集成电路工艺第一章硅集成电路衬底加工技术

集成电路制造技术微电子工程系何玉定

早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。

1874年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业──电子业的诞生。

1引言基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（1905～1959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。

什么是微电子工艺微电子工艺，是指用半导体材料制作微电子产品的方法、原理、技术。不同产品的制作工艺不同，但可将制作工艺分解为多个基本相同的小单元（工序），称为单项工艺。不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的。微电子工业生产过程图前工序：微电子产品制造的特有工艺后工序npn-Si双极型晶体管芯片工艺流程

----硅外延平面工艺举例举例n+npn+ebc2微电子工艺发展历程诞生:1947年12月在美国的贝尔实验室，发明了半导体点接触式晶体管，采用的关键工艺技术是合金法制作pn结。合金法pn结示意图加热、降温pn结InGeN-GeTheFirstTransistorfromBellLabsPhotocourtesyofLucentTechnologiesBellLabsInnovations1958年在美国的德州仪器公司和仙童公司各自研制出了集成电路，采用的工艺方法是硅平面工艺。pn结SiO2Si氧化光刻扩散掺杂诞生JackKilby’sFirstIntegratedCircuitPhotocourtesyofTexasInstruments,Inc.1959年2月，德克萨斯仪器公司（TI）工程师J.kilby申请第一个集成电路发明专利；利用台式法完成了用硅来实现晶体管、二极管、电阻和电容，并将其集成在一起的创举。台式法----所有元件内部和外部都是靠细细的金属导线焊接相连。

仙童（Fairchild）半导体公公司1959年7月，诺依斯斯提出：可可以用蒸发发沉积金属属的方法代代替热焊接接导线，这这是解决元元件相互连连接的最好好途径。1966年，基尔比比和诺依斯斯同时被富富兰克林学学会授予巴巴兰丁奖章章，基尔比比被誉为“第一块集成成电路的发发明家”而诺依斯被被誉为“提出了适合合于工业生生产的集成成电路理论论”的人。1969年，法院最最后的判决决下达，也也从法律上上实际承认认了集成电电路是一项项同时的发发明。60年代的出现现了外延技技术，如：：n-Si/n+-Si，n-Si/p-Si。一般双极极电路或晶晶体管制作作在外延层层上。70年代的离子子注入技术术，实现了了浅结掺杂杂。IC的集成度提提高得以实实现。新工艺，新新技术，不不断出现。。（等离子子技术的应应用，电子子束光刻，，分子束外外延，等等等）发展张忠谋：台台湾半导体体教父全球第一个个集成电路路标准加工工厂（Foundry）是1987年成立的台台湾积体电电路公司，，它的创始始人张忠谋谋也被誉为为“晶体芯芯片加工之之父”。张忠谋戈登-摩尔提出摩尔定律英特尔公司司的联合创创始人之一一----戈登-摩尔早在1965年，摩尔就就曾对集成成电路的未未来作出预预测。“摩尔定律”：集成电电路上能被被集成的晶晶体管数目目，将会以以每18个月翻一番番的速度稳稳定增长。。集成电路的的集成度每每三年增长长四倍，特特征尺寸每每三年缩小小倍倍DROM集成度与工工艺的进展展年代1985年1988年1991年1994年1997年2000年集成度1M4M16M64M256M1G最小线宽1.250.80.60.50.350.18光刻技术光学曝光准分子电子束电子束X射线（电子束）摩尔定律：：每隔3年IC集成度提高高4倍2002年1月：英特尔尔奔腾4处理器推出出，它采用用英特尔0.13µm制程技术生生产，含有有5500万个晶体管管。2002年8月13日：英特尔尔透露了90nm制程技术的的若干技术术突破，包包括高性能能、低功耗耗晶体管，，应变硅，，高速铜质质接头和新新型低-k介质材料。。这是业内内首次在生生产中采用用应变硅。。