第11章 平坦化技术

1、第十一章第十一章 平坦化技术平坦化技术1平坦化基础理论平坦化基础理论定义：定义：简单地说，平坦化就是在晶片的表面保持平整平坦的工艺。单层金属IC的表面起伏电路23平坦化基础理论平坦化基础理论平坦化程度的平坦化程度的4 4个术语：个术语：平滑处理、部分平坦化、局部平坦化、全局平坦化。4平坦化基础理论平坦化基础理论平滑处理：平坦化后使台阶圆滑和侧壁倾斜，但高度没有显著减小，如图b所示。部分平坦化：平坦化后使台阶圆滑，且台阶高度局部减小，如图c所示。局部平坦化：使硅片上的局部区域达到平坦化，如图d都是所示。全局平坦化：使整个硅片表面总的台阶高度显著减小，使整个硅片表面平坦化，如图e所示。平坦化程度术

2、语介绍：平坦化程度术语介绍：5平坦化的必要性平坦化的必要性6平坦化技术概要平坦化技术概要7平坦化技术概要平坦化技术概要8不发生凹凸的薄膜生长不发生凹凸的薄膜生长 选择生长：选择生长：仅在Si之上的SiO2孔中生长W实现平坦化掩盖生长W-CVD膜（可后续进行刻蚀平坦化）9不发生凹凸的薄膜生长不发生凹凸的薄膜生长 回流埋孔（溅射平坦化）：回流埋孔（溅射平坦化）：在500600C下进行Al膜溅射沉积，可使孔内比表面沉积更厚的Al层，以此来实现平坦化；或采用偏压溅射、ECR溅射等方法，亦可实现平坦化。 因为该技术着眼于高温溅射过程中Al的流动，故称其为回流溅射或高温溅射。在直径6 m的孔中溅射沉积Al

3、-Si-Cu进行平坦化10不发生凹凸的薄膜生长不发生凹凸的薄膜生长 埋入氧化物实现平坦化：埋入氧化物实现平坦化：在多层布线结构中，完成一层布线之后，布线中间需要埋入氧化物，并保证其表面平坦。氧化物要同时具有绝缘和平坦化两种功能。(a, b) SiO2膜(c) BPSG膜11沉积的同时进行加工防止凹凸发生的薄膜生长沉积的同时进行加工防止凹凸发生的薄膜生长 偏压溅射：偏压溅射：在基板上加有电压的同时进行溅射薄膜的方法称为偏压溅射。控制偏压大小，使元件表面的平面处的溅射沉积速率与反溅射的刻蚀速率相等；而倾斜面的刻蚀速率大于沉积速率，进而实现平坦化。12沉积的同时进行加工防止凹凸发生的薄膜生长沉积的同

4、时进行加工防止凹凸发生的薄膜生长 去除法：去除法：通过将填孔后不需要的部分去除掉来实现平坦化。在不需要镀膜的部分涂覆光刻胶沉积所需薄膜除去光刻胶及其上的沉积膜，实现平坦化13薄膜生长后再加工实现平坦化薄膜生长后再加工实现平坦化 涂布平坦化：涂布平坦化：在凹凸严重的表面上涂布流动液体，经热处理该液体变为绝缘层而附在表面并实现平坦化。该方法的关键是涂布材料。14薄膜生长后再加工实现平坦化薄膜生长后再加工实现平坦化 激光平坦化：激光平坦化：通过激光照射，使局部膜层熔化而流入孔中来实现平坦化的技术。 回流平坦化：回流平坦化：通过升温，使凹凸严重的绝缘膜达到流动化，可达到与涂布平坦化同样的效果。利用回流

5、实现平坦化示意图15薄膜生长后再加工实现平坦化薄膜生长后再加工实现平坦化 刻蚀平坦化：刻蚀平坦化：即使出现凹凸，也可以在该表面涂覆易于流动化的液体，再经热处理，使表面初步平坦；进而再均匀刻蚀实现平坦化。 阳极氧化与离子注入阳极氧化与离子注入：通过阳极氧化或离子注入使未被光刻胶覆盖的部分成为绝缘体。注意防止对下层元件造成损伤。16化学机械研磨化学机械研磨(CMP)(CMP) 定义：定义：通过比去除低处图形更快的速率去除高处图形以获得均匀表面，是一种化学和机械作用相结合的平坦化过程。 化学作用化学作用：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。 机械作用机械作用：研磨液中的磨

6、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。 CMP是表面全局平坦化技术。 CMP技术平坦化后台阶高度可控制到5 nm左右。17化学机械研磨化学机械研磨(CMP)(CMP) CMPCMP技术的技术的优点优点： 能获得全局平坦化。 对于各种各样的硅片表面都能平坦化。 可对多层材料进行平坦化。 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。 解决了铜布线难以刻蚀良好图形的问题。 通过减薄表层材料，可以去掉表面缺陷。 CMP是湿法研磨，不使用干法刻蚀中常用的危险气体。 CMP可以实现设备自动化、大批量生产、高可靠性和

7、关键参数控制。 CMPCMP技术的技术的缺点缺点影响平坦化质量的工艺因素很多且不易控制。CMP进行平坦化的同时也会引入新的缺陷。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。设备、技术、耗材、维护等十分昂贵。18化学机械研磨化学机械研磨(CMP)(CMP) CMPCMP工作原理图工作原理图19气体离化团束气体离化团束(GCIB)(GCIB)加工平坦化加工平坦化左图：左图：Si表面生表面生长 多 晶 硅 后 用长 多 晶 硅 后 用CO2离化团束辐离化团束辐照前后的表面粗照前后的表面粗糙度变化糙度变化20大马士革法布线大马士革法布线 定义：定义：在金属、木材、陶瓷等中，按刻制的图形镶入金、银、黄铜等的工艺，又称为镶嵌法布线。采用Cu-CMP的大马士革镶嵌工艺是目前唯一成熟和已经成功用于IC制造中的铜图形化工艺。 与传统布线法的区别主要是单层金属导线的制作方式不同： 镶嵌技术最主要的特点是不需要进行金属层的蚀刻。当金属导线的材料由铝转换成电阻率更低的铜的时候，由于铜的干蚀刻较为困难，因此镶嵌技术对铜制程来说便极为重要。传统方法：金属线布线 + 介电层填充 + 平坦化大马士革法：介电层刻蚀 +