氧化硅抛光局部互连〔LI〕为实际器件供给穿过ILD-1层的金属连线。LI金属一般是钨,用来连接晶体管和衬底层上的各个端点。淀积一层掺杂氧化硅用作LI氧化硅。ILD-1氧化硅把实际器件与LI金属在电学上隔离开来,并自然地把器件和可动离子沾污等污染源隔离开来。LI氧化层包括一层薄氮化硅或氮氧化硅,这一薄层氮化硅用做器件保护和LI阻挡层,上面是一层用等离子体增加TEOS〔正硅酸乙酯〕或高密度等离子体CVD淀积的厚掺杂氧化硅层。在淀积以后,LI氧化硅层有多余的厚度并有与外表图形全都的外表形貌。LI氧化层需要用CMP进展平坦化,使最终厚度到达800?〔〕。上下两层都是SiO2,不能用电机电流终点检测方法。LI钨抛光2局部互连是通过在ILD-1中制作通孔和源漏接触孔的连线图形而成的。淀积在通孔中的金属钨形成钨塞,淀积在沟槽中的金属钨形成局部互连线。在淀积钨之前,先淀积一层薄的Ti/TiN复合膜,Ti改善金属钨与SiO的粘附,TiN作为金属钨的集中阻挡层并有助于改善源漏接触电阻。然后淀积的金属钨掩盖整个硅片外表,对通孔和沟槽进展填充。在LI中,宁愿选择钨而不用铝,是由于钨具有无空洞的优异的间隙填充特性。CMP是用来抛光金属钨的,同时用氧化层作抛光停顿层。钨金属化有最高的钨图形密度,因此凹陷和侵蚀是钨CMP中的突出问题。ILD氧化硅抛光淀积在金属层之间的层间介质〔ILD〕用来对金属导体进展电绝缘。它通常是高密度等离子体CVD淀积后,紧接着进展PECVD淀积。这是由于HDPCVD氧化层具有优良的细缝隙填充特性,而PECVD可以提高产量和降低本钱。氧化层用CMP抛光至特定的厚度,由于没有抛光停顿层,ILD氧化层抛光需要有效的终点检测〔〕。钨塞抛光光刻在ILD氧化层上制出图形,通过刻蚀制出通孔。为了粘附好,先淀积一层薄的Ti,然后淀积一层TiN阻挡层,再淀积钨掩盖全部的通孔和ILD氧化层外表。接着用CMP把钨抛光至ILD氧化层外表,很便利地利用了氧化硅作为停顿层。这一步制作了金属钨塞,使相邻的金属层实现了电连接。双大马士革铜抛光CMP用来抛光通孔和双大马士革构造中用的细铜线〔〕。首先用光刻技术在ILD中制作出通孔和沟槽图形并进展干法刻蚀,再淀积一层金属阻挡层,紧接着淀积一层薄的铜籽层,然后用电化学淀积〔ECD〕工艺把铜淀积到高深宽比的图形中。这些铜用CMP来平坦化,同时用介质做停顿层。CMP质量测量CMP带来的一个显著的质量问题是外表微擦痕。小而难以觉察的微擦痕导致淀积的金属中存在隐蔽区,可能引起同一层金属之间的短路〔〕。微擦痕主要是由磨料中不受欢送的颗粒沾污引起的。。