集成电路工艺第一章硅集成电路衬底加工技术课件.ppt

1、微电子工程系微电子工程系何玉定何玉定 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。电子业的诞生。1 1 引言引言基本器件的两个发展阶段基本器件的两个发展阶段 分立元件阶段（19051959）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，从而使电子产集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能高效能低消耗、

2、高精度、高稳定、智能化化的方向发展。的方向发展。什么是微电子工艺什么是微电子工艺 微电子工艺，微电子工艺，是指用半导体材料制作微电是指用半导体材料制作微电子产品的子产品的方法方法、原理原理、技术技术。不同产品的制作工艺不同，但可将制作工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），艺分解为多个基本相同的小单元（工序），称为称为单项工艺。单项工艺。不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺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。序排列组合来实现的。微电子工业生产过程图微电子工业生产过程图前工序：微电子产前工序：微电子产品制造的特有工艺品制造的特有工艺 后工序

3、后工序npn-Si双极型晶体管芯片工艺流程双极型晶体管芯片工艺流程-硅外延平面工艺举例硅外延平面工艺举例举例举例n+npn+ebc2 微电子工艺发展历程微电子工艺发展历程 诞生诞生:19471947年年1212月在美国的贝尔实验室，发明了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是合金法制作pnpn结。结。合金法合金法pn结示意图结示意图加热、加热、降温降温pn结结InGeN-GeTheFirstTransistorfromBellLabsPhoto courtesy of Lucent Technologies B

4、ell Labs Innovations 19581958年在美国的德州仪器公司和仙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，采童公司各自研制出了集成电路，采用的工艺方法是用的工艺方法是硅平面工艺硅平面工艺。pn结结SiO2Si氧化氧化光刻光刻扩散掺杂扩散掺杂诞生诞生Jack Kilbys First Integrated CircuitPhoto courtesy of Texas Instruments,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

5、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）半导体公司 1959年7月，诺依斯提出：可以用蒸发沉积金属的方法代替热焊接导线，这是解决元件相互连接的最好途径。1966年，基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予巴兰丁奖章，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。1969年，法院最后的判决下达，也从法律上实际承认了集成电路是一项同时的发明。6060年代的出现了外延技术，如：年代的出现了外延技术，如：n-Si/nn-Si/n+-Si-Si，n-Si/p-Sin-Si/p-Si。一般双极电路或晶体管制作在外。一般双

6、极电路或晶体管制作在外延层上。延层上。7070年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。ICIC的集成度提高得以实现。的集成度提高得以实现。新工艺，新技术，不断出现。（等离子技术新工艺，新技术，不断出现。（等离子技术的应用，电子束光刻，分子束外延，等等）的应用，电子束光刻，分子束外延，等等）发展发展张忠谋：台湾半导体教父 全球第一个集成电路标准加工厂（Foundry）是1987年成立的台湾积体电路公司，它的创始人张忠谋也被誉为“晶体芯片加工之父”。张忠谋张忠谋 戈登-摩尔提出摩尔定律222英特尔公司的联合创始人之一-戈登-摩尔早在1965年，摩尔就曾对集成电路的未

7、来作出预测。“摩尔定律”：集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长。集成电路的集成度每三年增长四倍，特征尺寸每三年缩小 倍2DROM集成度与工艺的进展集成度与工艺的进展年代年代1985年年1988年年1991年年1994年年1997年年 2000年年集成度集成度1M4M16M64M256M1G最小最小线宽线宽1.250.80.60.50.350.18光刻光刻技术技术光学曝光光学曝光准分子准分子电子束电子束电子束电子束X射线射线（电子束）（电子束）摩尔定律：每隔摩尔定律：每隔3年年IC集成度提高集成度提高4倍倍 2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，它采用英特尔0.

8、13m制程技术生产，含有5500万个晶体管。2002年8月13日：英特尔透露了90nm制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。2003年3月12日：针对笔记本的英特尔迅驰移动技术平台诞生，采用英特尔0.13m制程技术生产，包含7700万个晶体管。2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管-90nm制程技术生产。2006年7月18日：英特尔安腾2双核处理器发布，含有17.2亿个晶体管-90nm制程技术生产。2006年7月27日：英特尔酷睿2双核处理器,含有2.

