0.5μm CMOS后段平坦化工藝優(yōu)化

寇春梅，李洪霞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 背景介紹

在CMOS器件特征尺寸0.8μm以上時(shí)，通常采用2層金屬互連布線，其金屬互連線間隙大，通常采用淀積PECVD（等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積）二氧化硅薄膜，旋涂光刻膠后進(jìn)行Etchback（反腐蝕）的平坦化工藝，如圖1。

隨著CMOS器件特征尺寸減小到0.5μm以?xún)?nèi)，集成電路規(guī)模迅速提升，金屬內(nèi)連線層數(shù)增加，金屬連線間隙繼續(xù)收縮，受限于PECVD SiO2工藝臺(tái)階覆蓋率50%（@aspect ratio=1:1）的限制[1]，這些間隙變得難以完全填充，集成電路頂部形貌變得崎嶇不平。由于急劇增加的高度差使得金屬連線加工難度增加、可靠性降低，因此必須采用SOG（spin on glass旋涂玻璃）和Etchback的平坦化工藝（如圖2）降低集成電路頂部形貌的高度差，以得到合理的金屬互連線工藝。

圖1 Etchback的平坦化工藝

圖2 SOG和Etchback的平坦化工藝

2 平坦化工藝流程

實(shí)驗(yàn)中我們采用的流程如圖3所示。在已經(jīng)完成前段CMOS器件制造的產(chǎn)品圓片上進(jìn)行金屬1淀積，通過(guò)金屬1光刻和金屬1腐蝕完成第一層金屬層的圖形轉(zhuǎn)換，此時(shí)形成金屬連線層的臺(tái)階形貌，其縱寬比達(dá)到1:1；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于金屬臺(tái)階和間隙的完全填充，采用了SOG介質(zhì)平坦化工藝，它主要包括IMD1-1淀積，2次SOG涂布和處理以及后續(xù)的SOG固化；接著進(jìn)行SOG反腐蝕工藝，只留下間隙內(nèi)和臺(tái)階處的SOG材料，金屬1臺(tái)階上的SOG材料全部被刻蝕干凈；再進(jìn)行IMD1-2淀積完成金屬間介質(zhì)平坦化工藝，后續(xù)進(jìn)行鎢插塞（W-plug）工藝，接著重復(fù)上述從金屬1到鎢插塞工藝的循環(huán)來(lái)完成金屬2工藝，接著循環(huán)完成金屬3工藝，鈍化合金后形成完整工藝流程。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)一

圖3 平坦化工藝流程

在進(jìn)行平坦化工藝前，我們對(duì)模擬金屬臺(tái)階測(cè)試結(jié)構(gòu)（如圖4）對(duì)IMD1-1的臺(tái)階覆蓋情況，以及IMD1-1的厚度對(duì)gap（金屬臺(tái)階的開(kāi)口大小）的影響進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)滿足SOG最小間隙填充能力0.2μm來(lái)確定IMD1-1的厚度上限。圖5中采用0.4μm～1.0μm不同的間隙尺寸變化來(lái)確定最小設(shè)計(jì)尺寸0.7μm能夠滿足的IMD1-1厚度，并保證一定的工藝容寬度。實(shí)驗(yàn)中采用IMD1-1的厚度為270nm、400nm和500nm三個(gè)厚度條件，SEM（掃描電子顯微鏡）數(shù)據(jù)測(cè)試如圖5所示，臺(tái)階上二氧化硅的高度（top SiO2）、金屬間距、Overhang-SiO2、GAP上、Bottom-SiO2以及sidewall-SiO2。

圖4 測(cè)試區(qū)域示意圖

圖5 測(cè)試剖面示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)二

采用產(chǎn)品片對(duì)0.5μm CMOS后段平坦化逐步進(jìn)行SEM剖面測(cè)試與分析，其主要工藝步驟如圖6中所示[2]。圓片完成器件層工藝后進(jìn)行PMD（金屬前介質(zhì)淀積），打開(kāi)接觸孔后進(jìn)行（a）金屬1淀積，（b）金屬1光刻，（c）金屬1腐蝕去膠，（d）IMD1-1淀積，（e）SOG涂布處理和固化，（f）Etchback平坦化腐蝕，（g）IMD1-2淀積，（h）通孔1光刻腐蝕，后續(xù)進(jìn)行鎢插塞工藝和金屬2。金屬2以后的平坦化工藝與金屬1平坦化工藝相通。

圖6 平坦化工藝步驟

實(shí)驗(yàn)按照DOE（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）進(jìn)行3因素2水平[3]分析，3個(gè)因素為IMD1-1厚度 270nm和400nm，SOG涂布厚度200nm和400nm以及Etchback反腐蝕量300nm和400nm，它們的變化組合共8個(gè)條件。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)一中我們對(duì)金屬臺(tái)階的縱寬比與PECVD SiO2工藝的側(cè)壁覆蓋能力進(jìn)行了評(píng)估，計(jì)算如公式1所示：

