集成电路制造工艺作者刘新彭勇蒲大雁主编第13章平坦化工艺课件.pptVIP

第13章 平坦化工艺 本章的学习目标： 1.了解平坦化概念。 2.了解传统的平坦化工艺。 3.了解化学机械平坦化的机理，以及CMP的优缺点。 4.了解CMP设备。 5.了解CMP后清洗工艺。 13.1 平坦化的概念 平坦化顾名思义就是使衬底表面平整、平坦之意。由于IC产业的快速发展，多层金属化技术被引入到集成电路制造工艺中，此技术使芯片的垂直空间得到有效的利用，并提高了器件的集成度。 图13-1 两层布线表面的不平整 13.2传统平坦化技术 1.反刻 反刻平坦化是在起伏的硅片表面旋涂一层厚的介质材料或其他材料（如光刻胶或SOG），这层材料可以填充空洞和表面的低处，将作为平坦化的牺牲层。然后用干法刻蚀技术进行刻蚀，利用高处刻蚀速率快，低处刻蚀速率慢来实现平坦化。当被刻蚀的介质层达到希望的厚度时刻蚀停止，这样把起伏的表面变得相对平滑，实现了局部平坦化。 图13-2 反刻平坦化 2．玻璃回流 玻璃回流是对作为层间介质的硼磷硅玻璃（BPSG）或其他的掺杂氧化硅膜层进行加热升温，使玻璃膜层发生流动来实现平坦化的技术。一般，BPSG在氮气环境中，在850℃加热30分钟就发生流动，这样可使台阶处变成斜坡。玻璃回流不能满足深亚微米IC的平坦化要求。 图13-3 玻璃回流 3．旋涂玻璃法 旋涂玻璃法(Spin On Glass)主要是在起伏的硅片表面旋涂含有溶剂的液体材料，这样表面低处和缝隙将被填充，然后进行烘烤固化，使溶剂蒸发，即可获得表面形貌的平滑效果。 图13-4 旋涂玻璃法 13.3化学机械平坦化 1.CMP机理 CMP工作原理是将硅片固定在抛光头的最下面，将抛光垫放置在研磨盘上，抛光时，旋转的抛光头以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的研磨液在硅片表面和抛光垫之间流动，然后研磨液在抛光垫的传输和离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层研磨液液体薄膜。研磨液中的化学成分与硅片表面材料产生化学反应，将不溶的物质转化为易溶物质，或者将硬度高的物质进行软化，然后通过磨粒的微机械摩擦作用将这些化学反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学去膜和机械去膜的交替过程中实现平坦化的目的。 图13-5 CMP工作机理 总的来看，CMP的微观过程基本上由两个过程组成： （1）化学过程：研磨液中的化学品和硅片表面发生化学反应，生成比较容易去除的物质； （2）物理过程：研磨液中的磨粒和硅片表面材料发生机械物理摩擦，去除化学反应生成的物质。 化学过程和物理过程反复交替进行，可以将所需研磨的层去除掉 2. CMP主要参数 （1） 去除率(Material Removal Rate，MRR) （2）CMP平整度与均匀性　 （3） 选择比 图13-6 CMP选择比应用 3. CMP优点和缺点 用于硅片制造的CMP的主要优点如下： （1）能获得全局平坦化。 （ 2）对于各种各样的硅片表面都能平坦化。 （3）可对多层材料进行平坦化。 （4）减小严重的表面起伏，使层间介质和金属层平坦，可以实现更小的设计图形，更多层的金属互连，提高电路的可靠性、速度和良品率。 （5）解决了铜布线难以刻蚀良好图形的问题。 （6）通过减薄表层材料，可以去掉表面缺陷。 （7）CMP是湿法研磨，不使用干法刻蚀中常用的危险气体。 （8） CMP可以实现设备自动化、大批量生产、高可靠性和关键参数控制。 CMP技术的缺点主要如下： （1）影响平坦化质量的工艺因素很多且不易控制。 （2）CMP进行平坦化的同时也会引入新的缺陷。 （3）需要配套的设备、材料、工艺控制技术，这是一个需要开发、提高的系统工程。 （4）设备、技术、耗材、维护等十分昂贵。 13.4 CMP设备组成 CMP设备组成分为两部分：研磨部分和清洗部分。研磨部分由抛光机运动组件（常见抛光机）、研磨过程的控制、抛光垫修整器、研磨液的供给与循环系统、终点监测组成。而清洗部分负责硅片的清洗和甩干。 图13-7 CMP设备组成 1. 抛光机运动组件(常叫抛光机)，包括抛光头、研磨盘，是CMP的关键机械装置。 （1） 抛光头组件。抛光头是用来吸附固定硅片并将硅片压在研磨垫上带动硅片旋转的装置，又叫载片器。 图13-8 抛光头 （2）研磨盘。研磨盘是CMP研磨的支撑平台，其作用是承载抛光垫并带动其转动。同时也要承载研磨液，并能排除磨除的废料。所以要有一个能承载一定压力、研磨过程不形变、水平且非常平整的表面，并由一个旋转轴来带动其水平、平稳的旋转。 2.研磨过程的控制，它是控制抛光头压力大小、转动速度、开关动