9、9亿多个晶体管，采用英特尔65nm制程技术。2007年1月8日：65nm制程英特尔酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。2007年1月29日：英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45nm晶体管或微小开关中用来构建 电子产品发展趋势：更小，更快，更冷电子产品发展趋势：更小，更快，更冷 现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。当前，光刻工艺线宽已达当前，光刻工艺线宽已达0.0450.045微米。由于量子微米。由于量子尺寸效应，集成电路线宽的物理极限约为尺寸效应

10、，集成电路线宽的物理极限约为0.0350.035微米，即微米，即3535纳米。纳米。另外，硅片平整度也是影响工艺特征尺寸进一另外，硅片平整度也是影响工艺特征尺寸进一步小型化的重要因素。步小型化的重要因素。微电子业的发展面临转折。上世纪九十年代纳微电子业的发展面临转折。上世纪九十年代纳电子技术出现，并越来越受到关注。电子技术出现，并越来越受到关注。未来未来 近10年来，“轻晶圆厂”（fab-light）或“无晶圆厂”（fabless）模式的兴起，而没有芯片设计公司反过来成为IDM（Integrated Device Manufacturer）。5年前英特尔做45纳米时，台积电还停留在90纳米，中

11、间隔了一个65纳米。但到45纳米，台积电开始“抢先半步”。即遵循“摩尔定律”的英特尔的路线是45、32、22纳米，台积电的路线则是40、28、20纳米。3 微电子工艺特点及用途微电子工艺特点及用途 超净超净 环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，室，ULSIULSI在在100级超净室制作，超净台达级超净室制作，超净台达10级。级。超纯超纯 指所用材料方面，如衬底材料、指所用材料方面，如衬底材料、功能性电子功能性电子材料、水、气等；材料、水、气等；Si、Ge单晶纯度达单晶纯度达11个个9。高技术含量高技术含量 设备先进，技术先进。设备先进，技术先进。高精

12、度高精度 光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。上述尺度之上。大批量，低成本大批量，低成本 图形转移技术使之得以实现。图形转移技术使之得以实现。超净环境 21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向 特征尺寸继续等比例缩小集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)-SoC是一个通过IP设计复用达到高生产率的软/硬件协同设计过程 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等-其核心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与信息处理等主

13、要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理处理功能。微电子技术的三个发展方向互连技术铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但是在0.13um以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究开发工艺课程学习主要应用工艺课程学习主要应用 制作微电子器件和集成电路制作微电子器件和集成电路 微机电系统微机电系统(microelectromechanicol System MEMS)的所依托的微加工技术的所依托的微加工技术 纳米技术，如纳米技术，如光刻光刻图形复制转移工艺，图形复制转移工艺，MBE等等4 本课程内容本课程内容 重点介绍单项工艺和其依托的科学原理。重点介绍单项工艺和其依

14、托的科学原理。简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技术的发展趋势。术的发展趋势。第一单元第一单元硅衬底硅衬底1 单晶硅结单晶硅结构构2 硅锭及圆硅锭及圆片制备片制备3 外延外延基本单项基本单项工艺工艺第二单元第二单元氧化与掺杂氧化与掺杂第三单元第三单元薄膜制备薄膜制备第四单元第四单元光刻技术光刻技术4 氧化氧化5 扩散扩散6 离子注离子注入入7 CVD8 PVD9 光刻光刻10 现代光现代光刻技术刻技术11 刻蚀刻蚀第五单元第五单元工艺集成和测工艺集成和测试封装试封装12 金属化与金属化与

15、多层互连多层互连13 工艺集工艺集成成14 测试封测试封装装课程内容框架图教材与参考书教材与参考书1.王蔚王蔚 微电子制造技术微电子制造技术-原理与工艺原理与工艺 科科学出版社学出版社 20102.关旭东关旭东 硅集成电路工艺基础硅集成电路工艺基础北京大学出北京大学出版版 20033.Stephen A.C.微电子制造科学原理与工程微电子制造科学原理与工程技术技术电子工业出版社，电子工业出版社，20034.MichaelQuirk，JulianSerda.半导体制造技术，电子工业出版社,20045.刘玉岭等著,微电子技术工程，电子工业出版社，2004集成电路制造过程设计设计芯片检测芯片检测单晶

