本部分將對LSI多層布線化的發(fā)展，以及包括設(shè)備和消耗部件在內(nèi)的CMP工藝進(jìn)行講解。另外，在介紹完CMP的機(jī)理后，還將介紹大量使用CMP工藝的銅雙大馬士革技術(shù)，以及 CMP 工藝面臨的難題。

LSI還是2層布線的時代，平坦化技術(shù)(只是一部分平滑化的水平)與刻蝕和成膜組合。但是，隨著多層化的發(fā)展，CMP工藝這一使硅片表面變得平坦的技術(shù)變得必不可少。

為什么使用 CMP 工藝?

首先介紹CMP工藝產(chǎn)生的歷史背景。CMP工藝之所以成為必要，是因?yàn)橄到y(tǒng)級LSI和先進(jìn)CMOS數(shù)字電路的發(fā)展中多層布線化的發(fā)展需求。在存儲器中，內(nèi)存單元至少需要2層位線和字線的走線，所以也有不使用CMP的情況。在先進(jìn)的數(shù)字LSI中，通常是把已經(jīng)完成電路驗(yàn)證的IP進(jìn)行整合，完成邏輯LSI的設(shè)計(jì)。這樣做的主要原因是因?yàn)轵?yàn)證新電路需要花費(fèi)大量的時間。因此，用布線連接各種電路模塊使之完成LSI，稱為Building Block方式。因?yàn)槭怯眠@樣的方法制作的所以布線必然是層次化結(jié)構(gòu)，所以需要多層布線。為了形成3層以上的多層布線完全平坦化是必要的，為此從20世紀(jì)90年代初開始CMP的實(shí)用化不斷發(fā)展。

到CMP 為止的工藝流程

CMP在實(shí)用化之前也有平坦化的要求。20世紀(jì)80年代到90年代，平坦化布線形成技術(shù)有兩個難題。一是布線寬度和布線間距因微細(xì)化而變小，布線上形成的層間絕緣膜不能埋人布線之間，如下圖所示，產(chǎn)生稱為“Void”的孔隙，造成可靠性問題。將層間絕緣膜無縫隙地嵌入布線之間的 Gap中，這種技術(shù)稱為間隙填充(Gap FiLL)。成膜工藝講到的臺階覆蓋率(Step Coverage)提高非常重要，于是各種各樣的CVD方法應(yīng)運(yùn)而生。

間隙填充(Gap Fill)技術(shù)

另一個難題是層間絕緣膜形成后，如何使布線上的臺階平坦化的問題。比起平坦化，用平滑化來表現(xiàn)也許更好。當(dāng)時用涂布型的層間絕緣膜平滑化，以及被稱為光刻回蝕(Resistor Etch Back)的技術(shù)。后者的例子如下圖所示，但是，該方法并沒有達(dá)到完全平坦化。

平坦化的例子:光刻膠回蝕

二、采用先進(jìn)光刻技術(shù)的CMP工藝

在光刻工藝中介紹的先進(jìn)曝光裝置，如果曝光面不平坦，也無法發(fā)揮其分辨率的特長。為此，CMP的平坦化是必不可少的。

拯救焦深下降的CMP

在8-1所敘述的不完全平坦化(平滑化)工藝中，如下圖a所示，在其上進(jìn)一步形成布線層，就會出現(xiàn)布線不平坦的問題。因此，需要進(jìn)行如下圖b所示的完全平坦化。但問題的關(guān)鍵是光刻，在第5章光刻工藝也提到過，曝光設(shè)備的分辨率越高，焦深(DOF)就越低。隨著微細(xì)化的推進(jìn)，也就是在使用分辨率高的曝光裝置的情況下，必須使曝光的表面平坦化。這個問題的唯一答案是進(jìn)行CMP的完全平坦化。因此也有人認(rèn)為CMP是光刻技術(shù)的超分辨率技術(shù)之一。

不完全平坦化與完全平坦化的區(qū)別

需要 CMP 的工序

對于先進(jìn)CMOS數(shù)字電路來說，沒有CMP就無法制造器件。在下圖中，我們對剖面圖進(jìn)行介紹。從上到下分別是ST(Shallow TrenchIsolation，淺槽隔離)、W-Plug(鎢塞)前的層間絕緣膜(圖中標(biāo)注為PMD，是PreMetalDielectrics的縮寫)、鎢塞以及在其上形成的Cu布線，需要CMP工藝的地方很多。其中，制造Cu布線的 Cu 雙大馬士革技術(shù)將在8-6中進(jìn)行說明，是非常復(fù)雜且成本昂貴的工藝。而且如圖所示，Cu的CMP工藝隨著布線層的增加需要得就越多，導(dǎo)致ISI芯片成本的增高，所以也有只在下層布線用Cu的雙大馬士革工藝形成，上部的布線用鋁形成的想法。因?yàn)橛羞@么多的工藝需要平坦化，所以在先進(jìn)CMOS數(shù)字電路的生產(chǎn)線上可以看到CMP設(shè)備都是很多臺一字排開。

