超大規(guī)模集成電路制造中硅片平坦化技術(shù)的研究

謝冰芳

（廈門工學(xué)院，福建廈門，361000）

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，對芯片等半導(dǎo)體器件的發(fā)展也越來越重視。而集成電路制造過程中，規(guī)模越來越小已經(jīng)成為了發(fā)展趨勢，因此，高度集成化技術(shù)已經(jīng)成為了影響集成電路制造和發(fā)展的重要因素，而平坦化技術(shù)又是影響高度集成化的重要因素，只有確保在多層布線立體結(jié)構(gòu)中，每層都相對平坦，才符合蝕刻、多層布線的要求，因此研究硅片平坦化技術(shù)的發(fā)展便具有十分重要的意義。

1 平坦化技術(shù)原理介紹及其重要性

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)和其他半導(dǎo)體行業(yè)近年來發(fā)展迅速，對集成電路的要求也日益提高，集成電路為滿足需求，其規(guī)格尺寸也在不斷減小，目前超大規(guī)模集成電路尺寸已經(jīng)由原先的0.25 微米發(fā)展到0.13 微米，硅片的尺寸也已經(jīng)由200 毫米發(fā)展到300 毫米，立體化布線結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展到十層以上，而集成度也早已達(dá)到DRAM 64 G，而制作金屬也已經(jīng)由銅來替換傳統(tǒng)的鋁。在集成電路不斷追求高集成度的同時(shí)，對立體布線結(jié)構(gòu)的要求也在逐漸增加，硅片平坦化技術(shù)的發(fā)展影響著整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。隨著光刻機(jī)焦距深度逐漸變小，芯片制作過程中任何細(xì)小的差異都將會(huì)使集成電路整體布線出現(xiàn)變形、扭曲、錯(cuò)位，從而導(dǎo)致連線錯(cuò)誤等嚴(yán)重事故。因此，為了滿足精確的蝕刻要求，在立體化的多層布線結(jié)構(gòu)中，一定要確保硅片的平坦化，要確保每層布線結(jié)構(gòu)都能做到全局平坦化，這就要求每個(gè)布線層的全局平坦度應(yīng)該小于規(guī)模尺寸的三分之二,因此，硅片平坦化技術(shù)的發(fā)展便尤為重要，找到能夠同時(shí)較好的滿足局部平坦度和全局平坦度的技術(shù)是未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[1]。

2 超大規(guī)模集成電路硅片平坦化技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1 化學(xué)機(jī)械拋光法的發(fā)展及應(yīng)用

集成電路發(fā)展至今，已經(jīng)應(yīng)用了多種平坦化技術(shù)對硅片進(jìn)行平坦化處理，如低壓平坦化、電子環(huán)繞共振法、等離子增強(qiáng)CVD、旋涂玻璃SOG 等，但大都無法得到整體滿意的效果，因此對于尺寸較小的器件，必須由能夠進(jìn)行全局平坦化的技術(shù)進(jìn)行操作，化學(xué)機(jī)械拋光法便應(yīng)運(yùn)而生[2]。

2.1.1 傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)原理及性能特點(diǎn)

傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是由硅片固定裝置、工作臺(tái)及拋光液供給系統(tǒng)三部分組成，在工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)工件壓在與工作臺(tái)共旋的拋光墊上，然后啟動(dòng)拋光液供給系統(tǒng)，投送含有納米磨粒的拋光液，輸送的拋光液被應(yīng)用在拋光墊及硅片間，在表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隨后，因?yàn)槟チ５挠捕忍幱诜磻?yīng)生成物與硅片表面硬度，在旋轉(zhuǎn)的過程中，表面的反應(yīng)產(chǎn)生物便被磨去，因此硅片被拋光的表面在如此操作下便實(shí)現(xiàn)了平坦化。整個(gè)拋面過程機(jī)械去除也符合相關(guān)物理方程，即材料去除率等于壓力、拋光墊與工件的相對速率和常數(shù)決定，同時(shí)也與操作過程中各個(gè)環(huán)節(jié)材料的選取有關(guān)。傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)雖然能夠做到對硅片表面進(jìn)行全局平坦化，但仍存在一些問題與不足，具體如下：

