層間介質(zhì)（ILD）CMP工藝分析

詹 陽，周國安，王東輝，楊元元，胡興臣

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

層間介質(zhì)（ILD）CMP工藝分析

詹 陽，周國安，王東輝，楊元元，胡興臣

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

論述了層間介質(zhì)（ILD）的類型及其在集成電路設(shè)計中的作用。以典型層間介質(zhì)SiO2為例，分析其CMP（化學(xué)機械平坦化）工藝過程的化學(xué)和機械作用機理，并在此基礎(chǔ)上闡述影響CMP工藝的各項關(guān)鍵因素。結(jié)合分析得出以SiO2作為層間介質(zhì)進行CMP的技術(shù)要求，工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)需求。

層間介質(zhì)；平整度；拋光墊；修整器

介質(zhì)層是硅器件與金屬層之間及金屬層與金屬層的電絕緣層，也稱為層間介質(zhì)ILD。CMP工藝中應(yīng)用最廣的ILD層間介質(zhì)，包括SiO2、BPSG（硼磷硅玻璃）、PSG（磷硅酸鹽玻璃）、Polymers（高分子材料）、Si3N4（氮化硅）、Aerogels（氣凝膠）及l(fā)ow-k類介質(zhì)等。隨著多層金屬布線層數(shù)增加，層間介質(zhì)層的平坦化已成為IC（集成電路）制程中關(guān)鍵技術(shù)之一：淀積在器件或者金屬層間的電介質(zhì)層會隨著層數(shù)的增加而加劇起伏，當(dāng)金屬互聯(lián)層數(shù)達到3層以上后，光刻已經(jīng)難以有效進行，而目前隨著產(chǎn)品性能的逐漸提高，絕大多數(shù)的金屬互聯(lián)層都已經(jīng)超過3層，此時對電介質(zhì)的化學(xué)機械平坦化是唯一有效的全局平坦化技術(shù)，也是0.35 μm技術(shù)節(jié)點必備的制程。

SiO2是最為常見的層間介質(zhì)，應(yīng)用于做絕緣膜或隔離層，其平整度將影響后續(xù)金屬層的制造，因為淀積的介質(zhì)層覆蓋著前端制造器件，且隨著其表面高低而加劇起伏，導(dǎo)致后續(xù)制程的光刻難以聚焦，因此會有過多的堆積層需要以CMP的方式去除，此過程沒有明顯的停止終點，以去除薄膜的厚度為標準，達到平整度要求即可。因此對它的研究也成為CMP工藝的重點。

1　　二氧化硅拋光結(jié)構(gòu)類型［1］

二氧化硅是半導(dǎo)體硅片制造中最先和最廣泛使用CMP平坦化工藝，如果不進行CMP，則經(jīng)過CVD（化學(xué)氣相淀積）后的表面將會出現(xiàn)嚴重的起伏，直接導(dǎo)致后續(xù)的光刻無法聚焦；而經(jīng)過CMP之后則形成的芯片圖形結(jié)構(gòu)清晰，不僅使得超大規(guī)模集成電路（ULSI）的制造成為可能，而且形成的器件的可靠性及良率都得到極大的改善，CMP設(shè)備及工藝也得到極大的提升和推廣，如圖1所示。

圖1 CMP拋光前的ILD形貌

圖2 ILD拋光后的形貌

2二氧化硅CMP機理

二氧化硅介質(zhì)中硅是最高價四價，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，因此不能利用硅片拋光中采用的氧化還原反應(yīng)方法，目前常用的方法是以二氧化硅為磨料的硅膠拋光法。

基本過程為如圖3所示。

其主要過程：

（1）化學(xué)反應(yīng)過程，表面層首先水解形成水合層，水合層進一步與拋光液中的化學(xué)組分作用形成易溶于水的產(chǎn)物，如圖3（a）；磨料中的水與氧化硅反應(yīng)生成氫氧鍵，這種反應(yīng)稱為表面水合反應(yīng)，如圖3（b），氧化硅的表面水合降低了氧化硅的硬度、機械強度和化學(xué)耐久性，在拋光過程中，在硅片表面會由于摩擦而產(chǎn)生熱量，這也降低了氧化硅的硬度，如圖3（c），這層含水的軟表層氧化硅被磨料中的顆粒機械地去除［2］，如圖3（d）。

