超大规模集成电路制造中硅片化学机械抛光技术分析

超大规模集成电路制造中硅片化学机械抛光技术分析

摘要：

目前半导体制造技术已经跨入O．1 3 u m和300mm时代，化学机械抛光(CMP)技术在uLsI

制造中得到了快速发展，已经成为特征尺寸0.35 u m以下Ic制造不可缺少的技术。CMP是唯一能够实现硅片局部和全局平坦化的方法，但CMP的材料去除机理至今还没有完全理解、CMP系统过程变量和技术等

疗面的许多问题还没有完全弄清楚。本文着重介绍了化学机械抛光材料去除机理以及影响硅片表面材料去除率和抛光质量的因素。

关键词：化学机械抛光；材料去除机理；CMP系统过程变量

1前言

   随着半导体工业的飞速发展，为满足现代微处理器和其他逻辑芯片要求，一方面，为增大芯片产量，降低单元制造成本，要求硅片的直径不断增大：另一方面，为了提高集成电路的集成度，要求硅片的刻线宽度越来越细。集成电路制造技术已经跨入0.13um和300mm时代，按照美国半导体工业协会( SIA)提出的微电子技术发展构图，到2008年，将开始使用直径450mm的硅片，实现特征线宽0.07um，硅片表面总厚度变化(TTV)要求小于0.2um，硅片表面局部平整度(SFQD)要求为设计线宽的2/3，硅片表面粗糙度要求达到纳米和亚纳米级，，芯片集成度达到9000万个晶体管／cm2等。由于超人规模集成电路几何尺寸的缩小，导致了集成电路结构层的立体化，并且要求采用性能更好的金属作互连线；与此同时，金属线变得很细，铝互连线已经不能适应时代需求，因此目前超大规模集成电路(ULSI)多层布线金属正由传统的Al向Cu转化，然而随着金属层数的增加，要在大直径硅片上实现多层布线结构，刻蚀要求每一层都应具有很高的全局平整度，这是实现多层布线的关键。

   常见的传统平面化技术很多，如热流法、旋转式玻璃法、回蚀法、电子环绕共振法、选择淀积、低压CVD、等离了增强CVD、淀积．腐蚀．淀积等，这些技术在IC工艺中都曾得到应用，但是它们都是属于局部平面化技术，不能做到全局平面化。1965年Walsh和Herzog首次提山了化学机械抛光技术<CMP)，之后逐渐被应用起来。在半导体行业，CMP最早应用于集成电路中基材硅片的抛光。1990年，IBM公司率先提

出了CMP全局平面化技术，并于1991年成功应用于64Mb的DRAM生产中。之后，CMP技术得到了快速发展。CMP的研究开发工作过去主要集中在以美国为主的联合体SEMATECH，现在已发展到全球，如欧洲联合体JESSI、法国研究公司LETI和CNET、德国FRAUDHOFER研究所等，日本在CMP方面发展很快，并且还从事硅片CMP设备供应。我国台湾和韩国也在CMP方面研究较多，但我国国内在这方面研究者甚少。

2  化学机械抛光技术的原理及其在集成电路制造中的作用

   一般的化学机械抛光系统构造如图1所示，整个系统是由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光浆料供给装置三大部分组成。化学机械抛光时，旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，而由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动，并产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨粒的机械作用去除，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工，人们称这种CMP为游离磨料CMP。在CMP中，由于选用比工件软或者与工件硬度相当的磨粒，在化学反应和机械作用的其同作用下从工件表面去除极薄的一层材料，因而可以获得高精度、低表面粗糙度、无加工缺陷的工件表面。

   集成电路制造过程共分4个阶段：单品硅片制造一前半制程一硅片测试一后半制程，如图2所示。在单晶硅片制造过程和前半制程多层布线都要用到化学机械抛光。大量的研究表明，化学机械抛光技术是保证硅片平坦化的最佳方法，它不仅足在单晶硅片加工最终获得纳米级超光滑无损伤表面的最有效方法，也是ULSI芯片多层布线中不可替代的层间平坦化方法。CMP现已成为半导体加工行业的主导技术。

