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第18章 化学机械平坦化资料

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化学机械平坦化

化学机械平坦化

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，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。90年代兴起的 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 唯一的可以提供全局平面化的技术。
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 行平坦化，这一层牺牲层材料填充空洞和表 面的低处。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表面平坦化。这一工艺 称为反刻平坦化。
反刻平坦化
平坦化的材料
不希望的起伏
光刻胶或SOG
铜 (软表面，高抛磨速率)
四、工艺参数及设备
为了更好控制抛光过程，需要详细了解 每一个CMP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，进行合理优化， 才能得到满意的结果。
(1) 抛光压力P
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。
二．CMP技术的特点
CMP技术的优点：
1．能获得全局平坦化； 2．各种各样的硅片表面能被平坦化； 3．在同一次抛光过程中对平坦化多层材料有用； 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．提供制作金属图形的一种方法。

化学机械平坦化

化学机械平坦化
最近的研究表明、金属的化 学氧化和氧化的金属层的分 解比对金属CMP更重要，这 意味着磨料的化学特性是重 要的
抛光过程
• 抛光主要分两步过程： 1）：主要是去除材料的步骤； 2）：只用去离子水（或特殊磨料）的研磨过程 （主要原因是为了消除表面上微小的擦痕和 颗粒，是为进行CMP后清洗工艺做准备）
图形密度效应
相应的平坦化的电路图
Si衬底
第2层保护膜 第1层保护膜 第2层金属布线 层间绝缘膜2 层间接触通孔（金属） 第1层金属布线 层间绝缘膜1 淀积接触孔（金属） 金属布线 场氧区
侧壁氧化绝缘膜 栅极氧化绝缘膜
对比
Si衬底
Si衬底
硅片平坦化术语
1~10微米范围
化学机械平坦化的平整度
DP（%）＝（１－SHpost/SHpre）x100 SHpre:CMP之后某处最高和最低台阶的高度差 SHpost: CMP之前某处最高和最低台阶的高度差
抛光垫
化学机械平坦化设备
化学机械平坦化设备
终点检测 (电机电流终点检测)
摩擦力 的变化 使电机 电流发 生变化
终点检测 (光学终点检测)
基于光的反 射系数，光 从膜层上反 射的不同角 度与膜层材 料的厚度有 关.
光学终点检 测测量到从 抛光膜层反 射过来的光 线之间的干 涉图形.
膜头设计
平整度是描述从微米到毫米范围内的硅片表面的起伏变化
传统的平坦化技术 反刻
如SOG:80%的溶剂和20%的氧化硅
传统的平坦化技术 玻璃回流
在850度,氮气环境中退火30分钟,使BPSG在台阶覆盖处流动,能够实现部 分平坦化,不能满足深亚微米多层布线的技术要求
传统的平坦化技术 旋涂膜层
如SOG:80%的溶剂和20%的氧化硅

(第八章)化学机械平坦化

(第八章)化学机械平坦化

SHpost：CMP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（厚度变化） SHpre：CMP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

CMP技术的优点
1. 全局平坦化，台阶高度可控制到50Å左右 2. 平坦化不同的材料 3. 平坦化多层材料 4. 减小严重表面起伏
5. 能配合制作金属图形（大马士革工艺）
8.3 化学机械平坦化

化学机械平坦化CMP
（Chemical Mechanical Planarization）也称为化学机 械抛光CMP（Chemical Mechanical Polish）是通过 化学反应和机械研磨相结合的方法对表面起伏的硅 片进行平坦化的过程。

20世纪80年代后期，IBM开发了CMP用于半导体硅片 平坦化。
第八章 化学机械平坦化
8.1 引 言

硅片的表面起伏问题
在集成电路制造技术发展过程中，遇到了硅片的表 面起伏（即不平坦）这个非常严重的问题，它使亚 微米光刻无法进行，表面起伏使光刻胶的厚度不均、 超出光刻机的焦深范围，无法实现亚微米线宽的图 形转移。