1.被操作的硅片、拋光墊、磨料的操作參數(shù)較多，難以統(tǒng)計(jì)計(jì)算，因此很有可能造成加工過程不穩(wěn)定，從而出現(xiàn)次品等，造成生產(chǎn)效率降低[3]。

2.無法在進(jìn)行拋光時(shí)對表面產(chǎn)生物質(zhì)進(jìn)行篩選，可能導(dǎo)致造成過拋、凹陷、磨蝕等缺陷的發(fā)生。

3.在進(jìn)行拋光工作過程中，由于硅片與拋光墊之間有大量的磨粒，因此也可能導(dǎo)致各部分受力不均勻，再加上加工工藝涉及材料較多，差異性較大，去除率也不相同，最終影響表面平整度。

4.拋光工作結(jié)束后，一些磨?？赡軣o法去除，嵌在表面，難以清洗，甚至有可能對芯片產(chǎn)生影響，因此操作后的磨料清洗是傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光法的難點(diǎn)。

5.在進(jìn)行硅片拋光過程中，由于拋光墊變形或者其表面小孔堵塞，都將導(dǎo)致拋光液或碎屑可能無法及時(shí)去除。因此，工作時(shí)往往需要不斷的去調(diào)整、修復(fù)拋光墊的表面和小孔，以達(dá)到及時(shí)排出漿料和碎屑的目的。

6.最后是拋光液的回收問題，化學(xué)機(jī)械拋光法的成本主要就在拋光液的使用上。妥善處理拋光液的回收問題將大大降低工藝成本，而拋光液漿料往往成分復(fù)雜，對于廢棄漿料處理需要多步進(jìn)行，處理不當(dāng)可能會(huì)造成污染等問題的產(chǎn)生。

圖1 傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光原理圖

總之，目前的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)仍存在一些問題，在未來對高集成度、高精度的集成電路制造影響較大，因此，優(yōu)化和發(fā)展新的硅片平坦化技術(shù)是一項(xiàng)重要工作。

2.1.2 作用機(jī)理

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是將化學(xué)和機(jī)械技術(shù)進(jìn)行結(jié)合的組合技術(shù)，操作過程復(fù)雜，參數(shù)和影響因素較多。在拋光的化學(xué)反應(yīng)過程中，首先是硅片與拋光墊間拋光液的氧化劑、催化劑等成分的反應(yīng)，將生成一層氧化膜在工件表面，然后由拋光液中的磨粒通過機(jī)械作用去除表面薄膜，使工件露出來，再次進(jìn)行氧化和去除反應(yīng)，隨著化學(xué)和機(jī)械過程的交替進(jìn)行，逐漸就完成了拋光工作，但影響這一過程的因素也有很多，如兩種過程的快慢程度、各種物體的材料等等，因此要優(yōu)化這技術(shù)應(yīng)該考慮多方面因素。

2.1.3 對拋光速率及表面質(zhì)量的影響

第一個(gè)方面是拋光壓力，拋光壓力對整體速率和質(zhì)量的影響很大，適當(dāng)增加壓力的情況下，機(jī)械過程中的壓力也將增強(qiáng)，提升拋光速率，但如果拋光壓力增加過多，則會(huì)導(dǎo)致拋光不均勻，磨損情況頻發(fā)等情況，因此，拋光壓力的控制是工作過程中的重要方面。第二方面是相對速度和溫度，相對速度決定著化學(xué)和機(jī)械作用之間的關(guān)系，如果相對速度過大，則機(jī)械效率增強(qiáng)，但可能導(dǎo)致硅片表面產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致質(zhì)量下降，相對速度較小，機(jī)械作用也將相對減小，從而降低拋光效率。溫度主要影響拋光過程中的化學(xué)反應(yīng)，只有適當(dāng)?shù)臏囟炔拍鼙ＷC兩種過程能夠交替、穩(wěn)定的進(jìn)行。第三方面是拋光液及拋光墊，拋光液是整個(gè)操作過程中對結(jié)果影響最大的材料，只有選擇粘度、流動(dòng)性、傳熱性等性能合適的拋光液才能保證硅片的平坦度，其次是PH 值，拋光液的酸堿度對化學(xué)反應(yīng)過程的影響較大，對磨粒的分解和氧化反應(yīng)的速率都有較大的影響，因此應(yīng)該嚴(yán)格控制。