先進(jìn) CMOS 數(shù)字電路和 CMP 的使用示例

三、回歸濕法工藝的CMP設(shè)備

CMP設(shè)備與前面介紹的其他前段制程的設(shè)備不同，它是機(jī)械加工的設(shè)備，所以工藝也會受其影響。

CMP 設(shè)備是什么樣的?

CMP裝置類似于對晶圓的表面進(jìn)行鏡面拋光所使用的拋光機(jī)，以及減薄機(jī)(打晶片背面的裝置)。它們都是機(jī)械加工設(shè)備，有很多驅(qū)動部分，并不是所謂的真空工藝。特別是拋光機(jī)，都需要使用研磨劑和大量的水。常用的CMP設(shè)備如下圖所示。簡單來說就是在硅片背面使用稱為晶圓承物臺(Platen)的器具來吸附，硅片表面接觸到研磨墊(有時候省略為Pad)對硅片表面進(jìn)行研磨(類似于研磨墊和晶圓承物臺雙方互相擠壓這種形式)研磨襯墊上有拋光料(Slumy)滴下來并研磨晶圓表面。拋光料是研磨粒子和特定溶劑混雜在一起的溶液。為了防止研磨墊上的研磨液阻塞，用修整器(Dresser，也叫作Conditioner)進(jìn)行原位(In-Situ)修整。從20世紀(jì)80年代開始，潔凈間逐漸導(dǎo)入了干法工藝(刻蝕等)但由于CMP使用的是被稱為研磨液的溶液，所以被稱為干法工藝向濕法工藝的回歸。另外，在潔凈間中入含有顆粒的研磨液時，也遇到了很大的阻力。不過，我個人的看法是，晶圓制造中也曾使用過拋光機(jī)，半導(dǎo)體制造商也有過自產(chǎn)晶圓的時代，所以對上面的排斥也不應(yīng)那么強(qiáng)烈。相反，使用CMP實(shí)現(xiàn)完全平坦化才是當(dāng)務(wù)之急、重中之重。

CMP 設(shè)備示意圖

為了去除研磨液，必須有內(nèi)建的(Built-I9)清洗裝置。另外，CMP設(shè)備最初計(jì)劃有30家左右的公司參與，但現(xiàn)在已經(jīng)形成壟斷的局面。

與其他半導(dǎo)體工藝設(shè)備相比的CMP 設(shè)備

CMP設(shè)備原理看似簡單，但也有深奧的一面。特別是設(shè)備、設(shè)備周邊的維護(hù)非常困難，消耗品等周邊技術(shù)的市場規(guī)模與設(shè)備差不多。甚至要考慮到在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行各種技術(shù)改良。另一方面，干法刻蝕工藝和典型的真空工藝也有相似的一面，如下圖所示，供大家參考。從這個切入點(diǎn)來看，前段制程的工藝設(shè)備可能有很多共同點(diǎn)。

與干法刻蝕設(shè)備相比的CMP設(shè)備

四、消耗品多的CMP工藝

CMP 工藝有很多消耗品，例如研磨液、研磨墊、固定環(huán)、調(diào)節(jié)器等。從這個意義上來看，流程和設(shè)備的管理非常重要。

有什么樣的消耗品?

如前文所述，CMP設(shè)備的原理雖然簡單，但其特點(diǎn)是設(shè)備、設(shè)備周邊涉及的人員龐大，耗材等周邊技術(shù)市場也很大，這些和設(shè)備本身所需規(guī)模差不多了。在CMP設(shè)備中使用的消耗品有研磨液、研磨墊、修整器(調(diào)節(jié)器)、保持環(huán)等。而且這些消耗品對CMP工藝的結(jié)果優(yōu)化做出了巨大貢獻(xiàn)。從歷史上看，CMP工藝是從IBM公司開始的，這些耗材也一直被美國的部件制造商壟斷，期間也出現(xiàn)了很多問題。在這種情況下，日本的廠商卷土重來，研磨墊、研磨液等領(lǐng)域也有日本的大型化學(xué)企業(yè)加入了競爭，以下介紹研磨墊和研磨液的現(xiàn)狀。

需要的性質(zhì)是什么?