結(jié)果如圖7所示（x軸表示縱寬比，y軸表示側(cè)壁覆蓋率百分比），在縱寬比為1:1時(shí)（圖7中x等于1），IMD1-1的側(cè)壁覆蓋能力為40%～50%，與應(yīng)用材料公司提供的資料相同，其變化趨勢(shì)隨著縱寬比的降低，側(cè)壁覆蓋能力提高，反之則減少。產(chǎn)品電路中采用小于等于1:1的規(guī)則，能夠保證IMD1-1的側(cè)壁覆蓋能力大于40%。

將數(shù)據(jù)按照金屬間距space與GAP建立散點(diǎn)圖，同時(shí)進(jìn)行線性擬合，將三個(gè)IMD1-1的厚度結(jié)果顯示在圖8上。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)IMD1-1的厚度增加時(shí)，GAP減少；而space變大時(shí)，GAP增加。當(dāng)我們將GAP的安全限設(shè)置在0.25μm（為SOG的填充保留一些容寬）、金屬條間距在0.65μm（加工后尺寸）時(shí)，IMD1-1不能大于400nm。當(dāng)0.5μm金屬間距設(shè)計(jì)為0.7μm尺寸，實(shí)際加工會(huì)存在偏差，取下限-10%為0.63μm，能夠滿足GAP大于0.2的要求。因此IMD1-1的厚度不能大于400nm。

圖7 PECVD臺(tái)階覆蓋與縱寬比的關(guān)系

圖8 不同IMD1-1厚度下金屬間距與GAP的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)二中為評(píng)價(jià)平坦化的優(yōu)化效果我們引入了平坦化因子β，定量考察臺(tái)階高度下降的程度，如式（2）所示[4]：

其測(cè)試位置如圖9所示，其中tistep表示平坦化工藝前的臺(tái)階高度，tfstep表示平坦化工藝后的臺(tái)階高度，因此在完全平坦化的工藝中，平坦化因子為1，而沒(méi)有平坦化效果則因子為0。

圖9 平坦化實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

平坦化因子的結(jié)果如圖10所示，x軸表示金屬條間距，y軸為平坦化因子。圖中實(shí)心圓圈original表示原平坦化工藝的效果，從圖上的變化趨勢(shì)表明：總體上IMD1-1厚度增加，SOG涂布厚度增加，etchback反腐蝕減少有利于改善平坦化效果。菱形采用IMD1-1 400nm、SOG涂布400nm、Etchback反腐蝕量300nm的工藝條件平坦化效果好于其他條件。

圖10 平坦化因子結(jié)果

為評(píng)價(jià)平坦化工藝片內(nèi)均勻性改善情況，我們引入了5點(diǎn)測(cè)試片內(nèi)均勻性計(jì)算公式：

當(dāng)uniformity數(shù)值越小表示片內(nèi)均勻性越好，這也是希望得到的結(jié)果。

圖11 Uniformity數(shù)值與片內(nèi)均勻性變化關(guān)系圖

5 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)0.5μm CMOS后段平坦化工藝流程相關(guān)工序的變化研究，從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)平坦化工藝進(jìn)行了3因素2水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，當(dāng)IMD1-1淀積厚度變大時(shí)，平坦化因子β趨向于大（越大平坦化效果越好），同時(shí)平坦化均勻性變好；當(dāng)SOG涂布采用2次涂布方式時(shí)，平坦化效果和平坦化均勻性好；當(dāng)Etchback量變小時(shí)，平坦化效果和平坦化均勻性好。改進(jìn)后采用IMD1-1厚度為400nm，SOG涂布2次、每次200nm，Etchback 300nm的方式將原有的平坦化效果從70%提高到85%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)金屬間距也是影響平坦化效果的重要因素。對(duì)于0.5μm CMOS工藝，其最小間距是固定的，文中沒(méi)有對(duì)此展開(kāi)討論。

總體上平坦化工藝受到多個(gè)因素影響，需要針對(duì)上述3個(gè)主要因素合理控制這些因素的變化范圍，得到良好的平坦化效果，為后續(xù)的金屬層淀積和通孔工藝打下良好基礎(chǔ)。

致謝：

衷心感謝肖志強(qiáng)、高向東、洪根深、徐靜給我的指導(dǎo)和幫助以及陳海峰、吳曉鶇、李俊、張世權(quán)的大力協(xié)助。

[1]Robert F.Pierret.Semiconductor Device Fundamentals[M].ISBN:0201543931.

[2]Alan Hastings.The Art of Analog Layout,Second Edition[M].ISBN:013464108.

[3]G.E.P.Box,W.G.Hunter,J.S.Hunter.Statistics for Experimenters.An Introduction to Design,Data Analysis,and Model Building[M].New York:John Wiley & Sons.

[4]Stanley Wolf,Richard N.Tauber Silicon Rrocessing For The VLSI ERA VOLUME1 and VOLUME 2[M].California Sunset Beach.1990.