(第八章)化学机械平坦化解析

（通常为850℃左右）的流动性进行的平坦化过
程。玻璃回流只能达到部分平坦化，它不能满足
亚微米IC中的多层金属布线技术的要求。

2. 玻璃回流
BPSG回流平坦化

3. 旋涂膜层 通过在表面起伏的硅片上旋涂液体层间介质材料
获得平坦化的技术。旋涂膜层技术在0.35μm及以
上器件的制造中应用普遍。

3. 旋涂膜层
6. 改善金属台阶覆盖
7. 减少缺陷
8. 不使用危险气体

CMP技术的缺点
1. 新技术，工艺窗口窄，工艺变量控制相对较差。
2. 厚度及均匀性的控制比较困难加强终点检测。
3. 设备昂贵。
* 侵蚀
钨互连 (软材料、高磨抛速率) Oxide (硬材料、低磨抛速率) 侵蚀
在高线条密度区域的CMP 侵蚀
在前面层间介质层侵蚀引起SiO2厚度变化， 由于SiO2不均匀的厚度，通孔刻蚀不完全。
第八章 化学机械平坦化
8.1 引 言

硅片的表面起伏问题
在集成电路制造技术发展过程中，遇到了硅片的表 面起伏（即不平坦）这个非常严重的问题，它使亚 微米光刻无法进行，表面起伏使光刻胶的厚度不均、 超出光刻机的焦深范围，无法实现亚微米线宽的图 形转移。

硅片的表面起伏问题
单层金属IC的表面起伏

Tungsten via Aluminum Tungsten via LI tungsten Unplanarized SiO2 Planarized SiO2
SiO2
Planarized SiO2
侵蚀最初发生的地方
侵蚀带来的不完全通孔刻蚀问题
* 凹陷
氮化硅磨抛终止
凹陷
铜去除
Oxide (硬表面 ，低磨抛速率) Copper (软表面，高磨抛速率)
微观作用是化学和机械作用的结合。

CMP的平整度
抛磨前测量 SHpre Max Min SiO2 SiO2 Substrate Min 抛磨后测量
SHpost
Max
平整度(DP) ：相对于CMP之前的某处台阶高度，在做 完CMP之后，这个特殊台阶位置处硅片表面的平整程度。
SH post DP % 1 SH pre 100
8.3 化学机械平坦化

化学机械平坦化CMP
（Chemical Mechanical Planarization）也称为化学机 械抛光CMP（Chemical Mechanical Polish）是通过 化学反应和机械研磨相结合的方法对表面起伏的硅 片进行平坦化的过程。

20世纪80年代后期，IBM开发了CMP用于半导体硅片 平坦化。
SHpost：CMP之后在硅片表面的一个特殊位置，最高和最低 台阶的高度差（厚度变化） SHpre：CMP之前在硅片表面的一个特殊位置，最高和最低 台阶的高度差

CMP技术的优点
1. 全局平坦化，台阶高度可控制到50Å左右 2. 平坦化不同的材料 3. 平坦化多层材料 4. 减小严重表面起伏
5. 能配合制作金属图பைடு நூலகம்（大马士革工艺）
平坦化的定性说明
1）未平坦化
2）平滑：台阶角度圆滑和侧壁倾斜，台阶高度未减小
3）部分平坦化：平滑且台阶高度局部减小

平坦化的定性说明
4）局部平坦化：完全填充较小缝隙或局部区域。 相对于平整区域的总台阶高度未显著减小
5）全局平坦化：局部平坦化且整个Si片表面总台阶高 度显著减小
8.2 传统的平坦化技术
8.4 CMP的应用

STI 氧化硅抛光 LI 氧化硅抛光 LI 钨抛光 ILD 氧化硅抛光 钨塞抛光 双大马士革铜抛光

STI 氧化硅抛光

LI 氧化硅抛光

LI 钨抛光

钨塞抛光

ILD 氧化硅抛光

双大马士革铜抛光
本章习题

书中第18章：3、12

传统的平坦化技术
1. 反刻
2. 玻璃回流
3. 旋涂膜层

1. 反刻（回蚀） 在表面起伏的硅片上涂上一层光刻胶或其它材料做
为平坦化的牺牲层，然后利用比低处图形快的刻蚀
速率刻蚀高处部分的过程称为反刻（也称为回蚀）。
反刻能达到局部平坦化。

1. 反刻（回蚀）
反刻平坦化
反刻平坦化扫描电镜图像

2. 玻璃回流 玻璃回流是利用硼磷硅玻璃（BPSG）在高温

20世纪90年代中期，CMP成为多层金属化深亚微 米集成电路工艺的主要平坦化技术。


没有CMP就没有ULSI芯片。
CMP是表面全局平坦化技术。
CMP系统属于超精密设备， CMP技术平坦化后 的台阶高度可控制到50Å左右。

CMP的原理图

CMP的机理 表面材料与磨料发生化学反应生成一层相对容易去 除的表面层，这一表面层通过磨料中的研磨剂和研 磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。CMP的