化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是一種還不足20年歷史的技術(shù),它由IBM公司于1980年代中期開(kāi)發(fā)出來(lái)的。利用這種技術(shù)可以使多層SiO2介質(zhì)（SiO2 Inter level Dielectric, ILD）平面化,使多于三層的金屬層能集成在一起,實(shí)現(xiàn)高密度連線。這種技術(shù)源于硅的拋光工藝。利用了CMP工藝,使隨后的多層結(jié)構(gòu)能在一個(gè)近乎平坦的平面上進(jìn)行制備。
最初CMP技術(shù)的應(yīng)用是使ILD平面化,隨后很快在半導(dǎo)體集成電路的跨層結(jié)構(gòu)上得到了應(yīng)用,主要在生產(chǎn)線上的后兩步工藝上應(yīng)用。在鎢的填充孔和淺層隔離槽（Shallow Trench Isolations）上用CMP技術(shù)能使低電阻率的Cu取代Al作連線用。因?yàn)殂~目前還沒(méi)有實(shí)用的腐蝕技術(shù)。用這種技術(shù)可以先在淺槽內(nèi)淀積Cu,然后進(jìn)行平面化處理,使Cu保留在槽內(nèi),形成Cu的連線。這種技術(shù)稱為銅的嵌入式工藝。
 CMP技術(shù)來(lái)源于硅片拋光工藝。它所用的設(shè)備和材料如拋光機(jī)、拋光布、拋光液等都與硅片拋光用的設(shè)備、材料等相似。從1980年代以來(lái),設(shè)備和其它材料的消耗量得到了快速的增長(zhǎng)。
對(duì)于SiO2的拋光而言,最初的消耗材料是拋光液和拋光布。這種拋光液是一種基本溶液中含一定量的二氧化硅顆粒,而拋光布是一種兩層結(jié)構(gòu)的拋光布,它的最上層是一種聚氨脂類的材料,而下層是氈層結(jié)構(gòu)的氈制層。最初的拋光機(jī)是由旋轉(zhuǎn)的壓平盤和由旋轉(zhuǎn)的帶片器構(gòu)成,旋轉(zhuǎn)的壓平盤和帶片器的面朝下,面對(duì)著拋光布。拋光布的表面是經(jīng)過(guò)粗糙化處理的,還帶一個(gè)拋光工藝條件控制工具。拋光布在整面上都是研磨面。另外,早期的拋光機(jī)有第二個(gè)壓平盤,把片子壓在柔軟的人造革拋光布上,以消除拋光液顆粒和其它缺陷。
對(duì)于拋光別的IDL結(jié)構(gòu)而言,要用不同的拋光液。在拋光鎢層或別的金屬層時(shí),拋光工藝要分為兩步,第一步是先在整個(gè)金屬層表面上生長(zhǎng)一層氧化層,然后把它磨掉（拋光掉）。粗拋布和粗拋液的顆粒把最厚的氧化層先磨掉,這樣金屬表面便露出來(lái)了,接著再生長(zhǎng)一層氧化層。要選用適當(dāng)?shù)慕饘賿伖庖?使這一氧化過(guò)程有自我限制作用,使這一氧化過(guò)程在磨出來(lái)的表面上自動(dòng)停止下來(lái),如果將這種工藝?yán)^續(xù)下去,金屬層就會(huì)完全被拋光掉,達(dá)到平面化的目的。
在特定應(yīng)用中,需要某些材料的去除速率較慢。如在對(duì)STI結(jié)構(gòu)的拋光中,對(duì)Si3N4的去除速率比對(duì)SiO2的去除速率要慢得多。在使用CMP技術(shù)時(shí),即使拋光機(jī)在繼續(xù)旋轉(zhuǎn),拋光到金屬層時(shí),就會(huì)停止下來(lái)。用這樣的系統(tǒng)進(jìn)行拋光時(shí),氮化物的厚度能得到嚴(yán)格的控制。一般來(lái)說(shuō),拋光液可以進(jìn)行設(shè)計(jì),可以設(shè)計(jì)成有選擇性的拋光液,這樣的拋光液有廣泛的用途。已經(jīng)可以買到多種金屬拋光液,包括多晶硅拋光液和STI拋光液。
在CMP技術(shù)出現(xiàn)的短短的時(shí)期內(nèi),已經(jīng)出現(xiàn)了多種改進(jìn)的拋光設(shè)備,以提高工藝控制。主要控制的是在恒定壓力下,控制拋光速率,提高工藝控制包括使工藝順序的最佳化。在拋光過(guò)程中,硅片并不能均勻地去除掉拋光布的厚度。因此拋光條件控制要能重新取平拋光布以便進(jìn)行拋光工藝的控制。
在CMP工藝中,主要挑戰(zhàn)之一是去除速率可能是表面粗糙度靈敏的函數(shù)或者是拋光條件的靈敏函數(shù)。在工藝過(guò)程中,如在ILD的CMP過(guò)程中,去除速率受片子上的特定圖形的影響。在實(shí)踐中,對(duì)拋光片中的檢測(cè)片要多進(jìn)行測(cè)量,以控制拋光時(shí)間。最好能有終點(diǎn)檢測(cè)手段,以確定什么時(shí)候某一層材料被從硅片上完全拋光除掉。
當(dāng)改變拋光材料時(shí),如在拋光銅/低k值材料結(jié)構(gòu)中,拋光布和拋光液也要隨之更換。例如,某些銅拋光液,對(duì)特定材料必須具有特定的選擇比,如對(duì)不同的金屬,不同的勢(shì)壘材料、阻拋材料等,對(duì)低k值材料進(jìn)行CMP拋光更是如此。銅是一種非常軟的金屬,新的拋光布正在開(kāi)發(fā)研制中,它以減少拋光布對(duì)銅的劃傷。
CMP領(lǐng)域日新月異,已經(jīng)出現(xiàn)了很多變化,最大的變化是做完CMP工藝后的清洗工藝。在做完CMP工藝后,要對(duì)片子進(jìn)行雙面刷洗以去除表面上殘留的拋光液的顆粒,特殊的非水性清洗溶液正得到廣泛的應(yīng)用。 |
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