2003年3月12日：针对笔笔记本的英英特尔·迅驰·移动技术平平台诞生，，采用英特特尔0.13µm制程技术生生产，包含含7700万个晶体管管。2005年5月26日：英特尔尔第一个主主流双核处处理器“英英特尔奔腾腾D处理器”诞诞生，含有有2.3亿个晶体管管----90nm制程技术生生产。2006年7月18日：英特尔尔安腾2双核处理器器发布，含含有17.2亿个晶体管管----90nm制程技术生生产。2006年7月27日：英特尔尔·酷睿™2双核处理器器,含有2.9亿多个晶体体管，采用用英特尔65nm制程技术。。2007年1月8日：65nm制程英特尔尔·酷睿™2四核处理器器和另外两两款四核服服务器处理理器。英特特尔·酷睿™2四核处理器器含有5.8亿多个晶体体管。2007年1月29日：英特尔酷酷睿™2双核、英特特尔酷睿™™2四核处理器器以及英特特尔至强系系列多核处处理器的数数以亿计的的45nm晶体管或微微小开关中中用来构建建电子产品发发展趋势：：更小，更更快，更冷冷现有的工艺将将更成熟、完完善；新技术术不断出现。。当前，光刻刻工艺线宽已已达0.045微米。由于量量子尺寸效应应，集成电路路线宽的物理理极限约为0.035微米，即35纳米。另外，硅片平平整度也是影影响工艺特征征尺寸进一步步小型化的重重要因素。微电子业的发发展面临转折折。上世纪九九十年代纳电电子技术出现现，并越来越越受到关注。。未来近10年来，“轻晶圆厂”（fab-light）或“无晶圆厂”（fabless）模式的兴起起，而没有芯芯片设计公司司反过来成为为IDM（IntegratedDeviceManufacturer）。5年前英特尔做做45纳米时，台积积电还停留在在90纳米，中间隔隔了一个65纳米。但到45纳米，台积电电开始“抢先半步”。即遵循“摩尔定律”的英特尔的路路线是45、32、22纳米，台积电电的路线则是是40、28、20纳米。3微电子工艺特特点及用途超净环境、操作者者、工艺三方方面的超净，，如超净室，，ULSI在100级超净室制作作，超净台达达10级。超纯指所用材料方方面，如衬底底材料、功能性电子材料、水、气气等；Si、Ge单晶纯度达11个9。高技术含量设备先进，技技术先进。高精度光刻图形的最最小线条尺寸寸在深亚微米米量级，制备备的介质薄膜膜厚度也在纳纳米量级，而而精度更在上上述尺度之上上。大批量，低成成本图形转移技术术使之得以实实现。超净环境21世纪硅微电子子技术的三个个主要发展方方向特征尺寸继续续等比例缩小小集成电路(IC)将发展成为系系统芯片(SOC)----SoC是一个通过IP设计复用达到到高生产率的的软/硬件协同设计计过程微电子技术与与其它领域相相结合将产生生新的产业和和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等----其核心是将电电子信息系统统中的信息获获取、信息执执行与信息处处理等主要功功能集成在一一个芯片上，，而完成信息息处理处理功功能。微电子技术的的三个发展方方向互连技术铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用用；但是在0.13um以后，铜互连连与低介电常常数绝缘材料料共同使用时时的可靠性问问题还有待研研究开发工艺课程学习习主要应用制作微电子器器件和集成电电路微机电系统(microelectromechanicolSystemMEMS)的所依托的微微加工技术纳米技术，如如光刻—图形复制转移移工艺，MBE等4本课程内容重点介绍单项项工艺和其依依托的科学原原理。简单介绍典型型产品的工艺艺流程，芯片片的封装、测测试，以及新新工艺、新技技术、工艺技技术的发展趋趋势。第一单元硅衬底1单晶硅结构2硅锭及圆片制备3外延基本单项工艺第二单元氧化与掺杂第三单元薄膜制备第四单元光刻技术4氧化5扩散6离子注入7CVD8PVD9光刻10现代光刻技术11刻蚀第五单元工艺集成和测试封装12金属化与多层互连13工艺集成14测试封装课程内容框架图教材与参考书书王蔚《微电子制造技技术----原理与工艺》科学出版社2010关旭东《硅集成电路工工艺基础》北京大学出版版2003StephenA.C.《微电子制造科科学原理与工工程技术》电子工业出版版社，2003MichaelQuirk，JulianSerda.