3化学机械抛光材料去除机理研究

   化学机械抛光技术是化学作用和机械作用相结合的组合技术，其过程相当复杂，影响因素很多。在化学机械抛光时，首先是存在于工件表面和抛光垫间的抛光液中的氧化剂、催化剂等与工件表面的原子进行氧化反应，在工件表面产生一层氧化薄膜，然后由漂浮在抛光液中的磨粒通过机械作用将这层氧化薄膜上除，使工件表面重新裸露出来，再进行氧化反应，这样在化学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成工件表面抛光。两个过程的快慢综合和一致性影响着工件的抛光速率和抛光质量。抛光速率主要由这两个过程中速率慢的过程所控制。因此要实现高效率、高质量的抛光，必须使化学作用过程和机械作用过程进行良好匹配。

3.1材料去除机理及模型的研究内容

   尽管CMP被认为足获得光滑无损伤表面的最有效方法，并且已经广泛地用于集成电路制造中，但CMP材料去除机理、CMP过程变量和技术等方面的许多问题还没有完全弄清楚。一方面，由于抛光过程变量多、复杂，且具有交互作用，它的变化会直接影响到硅片和抛光垫之间的关系及材料去除机理，这就使得化学机械抛光材料去除机理变得复杂，且难以控制。另一方面，由于硅片表面组成材料种类多、性质不同，要实现均匀去除和有选择地去除较困难。因此，CMP材料去除机理涉及的研究内容很多，研究人员从不同的方面用不同的方法，采用不同的理论进行了各种各样的研究，但至今还没有一个完整结论。图3给出了目前硅片化学机械抛光材料去除机理主要研究内容和各种模型。

3.2 CMP化学反应机理

   CMP的化学反应式可用下式表示为：aM+ βR--A--nL+mD.式中M代表硅片表面未被氧化的物质（如Si、SiO2、互连金属、介电质等）；R代表氧化剂、L代表化学反应在硅片表面形成的氧化反应物层（未被磨粒磨除）；D代表副产物（气体、液体或溶于抛光液）；a、β、n、m为系数（摩尔数）；k．为速率参数，其大小由氧化剂的化学性质决定。

3.3 CMP机械去赊机理模型研究

   CMP过程中的机械去除机理非常复杂，至今没有定论，目前很多研究人员在从事这方面的研究工作。由于硅片和抛光垫的接触形式不同，其材料去除机理也会不同。针对不同的接触形式，人们已提出了很多材料去除机理物理模型。如图3所示，

   ①唯象学模型：早在20世纪20年代，Preston通过对光学玻璃的抛光，提出了第一个基于CMP过程结果的唯象学模型。之后，Preston方程被广泛用作集成电路中CMP过程的控制和消耗品研究。由于Preston公式是基于硬质抛光垫，而广泛用于IC制造业的抛光垫是软质聚合物，不同硬度的抛光垫将使材料去除率在Preston公式和实验观察之间产生明显的差异。1991年Burke通过对Si02化学机械抛光实验，建立了一个半经验唯象学模型。但该模型没有考虑抛光垫的弯曲（凹陷）、凸出以及液体流动。同年，J．Warnock提出一个全唯象学显微模型，认为水平方向抛光速率的不同是由抛光垫的变形决定的，而垂直方向的抛光速率的不同是由抛光垫的粗糙度决定的。

   ②物理模型：硅片和抛光垫的接触程度是由硅片和抛光垫之间抛光液薄膜厚度决定的，如果薄膜厚度比抛光垫平均凸峰高度大，则抛光操作被认为是在流体润滑区域，可以用流体动力学理论来建立材料去除机理模型；如果薄膜厚度比抛光垫凸峰高度小，导致硅片和抛光垫完全接触，则抛光操作被认为是在全接触区域，可以用接触力学理论来建立材料去除机理模型。当硅片和抛光垫之间既有直接接触部分又有非接触部分时．则CMP操作过程中被认为是在半接触操作区域，可以用接触力学模型和流体动力学理论来建立抛光CMP模型，即为基于接触力学和液体力学原理的混合模型。(1)流体动力学模型是基于液体动压滑动轴承的原理建立的。硅片和抛光垫非直接接触，作用载荷全由硅片和抛光垫之间的抛光液所承受，材料去除是由抛光液薄膜在硅片表面产生的表面应力和抛光液的自然刻蚀形成的。(2)接触力学原理的模型是基于硅片和抛光垫完全接触，作用载荷主要由固．固接触的抛光垫、硅片和磨粒所承受，材料去除是通过磨粒在硅片表面的滑擦作用。当使用软质抛光垫抛光时，材料去除率主要由硅片和垫子接触区域的总磨粒数量所决定；而使用硬质抛光垫抛光时，材料去除率主要取决于磨粒与硅片总的接触面积。(3)在接触力学和液体力学原理的混合模型中，硅片和抛光垫之间不仅有硅片一一（磨粒）一一抛光垫接触形式，又存在硅片——液体膜——抛光垫接触形式，作用压力由抛光垫的凸峰和抛光液薄膜所承受。