16、、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试系统需求系统需求硅片与晶片（chip）集成电路集成电路工艺1.衬底加工及清洗2.热氧化3.图形转移4.掺杂：扩散、离子注入5.刻蚀6.薄膜工艺：外延、溅射、蒸发7.金属化及多层布线第一章：超大规模集成电路硅衬底加工技术Crystal seedMolten polysiliconHeat shieldWater jacketSingle crystal siliconQuartz crucibleCarbon heating element Crystal puller and rotation mechanismCZC

17、rystalPullerFigure 4.10 SiliconIngotGrownbyCZMethodPhotograph courtesy of Kayex Corp.,300 mm Si ingotPhoto 4.1 单晶硅片Crystal GrowthShapingWafer SlicingWafer Lapping and Edge GrindEtchingPolishingCleaningInspectionPackagingBasicProcessStepsforWaferPreparationFigure 4.19 硅单晶的加工成型技术硅片加工：将硅单晶棒制作成硅片的过程硅片加工

18、：将硅单晶棒制作成硅片的过程滚圆（rounding）X射线定位（xrayorientation）切片（slicing）倒角（edgecontouring）硅片研磨（lapping）清洗（cleaning）化学腐蚀（etching）热处理（heattreatment)硅片加工的目的1、提高硅单晶棒的使用率2、制造硅片二个高平行度与平坦度的洁净表明3、维持硅片表面结晶性能、化学性能与电特性等性质与其内层材料一致，力图避免出现位错、微裂纹、应力等缺陷，以免影响半导体中载体的形成单晶锭外形整理单晶锭外形整理包括：切割分段、外圆滚磨、定位面研磨1、切割分段切割分段切除籽晶、肩部、尾部的直径小于规格要求的

19、部分及电阻率和完整性不符合规格要求的部分切割前加热单晶锭到100，用粘结剂将石墨条粘贴在切缝底部，切割速度7mm/min以下，以避免破损2 2、外圆滚磨、外圆滚磨 包括液体磨料研磨和砂轮研磨液体研磨：去除单晶锭表面毛刺砂轮研磨：使晶锭直径达到规格要求的尺寸3 3、研磨定位、研磨定位 定位面研磨：沿晶锭轴线方向在晶锭表面研磨1或2个平面主定位面的主要作用：A 在自动加工设备中作为硅片机械定位的参考面；B 作为 选定芯片图形与晶体取向关系的参考；C 在吸片或装硅 片时可以选择固定的接触位置减少损坏。副定位面的作用：识别硅片晶向和电导类型的标志。直径等于或大于8英寸的晶片不磨定位面，而沿长度方向磨一

20、小沟WaferIdentifyingFlats P-type(111)P-type(100)N-type(111)N-type(100)Figure 4.21 WaferNotchandLaserScribe 1234567890Notch Scribed identification numberFigure 4.22 Flat grindDiameter grindPreparing crystal ingot for grindingIngotDiameterGrindFigure 4.20 切片切片决定了硅片的四个重要参数：晶向、厚度、斜度、翘度和平行度。切片流程：切片1.晶棒粘着：用

21、腊或树脂类粘结剂将晶棒粘在同长的石墨条上，石墨起支撑、防边沿崩角、修整锯条。粘前用三录乙烯清洗表面，1201501小时预热，80粘着。2.结晶定位：保证结晶方向的偏差在控制范围内，试切切片3.切片：内径切割（ID Slicing）、线切割（wiresaw slicing）。内径切割环形金属锯片内径边缘镶有金刚石，单片切割；线切割利用高速往复移动的张力钢线上的陶瓷磨料切割晶棒，可同时切割多片。切片决定晶片四个参数：表面方向（surface orientation）如或 厚度（thickness）0.5mm0.7mm，由晶片直径决定 斜度（taper）：从一端到另一端晶片厚度的差异 弯曲度（翘度b