《半导体制造技技术》，电子工业出出版社,2004刘玉岭等著,《微电子技术工工程》，电子工业出出版社，2004集成电路制造造过程设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求硅片与晶片（（chip）集成电路集成电路工艺艺衬底加工及清清洗热氧化图形转移掺杂：扩散、、离子注入刻蚀薄膜工艺：外外延、溅射、、蒸发金属化及多层层布线第一章：超大大规模集成电电路硅衬底加加工技术CrystalseedMoltenpolysiliconHeatshieldWaterjacketSinglecrystalsiliconQuartzcrucibleCarbonheatingelementCrystalpullerandrotationmechanismCZCrystalPullerFigure4.10SiliconIngotGrownbyCZMethodPhotographcourtesyofKayexCorp.,300mmSiingotPhoto4.1单晶硅片CrystalGrowthShapingWaferSlicingWaferLappingandEdgeGrindEtchingPolishingCleaningInspectionPackagingBasicProcessStepsforWaferPreparationFigure4.19硅单晶的加工工成型技术硅片加工：将将硅单晶棒制制作成硅片的的过程滚圆（rounding）－X射线定位（x－rayorientation）－切片（slicing）－倒角（edgecontouring）－硅片研磨磨（lapping）－清洗（cleaning）－化学腐蚀蚀（etching）－热处理（（heattreatment)硅片加工的目目的1、提高硅单晶晶棒的使用率率2、制造硅片二二个高平行度度与平坦度的的洁净表明3、维持硅片表表面结晶性能能、化学性能能与电特性等等性质与其内内层材料一致致，力图避免免出现位错、、微裂纹、应应力等缺陷，，以免影响半半导体中载体体的形成单晶锭外形整整理单晶锭外形整整理包括：切切割分段、外外圆滚磨、定定位面研磨1、切割分段切除籽晶、肩肩部、尾部的的直径小于规规格要求的部部分及电阻率率和完整性不不符合规格要要求的部分切割前加热单单晶锭到100℃，用粘结剂将将石墨条粘贴贴在切缝底部部，切割速度度7mm/min以下，以避免免破损2、外圆滚磨包括液体磨料料研磨和砂轮轮研磨液体研磨：去去除单晶锭表表面毛刺砂轮研磨：使使晶锭直径达达到规格要求求的尺寸3、研磨定位定位面研磨：：沿晶锭轴线线方向在晶锭锭表面研磨1或2个平面主定位面的主主要作用：A在自动加工设设备中作为硅硅片机械定位位的参考面；；B作为选定芯片图形形与晶体取向向关系的参考考；C在吸片或装硅硅片时可以选择择固定的接触触位置减少损损坏。副定位面的作作用：识别硅硅片晶向和电电导类型的标标志。直径等于或大大于8英寸的晶片不不磨定位面，，而沿长度方方向磨一小沟沟WaferIdentifyingFlatsP-type(111)P-type(100)N-type(111)N-type(100)Figure4.21WaferNotchandLaserScribe1234567890Notch

ScribedidentificationnumberFigure4.22FlatgrindDiametergrindPreparingcrystalingotforgrindingIngotDiameterGrindFigure4.20切片切片决定了硅硅片的四个重重要参数：晶晶向、厚度、、斜度、翘度度和平行度。。切片流程：切片晶棒粘着：用用腊或树脂类类粘结剂将晶晶棒粘在同长长的石墨条上上，石墨起支支撑、防边沿沿崩角、修整整锯条。粘前前用三录乙烯烯清洗表面，，120～150℃1小时预热，80℃粘着。结晶定位：保保证结晶方向向的偏差在控控制范围内，，试切－切片片切片：内径切切割（IDSlicing）、线切割（（wire－sawslicing）。内径切割割－环形金属属锯片内径边边缘镶有金刚刚石，单片切切割；线切割割－利用高速速往复移动的的张力钢线上上的陶瓷磨料料切割晶棒，，可同时切割割多片。