如下圖所示，研磨墊有硬質(zhì)墊和軟質(zhì)墊，也有兩者組合使用的情況。對于研磨墊來說，最大的問題是使用壽命。通常，進(jìn)行幾百張左右晶圓的CMP就需要更換研磨墊。問題是交換的工夫，以及交換后要求的條件匹配都會占用時間。為了保持住研液，在研磨墊上刻上溝槽，甚至也有半導(dǎo)體制造商將溝槽的形狀作為公司的Know-How。另外，研磨墊和研磨液、調(diào)節(jié)器的配合度等也是難題。

墊的軟硬的一般比較

研磨液不僅是二氧化硅系的，市場上出現(xiàn)了各種各樣的產(chǎn)品。根據(jù)進(jìn)行CMP的材料研磨液廠商配備了各式各樣的系列產(chǎn)品，下圖中對各種研磨液進(jìn)行了比較。對于研磨液而言，成本是一個難題。在CMP中對選擇比有要求，需要考慮化學(xué)作用和物理作用的平衡。

如前所述，前道工序的生產(chǎn)線上，CMP裝置通常是很多臺一字排開，所以需要大量使用研磨液。因此，一般做法是按需調(diào)配研磨液，建立能提供新鮮狀態(tài)研磨液的整體系統(tǒng)，這是使研磨液使用壽命延長所必需的。另外，也出現(xiàn)了提供這種系統(tǒng)的制造商。

研磨液分類示例

五、CMP的平坦化機(jī)理

CMP加工量可由普雷斯頓(Preston)公式算出(下圖)。這是因?yàn)镃MP速度與研磨的壓力、研磨的相對速度(研墊和臺板是相反方向旋轉(zhuǎn)的，相對速度很快)、研時間成比例。比例常數(shù)n是根據(jù)加工條件而變化的，叫作Preston系數(shù)。但是不能隨意地提高研磨壓力和研磨速度，而是應(yīng)該在規(guī)定的范圍內(nèi)。

Preston公式

從提高CMP工藝的結(jié)果這一角度來看，如何保證晶圓面上的加壓、晶圓與研墊之間研磨速度的均勻性是關(guān)鍵。當(dāng)然，CMP的以上條件不必多說，也要考慮CMP設(shè)備的構(gòu)成和構(gòu)造等，還有研磨墊和研磨液等消耗品的適應(yīng)性等參數(shù)。從現(xiàn)狀來看，要控制CMP的參數(shù)還是相當(dāng)困難的。

實(shí)際的 CMP 機(jī)理

實(shí)際CMP中發(fā)生的情況如下圖所示，是把前面提到的Preston公式和實(shí)際CMP的樣子重疊在一起畫出來的。為了方便起見，與CMP設(shè)計(jì)示意圖不同，承臺片(Platen)一側(cè)畫在了圖的下方。p是墊和壓板之間的相對壓力，相當(dāng)于Preston式的研磨壓力。v是研磨墊和壓板的相對速度。研磨液在圖中的供給方向是從左到右(晶圓在研磨墊上從右向左移動)，研磨壓力使研磨液正下面產(chǎn)生應(yīng)變能量，因此發(fā)生物理反應(yīng)，同時包括研液中的試劑成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的廢棄物被清除到下圖的右側(cè)。像這樣快速清除CMP廢棄物也很重要，這與刻蝕需要迅速去除反應(yīng)副產(chǎn)物是共通的。圖中為了方便起見，只用一粒研磨液顆粒來描述，但是在實(shí)際的CMP工藝中，其實(shí)有數(shù)不清的研液顆粒真實(shí)存在。

CMP的機(jī)理

之前干法刻蝕和CMP進(jìn)行了比較，通過前面的機(jī)理圖了解到，刻蝕和CMP的目的都是去除不必要的部分，這一點(diǎn)是共通的。刻蝕氣體和研磨液其中所使用的物質(zhì)是不同的，但其動作我覺得很相似。另外，反應(yīng)生成物的去除很重要，由此產(chǎn)生的廢氣和廢液的處理也很必要，這一點(diǎn)也很相似。在實(shí)際的工藝中，停止點(diǎn)檢測是一個難點(diǎn)，這一點(diǎn)也很相似。