22、ow）晶片中心量到边缘的弯曲程度 Internal diameter wafer sawInternalDiameterSawFigure 4.23 倒角砂轮磨去硅圆片周围锋利的棱角作用：A防止硅片边缘破裂（破裂后会产生应力集中，会产生碎屑）B防止热应力造成的缺陷（热应力会使位错向内部滑移或增殖，倒角可避免这类材料缺陷在晶片产生并抑制其向内延伸）C增加外延层和光刻胶在硅片边缘的平坦度（外延时锐角区域的生长速度会较平面为高，不倒角容易在晶片边缘处产生突起，涂胶时光刻胶会在硅片边缘堆积（见下图）倒角方法：化学腐蚀（chemicaletching）、晶面抹磨（lapping）、轮磨（grinding

23、）倒角类型：圆弧型、梯形圆弧型倒角倒角倒角类型圆弧型及梯形磨片工序目的：1.去除硅片表面的切片刀痕和凹凸不平2.使表面加工损伤达到一致保证在化学腐蚀过程中表面腐蚀速率均匀一致3.调节硅片厚度，使硅片片与片之间厚度差缩小4.提高平行度使硅片各处厚度均匀5.改善表面平坦度研磨设备双面研磨机主要元件：A2个反向旋转的上下研磨盘；B数个置于上下研磨盘之间用于承载硅片的载具；C用以供应研磨浆料（slurry）的设备。A研磨盘材质要求：材质要求：硬度均匀分布，能耐长时间的磨耗，容易修整。不造成晶片表面的划伤。一般用球状石墨铸铁，硬度140280HB研磨盘的沟槽：使研磨浆料更均匀地分布在晶片与研磨盘之间，排

24、出研磨屑与研磨浆料。上研磨盘的沟槽比下研磨盘细而密，以减小晶片与上研磨盘之间的吸引力，以利磨完后取出晶片。B载具：使用弹簧钢制造，有数个比硅片直径略大的洞，相对于盘面同时做公转与自转运动，确保硅片的平坦度。研磨的操作控制参数：研磨盘转速及所加的荷重。研磨压力由小慢慢增加，以使研磨料均匀散布并去除晶片上的高出点，稳定态的研磨压力；100kgf/cm2，1015min。研磨结束前需慢慢降低研磨压力。研磨速度：研磨压力增加；研磨浆料流速增加；研磨浆料内研磨粉增加；研磨盘转速增加都会提高研磨速度。控制方法：定时或定厚度（磨除量）磨料在一定压力下与硅片表面不断进行摩擦，通过机械作用去掉硅片表面的破碎损伤

25、层，使硅片比切割时平整光滑并达到预定的厚度。磨料：Al2O3、SiC、ZrO2、SiO2、CeO2磨削液在表面有损伤的地方，pn结的二极管噪声会增加；应力大的地方会增加pn结的扩散，形成pn结击穿；应力大的地方金属离子比较密集造成漏电流增加形成软击穿，须采用磨削液降低损伤层和应力层。磨削液的作用：A悬浮作用吸附在磨料颗粒表面产生足够高的位垒，使颗粒分散开来达到分散、悬浮的特性B润滑作用C冷却作用防止工件表面烧伤和产生裂缝D去损作用磨削液为碱性，在磨削过程中和硅反应。E清洗作用清洗细碎的磨屑和磨粒粉末F防锈功能弱碱性的磨削液与磨盘形成碱性氧化物钝化膜，并加缓蚀剂硅单晶研磨片的清洗硅片清洗的重要性