硅片的表面起伏问题
单层金属IC的表面起伏

微观作用是化学和机械作用的结合。

CMP的平整度
抛磨前测量 SHpre Max Min SiO2 SiO2 Substrate Min 抛磨后测量
SHpost
Max
平整度(DP) ：相对于CMP之前的某处台阶高度，在做 完CMP之后，这个特殊台阶位置处硅片表面的平整程度。
SH post DP % 1 SH pre 100
6. 改善金属台阶覆盖
7. 减少缺陷

化学机械平坦化

化学机械平坦化
背景
化学机械平坦化工作原理
CMP技术早期主要应用于光学镜片的抛光和晶圆的抛光。
20世纪70年代，多层金属化技术被引入到集成电路制造工艺中，此技术使芯片的垂直空间得到有效的利用，并提高了器件的集成度。但这项技术使得硅片表面不平整度加剧，由此引发的一系列问题（如引起光刻胶厚度不均进而导致光刻受限）严重影响了大规模集成电路（ULSI）的发展。针对这一问题，业界先后开发了多种平坦化技术，主要有反刻、玻璃回流、旋涂膜层等，但效果并不理想。80年代末，IBM公司将CMP技术进行了发展使之应用于硅片的平坦化，其在表面平坦化上的效果较传统的平坦化技术有了极大的改善，从而使之成为了大规模集成电路制造中有关键地位的平坦化技术。
应用
化学机械抛光主要用于以下几个方面
深槽填充的平面化
接触孔和过孔中的金属接头的平面化
生产中间步骤中氧化层和金属间电介层的平面化
金属抛光
金属抛光与氧化硅抛光机理有一定的区别，采用氧化的方法使金属氧化物在机械研磨中被去除。
物料选用
研磨液
磨料是平坦化工艺中研磨材料和化学添加剂的混合物，研磨材料主要是石英，二氧化铝和氧化铈，其中的化学添加剂则要根据实际情况加以选择，这些化学添加剂和要被除去的材料进行反应，弱化其和硅分子联结，这样使得机械抛光更加容易。在应用中的通常有氧化物磨料、金属钨磨料、金属铜磨料以及一些特殊应用磨料。台湾主要的厂商有长兴科技公司。
设备
CMP设备与晶圆生产中的抛光设备有相似之处（见上图），但集成电路硅片中很多材料的加入以及金属层的增加使得CMP设备不能如同抛光设备那样简单，而需要加入特别的过程获得平坦化的效果。这主要体现在对抛光厚度、抛光速率的检测上，被称作终点检测，通常有电机电流终点检测、光学终点检测。

CMP化学机械平坦化

CMP化学机械平坦化
双大马士革铜抛光
2 Cu deposition
Tantalum Nitride Copper
1 Ta deposition
3 Cu/Ta/nitride/oxide CMP
Oxide
PAGE 24
Summary
CMP技术的特点： CMP技术的优点：
1．能获得全局平坦化； 2．各种各样的硅片表面能被平坦化； 3 ．在同一次抛光过程中对平坦化多层材料有用； 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．提供制作金属图形的一种方法。
Chemical Mechanical Planarization
Agenda
1，平坦化有关的术语； 2，传统的平坦化技术；
3，化学机械平坦化机理； 4，化学机械平坦化终点检测；
5，化学机械平坦化应用。
PAGE 2
平坦化术语
Unplanarized
Surface smoothing
Local planarization
磨头
硅片
硅 氧化硅
PAGE 20
化学机械平坦化应用
STI氧化硅抛光
Planarization by chemical mechanical polishing
1
Oxide CVD
2
STI oxide after polish
3
Nitride strip
n-well
Liner oxide
p-well p- Epitaxial layer
3 p 穿透深度Hertz公式：Rs 4 2K p E
PAGE 12
CMP 氧化硅机理
抛光垫 (1) 磨料喷嘴 磨料 (3)机械力将磨料压到硅片中 旋转 副产物 (5) 副产物去除

一种化学机械平坦化设备[发明专利]

