半导体工艺教案第十章平坦化(3)

用和抛光头及研磨盘的旋转具有做功的情况，所以有能量的释放，造成温度的上升。 (6) 薄膜特性 CMP研磨薄膜材料的性质(化学成分、硬度、密度、表面状况等)也影响抛光速度和抛光效果。 3. CMP主要工艺控制 (1)研磨速率的控制 CMP的基本工艺控制主要是改变研磨盘转速、抛光头角速度和研磨压力。 (2)硅片内抛光均匀性控制 研磨均匀性是考量CMP的一个非常重要的考核指标，必须很好地优化设备、耗材和工艺。 (3)CMP后清洗 清洗液的成分、浓度和清洗设备有机地结合，可以达到清洗的最佳效果。 表10-4 CMP工艺对象与CMP后清洗 10.3.5 CMP应用 CMP技术应用的领域相当广泛，有如下几个方面：①半导体表面的平坦化处理；②去除硅片损伤层，达成良好的表面粗度与平坦度；③CMP用在无电镀磷化镍铝镁基板的双面抛光。此外还有一些其他应用，如镜头、薄膜液晶显示器的零组件的导电玻璃与彩色滤光片的抛光、微机电元件等制作。CMP的应用领域见表10?5。 表10-5 CMP的应用领域 表10-5 CMP的应用领域 1. 浅沟槽隔离平坦化(STI CMP) 图10-27 STI浅槽隔离制作步骤 1)薄膜制作：先做一层很薄的隔离氧化层(15nm)用来在后面去除氮化硅时保护有源区。 2)STI浅沟槽刻蚀：对氮化硅、氧化硅、硅进行光刻、刻蚀、去胶，刻出STI沟槽，如图10-27c所示。 3)STI沟槽氧化硅淀积：先在暴露的沟槽侧壁热氧化一层氧化硅(约15nm)，改善硅与沟槽CVD填充氧化物之间的界面特性。 4)STI CMP氧化物：对图10-27d中的不平坦的CVD氧化硅进行CMP，如图10-27e所示。 ① 单液型是指在出厂前已经将研磨粒子与添加剂等混合好，可以直接使用的研磨液。这种研磨液使用相对简单、风险小，但是工艺灵活度相对欠缺。 ② 双液型是指研磨粒子液体和添加剂液体分别包装，IC工厂根据自己的配方现场调配。这种方法灵活度高，但是操作烦琐，增加了操作风险。 2.层间介质平坦化(ILD CMP) 图10-28 ILD制作及CMP 3.金属钨抛光 1)金属钛淀积(PVD工艺)：淀积一薄金属钛衬垫于介质沟道的底部和侧壁上。 2)氮化钛淀积(CVD工艺)：淀积完钛之后立即在钛金属层的表面淀积氮化钛(TiN)，阻止金属钨向硅和氧化硅介质扩散，即做扩散阻挡层。 3)钨淀积：钨填满局部互连的沟槽并覆盖硅片表面，如图10-29b所示。 4)钨CMP：钨被CMP到局部互连介质层的上表面，如图10-29c所示。 图10-29 钨金属栓塞的制作流程 4. 铜CMP 1)对层间介质层进行平坦化并蚀刻开出布线槽，如图10-30a所示。 2)利用溅射(PVD)方法形成绝缘用的阻挡层和导电用的籽铜层，如图10-30b、c所示。 3)在此基础上，采用电镀技术制成铜膜，如图10-30d所示。 4)铜CMP：磨除掉层间介质表面以上的铜，完成布线埋入工艺，如图10-30e所示。 图10-30 铜布线的双大马士革工艺流程 10.4 CMP质量控制 10.4.1 膜厚的测量及均匀性分析 1.膜厚测量 图10-31 分光光学干涉法测量 (1)分光光学干涉法 分光光学干涉是利用光在介质上下表面反射的路程差形成干涉，测量干涉后的光强即可计算出薄膜厚度，如图10-31所示。 (2)椭圆偏振法 椭圆偏振法简称椭偏法，是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。 2. 硅片表面的非均匀性分析 1) 转盘上的抛光垫不平将导致中间快、中间慢或一些边缘问题。 