26、：硅片表面层原子因垂直切片方向的化学键被破坏成为悬挂键，形成表面附近的自由力场，极易吸附各种杂质，如颗粒、有机杂质、无机杂质、金属离子等，造成磨片后的硅片易发生变花发蓝发黑等现象，导致低击穿、管道击穿、光刻产生针孔，金属离子和原子易造成pn结软击穿，漏电流增加，严重影响器件性能与成品率。硅片清洗的基本概念及理论吸附：硅片表面的硅原子键被打开，这些不饱和键处于不稳定状态，极易吸引周围环境中的原子或分子解吸：吸附于硅片表面的杂质粒子在其平衡位置附近不停地作热运动，有的杂质粒子获得了较大的动能得以脱离硅片表面重新回到周围环境中吸附放热，解吸吸热，以各种方法为杂质粒子解吸提供所需能量，形成各种不同的清

27、洗方法常用的清洗方法：湿法化学清洗；兆声清洗；干法清洗；刷片清洗；激光清洗被吸附杂质的存在状态：分子型、离子型、原子型分子型杂质与硅片表面吸附力较弱，多属油脂类物质离子型和原子型杂质属化学吸附，吸附力较强清洗顺序：去分子去离子去原子去离子水冲洗烘干、甩干分子型杂质对离子及原子型杂质有掩蔽作用，应先去除。原子型杂质吸附量较小，应先清除离子型杂质。清洗原理1.表面活性剂的增溶作用：表面活性剂浓度大于临界胶束浓度时会在水溶液中形成胶束，能使不溶或微溶于水的有机物的溶解度显著增大。2.表面活性剂的润湿作用：固气界面消失，形成固液界面3.起渗透作用；利用表面活性剂的润湿性降低溶液的表面张力后，再由渗透剂

28、的渗透作用将颗粒托起，包裹起来。具有极强渗透力的活性剂分子可深入硅片表面与吸附物之间，起劈开的作用，活性剂分子将颗粒托起并吸附于硅片表面上，降低表面能。颗粒周围也吸附一层活性剂分子，防止颗粒再沉积。通过对污染物进行化学腐蚀、物理渗透和机械作用，达到清洗硅片的目的。腐蚀工序目的：去除表面因加工应力而形成的损伤层及污染（损伤层和污染部分约15um）化学腐蚀种类：酸性腐蚀及碱性腐蚀腐蚀方式：喷淋（spray）及浸泡（batch）酸性腐蚀酸性腐蚀原理及加工条件：腐蚀液由不同比例的硝酸、氢氟酸及缓冲酸液等组成。硝酸为氧化剂，氢氟酸为络合剂。HF：HNO3约0.050.25，腐蚀温度1824，以减少金属扩

29、散进入晶片表面的可能性。氧化：Si+2HNO3-SiO2+2HNO22HNO2-NO+NO2+H2O络合SiO2+6HF-H2SiF6（可溶性络合物）+2H2O缓冲酸液作用：缓冲腐蚀速率，促进均匀，避免晶片表面出现不规则的腐蚀结构。缓冲剂的性质：a、在HF+HNO3中具有一定的化学稳定性。B、在腐蚀过程中不会与反应产物发生进一步。C、可溶解在HF+HNO3中。D、可以湿化晶片表面。E、不会产生化学泡沫。常用的有：醋酸（CH3COOH)及磷酸(H3PO4)酸性腐蚀的特性腐蚀后的晶片要求一定的TTV(TotalThicknessVariation）;TIR(TatalIndicatorReadin

30、g）；粗糙度（Roughness）；反射度（Reflectivity）；波度（Waviness）；金属含量等品质参数。影响因素：晶片旋转速度；打入气泡方式（由酸槽下方打入气泡或超声波提高反应物与反应产物的交换速度与均一性）；HF浓度；缓冲酸液；晶片盒的设计等HF浓度与打气泡方式是影响腐蚀速度及平坦度的主要参数。粗糙度及反射度主要受缓冲剂性能，腐蚀去除量及腐蚀前表面损伤状况的影响。碱性腐蚀碱性腐蚀适宜于直径较大的硅片，有较好的均匀度。硅片在碱性腐蚀液中的腐蚀过程是反应控制过程，反应速度取决于表面悬挂键密度，是各向异性的过程，还与晶片表面的机械损伤有关，损伤层完全去除后腐蚀速度会变得比较缓慢。碱性