一种化学机械平坦化设备[发明专利]

专利名称：一种化学机械平坦化设备专利类型：发明专利
发明人：黄建中
申请号：CN201910898788.5
申请日：20190923
公开号：CN110666678A
公开日：
20200110
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种化学机械平坦化设备，其结构包括电机、滑轨、伺服升降杆、外支架、减振支架、晶圆抛光装置、抛光液循环装置、操作台、支脚，本发明具有的效果：晶圆抛光装置和抛光液循环装置相配合，通过两者之间的结构设置，能够快速对注入研磨抛光盘内部的抛光液进行持续来回循环，过滤在抛光中混入抛光液中的金属颗粒，避免金属颗粒随抛光液在盘中运动，并且间歇性与晶圆接触，对抛光中的晶圆造成损伤，使晶圆的精度下降。

申请人：黄建中
地址：410116 湖南省长沙市洞井铺湖南省森林植物园
国籍：CN
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18-化学机械平坦化解析

18-化学机械平坦化解析
第十八章 化学机械平坦化
本 章 目 标
1. 什么是平坦化？
2. 列举并论述三种平坦化工艺.
3. 论述化学机械平坦化，硅片平整性问题，以及CMP 的优点 4. 描述氧化物CMP和金属CMP中用的磨料和抛光垫. 5. 论述CMP设备，包括终点检测和磨头.
6. 解释CMP后清洗过程.
7. 列举并描述7种不同的CMP应用.
氧化硅CMP的基本机理是磨料中的水与
氧化硅反应生成氢氧键，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
硅被磨料中的颗粒机械的去掉。
氧化硅抛光速率受压力和运动速率的影响。
R=KPV
其中，R是抛光速率（单位时间内磨去的氧 化硅厚度） 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
CMP 氧化硅机理
抛光垫
(1) 磨料喷嘴 磨料 (3)机械力将磨料压到硅片中 旋转 副产物 (5) 副产物去除
Si Si Si Si
CMP系统
排水管
(2) H2O & OH- 运动到硅片表面
Si(OH)4
(4) 表面反应和 机械磨损
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，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。90年代兴起的新 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 一的可以提供全局平面化的技术。

【CN110653717A】化学机械平坦化系统和方法以及研磨晶圆的方法【专利】

【CN110653717A】化学机械平坦化系统和方法以及研磨晶圆的方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910342905.X (22)申请日 2019.04.26(30)优先权数据62/692,264 2018.06.29 US 16/272,624 2019.02.11 US(71)申请人 台湾积体电路制造股份有限公司地址 中国台湾新竹市新竹科学工业园区力行六路八号(72)发明人 黄君席　(74)专利代理机构 北京律诚同业知识产权代理有限公司 11006代理人 徐金国(51)Int.Cl.B24B 37/015(2012.01)B24B 37/04(2012.01)B24B 37/10(2012.01)B24B 37/30(2012.01)B24B 41/047(2006.01)B24B 47/12(2006.01)B24B 55/00(2006.01)B24B 57/02(2006.01)B24B 37/34(2012.01)(54)发明名称化学机械平坦化系统和方法以及研磨晶圆的方法(57)摘要一种化学机械平坦化系统和方法以及研磨晶圆的方法。

本揭示内容描述基于由研磨头的气室接收的空气的温度来调整晶圆研磨速率的方法和设备。

方法包括供应加压空气至温度模块，温度模块耦合到研磨头。

温度模块调整供应至研磨头的加压空气的温度。

方法还包括向研磨头的一或多个气室供应来自温度模块的控温的加压空气，并经由使晶圆相对于研磨垫旋转来研磨晶圆。

权利要求书1页 说明书9页 附图6页CN 110653717 A 2020.01.07C N 110653717A权　利　要　求　书1/1页CN 110653717 A1.一种化学机械平坦化(CMP)系统，其特征在于，包含：一研磨工具，具有一或多个抛光机，其中所述一或多个研磨机中的每个研磨机包含：一研磨垫；一研磨头，配置为将一晶圆保持抵靠该研磨垫，其中该研磨头包含一或多个气室；和一浆料分配器，配置为分配在该研磨垫上的浆料；以及一或多个温度模块，耦合至该研磨头并且配置为向所述一或多个气室供应控温的空气。