   在上述有关CMP村料去除机理模型的研究中，对抛光液化学反应和磨粒的磨蚀作用及其交互作用等均没有作完全考虑，因此用这些理论模型来揭示CMP加工过程的本质还有一定的局限性，所以，对CMP材料去除机理还有待进一步深入研究和理解。

4  CMP系统过程变量及其对抛光速率和表面质量的影响

4.1 CMP系统过程变量

   一个CMP系统（抛光垫／抛光液，硅片）包括很多变量：设备过程变量、硅片本身变量、抛光液变量以及抛光垫变量，具体内容图4所示。

4.2 CMP主要过程变量对抛光速率和表面质量的影响

   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。

   (l)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。因此抛光压力是抛光过程中一个重要变量。

   (2)相对速度Vo相对速度也是抛光过程的一个重要变量，它和抛光压力的匹配决定了抛光操作区域。在一定条件下，相对速度增加，会引起抛光速率增加。如果相对速度过高会使抛光液在抛光垫上分布不均匀、化学反应速率降低、机械作用增强，从而硅片表面损伤增大，质量下降。但速度较低，则机械作用小，也会降低抛光速率。

   (3)抛光区域温度。一般情况下工作区温度升高，加强了抛光液化学反应能力，使抛光速率增加，但由于温度与抛光速率成指数关系，过高的温度会引起抛光液的挥发及快速的化学反应，表面腐蚀严重，因而会产生不均匀的抛光效果，使抛光质量下降。但工作区温度低，则化学反应速率低、抛光速率低、机械损伤严重：因此抛光区应有最佳温度值。通常抛光区温度控制在38-50℃（粗抛）和20-30℃（精抛）。

   (4)抛光液粘度、pH值。抛光液粘度影响抛光液的流动性和传热性。抛光液的粘度增加，则流动性减小，传热性降低，抛光液分布不均匀，易造成材料去除率不均匀，降低表面质量。但在流体动力学模型中，抛光液的粘度增加，则液体薄膜最小厚度增加、液体膜在硅片表面产生的应力增加，减少蘑粒在硅片表面的划痕，从而使材料去除增加。pH值对被抛表面刻蚀及氧化膜的形成、磨料的分解与溶解度、悬浮度（胶体稳定性）有很大的影响，从而影响材料的去除率和表面质量，因此应严格控制。

   (5)抛光垫。抛光垫材料通常为聚氨酯或聚脂中加入饱和的聚氨脂，它的各种性质严重影响被抛光硅片的表面质量、平坦化能力和抛光速率。抛光垫的硬度对抛光均匀性有明显的影响，当使用硬抛光垫时可获得较好的晶片内均匀性(WID)，使用软抛光垫可获得较好的表面质量和改善芯片内均匀性(wlw)。抛光垫的多孔性和表面粗糙度将影响抛光液的传输、材料去除率和接触而积。抛光垫越粗糙，则材料去除率增大，接触面积越大；抛光垫使用后会产生变形，表面变得光滑，孔隙减少和被堵塞，使抛光速率下降，必须进行修整来恢复其粗糙度，改善传输抛光液的能力，一般采用钻石修整器修整。

   (6)磨粒尺寸、浓度及硬度。CMP的磨粒一般有Ce02、Si02和Al2O3，其尺寸在20-200nm之间。一般情况下，当磨粒尺寸增加，抛光速率增加，但磨粒尺寸过小则易凝聚成团，使硅片表面划痕增加；磨粒硬度增加，抛光速率增加，但划痕增加，表面质量下降。磨粒的浓度增加时，材料去除率也随之增加，但当磨粒浓度超过某一值时，材料去除率将停止增加，维持一个常数值，这种现象可称为材料去除饱和，但

磨粒浓度增加，硅片表面缺陷（划痕）增加，表面质量降低。

5结束语

   虽然CMP技术发展很快，但还有很多理论和技术问题需要解决，还有太多的理论处于假设阶段，没有被人所证实、所认同，CMP材料去除机理还有待深入研究和理解，CMP系统过程变量必须进行优化与控制，从而建立完善的CMP工艺，增加CMP技术的可靠性和再现性。相信不久的将来，CMP技术将会走向成熟和完善。

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