31、腐蚀剂：KOH或NaOH,浓度30%50%反应温度60120，温度高不易遗留斑点，当易造成金属污染。Si 2KOH+H2O-K2SiO3 2H2比较：碱性腐蚀在表面平坦地、成本与环保方面优于酸性腐蚀，但表面质量（粗糙度和腐蚀深度）不够理想超大规模集成电路硅衬底的抛光技术单纯的化学抛光：抛光速度快，光洁度高，损伤低，完美性好，但表面平坦度、平行度较差，抛光一致性较差单纯的机械抛光：抛光一致性好，平坦度高，但光洁度差，损伤层深化学机械抛光（CMP-chemicalmechanicalpolishing）：抛光速度高，平坦度高硅片抛光：边缘抛光及表面抛光1.边缘抛光：分散应力，减少微裂纹，降低位错排

32、与滑移线，降低因碰撞而产生碎片的机会2.表面抛光：粗抛光，细抛光，精抛光硅衬底的边缘抛光抛光类型：大T型、圆弧型、小T型抛光方法：1.硅片倾斜并旋转，加压与转动中的抛光布作用，抛光液选用硅溶胶，成本低。2.预先在抛光轮上切出硅片外圆形状再进行抛光，抛光轮为发泡固化的聚氨脂。二个抛光轮，一个切有沟槽，用来抛x1、x2面，一个为平滑表面，用来抛x3面，抛光液用喷洒方式，边缘抛光后立即清洗IC中硅衬底表面抛光抛光设备：A、按生产方式分：批式抛光机和单片式抛光机B、按抛光面数分：单面抛光机和双面抛光机CMP抛光的动力学过程CMP是一个多相反应，有二个动力学过程：1.首先吸附在抛光布上的抛光液中的氧化剂

33、、催化剂等与单晶片表面的硅原子在表面进行氧化还原的动力学过程（化学作用）如碱性抛光液中的OH-对Si的反应：Si2OH-+H2O=SiO32-+2H22.抛光表面反应物脱离硅单晶表面，即解吸过程，使未反应的硅单晶重新裸露出来的动力学过程（机械作用）CMPOxideMechanismFigure 18.10 SiO2 layerPolishing padSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiCMP System(5)By-product removal(1)Slurry dispenseBy-products(2)H2O&OH-t

34、ravel to wafer surface(4)Surface reactions and mechanical abrasionDrainSlurry(3)Mechanical force presses slurry into waferSi(OH)4RotationSiSiSiMechanismforMetalCMPFigure 18.11 Polishing pad2)Mechanical abrasionRotation1)Surface etch and passivation3)RepassivationSlurryDownforceOxideMetalOxideMetalOx

35、ideMetalCMPToolwithMultipleWaferCarriersPolishing slurrySlurry dispenserRotating platenPolishing padWafer carrierSpindleCarrierBacking filmWaferFigure 18.17 CMP抛光的机理高速旋转下的磨料SiO2与抛光垫一起通过对硅片表面摩擦，磨去反应产物进入抛光液中，SiO2以胶体形式存在，表面带有电荷，对产物具有吸附作用，加快产物脱离硅片表面。SiO2还有催化反应作用。即SiSiO2-2SiO,SiO+2OH-SiO32-H2比Si2OH-+H2O-

36、SiO32-H2容易发生硅的化学机械抛光过程是以化学反应为主的机械抛光过程，若化学腐蚀作用大于机械抛光作用，表面易产生腐蚀坑、橘皮状波纹。反之，若机械磨削作用大于化学腐蚀作用，表面产生高损伤层。影响抛光速度及抛光片表面质量的因素SchematicofChemicalMechanicalPlanarization(CMP)WaferWafer carrierRotating platenPolishing slurrySlurry dispenserPolishing padDownforceFigure 18.8 Double-SidedWaferPolishUpper polishing p