切片决定晶片片四个参数：：表面方向（surfaceorientation）如<111>或<100>厚度（thickness）0.5mm～0.7mm，由晶片直径径决定斜度（taper）：从一端到到另一端晶片片厚度的差异异弯曲度（翘度度bow）晶片中心心量到边缘的的弯曲程度InternaldiameterwafersawInternalDiameterSawFigure4.23倒角砂轮磨去硅圆圆片周围锋利利的棱角作用：A防止硅片边缘缘破裂（破裂裂后会产生应应力集中，会会产生碎屑））B防止热应力造造成的缺陷（（热应力会使使位错向内部部滑移或增殖殖，倒角可避避免这类材料料缺陷在晶片片产生并抑制制其向内延伸伸）C增加外延层和和光刻胶在硅硅片边缘的平平坦度（外延延时锐角区域域的生长速度度会较平面为为高，不倒角角容易在晶片片边缘处产生生突起，涂胶胶时光刻胶会会在硅片边缘缘堆积（见下下图）倒角方法：化化学腐蚀（chemicaletching）、晶面抹磨磨（lapping）、轮磨（grinding）倒角类型：圆圆弧型、梯梯形圆弧型倒角倒角倒角类型圆弧型及梯形形磨片工序目的：去除硅片表面面的切片刀痕痕和凹凸不平平使表面加工损损伤达到一致致保证在化学学腐蚀过程中中表面腐蚀速速率均匀一致致调节硅片厚度度，使硅片片片与片之间厚厚度差缩小提高平行度使使硅片各处厚厚度均匀改善表面平坦坦度研磨设备双面研磨机主主要元件：A2个反向旋转的的上下研磨盘盘；B数个置于上下下研磨盘之间间用于承载硅硅片的载具；；C用以供应研磨磨浆料（slurry）的设备。A研磨盘材质要求：硬度均匀分布布，能耐长时时间的磨耗，，容易修整。。不造成晶片片表面的划伤伤。一般用球球状石墨铸铁铁，硬度140－280HB研磨盘的沟槽槽：使研磨浆浆料更均匀地地分布在晶片片与研磨盘之之间，排出研研磨屑与研磨磨浆料。上研研磨盘的沟槽槽比下研磨盘盘细而密，以以减小晶片与与上研磨盘之之间的吸引力力，以利磨完完后取出晶片片。B载具：使用用弹簧钢制造造，有数个比比硅片直径略略大的洞，相相对于盘面同同时做公转与与自转运动，，确保硅片的的平坦度。研磨的操操作控制参数数：研磨磨盘转速速及所加加的荷重重。研磨压力力由小慢慢慢增加加，以使使研磨料料均匀散散布并去去除晶片片上的高高出点，，稳定态态的研磨磨压力；；100kgf/cm2，10－15min。研磨结结束前需需慢慢降降低研磨磨压力。。研磨速度度：研磨压力力增加；；研磨浆浆料流速速增加；；研磨浆浆料内研研磨粉增增加；研研磨盘转转速增加加都会提提高研磨磨速度。。控制方法法：定时时或定厚厚度（磨磨除量））磨料在一定压压力下与与硅片表表面不断断进行摩摩擦，通通过机械械作用去去掉硅片片表面的的破碎损损伤层，，使硅片片比切割割时平整整光滑并并达到预预定的厚厚度。磨料：Al2O3、SiC、ZrO2、SiO2、CeO2磨削液在表面有有损伤的的地方，，pn结的二极极管噪声声会增加加；应力力大的地地方会增增加pn结的扩散散，形成成pn结击穿；；应力大大的地方方金属离离子比较较密集造造成漏电电流增加加形成软软击穿，，须采用用磨削液液降低损损伤层和和应力层层。磨削液的的作用：：A悬浮作用用－吸附附在磨料料颗粒表表面产生生足够高高的位垒垒，使颗颗粒分散散开来达达到分散散、悬浮浮的特性性B润滑作用用C冷却作用用－防止止工件表表面烧伤伤和产生生裂缝D去损作用用－磨削削液为碱碱性，在在磨削过过程中和和硅反应应。E清洗作用用－清洗洗细碎的的磨屑和和磨粒粉粉末F防锈功能能－弱碱碱性的磨磨削液与与磨盘形形成碱性性氧化物物钝化膜膜，并加加缓蚀剂剂硅单晶研研磨片的的清洗硅片清洗洗的重要要性：硅片表面面层原子子因垂直直切片方方向的化化学键被被破坏成成为悬挂挂键，形形成表面面附近的的自由力力场，极极易吸附附各种杂杂质，如如颗粒、、有机杂杂质、无无机杂质质、金属属离子等等，造成成磨片后后的硅片片易发生生变花发发蓝发黑黑等现象象，导致致低击穿穿、管道道击穿、、光刻产产生针孔孔，金属属离子和和原子易易造成pn结软击穿穿，漏电电流增加加，严重重影响器器件性能能与成品品率。硅片清洗洗的基本本概念及及理论吸附：硅硅片表面面的硅原原子键被被打开，，这些不不饱和键键处于不不稳定状状态，极极易吸引引周围环环境中的的原子或或分子解吸：吸吸附于硅硅片表面面的杂质质粒子在在其平衡衡位置附附近不停停地作热热运动，，有的杂杂质粒子子获得了了较大的的动能得得以脱离离硅片表表面重新新回到周周围环境境中吸附放热热，解吸吸吸热，，以各种种方法为为杂质粒粒子解吸吸提供所所需能量量，形成成各种不不同的清清洗方法法常用的清清洗方法法：湿法法化学清清洗；兆兆声清洗洗；干法法清洗；；刷片清清洗；激激光清洗洗被吸附杂杂质的存存在状态态：分子子型、离离子型、、原子型型分子型杂杂质与硅硅片表面面吸附力力较弱，，多属油油脂类物物质离子型和和原子型型杂质属属化学吸吸附，吸吸附力较较强清洗顺序序：去分分子－去去离子－－去原子子－去离离子水冲冲洗－烘烘干、甩甩干分子型杂杂质对离离子及原原子型杂杂质有掩掩蔽作用用，应先先去除。。