圖3二氧化硅化學(xué)機械平坦化機理

（2）機械作用過程，反應(yīng)產(chǎn)物在壓力、拋光布磨料的摩擦作用下從表面去除掉，兩個反應(yīng)過程中較慢的過程決定最終的拋光速率。根據(jù)實驗研究，后者速率一般低于前者，由它決定拋光的速率，根據(jù)實踐證明，拋光速率較高時，表面平整度與完美性均較好，因此如何提高反應(yīng)產(chǎn)物去除率成為提高拋光速率的重點。

3影響二氧化硅CMP的因素（耗材分析）

（1）化學(xué)方面主要為拋光液，拋光液流量及溫度的選擇和控制。

拋光墊上拋光液流動形式影響拋光速度，也影響WIWNU（片內(nèi)非均勻性）。由于拋光盤的不停轉(zhuǎn)動，在拋光墊上不同位置提供拋光液時，流動模式將會不同。如果拋光液不能均勻的到達拋光墊與晶圓接觸點，被拋光材料將不能均勻的去除。當(dāng)轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)時，中心位置和位置（非?？拷行模┦翘峁伖庖狠^好的位置，也可以采用半徑方向分區(qū)域提供拋光液［3］。

在拋光過程中，摩擦使晶片和拋光墊表面的溫度全面升高，如圖4所示。因此，在表面有一個自然的溫度增長，溫度的增加改變了拋光液與晶片的反應(yīng)動力學(xué)，通常增加去除速率。然而，在CMP工藝中，因為拋光液溫度升高化學(xué)反應(yīng)增加而導(dǎo)致去除速率增加，但是溫度的增加使得黏彈性拋光墊變得更軟，因此，由于硬度的降低，又會降低去除速率。所以在工藝過程中，需要維持一個最適宜的拋光液流動，而且如果需要可以對其進行改變，以合理處理最適宜的溫度，滿足增強的拋液作用和沒有退化的拋光墊。

圖 4化學(xué)機械平坦化過程中拋光墊溫度變化［3］

（2）機械方面包括拋光墊、修整器、拋光參數(shù)設(shè)定。

拋光墊由含有填充材料的聚亞胺酯泡沫組成，用來控制聚亞胺酯浸漬毛布的硬度。拋光墊承載拋光液，執(zhí)行拋光過程，傳遞拋光用的正交力和剪切力，因此在工藝優(yōu)化中起到非常重要的作用。拋光墊的硬度直接影響到CMP工藝表面平整度。如圖5（a）當(dāng)使用軟墊對SiO材料進行CMP工藝時，由于拋光墊材質(zhì)較軟，當(dāng)晶圓壓在軟墊表面后軟墊會與晶圓表面較好的吻合，從而緊貼晶圓原有的形貌進行拋光工藝，無法達到消除晶圓表面高出部分的目的；使用硬墊后如圖5（b）所示，結(jié)果可以達到預(yù)期效果。因此，為了改善CMP工藝的產(chǎn)量，以得到高平坦，無缺陷均勻晶片表面，并減小制造過程全部費用，需要從根本上廣泛研究CMP拋光墊的基本特征。拋光墊不同的表面紋理及材質(zhì)特性會表現(xiàn)出不同的材料去除機理，不同的去除機理自然產(chǎn)生不同的摩擦特性和不同的去除速率，進而影響CMP后的表面質(zhì)量。

圖 5軟墊及硬墊對晶圓的接觸示意圖［4］

在不斷地研磨過程中，拋光墊會粘附晶圓去除物或大顆粒的研磨介質(zhì)，修整器就是在CMP加工過程中，有規(guī)律的修整拋光墊，打通拋光墊里的微小溝道，去除板結(jié)的微表面，使其保證較高的粗糙性和鋒利性，以及更多的容納性，可以更多的容納研磨液達到高效穩(wěn)定的拋光性，如圖6所示，不同表面顆粒的修整器會對拋光墊表面修整質(zhì)量的控制起到巨大的作用。