37、adLower polishing padWaferSlurryFigure 4.26 影响抛光速度及抛光片表面质量的因素1.PH值的影响：随着PH值增加硅的去除速度增加，当PH大于12.5后，去除速度下降（表面从疏水性变为亲水性）。在相同的PH值下，有机碱的抛光速度大于无机碱。2.温度的影响：提高温度抛光速度增加，粗抛时3850，精抛时2030，防过度挥发。3.压力的影响：压力增加抛光速度增加，但如过大会增加表面划伤，温度不好控制。4.硅片晶向的影响：不同晶向、不同掺杂浓度的硅片所得到的抛光速度不同。5.流量的影响：流量小，摩擦力大，温度分布不均，降低硅片表面的平坦地。大流量使生成物迅速脱离

38、硅片，降低摩擦热，保证硅片表面的一致性。6.转盘的旋转速度：转速过高，抛光液较难均匀分布在抛光垫上，易掉片，损伤层大。大型抛光机相对转速在100140rpm，上转30rpm，下转80rpm7.粘贴：对有腊粘贴（单面抛光），腊层中含有气泡或微粒时会造成抛光时的区域性压力而导致硅片的弯曲度或凹洞的产生；双面抛光须采用无腊粘贴技术，双面抛光的载具盘与抛光垫反向旋转可以平衡硅片所受的切向力，改善表面平坦度、厚度及弯曲度影响抛光速度及抛光片表面质量的因素8.抛光垫的影响：抛光垫除了可以使抛光液有效地均匀分布外，还提供新补充进来的抛光液，并将反应后的抛光液及反应产物排出。选择抛光垫材料时须考虑材质、密度、

39、厚度、表面形态、化学稳定性、压缩性、弹性系数、硬度等。A聚氨脂固化抛光垫：用于粗抛光，成分为发泡固化的聚氨脂，类似海绵的多孔结构，这些小孔利于传递浆料和机械抛光作用。B无纺布抛光垫：用于细抛光，材料为聚合物棉絮类纤维，经针孔加工形成毛毯结构后，在聚合物的化学溶液槽中浸泡在烘烤C绒毛结构抛光垫：用于精抛光，基材为无纺布，中间层为聚合物微孔层，表面层为多孔性的绒毛结构。抛光垫受压时，抛光液会进到孔洞中，压力释放时抛光垫恢复原来形状，将旧抛光液和反应产物排出及补充新的抛光液。抛光液抛光液的基本要求：流动性好，不易沉淀和结块，悬浮性能好，无毒，抛光速率快，硅片表面质量好，便于清洗。抛光液的组成：氧化剂

40、，磨料，添加剂，PH稳定剂1.氧化剂：与表面硅原子发生化学反应，去除损伤层，实现高光亮度2.磨料：去除表面反应产物及凹处，提高平坦度，使化学反应继续进行。需控制颗粒大小、硬度及分散度。粒度影响去除速度，粗抛时去除速度为11.5um/min，粒度大时可达2030um/min，精抛时去除速度为0.10.2um/min3.添加剂：改善硅片表面性能，稳定抛光液、颗粒分散性和悬浮性。4.PH稳定剂：防止抛光液存放时PH值发生变化。目前常用的抛光液：SiO2抛光液（溶胶型）优点：SiO2硬度与硅的硬度相近，粒度细约0.010.1um，损伤层极细，抛光速率高，高活性，高洁净。SiO2固体浓度：250，粗抛光

41、液颗粒较大，PH值10.511.0；精抛光液颗粒较小，PH值9.09.5精抛光工艺须解决的问题精抛光工艺须解决的问题有：表面划伤、抛光雾、金属离子沾污、残余颗粒难清除（这些影响器件的电特性，低击穿、漏电流增加）选用高纯SiO2为基材，有机碱为分散介质的无钠抛光液，适用于MOS器件的硅片精抛光，以抛光片无雾和减少表面氧化层错（OSF)为目的。有机碱和活性剂的选择很重要。1.碱的选择：粗抛用NaOH，精抛用氨水、不含碱金属离子的有机胺。有机碱（胺）还起螯合剂的作用，限制金属离子在芯片表面吸附，减少金属离子污染，但须解决有机碱在晶格方向上反应速度不一样的问题（择优性）2.活性剂的选择：活性剂的选择影