原子型型杂质吸吸附量较较小，应应先清除除离子型型杂质。。清洗原理理表面活性性剂的增增溶作用用：表面面活性剂剂浓度大大于临界界胶束浓浓度时会会在水溶溶液中形形成胶束束，能使使不溶或或微溶于于水的有有机物的的溶解度度显著增增大。表面活性性剂的润润湿作用用：固－－气界面面消失，，形成固固－液界界面起渗透作作用；利利用表面面活性剂剂的润湿湿性降低低溶液的的表面张张力后，，再由渗渗透剂的的渗透作作用将颗颗粒托起起，包裹裹起来。。具有极极强渗透透力的活活性剂分分子可深深入硅片片表面与与吸附物物之间，，起劈开开的作用用，活性性剂分子子将颗粒粒托起并并吸附于于硅片表表面上，，降低表表面能。。颗粒周周围也吸吸附一层层活性剂剂分子，，防止颗颗粒再沉沉积。通过对污污染物进进行化学学腐蚀、、物理渗渗透和机机械作用用，达到到清洗硅硅片的目目的。腐蚀工序目的的：去除除表面因因加工应应力而形形成的损损伤层及及污染（（损伤层层和污染染部分约约15um）化学腐蚀蚀种类：：酸性腐腐蚀及碱碱性腐蚀蚀腐蚀方式式：喷淋淋（spray）及浸泡泡（batch）酸性腐蚀蚀酸性腐蚀蚀原理及及加工条条件：腐蚀液－－由不同同比例的的硝酸、、氢氟酸酸及缓冲冲酸液等等组成。。硝酸为为氧化剂剂，氢氟氟酸为络络合剂。。HF：HNO3约0.05～0.25，腐蚀温温度18~24℃，以减少少金属扩扩散进入入晶片表表面的可可能性。。氧化：Si+2HNO3----SiO2+2HNO22HNO2------NO+NO2+H2O络合SiO2+6HF-----H2SiF6（可溶性络络合物）+2H2O缓冲酸液作作用：缓冲冲腐蚀速率率，促进均均匀，避免免晶片表面面出现不规规则的腐蚀蚀结构。缓冲剂的性性质：a、在HF+HNO3中具有一定定的化学稳稳定性。B、在腐蚀蚀过程中不不会与反应应产物发生生进一步。。C、可溶解解在HF+HNO3中。D、可以湿化化晶片表面面。E、不会产生生化学泡沫沫。常用的的有：醋酸酸（CH3COOH)及磷酸(H3PO4)酸性腐蚀的的特性腐蚀后的晶晶片要求一一定的TTV(TotalThicknessVariation）;TIR(TatalIndicatorReading）；粗糙度度（Roughness）；反射度度（Reflectivity）；波度（（Waviness）；金属含含量等品质质参数。影响因素：：晶片旋转转速度；打打入气泡方方式（由酸酸槽下方打打入气泡或或超声波提提高反应物物与反应产产物的交换换速度与均均一性）；；HF浓度；缓冲冲酸液；晶晶片盒的设设计等HF浓度与打气气泡方式是是影响腐蚀蚀速度及平平坦度的主主要参数。。粗糙度及及反射度主主要受缓冲冲剂性能，，腐蚀去除除量及腐蚀蚀前表面损损伤状况的的影响。碱性腐蚀碱性腐蚀适适宜于直径径较大的硅硅片，有较较好的均匀匀度。硅片在碱性性腐蚀液中中的腐蚀过过程是反应应控制过程程，反应速速度取决于于表面悬挂挂键密度，，是各向异异性的过程程，还与晶晶片表面的的机械损伤伤有关，损损伤层完全全去除后腐腐蚀速度会会变得比较较缓慢。碱性腐蚀剂剂：KOH或NaOH,浓度30%～50%反应温度60～120℃，温度高不不易遗留斑斑点，当易易造成金属属污染。Si＋2KOH+H2O----K2SiO3＋2H2比较：碱性腐蚀在在表面平坦坦地、成本本与环保方方面优于酸酸性腐蚀，，但表面质质量（粗糙糙度和腐蚀蚀深度）不不够理想超大规模集集成电路硅硅衬底的抛抛光技术单纯的化学学抛光：抛抛光速度快快，光洁度度高，损伤伤低，完美美性好，但但表面平坦坦度、平行行度较差，，抛光一致致性较差单纯的机械械抛光：抛抛光一致性性好，平坦坦度高，但但光洁度差差，损伤层层深化学机械抛抛光（CMP-chemicalmechanicalpolishing）：抛光速速度高，平平坦度高硅片抛光：：边缘抛光光及表面抛抛光边缘抛光：：分散应力力，减少微微裂纹，降降低位错排排与滑移线线，降低因因碰撞而产产生碎片的的机会表面抛光：：粗抛光，，细抛光，，精抛光硅衬底的边边缘抛光抛光类型：：大T型、圆弧型型、小T型抛光方法：：硅片倾斜并并旋转，加加压与转动动中的抛光光布作用，，抛光液选选用硅溶胶胶，成本低低。