CMP在集成電路非金屬材料平坦化中的應(yīng)用(I)
化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝由IBM于1984年引入集成電路制造工業(yè),并首先用在后道工藝的金屬間絕緣介質(zhì)(IMD)的平坦化, 然后通過設(shè)備和工藝的改進(jìn)用于鎢(W)的平坦化, 隨后用于淺溝槽隔離(STI) 和銅(Cu)的平坦化。化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)為近年來IC制程中成長最快、最受重視的一項技術(shù)。其主要原因是由于超大規(guī)模集成電路隨著線寬不斷細(xì)小化而產(chǎn)生對平坦化的強(qiáng)烈需求。本文重點介紹CMP在集成電路中的非金屬材料的平坦化應(yīng)用。
集成電路工藝發(fā)展對平坦化的要求
由于IC產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,加上線寬的進(jìn)一步縮小,使得晶片表面的高低起伏嚴(yán)重影響了制程技術(shù)的可靠性。以圖1為例,由于表面層的高低起伏,所以我們每沉積一層薄膜,會使得表面的起伏變得更大,這種情況一直積累上去,到表面金屬層時,在制程上會發(fā)生兩個大問題：在鍍上金屬膜時,凹陷下去的部分和其它地方的厚度不均勻,如圖中A處,此處不僅會引起電阻值增高,同時容易因為電子遷移而造成線路斷路,造成元件具有很差的可靠性。另一方面,如果在這種凸凹不平的表面上涂覆光阻,在光阻顯影時,會因為光阻深度不一,造成用來顯影的光線在聚焦時,無法得到良好的解析度。通常線寬越窄,對解析度的要求越高,便需要提供愈短的距離來聚焦,這個距離稱為聚焦深度,圖中的B即代表此部分的元件的聚焦深度。
在CMP平坦工藝出現(xiàn)之前,集成電路工藝常用的平坦化方法包括：熱流法（Thermal flow）、旋涂式玻璃法(SpinonGlass)、回蝕法(Etch Back)、電子環(huán)繞式共振法(Electron Cyclotron Resonance)。而CMP是唯一能夠提供晶片全域性的平坦化,也就是說它能夠?qū)⒄麄�晶片上的高低起伏全部磨成理想的厚度,這是上述其它工藝方法所不能達(dá)到的,通過它們只能獲得局部平坦化。這也是目前許多半導(dǎo)體廠在他們的制程中大量采用CMP拋光法的最大原因。
什么是CMP工藝
簡單而言,CMP拋光工藝就是在無塵室的大氣環(huán)境中,利用機(jī)械力對晶片表面作用,在表面薄膜層產(chǎn)生斷裂腐蝕的動力,而這部分必須籍由研磨液中的化學(xué)物質(zhì)通過反應(yīng)來增加其蝕刻的效率。而研磨液、晶圓與研磨墊之間的相互作用,便是CMP中發(fā)生反應(yīng)的焦點,如圖2所示。CMP制程中最重要的兩大組件便是漿料和研磨墊。漿料通常是將一些很細(xì)的氧化物粉末（粒徑大約在50(m）分散在水溶液中而制成。研磨墊大多是使用發(fā)泡式的多孔聚亞安酯制成。在CMP制程中,我們先讓漿料填充在研磨墊的空隙中,并提供了高轉(zhuǎn)速的條件,讓晶圓在高速旋轉(zhuǎn)下和研磨墊與研磨液中的粉粒作用,同時控制下壓的壓力等其它參數(shù)。
圖3完整給出了CMP工藝相關(guān)的設(shè)備組成�？梢钥闯�,CMP的組成設(shè)備分為兩部分,即研磨部分和清洗部分。研磨部分由四部分組成,即研磨液的引入和循環(huán);研磨過程的監(jiān)控;研磨耗材以及研磨運動組件。而清洗部分負(fù)責(zé)晶圓的清洗和甩干,做到“Dry in-Dry out”。
化學(xué)機(jī)械拋光的主要檢測參數(shù)包括: 磨除速率(Removal Rate), 研磨均勻性(Uniformity)以及缺陷量 (Defect)。研磨速率是指給定時間內(nèi)磨除的厚度總量,這種測試通常在控片上進(jìn)行;研磨均勻性又分為晶圓內(nèi)均勻性 (WIW NU)和晶圓間均勻性 (WTW NU)。晶圓內(nèi)研磨均勻性指某片晶圓表面研磨速率的標(biāo)準(zhǔn)偏差;晶圓間研磨均勻性用于表征一定時間內(nèi)晶圓表面材料研磨速率的連貫性。對于化學(xué)機(jī)械拋光而言,主要的缺陷種類包括表面小顆粒、表面刮傷、研磨劑殘留等。它們將直接影響產(chǎn)品的良率。