六、應(yīng)用于Cu/Low-k的CMP 工藝

在成膜工藝中講到過，Cu/Low-k結(jié)構(gòu)中CMP工藝是必不可少的，下面對其中的雙大馬士革技術(shù)進(jìn)行說明。

雙大馬士革技術(shù)的背景

成膜工藝部分已經(jīng)說明了需要Cu/Low-k的理由。以下描述的雙大馬士革技術(shù)很好地利用了CMP的特點(diǎn)，同時完美地彌補(bǔ)了金屬銅的干法刻蝕困難的弱點(diǎn)。鋁一直被用于LSI的布線，現(xiàn)在依然備受重視。可是從可靠性的觀點(diǎn)來看銅更好，理應(yīng)被使用這樣的觀點(diǎn)很早就有了，有一段時間也采用添加一點(diǎn)銅進(jìn)行鋁布線的方法。但是，銅最大的瓶頸是干法刻蝕非常困難。于是，大馬士革技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)是事先在層間絕緣膜中形成過孔和布線的空間，然后在其中填上銅，再用CMP去除多余的銅，這應(yīng)該算是一種“逆向思維”。金屬膜所需要的濺射工藝中舉例說明了單大馬士革技術(shù)。

雙大馬士革的流程是什么?

接下來對實(shí)際的雙大馬士革流程進(jìn)行說明。實(shí)際上，該工藝流程在CMOS工藝流程中介紹的多層布線技術(shù)流程中會有講解。用下圖來說明，首先如下圖所示，在鎢塞上用單大馬士革法形成銅的第一層布線，在其上按順序把Gap層和Low-k層兩層堆疊起來，再在上面形成Gap層。Gap層起到保護(hù)Low-k層的作用。然后如下圖b所示，通過兩次光刻和刻蝕，在多層膜上形成通孔。和布線(Cu的第二層布線)的圖形。如圖下圖c所示，在其中形成阻隔層(Barrier  Layer)和銅種子層并鍍銅。最后將多余的銅進(jìn)行CMP。另外，這種方法是先形成通孔，所以被稱為 Via First。

Cu雙大馬士革工藝(以Via First 為例）

可以看出，雙大馬士革技術(shù)的特點(diǎn)是可以同時形成通孔和布線。之后也開始使用這種雙大馬士革技術(shù)，形成上層的銅布線。于是雙大馬士革技術(shù)成為先進(jìn)CMOS數(shù)字電路的多層布線技術(shù)不可或缺的工藝。如下圖所示，雙大馬士革技術(shù)與普通鋁布線工藝的不同之處在于，前者的CMP表面是層間絕緣膜和銅膜混合在一起的。鋁布線的情況則不同它的CMP表面只有層間絕緣膜，需要更精細(xì)的CMP工藝。大馬士革(Damascene)一詞來源于大馬士革地區(qū)的鑲嵌裝飾圖案。

Cu/Low-k 結(jié)構(gòu)的 CMP 的挑戰(zhàn)之一

即使在已經(jīng)實(shí)用化的現(xiàn)狀下，也存在接下來所述的圖形依賴性問題。如下圖所示，其中，侵蝕現(xiàn)象(Erosion)發(fā)生在圖形密度高的地方，不需要CMP的部分(圖中灰色部分)也會被CMP。

Cu/Low-k 結(jié)構(gòu)的 CMP 的挑戰(zhàn)之二

七、課題堆積如山的CMP

只要多層布線繼續(xù)，CMP工藝就不會消失，因此，還有各種各樣的課題。

CMP 的缺陷是什么?

因?yàn)镃MP是機(jī)械加工晶圓表面的工藝，所以處理不當(dāng)反而會誘發(fā)基底形狀的缺陷等另外，如果研磨液中的研磨粒子不完全去除，就會直接變成顆粒，所以有時會對成品率產(chǎn)生影響。下圖展示了主要的例子，這些缺陷有時會導(dǎo)致器件的不良。如果進(jìn)行到之后的工藝，同樣有可能導(dǎo)致器件的不良。

層間絕緣層CMP缺陷的主要示例

如下圖的下方所示，如果有鎢塞形成前的微劃痕存在并埋在鎢膜中，再進(jìn)行鎢塞CMP，在那個微劃痕上面就會形成鎢條紋strap，在其上面的走線會發(fā)生短路的情況。

層間絕緣膜 CMP 缺陷引起的不良

STI-CMP的圖形依賴性

參考文獻(xiàn)：

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