预先在抛光光轮上切出出硅片外圆圆形状再进进行抛光，，抛光轮为为发泡固化化的聚氨脂脂。二个抛抛光轮，一一个切有沟沟槽，用来来抛x1、x2面，一个为为平滑表面面，用来抛抛x3面，抛光光液用喷洒洒方式，边边缘抛光后后立即清洗洗IC中硅衬底表表面抛光抛光设备：：A、按生产产方式分：：批式抛光光机和单片片式抛光机机B、按抛光光面数分：：单面抛光光机和双面面抛光机CMP抛光的动力力学过程CMP是一个多相相反应，有有二个动力力学过程：：首先吸附在在抛光布上上的抛光液液中的氧化化剂、催化化剂等与单单晶片表面面的硅原子子在表面进进行氧化还还原的动力力学过程（（化学作用用）如碱性性抛光液中中的OH-对Si的反应：Si＋2OH-+H2O===SiO32-+2H22.抛光表面反反应物脱离离硅单晶表表面，即解解吸过程，，使未反应应的硅单晶晶重新裸露露出来的动动力学过程程（机械作作用）CMPOxideMechanismFigure18.10SiO2layerPolishingpadSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiCMPSystem(5) By-productremoval(1) SlurrydispenseBy-products(2) H2O&OH-traveltowafersurface(4)SurfacereactionsandmechanicalabrasionDrainSlurry(3) MechanicalforcepressesslurryintowaferSi(OH)4RotationSiSiSiMechanismforMetalCMPFigure18.11Polishingpad2) MechanicalabrasionRotation1) Surfaceetchandpassivation3) RepassivationSlurryDownforceOxideMetalOxideMetalOxideMetalCMPToolwithMultipleWaferCarriersPolishingslurrySlurrydispenserRotatingplatenPolishingpadWafercarrierSpindleCarrierBackingfilmWaferFigure18.17CMP抛光的机理理高速旋转下下的磨料SiO2与抛光垫一一起通过对对硅片表面面摩擦，磨磨去反应产产物进入抛抛光液中，，SiO2以胶体形式存存在，表面带带有电荷，对对产物具有吸吸附作用，加加快产物脱离离硅片表面。。SiO2还有催化反应应作用。即Si＋SiO2----2SiO,SiO+2OH-----SiO32-＋H2比Si＋2OH-+H2O----SiO32-＋H2容易发生硅的化学机械械抛光过程是是以化学反应应为主的机械械抛光过程，，若化学腐蚀蚀作用大于机机械抛光作用用，表面易产产生腐蚀坑、、橘皮状波纹纹。反之，若若机械磨削作作用大于化学学腐蚀作用，，表面产生高高损伤层。影响抛光速度度及抛光片表表面质量的因因素SchematicofChemicalMechanicalPlanarization(CMP)WaferWafercarrierRotatingplatenPolishingslurrySlurrydispenserPolishingpadDownforceFigure18.8Double-SidedWaferPolishUpperpolishingpadLowerpolishingpadWaferSlurryFigure4.26影响抛光速度度及抛光片表表面质量的因因素PH值的影响：随随着PH值增加硅的去去除速度增加加，当PH大于12.5后，去除速度度下降（表面面从疏水性变变为亲水性））。在相同的的PH值下，有机碱碱的抛光速度度大于无机碱碱。温度的影响：：提高温度抛抛光速度增加加，粗抛时38～50℃，精抛时20～30℃，防过度挥发发。压力的影响：：压力增加抛抛光速度增加加，但如过大大会增加表面面划伤，温度度不好控制。。硅片晶向的影影响：不同晶晶向、不同掺掺杂浓度的硅硅片所得到的的抛光速度不不同。