3 硅片平坦化技術(shù)的新進(jìn)展

3.1 固著磨料化學(xué)機(jī)械拋光

固著磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)指的是在固著磨料的基礎(chǔ)上，將小磨粒固定在拋光墊上，而這種技術(shù)的拋光液材料成分并不多，主要作為溶劑使用。這種拋光技術(shù)主要使用特定的研磨料構(gòu)成的研磨網(wǎng)進(jìn)行機(jī)械拋光，在工作過程中將會(huì)解決傳統(tǒng)機(jī)械化學(xué)拋光存在的一些問題，如游離磨粒清洗不干凈，拋光墊小孔堵塞等等，其優(yōu)點(diǎn)主要有①無游離磨粒，造成的誤差相對減少②平坦化能力較強(qiáng)，相較于傳統(tǒng)方法，可以較快的去除大部分粗糙氧化薄膜，對材料表面的雜志去除能力較強(qiáng)，能夠更好的平整化硅片③材料去除率相較于傳統(tǒng)技術(shù)，提升明顯④操作過程簡單，不存在拋光液后期回收處理問題，污染較?、菽チ系睦寐蚀蟠筇岣撸瑥亩行У慕档蛼伖獬杀?。

圖2 電化學(xué)機(jī)械沉積法

3.2 電化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)

在超大規(guī)模集成電路芯片制造過程中，利用電鍍、電化學(xué)沉積等技術(shù)將銅等金屬填充進(jìn)多層布線立體結(jié)構(gòu)中是制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，但這項(xiàng)技術(shù)仍存在不足之處，對于尺寸較大、深寬比較小的結(jié)構(gòu)難以起到有效作用，因此改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)是近年來重要的項(xiàng)目。

3.3 等離子輔助化學(xué)蝕刻平坦化技術(shù)

等離子輔助化學(xué)蝕刻平坦化技術(shù)原本用來對鏡片進(jìn)行加工制造，現(xiàn)在在硅片的平坦化技術(shù)中應(yīng)用較多，該技術(shù)的機(jī)理和步驟主要是，首先將對硅片表面進(jìn)行掃描分析，將不平整度和相應(yīng)誤差信息傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過對等離子噴嘴的精確控制對硅片表面進(jìn)行加工，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不用接觸操作工件就能對硅片進(jìn)行加工，再加上由計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助，因此對硅片的損傷較小，且操作精度較高，是平坦化技術(shù)里較為精準(zhǔn)的技術(shù)。

3.4 無應(yīng)力拋光技術(shù)

在集成電路制造中，由于各個(gè)部件對尺寸的要求越來越小，為了在滿足尺寸縮小的情況下，保證集成電路的性能，銅線等金屬部件應(yīng)與低介電常數(shù)的材料進(jìn)行組合，還要確保材料能夠相互兼容，保證在物理和化學(xué)成分上都能夠穩(wěn)定兼容，無應(yīng)力拋光指的是依據(jù)電流密度按同心環(huán)來平坦化物體結(jié)構(gòu)表面，主要工藝流程為：先將銅進(jìn)行電解拋光，再將阻擋層的金屬通過等離子蝕刻等工藝去除。該技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)有：①能夠較好的降低誤差②成本較低③在避免蝶形誤差、腐蝕和金屬互連問題時(shí)，傳統(tǒng)工藝往往需要針對不同部件采取不同技術(shù)分步加工，而無應(yīng)力加工則可以利用技術(shù)特點(diǎn)來避免金屬互連產(chǎn)生分層，避免電路腐蝕等問題的出現(xiàn)。

4 結(jié)束語

在進(jìn)行超大規(guī)模集成電路制造中，在新興平坦化技術(shù)沒有經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)認(rèn)證之前，還是應(yīng)該采取較為穩(wěn)妥的傳統(tǒng)話化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，雖然仍有些難以避免的問題，但整體穩(wěn)定性較好，在平坦化技術(shù)的未來發(fā)展過程中，應(yīng)該針對現(xiàn)有問題進(jìn)行針對性解決，在確保穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上再進(jìn)行改良優(yōu)化。總而言之，集成電路中硅片的平坦化技術(shù)是影響半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，不斷研究和發(fā)展將會(huì)極大推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。