圖6修整器中金剛石顆粒分布形狀

因此，最后設(shè)備工藝參數(shù)的設(shè)定是在考慮和確定了客觀耗材的前提下，根據(jù)所要達到的最終表面質(zhì)量要求，根據(jù)設(shè)備機械特性，設(shè)定和不斷優(yōu)化參數(shù)達到最終表面技術(shù)指標要求。

4　　設(shè)備實現(xiàn)方案

ILD拋光過程可有兩種，一種為三臺拋光，另外一種為兩臺拋光。

（1）三拋光臺工藝過程（見圖7）

圖7氧化物三步拋光示意圖

如圖7所示，#1拋光臺目的是快速去除多余的二氧化硅，達到消除臺階差的目的；#2拋光臺需要較慢的去除率，為第三步剩余二氧化硅厚度精度做鋪墊；#3拋光臺除了需要達到預(yù)期二氧化硅膜厚度要求外，還起到精拋和清洗的效果。

（2）兩拋光臺工藝過程

如圖8所示，為了節(jié)省設(shè)備硬件成本，可以將#1拋光臺的工藝過程集中到一個拋光臺上進行。

圖8氧化物兩步拋光示意圖

5　　氧化物平坦化的終點檢測

隨時半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對氧化物的平坦化不僅要求苛刻的片內(nèi)非均勻性（WIWNU）、粗糙度（Ra）等基本技術(shù)指標，甚至對拋光后剩余的介質(zhì)層厚度都提出明確的要求，因此終點檢測（EPD）成為0.18 μm技術(shù)節(jié)點以下必需具備的氧化物拋光技術(shù)之一，且廣泛應(yīng)用于淺溝道隔離（STI）。

由于二氧化硅的不同用處，如氧化層用CMP拋光至指定的厚度，由于沒有拋光停止層，這一拋光過程是完全盲目的。如何精確的控制剩余氧化層厚度成為最關(guān)鍵的問題。目前業(yè)界比較多的是根據(jù)二氧化硅的物理性質(zhì)，采用干涉法：當(dāng)一束光線射到透明的介質(zhì)膜上時，就有一部分光線在介質(zhì)表面發(fā)射稱為光線1，另一部分折射進入介質(zhì)，由于硅為高反射系數(shù)的材料，折射光線又會重新折射進入空氣，成為光線2，反射光之間就會產(chǎn)生干涉，從而反推膜層厚度，也稱光學(xué)終點檢測，并且需要實時檢測以達到較好的片間均勻性，如圖9所示。

圖9光學(xué)終點檢測原理圖

5結(jié)論

本文論述了以SiO2為典型材質(zhì)的層間介質(zhì)在集成電路中的作用及需要進行CMP工藝流程的重要性，通過對耗材，化學(xué)機械拋光參數(shù)分析得出其在CMP過程中的影響因素，對設(shè)備的要求及實施方案。

［1］ Michal Quirk，Julian Serda.半導(dǎo)體制造技術(shù)［M］.韓鄭生，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.477-505.

［2］P.B.Zantye et al.Materials Science and Engineering. http：//wiki.umn.edu/pub/cmp Refs/cmp2.pdf［R］.2004. 89-220.

［3］ H.Lu，Y.Obeng，K.A.Richardson，Applicability of dynamic mechanical analysis for CMP polyurethane padstudies［J］.Matercharact，2002，48（2）：177.

The CMP Process Analyse of Inter Layer Dielectric

ZHAN Yang，ZHOU Guoan，WANG Donghui，YANG Yuanyuan，HU xingchen
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

The paper describes the type of ILD and applications in IC.As SiO2for example analyses the Chemistry and Mechanical function in CMP，and the key factors which will effect CMP process. According to all analysesinfer the technical requirements，process procedures and equipment configuration requirements of SiO2ILD.

ILD（InterLayer Dielectric）；Planarity；Pad；Pad Conditioner

TN305

A

1004-4507（2016）06-0040-05

詹陽（1985-），男，陜西銅川人，工學(xué)學(xué)士，畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工程師，中國電子科技集團公司第45研究所，主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備研究。

2016-04-01