2) 磨头的压力(向下的压力)设置的不正确。 3) 检查抛光垫修整臂是否调节到恰当位置，是否破旧(没有平滑面出现)。 4) 磨料流量不够或粘滞度不正确(流动的能力)。 5) 磨头上的垫膜破损，硅片不能保持成一个平面。 6) 转盘转速的设置不对。 7) 硅片的背压设置得不合适。 10.4.2 硅片表面状态的观测方法及分析 CMP后，有必要了解硅片的表面状况，观察和测量CMP后的表面缺陷。以此来评估抛光的质量。 1. 硅片表面状态的观测方法 图10-32 扫描电子显微镜 (1) 扫描电子显微镜(Scan Electron Microscope)关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的准确控制。 图10-33 原子力显微镜示意图 (2)原子力显微镜 原子力显微镜(AFM)是一个表面形貌仪，用一个较小的平衡探针头扫描硅片表面产生的三维表面图形，使用光学技术，直接用针尖接触，并用激光器感应出其在硅片上的位置，如图10-33所示，探针和表面的距离非常小，以致原子力影响表面，针尖的几何尺寸极为关键，必须分类以便准确测量。 (3)光散射探测仪 光散射探测仪主要是根据光的散射效应，由于光的散射携带有很多丰富的信息，因此，提取这种信息将非常有助于分析其上层、下层甚至衬底的表面情况。 (4)光散射表面缺陷探测仪 可以测量CMP清洗后的颗粒污染；已在第9章中介绍，这里不再赘述。 2. 硅片表面状态质量分析 (1)硅片表面上的擦痕或沟 1) 外来物质碎片(如泵的软连接及垫片的碎片)。 2) 磨料中的颗粒尺寸较大、分布不好或颗粒污染；磨料存储时间太长或使用不当造成磨料颗粒沉积而生成较大颗粒。 3) 工艺未优化或没有进行减少微擦痕的二次缓冲抛光等。 (2)凹陷 1) 抛光垫较软导致CMP过程抛光垫弯曲产生凹陷。 2) 研磨液选择比选取不当，造成软材料处抛光速率过高，导致凹陷。 3) 研磨液配比不当，造成CMP过程化学抛光速度和机械抛光速度的不均衡。 4) 抛光速率过大，导致对硬度不同的材料带来抛光速率的差异过大。 5) 研磨过程温度控制不稳，温度升高可能导致对一些材料的抛光速率提高的多。 6) 抛光时间过长，导致速率高的区域过磨的量多。 (3)侵蚀 1) 图形密度过高，没有采用适当的补偿措施。 2) 抛光速率过大，导致对硬度不同材料带来抛光速率的差异过大。 3) 过长的时间精抛(过抛情况下)及终点检测的延迟也会导致侵蚀情况的增加。 (4)残留物 对不同的材料进行CMP都会产生沿图形边沿的细长线条残留物，如钨或多晶硅细长线条。 1) 研磨液的化学成分没有优化到最佳。 2) 抛光垫的选取、研磨液的化学配置、被抛光材料的特性三者没有配合优化到最佳。 (5)CMP清洗后表面的颗粒 1) 颗粒数过多(例如检测标准0.18μm工艺，要求颗粒直径大于8μm的颗粒数要小于20个)。 2) 在深图形中残留研磨液结垢，如在光刻对准标记和压点区。 3) 残留的铜在介质区域或有图形的表面的线条间移动。 ① 检查是否做了有图形硅片上残留铜的清洗。对于高图形密度来说这是很难的。 ② 检查双面洗擦毛刷是否污染。 ③ 确认是否用了最合适的清洗化学药品，特别是对清洗铜残留物而言。 10.4 CMP质量控制 ④ 确认从硅片表面上不同的暴露材料和毛刷及清洗化学试剂没有产生化学药品的交叉污染。 【作业布置】 【课后分析】

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