催化反应对低磨料浓度化学机械平坦化的影响

催化反应对低磨料浓度化学机械平坦化的影响

催化反应对低磨料浓度化学机械平坦化的影响李炎;刘玉岭;王傲尘;刘伟娟;洪娇;杨志欣【期刊名称】《固体电子学研究与进展》【年(卷),期】2014(34)4【摘要】通过低磨料浓度下催化反应对铜膜抛光速率的影响,证实了纳米SiO2胶体作为催化反应物可以极大地提高铜膜表面的化学反应速率。

通过浸泡在不同磨料浓度抛光液中的铜电极表面腐蚀电位和腐蚀电流数值,进一步证实了催化反应能够加速凹处钝化膜的生成,并确定了在静态腐蚀条件下催化反应速率转换临界点所对应的纳米SiO2溶胶浓度为0.1vol%和1vol%。

根据催化反应对铜晶圆各平坦化参数的影响,确定了低磨料CMP的最佳纳米SiO2溶胶浓度为0.3vol%,此时铜晶圆的抛光速率、台阶消除量、平坦化效率、碟形坑高度和腐蚀坑高度分别为535nm/min、299nm、56%、103nm和19nm。

【总页数】6页(P397-402)【关键词】催化反应;低磨料浓度;化学机械平坦化;腐蚀电位;腐蚀电流;台阶高度【作者】李炎;刘玉岭;王傲尘;刘伟娟;洪娇;杨志欣【作者单位】河北工业大学微电子研究所【正文语种】中文【中图分类】TN43;TN47【相关文献】1.化学机械平坦化材料对蓝宝石抛光速率与粗糙度的影响 [J], 贾少华;刘玉岭;王辰伟;闫辰奇2.工艺条件对铝栅化学机械平坦化效果的影响 [J], 张金;刘玉岭;闫辰奇;张文霞;牛新环;孙鸣3.新型表面活性剂对低磨料铜化学机械抛光液性能的影响 [J], 李炎;刘玉岭;李洪波;唐继英;樊世燕;闫辰奇;张金4.新型工业废水再生工艺★天津市钢结构住宅体系研究★超大规模集成电路纳米磨料化学机械全局平面化新技术★用于多媒体信息认证的脆弱数字水印技术★防复印材料研究及产品开发★二维码加密识别技术及其应用★低盐份优质重质纯碱★冠心病综合信息诊断的研究 [J],5.非离子表面活性剂对铝栅化学机械平坦化的影响 [J], 张金; 刘玉岭; 闫辰奇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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第十六章 化学机械平坦化
建立器件结构和多层内连线会很自 然的在层之间形成台阶，出现不平整的 硅片表面。层数增加时，硅片的表面起 伏将更加显著，可以看到一个单层金属 IC，用以说明硅片的表面起伏。
单层金属IC的表面起伏剖面
顶层
Poly n+ 金属化前氧化层 侧墙氧化层 栅氧化层
氮化硅
垫氧 ILD
n+
场氧化层
氧化硅
Metal
氧化硅 Poly Metal
p+
p+
p– 外延层
n-阱 Metal
p+ 硅衬底
多层金属化结构
非平坦化的IC剖面
平坦化的IC剖面
被平坦化的硅片拥有平滑的表面，填 充低的部分，或去掉高的部分是使硅片表 面平坦化的两种方法。在硅片上，可以进 行局部平坦化，也可以对包含所有芯片的 整个硅片表面进行全局平坦化。
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。
淀积了ILD-2氧化层的旋涂膜层
SOG
1)
ILD-1
烘烤后的SOG
2)IΒιβλιοθήκη D-1ILD-2淀积3)
ILD-1
16.2 化学机械平坦化
化学机械平坦化（CMP）是一种表面全局 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表面，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。
16.1 传统的平坦化技术
16.1.1 反刻
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 行平坦化，这一层牺牲层材料填充空洞和表 面的低处。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表面平坦化。这一工艺 称为反刻平坦化。
平整度（DP）指的是，相对于CMP 之前的某处台阶高度，在做完CMP之后， 这个特殊台阶位置处硅片表面的平整程 度。
硅片平整度的测量
抛磨前测量
SHpre
Max Min
抛磨后测量