42、响抛光液的分散性、颗粒吸附后清洗难易程度以及金属离子污染等。活性剂影响吸附的作用机理：活性剂分散于水中，当用到表面能量很高的硅单晶新抛镜面时，优先吸附于表面上。因有大分子，属物理吸附，易清洗。抛光硅片表面质量1.抛光雾；在强聚光灯下观察到的抛光雾实质是密度高达105cm2以上的微浅损伤缺陷，在强聚光照射下产生光的漫散射，肉眼感觉为雾。抛光雾表征表面亚损伤层的大小。抛光雾出现的原因：A抛光布的老化（可用加时和增加去除量的方法解决）；B抛光液的选择；C活性剂、润滑剂、压力的选择抛光硅片表面质量2.表面质量有关参数（用Zygo、Wyko、AFM、step仪器测量）A TTV：硅片的最大及最小的厚度差

43、。控制在2um以下（光刻对焦要求）TTVab抛光硅片表面质量BTIR：硅片表面平坦度与参考平面最高到最低的距离。控制在2um以下（光刻对焦要求）抛光硅片表面质量CFPD：硅片表面一点与参考平面之间的最大距离抛光硅片表面质量D：平整度（DP）DP（）（1SHpost/SHpre）100SHpostCMP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SHpreCMP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注意：平整度与均匀性概念的区别，平整度为局部概念。WaferMeasurementsforDegreeofPlanarizationSiO2SubstrateMinMaxSHpreM

44、inMaxSHpostPost-polish measurementPre-polish measurementSiO2Figure 18.9 Positive deviationNegative deviationVacuum chuckWaferReference planeWaferDeformationFigure 4.27 CMP参数小结1.抛光时间：影响磨掉材料的数量、平整性2.磨头压力（向下压力）：影响抛光速率、平坦化和非均匀性3.转盘速率；影响抛光速率、非均匀性4.磨头速度：影响非均匀性5.磨料化学成分；材料选择比（同时磨掉几种材料）、抛光速率6.磨料流速：影响抛光垫上的磨料数

45、量和设备的润滑性能7.抛光垫修整：影响抛光速率、非均匀性、CMP工艺的稳定性8.硅片/磨料温度：影响抛光速率9.硅片背压：影响非均匀性（中央变慢）、碎片CMP后清洗CMP清洗重点是去除抛光工艺中带来的磨料颗粒、被抛光材料带来的颗粒及磨料中带来的化学沾污物。颗粒被机械性地嵌入硅片表面，或由于静电力或原子力而物理粘附在被抛光的硅片表面。CMP后清洗设备：毛刷洗擦、酸性喷淋清洗、兆声波清洗、旋转清洗干燥设备溶剂：DI水、稀释的氢氧化铵NH4OH（附在毛刷上）。硅片的清洗名称配方使用条件作用备注号洗液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:51:2:780510min去油脂去光刻胶残膜去金属离子去金属原

46、子去重离子号洗液HCl:H2O2:H2O=1:1:61:2:880510min去金属离子去金属原子去一般金属离子，K,Na等号洗液H2SO4:H2O2=3:1120101015min去油、去光刻胶、去腊去金属离子去金属原子硅片的清洗配制1#液：先倒入6份的DI水，再倒入1份的氨水，最后倒入1份的双氧水作用：H2O2使腊氧化，使光刻胶氧化；氨水与重离子形成溶于水的络合物，与油脂发生皂化反应。配制2#液：先倒入6份的DI水，再倒入1份的盐酸，最后倒入1份的双氧水作用：盐酸与含Na的盐反应，除去Na离子配制3#液：先倒入H2O2,再将99浓硫酸倒入双氧水中，会发生剧烈放热反应，使用及配制时需特别小心作用：使光刻胶氧化（碳化）当前硅圆片的典型规格1.清洁度（颗粒/cm2）0.032.氧浓度（cm3）3.碳浓度（cm3）4.金属沾污（ppb十亿分之一）0.0015.原生位错（cm2）0.16.氧诱生堆垛层错（cm3）37.直径、厚度、翘曲、平行度、8.电阻率、载流子浓度、迁移率、腐蚀坑密度