流量的影响：：流量小，摩摩擦力大，温温度分布不均均，降低硅片片表面的平坦坦地。大流量量使生成物迅迅速脱离硅片片，降低摩擦擦热，保证硅硅片表面的一一致性。转盘的旋转速速度：转速过过高，抛光液液较难均匀分分布在抛光垫垫上，易掉片片，损伤层大大。大型抛光光机相对转速速在100－140rpm，上转30rpm，下转80rpm粘贴：对有腊腊粘贴（单面面抛光），腊腊层中含有气气泡或微粒时时会造成抛光光时的区域性性压力而导致致硅片的弯曲曲度或凹洞的的产生；双面面抛光须采用用无腊粘贴技技术，双面抛抛光的载具盘盘与抛光垫反反向旋转可以以平衡硅片所所受的切向力力，改善表面面平坦度、厚厚度及弯曲度度影响抛光速度度及抛光片表表面质量的因因素8.抛光垫的影响响：抛光垫除了可可以使抛光液液有效地均匀匀分布外，还还提供新补充充进来的抛光光液，并将反反应后的抛光光液及反应产产物排出。选选择抛光垫材材料时须考虑虑－－材质质、密度、厚厚度、表面形形态、化学稳稳定性、压缩缩性、弹性系系数、硬度等等。A聚氨脂固化抛抛光垫：用于于粗抛光，成成分为发泡固固化的聚氨脂脂，类似海绵绵的多孔结构构，这些小孔孔利于传递浆浆料和机械抛抛光作用。B无纺布抛光垫垫：用于细抛抛光，材料为为聚合物棉絮絮类纤维，经经针孔加工形形成毛毯结构构后，在聚合合物的化学溶溶液槽中浸泡泡在烘烤C绒毛结构抛光光垫：用于精精抛光，基材材为无纺布，，中间层为聚聚合物微孔层层，表面层为为多孔性的绒绒毛结构。抛抛光垫受压时时，抛光液会会进到孔洞中中，压力释放放时抛光垫恢恢复原来形状状，将旧抛光光液和反应产产物排出及补补充新的抛光光液。抛光液抛光液的基本本要求：流动动性好，不易易沉淀和结块块，悬浮性能能好，无毒，，抛光速率快快，硅片表面面质量好，便便于清洗。抛光液的组成成：氧化剂，，磨料，添加加剂，PH稳定剂氧化剂：与表表面硅原子发发生化学反应应，去除损伤伤层，实现高高光亮度磨料：去除表表面反应产物物及凹处，提提高平坦度，，使化学反应应继续进行。。需控制颗粒粒大小、硬度度及分散度。。粒度影响去去除速度，粗粗抛时去除速速度为1～1.5um/min，粒度大时可可达20～30um/min，精抛时去除除速度为0.1～0.2um/min添加剂：改善善硅片表面性性能，稳定抛抛光液、颗粒粒分散性和悬悬浮性。PH稳定剂：防止止抛光液存放放时PH值发生变化。。目前常用的抛抛光液：SiO2抛光液（溶胶胶型）优点：SiO2硬度与硅的硬硬度相近，粒粒度细约0.01～0.1um，损伤层极细细，抛光速率率高，高活性性，高洁净。。SiO2固体浓度：2％～50％，粗抛光液液颗粒较大，，PH值10.5～11.0；精抛光液颗颗粒较小，PH值9.0～9.5精抛光工艺须须解决的问题题精抛光工艺须须解决的问题题有：表面划划伤、抛光雾雾、金属离子子沾污、残余余颗粒难清除除（这些影响响器件的电特特性，低击穿穿、漏电流增增加）选用高纯SiO2为基材，有机机碱为分散介介质的无钠抛抛光液，适用用于MOS器件的硅片精精抛光，以抛抛光片无雾和和减少表面氧氧化层错（OSF)为目的。有机机碱和活性剂剂的选择很重重要。碱的选择：粗粗抛用NaOH，精抛用氨水水、不含碱金金属离子的有有机胺。有机机碱（胺）还还起螯合剂的的作用，限制制金属离子在在芯片表面吸吸附，减少金金属离子污染染，但须解决决有机碱在晶晶格方向上反反应速度不一一样的问题（（择优性）活性剂的选择择：活性剂的的选择影响抛抛光液的分散散性、颗粒吸吸附后清洗难难易程度以及及金属离子污污染等。活性剂影响吸吸附的作用机机理：活性剂剂分散于水中中，当用到表表面能量很高高的硅单晶新新抛镜面时，，优先吸附于于表面上。因因有大分子，，属物理吸附附，易清洗。。抛光硅片表面面质量抛光雾；在强强聚光灯下观观察到的抛光光雾实质是密密度高达105cm－2以上的微浅损损伤缺陷，在在强聚光照射射下产生光的的漫散射，肉肉眼感觉为雾雾。抛光雾表表征表面亚损损伤层的大小小。抛光雾出现的的原因：A抛光布的老化化（可用加时时和增加去除除量的方法解解决）；B抛光液的选择择；C活性剂、润滑滑剂、压力的的选择抛光硅片表面面质量2.表面质量有关关参数（用Zygo、Wyko、AFM、α－step仪器测量）ATTV：硅片的最最大及最小的的厚度差。控控制在2um以下（光刻对对焦要求）TTV＝a－b抛光硅片表面面质量BTIR：硅片表面平平坦度与参考考平面最高到到最低的距离离。