层间介质（ILD）CMP工艺分析

詹 阳，周国安，王东辉，杨元元，胡兴臣

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

层间介质（ILD）CMP工艺分析

詹 阳，周国安，王东辉，杨元元，胡兴臣

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

论述了层间介质（ILD）的类型及其在集成电路设计中的作用。以典型层间介质SiO2为例，分析其CMP（化学机械平坦化）工艺过程的化学和机械作用机理，并在此基础上阐述影响CMP工艺的各项关键因素。结合分析得出以SiO2作为层间介质进行CMP的技术要求，工艺流程和设备结构需求。

层间介质；平整度；抛光垫；修整器

介质层是硅器件与金属层之间及金属层与金属层的电绝缘层，也称为层间介质ILD。CMP工艺中应用最广的ILD层间介质，包括SiO2、BPSG（硼磷硅玻璃）、PSG（磷硅酸盐玻璃）、Polymers（高分子材料）、Si3N4（氮化硅）、Aerogels（气凝胶）及low-k类介质等。随着多层金属布线层数增加，层间介质层的平坦化已成为IC（集成电路）制程中关键技术之一：淀积在器件或者金属层间的电介质层会随着层数的增加而加剧起伏，当金属互联层数达到3层以上后，光刻已经难以有效进行，而目前随着产品性能的逐渐提高，绝大多数的金属互联层都已经超过3层，此时对电介质的化学机械平坦化是唯一有效的全局平坦化技术，也是0.35 μm技术节点必备的制程。

SiO2是最为常见的层间介质，应用于做绝缘膜或隔离层，其平整度将影响后续金属层的制造，因为淀积的介质层覆盖着前端制造器件，且随着其表面高低而加剧起伏，导致后续制程的光刻难以聚焦，因此会有过多的堆积层需要以CMP的方式去除，此过程没有明显的停止终点，以去除薄膜的厚度为标准，达到平整度要求即可。因此对它的研究也成为CMP工艺的重点。

1　　二氧化硅抛光结构类型［1］

二氧化硅是半导体硅片制造中最先和最广泛使用CMP平坦化工艺，如果不进行CMP，则经过CVD（化学气相淀积）后的表面将会出现严重的起伏，直接导致后续的光刻无法聚焦；而经过CMP之后则形成的芯片图形结构清晰，不仅使得超大规模集成电路（ULSI）的制造成为可能，而且形成的器件的可靠性及良率都得到极大的改善，CMP设备及工艺也得到极大的提升和推广，如图1所示。

图1 CMP抛光前的ILD形貌

图2 ILD抛光后的形貌

2二氧化硅CMP机理

二氧化硅介质中硅是最高价四价，化学性质较稳定，因此不能利用硅片抛光中采用的氧化还原反应方法，目前常用的方法是以二氧化硅为磨料的硅胶抛光法。

基本过程为如图3所示。

其主要过程：

（1）化学反应过程，表面层首先水解形成水合层，水合层进一步与抛光液中的化学组分作用形成易溶于水的产物，如图3（a）；磨料中的水与氧化硅反应生成氢氧键，这种反应称为表面水合反应，如图3（b），氧化硅的表面水合降低了氧化硅的硬度、机械强度和化学耐久性，在抛光过程中，在硅片表面会由于摩擦而产生热量，这也降低了氧化硅的硬度，如图3（c），这层含水的软表层氧化硅被磨料中的颗粒机械地去除［2］，如图3（d）。

图3二氧化硅化学机械平坦化机理

（2）机械作用过程，反应产物在压力、抛光布磨料的摩擦作用下从表面去除掉，两个反应过程中较慢的过程决定最终的抛光速率。根据实验研究，后者速率一般低于前者，由它决定抛光的速率，根据实践证明，抛光速率较高时，表面平整度与完美性均较好，因此如何提高反应产物去除率成为提高抛光速率的重点。

3影响二氧化硅CMP的因素（耗材分析）

（1）化学方面主要为抛光液，抛光液流量及温度的选择和控制。

抛光垫上抛光液流动形式影响抛光速度，也影响WIWNU（片内非均匀性）。由于抛光盘的不停转动，在抛光垫上不同位置提供抛光液时，流动模式将会不同。如果抛光液不能均匀的到达抛光垫与晶圆接触点，被抛光材料将不能均匀的去除。当转盘顺时针旋转时，中心位置和位置（非常靠近中心）是提供抛光液较好的位置，也可以采用半径方向分区域提供抛光液［3］。

