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1、超大规模集成电路制造中硅片平坦化技术的未来发展第39卷第10期机械工程Vo1.39No.102003年10月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGOct.2003超大规模集成电路制造中硅片平坦化技术的未来发展木郭东明康仁科苏建修金洙吉(大连理工大学机械工程学院大连116024)摘要:在集成电路0c)制造中,化学机械抛光(CMP)技术在单晶硅衬底和多层金属互连结构的层间全局平坦化方面得到了广泛应用,成为制造主流芯片的关键技术之一.然而,传统CMP技术还存在一定的缺点或局限性,人们在不断完善CMP技术的同时,也在不断探索和研究新的
2、平坦化技术.在分析传统CMP技术的基础上,介绍了固结磨料CMP,无磨料CMP,电化学机械平坦化,无应力抛光,接触平坦化和等离子辅助化学蚀刻等几种硅片平坦化新技术的原理和特点以及国内外平坦化技术的未来发展.关键词:硅片化学机械抛光平坦化集成电路中图分类号:TN304.1+2TG1750前言计算机,通信及网络技术的高速发展对IC的要求愈来愈高,IC不断向高速化,高集成化,高密度化和高性能化的方向发展,导致其特证尺寸不断缩小,金属互连结构布线层数不断增加.目前,超大规模集成电路(ULSD的特征尺寸已由0.251缩小至0.13um,硅片直径也从200一mm增大到300m
3、m,布线结构已发展到6--.7层,集成度达到DRAM4G.根据国际半导体技术发展蓝图(ITRS)预测,到2009年将开始使用直径450一mm硅片,芯片的特征尺寸缩小至0.07m,布线结构将达到10层以上,集成度达到DRAM64G.同时,由于金属互连线变得很细,将由Cu代替传统的Al.在IC制造追求结构微细化,薄膜化和布线立体化的趋势中,当IC特征尺寸达到深亚微米级,半导体工艺技术遇到了新的挑战.由于光刻机的焦深变得越来越短,硅晶片或薄膜层上极其微小的高度差异都会使IC的布线图案发生变形,扭曲,错位,结果导致绝缘层的绝缘能力达不到要求,或金属连线错乱而出现废品.因
4、此,为了得到准确的光刻图案,必须提高硅片刻蚀层的面型精度和微观表面质量.在多层布线立体结构中,不仅要求在整个硅片表面内各部分的高度差越来越小(局部平坦化),还要求保证每层的全局平坦化.通常要求每层的全局平坦度不大于特征尺寸的2/3.如对直径300mm的硅片?纪念'机械工程》创刊50周年——"机械工程技术的历史,进展与展望"主题征文.国家自然科学基金资助项目(50390061).20030707收到初稿,20030812收到修改稿采用线宽130nm的制造工艺,要求硅片的全局平坦度87nm,在26mm~44mill区域内的局部平坦度不大于50nm,还要求硅晶片正面的
5、微粗糙度0.1sin.因此,必须寻求可以有效兼顾全局与局部平坦度的平坦化技术【卜4】.1硅片平坦化技术的现状1.1化学机械抛光技术的发展与应用许多平坦化(Planarization)技术都曾在IC工艺中得到应用,如基于淀积技术的选择淀积,旋涂玻璃(spin.onglass,SoG),低压CVD(Chemicalvapordeposition),等离子增强CVD,偏压溅射和属于结构型的溅射后回蚀法(Etchback),电子环绕共振法(Electroncyclotronresonance),热回流法(Thermalreflux),淀积一腐蚀一淀积等,但是,这些技术都
6、是属于局部平坦化技术,不能做到全局平坦化.为此必须发展新的全局平坦化技术【卜4】.20世纪60年代以前,半导体基片抛光大都采用机械抛光技术,化学机械抛光技术(Chemicalmechanicalpolishing,CMP)于1965年Walsh和Herzog首次提出,之后被逐渐应用起来.在半导体行业,CMP最早应用于IC硅晶片衬底的抛光.1990年,mM公司率先提出了CMP全局平坦化技术,并于1991年成功应用于64MbDRAM的生产中,在此之后,CMP技术得到了快速发展.CMP技术可以有效地兼顾表面的全局和局部平坦度,目前,它不仅在材料制备阶段用于加工单晶硅衬
7、底,更主要用来对多层布线金属互连结构中层间电介质(Inter—leveldielectric,ILD),浅沟槽隔离(Shallow2003年lO月郭东明等:超大规模集成电路制造中硅片平坦化技术的未来发展101trenchisolation,STI),绝缘体,导体和镶嵌金属(hw,A1,Cu,Au)等进行抛光,实现每层的全局平坦化,成为制造主流IC芯片的关键技术之一.1.2传统CMP技术的原理和特点传统CMP系统如图1所示,整个系统是由一个旋转的硅片夹持装置,承载抛光垫的工作台和抛光液(浆料)供给系统三大部分组成.抛光时,旋转的工件以一定的压力压在随工作台一起旋转
8、的抛光垫上,而由亚微米或