控制在2um以下（光刻对对焦要求）抛光硅片表面面质量CFPD：硅片表面面一点与参考考平面之间的的最大距离抛光硅片表面面质量D：平整度（（DP）DP（％）＝（1－SHpost/SHpre）×100％SHpost＝CMP之后在硅片表表面的一个特特殊位置最高高和最低台阶阶的高度差SHpre＝CMP之前在硅片表表面的一个特特殊位置最高高和最低台阶阶的高度差注意：平整度度与均匀性概概念的区别，，平整度为局局部概念。WaferMeasurementsforDegreeofPlanarizationSiO2SubstrateMinMaxSHpreMinMaxSHpostPost-polishmeasurementPre-polishmeasurementSiO2Figure18.9PositivedeviationNegativedeviationVacuumchuckWaferReferenceplaneWaferDeformationFigure4.27CMP参数小小结抛光时时间：：影响响磨掉掉材料料的数数量、、平整整性磨头压压力（（向下下压力力）：：影响响抛光光速率率、平平坦化化和非非均匀匀性转盘速速率；；影响响抛光光速率率、非非均匀匀性磨头速速度：：影响响非均均匀性性磨料化化学成成分；；材料料选择择比（（同时时磨掉掉几种种材料料）、、抛光光速率率磨料流流速：：影响响抛光光垫上上的磨磨料数数量和和设备备的润润滑性性能抛光垫垫修整整：影影响抛抛光速速率、、非均均匀性性、CMP工艺的的稳定定性硅片/磨料温温度：：影响响抛光光速率率硅片背背压：：影响响非均均匀性性（中中央变变慢））、碎碎片CMP后清洗洗CMP清洗重重点是是去除除抛光光工艺艺中带带来的的磨料料颗粒粒、被被抛光光材料料带来来的颗颗粒及及磨料料中带带来的的化学学沾污污物。。颗粒粒被机机械性性地嵌嵌入硅硅片表表面，，或由由于静静电力力或或原原子力力而物物理粘粘附在在被抛抛光的的硅片片表面面。CMP后清洗洗设备备：毛毛刷洗洗擦、、酸性性喷淋淋清洗洗、兆兆声波波清洗洗、旋旋转清清洗干干燥设设备溶剂：：DI水、稀稀释的的氢氧氧化铵铵NH4OH（附在在毛刷刷上））。硅片的的清洗洗名称配方使用条件作用备注Ⅰ号洗液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5→1:2:7

80±5℃10min去油脂去光刻胶残膜去金属离子去金属原子去重离子Ⅱ号洗液HCl:H2O2:H2O=1:1:6→1:2:880±5℃10min去金属离子去金属原子去一般金属离子，K,Na等Ⅲ号洗液H2SO4:H2O2=3:1120±10℃10∽15min去油、去光刻胶、去腊去金属离子去金属原子硅片的的清洗洗配制1#液：先先倒入入6份的DI水，再再倒入入1份的氨氨水，，最后后倒入入1份的双双氧水水作用：：H2O2使腊氧氧化，，使光光刻胶胶氧化化；氨氨水与与重离离子形形成溶溶于水水的络络合物物，与与油脂脂发生生皂化化反应应。配制2#液：先先倒入入6份的DI水，再再倒入入1份的盐盐酸，，最后后倒入入1份的双双氧水水作用：：盐酸酸与含含Na的盐盐反反应应，，除除去去Na离子子配制制3#液：：先先倒倒入入H2O2,再将将99％浓浓硫硫酸酸倒倒入入双双氧氧水水中中，，会会发发生生剧剧烈烈放放热热反反应应，，使使用用及及配配制制时时需需特特别别小小心心作用用：：使使光光刻刻胶胶氧氧化化（（碳碳化化））当前前硅硅圆圆片片的的典典型型规规格格清洁洁度度（（颗颗粒粒/cm2）<0.03氧浓浓度度（（cm－3）碳浓浓度度（（cm－3）金属属沾沾污污（（ppb十亿亿分分之之一一））<0.001原生生位位错错（（cm－2）<0.1氧诱诱生生堆堆垛垛层层错错（（cm－3）<3直径径、、厚厚度度、、翘翘曲曲、、平平行行度度、、电阻阻率率、、载载流流子子浓浓度度、、迁迁移移率率、、腐腐蚀蚀坑坑密密度度9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。22:05:0822:05:0822:0512/29/202210:05:08PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2222:05:0822:05Dec-2229-Dec-2212、故人江海海别，几度度