在抛光过程中，摩擦使晶片和抛光垫表面的温度全面升高，如图4所示。因此，在表面有一个自然的温度增长，温度的增加改变了抛光液与晶片的反应动力学，通常增加去除速率。然而，在CMP工艺中，因为抛光液温度升高化学反应增加而导致去除速率增加，但是温度的增加使得黏弹性抛光垫变得更软，因此，由于硬度的降低，又会降低去除速率。所以在工艺过程中，需要维持一个最适宜的抛光液流动，而且如果需要可以对其进行改变，以合理处理最适宜的温度，满足增强的抛液作用和没有退化的抛光垫。

图 4化学机械平坦化过程中抛光垫温度变化［3］

（2）机械方面包括抛光垫、修整器、抛光参数设定。

抛光垫由含有填充材料的聚亚胺酯泡沫组成，用来控制聚亚胺酯浸渍毛布的硬度。抛光垫承载抛光液，执行抛光过程，传递抛光用的正交力和剪切力，因此在工艺优化中起到非常重要的作用。抛光垫的硬度直接影响到CMP工艺表面平整度。如图5（a）当使用软垫对SiO材料进行CMP工艺时，由于抛光垫材质较软，当晶圆压在软垫表面后软垫会与晶圆表面较好的吻合，从而紧贴晶圆原有的形貌进行抛光工艺，无法达到消除晶圆表面高出部分的目的；使用硬垫后如图5（b）所示，结果可以达到预期效果。因此，为了改善CMP工艺的产量，以得到高平坦，无缺陷均匀晶片表面，并减小制造过程全部费用，需要从根本上广泛研究CMP抛光垫的基本特征。抛光垫不同的表面纹理及材质特性会表现出不同的材料去除机理，不同的去除机理自然产生不同的摩擦特性和不同的去除速率，进而影响CMP后的表面质量。

图 5软垫及硬垫对晶圆的接触示意图［4］

在不断地研磨过程中，抛光垫会粘附晶圆去除物或大颗粒的研磨介质，修整器就是在CMP加工过程中，有规律的修整抛光垫，打通抛光垫里的微小沟道，去除板结的微表面，使其保证较高的粗糙性和锋利性，以及更多的容纳性，可以更多的容纳研磨液达到高效稳定的抛光性，如图6所示，不同表面颗粒的修整器会对抛光垫表面修整质量的控制起到巨大的作用。

图6修整器中金刚石颗粒分布形状

因此，最后设备工艺参数的设定是在考虑和确定了客观耗材的前提下，根据所要达到的最终表面质量要求，根据设备机械特性，设定和不断优化参数达到最终表面技术指标要求。

4　　设备实现方案

ILD抛光过程可有两种，一种为三台抛光，另外一种为两台抛光。

（1）三抛光台工艺过程（见图7）

图7氧化物三步抛光示意图

如图7所示，#1抛光台目的是快速去除多余的二氧化硅，达到消除台阶差的目的；#2抛光台需要较慢的去除率，为第三步剩余二氧化硅厚度精度做铺垫；#3抛光台除了需要达到预期二氧化硅膜厚度要求外，还起到精抛和清洗的效果。

（2）两抛光台工艺过程

如图8所示，为了节省设备硬件成本，可以将#1抛光台的工艺过程集中到一个抛光台上进行。

图8氧化物两步抛光示意图

5　　氧化物平坦化的终点检测

随时半导体技术的持续发展，对氧化物的平坦化不仅要求苛刻的片内非均匀性（WIWNU）、粗糙度（Ra）等基本技术指标，甚至对抛光后剩余的介质层厚度都提出明确的要求，因此终点检测（EPD）成为0.18 μm技术节点以下必需具备的氧化物抛光技术之一，且广泛应用于浅沟道隔离（STI）。

由于二氧化硅的不同用处，如氧化层用CMP抛光至指定的厚度，由于没有抛光停止层，这一抛光过程是完全盲目的。如何精确的控制剩余氧化层厚度成为最关键的问题。目前业界比较多的是根据二氧化硅的物理性质，采用干涉法：当一束光线射到透明的介质膜上时，就有一部分光线在介质表面发射称为光线1，另一部分折射进入介质，由于硅为高反射系数的材料，折射光线又会重新折射进入空气，成为光线2，反射光之间就会产生干涉，从而反推膜层厚度，也称光学终点检测，并且需要实时检测以达到较好的片间均匀性，如图9所示。

图9光学终点检测原理图

5结论

本文论述了以SiO2为典型材质的层间介质在集成电路中的作用及需要进行CMP工艺流程的重要性，通过对耗材，化学机械抛光参数分析得出其在CMP过程中的影响因素，对设备的要求及实施方案。

［1］ Michal Quirk，Julian Serda.半导体制造技术［M］.韩郑生，译.北京：电子工业出版社，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

詹阳（1985-），男，陕西铜川人，工学学士，毕业于西南交通大学，工程师，中国电子科技集团公司第45研究所，主要从事半导体专用设备研究。

2016-04-01