SiO2
衬底
SiO2
SHpost
Max Min
因此，DP与某一特殊图形有关，DP可通 过下式来计算：
DP(%) = （1—SHpost / SHpre）×100 其中，DP = 平整度
4. 昂贵的设备及运转、维护费用。
三．CMP的机理
有两种CMP机理可以解释是如何来进 行硅片表面平坦化的:
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层；
2）这一反应生成的硅片表面层通过磨 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。
1．氧化硅抛光: 氧化硅抛光是用来全局
反刻平坦化
平坦化的材料
不希望的起伏
光刻胶或SOG
SiO2
反刻后的形貌
SiO2
16.1.2 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，是采用APCVD淀 积的。玻璃回流是在升高温度的情况下给掺 杂氧化硅加热，使它发生流动。BPSG的这 种流动性能用来获得台阶覆盖处的平坦化或 用来填充缝隙，如此就可以获得在图形周围 进行部分平坦化的方法。但是不足以满足深 亚微米IC中的多层金属布线技术的要求。
SHpost = CMP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
SHpre = CMP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
如果CMP之后测得硅片表面起伏是完全平 整的，则SHpost = 0并且DP = 100%。这意味着 CMP的平坦化是完美的。
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。
8．CMP是一种减薄表层材料的工艺并 能去除表面缺陷；
9．不使用在干法刻蚀工艺中常用的危险 气体。
CMP技术的缺点：
1．CMP技术是一种新技术，对工艺变量 控制相对较差，并且工艺窗口窄；
2．CMP技术引入的新的缺陷将影响芯片 成品率，这些缺陷对亚0.25微米特征图形更关 键；
3. CMP技术需要开发别的配套工艺技术 来进行工艺控制和测量；
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， 已经成为一种最广泛采用的技术。
化学机械平坦化的原理图
磨头 硅片 转盘
向下施加力
抛光垫 磨料喷头
磨料
CMP抛光垫
一．CMP的平整度
CMP在制造中用来减小硅片厚度的变化 和表面形貌的影响。硅片的平整度和均匀性 的概念在描述CMP的作用方面很重要。平整 度描述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的， 反映整个硅片上膜厚度的变化。因此，一个 硅片可以是平整的，但不是均匀的，反之亦 然。
(3)机械力将磨料压到硅片中
磨料
旋转
CMP系统
副产物 (5) 副产物去除
Si Si
排水管
(2) H2O & OH- 运动到硅片表面
Si(OH)4
Si
Si
(4) 表面反应和 机械磨损
二．CMP技术的特点
CMP技术的优点：
1．能获得全局平坦化； 2．各种各样的硅片表面能被平坦化； 3．在同一次抛光过程中对平坦化多层材料有用； 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．提供制作金属图形的一种方法。
6. 由于减小了表面起伏，从而能改善金 属台阶覆盖；
7．能提高亚0.5微米器件和电路的可靠 性、速度和成品率；
平坦化金属层之间淀积的ILD介质的。
氧化硅CMP的基本机理是磨料中的水与 氧化硅反应生成氢氧键，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 硅被磨料中的颗粒机械的去掉。
CMP 氧化硅机理
抛光垫
(1) 磨料喷嘴
BPSG回流平坦化
淀积的层间介质 BPSG 回流的平滑效果 BPSG
16.1.3 旋涂膜层
旋涂膜层是在硅片表面上旋涂不同液体
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，如溶液的化学组 分、分子重量以及粘滞度。