集成電路制造技術(shù)教材

1、微電子工程系微電子工程系何玉定何玉定 早在1830年，科學(xué)家已于實(shí)驗(yàn)室展開對半導(dǎo)體的研究。 1874年，電報(bào)機(jī)、電話和無線電相繼發(fā)明等早期電子儀器亦造就了一項(xiàng)新興的工業(yè)電子業(yè)的誕生。電子業(yè)的誕生。1 1 引言引言基本器件的兩個(gè)發(fā)展階段基本器件的兩個(gè)發(fā)展階段 分立元件階段（19051959）真空電子管、半導(dǎo)體晶體管 集成電路階段（1959）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)品向著品向著高效能低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能高效能低消耗

2、、高精度、高穩(wěn)定、智能化化的方向發(fā)展。的方向發(fā)展。 什么是微電子工藝什么是微電子工藝 微電子工藝，微電子工藝，是指用半導(dǎo)體材料制作微電是指用半導(dǎo)體材料制作微電子產(chǎn)品的子產(chǎn)品的方法方法、原理原理、技術(shù)技術(shù)。 不同產(chǎn)品的制作工藝不同，但可將制作工不同產(chǎn)品的制作工藝不同，但可將制作工藝分解為多個(gè)基本相同的小單元（工序），藝分解為多個(gè)基本相同的小單元（工序），稱為稱為單項(xiàng)工藝。單項(xiàng)工藝。 不同產(chǎn)品的制作就是將單項(xiàng)工藝按需要順不同產(chǎn)品的制作就是將單項(xiàng)工藝按需要順序排列組合來實(shí)現(xiàn)的。序排列組合來實(shí)現(xiàn)的。微電子工業(yè)生產(chǎn)過程圖微電子工業(yè)生產(chǎn)過程圖前工序：微電子產(chǎn)前工序：微電子產(chǎn)品制造的特有工藝品制造的特有工藝

3、 后工序后工序npn-Si雙極型晶體管芯片工藝流程雙極型晶體管芯片工藝流程-硅外延平面工藝舉例硅外延平面工藝舉例舉例舉例n+npn+ebc2 微電子工藝發(fā)展歷程微電子工藝發(fā)展歷程 誕生誕生: :19471947年年1212月在美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室，發(fā)明了月在美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室，發(fā)明了半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管，采用的關(guān)鍵工藝技術(shù)半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管，采用的關(guān)鍵工藝技術(shù)是合金法制作是合金法制作pnpn結(jié)。結(jié)。合金法合金法pn結(jié)示意圖結(jié)示意圖加熱、加熱、降溫降溫pn結(jié)結(jié)InGeN-GeTheFirstTransistorfromBellLabsPhoto courtesy of Lucent Technolo

4、gies Bell Labs Innovations 19581958年在美國的德州儀器公司和仙年在美國的德州儀器公司和仙童公司各自研制出了集成電路，采童公司各自研制出了集成電路，采用的工藝方法是用的工藝方法是硅平面工藝硅平面工藝。pn結(jié)結(jié)SiO2Si氧化氧化光刻光刻擴(kuò)散摻雜擴(kuò)散摻雜誕生誕生Jack Kilbys First Integrated CircuitPhoto courtesy of Texas Instruments, Inc.1959年2月，德克薩斯儀器公司（TI）工程師J.kilby申請第一個(gè)集成電路發(fā)明專利；利用臺式法完成了用硅來實(shí)現(xiàn)晶體管、二極管、電阻和電容，并將其集成在

5、一起的創(chuàng)舉。臺式法-所有元件內(nèi)部和外部都是靠細(xì)細(xì)的金屬導(dǎo)線焊接相連。仙童（Fairchild）半導(dǎo)體公司 1959年7月，諾依斯提出：可以用蒸發(fā)沉積金屬的方法代替熱焊接導(dǎo)線，這是解決元件相互連接的最好途徑。 1966年，基爾比和諾依斯同時(shí)被富蘭克林學(xué)會授予巴蘭丁獎?wù)拢鶢柋缺蛔u(yù)為“第一塊集成電路的發(fā)明家”而諾依斯被譽(yù)為“提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論”的人。 1969年，法院最后的判決下達(dá)，也從法律上實(shí)際承認(rèn)了集成電路是一項(xiàng)同時(shí)的發(fā)明。 6060年代的出現(xiàn)了外延技術(shù)，如：年代的出現(xiàn)了外延技術(shù)，如：n-Si/nn-Si/n+ +-Si-Si，n-Si/p-Sin-Si/p-Si。一般雙極電路

6、或晶體管制作在外。一般雙極電路或晶體管制作在外延層上。延層上。 7070年代的離子注入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了淺結(jié)摻雜。年代的離子注入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了淺結(jié)摻雜。ICIC的集成度提高得以實(shí)現(xiàn)。的集成度提高得以實(shí)現(xiàn)。 新工藝，新技術(shù)，不斷出現(xiàn)。（等離子技術(shù)新工藝，新技術(shù)，不斷出現(xiàn)。（等離子技術(shù)的應(yīng)用，電子束光刻，分子束外延，等等）的應(yīng)用，電子束光刻，分子束外延，等等）發(fā)展發(fā)展張忠謀：臺灣半導(dǎo)體教父 全球第一個(gè)集成電路標(biāo)準(zhǔn)加工廠（Foundry）是1987年成立的臺灣積體電路公司，它的創(chuàng)始人張忠謀也被譽(yù)為“晶體芯片加工之父”。張忠謀張忠謀 戈登-摩爾提出摩爾定律222英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一-戈登-摩爾早在196

7、5年，摩爾就曾對集成電路的未來作出預(yù)測。 “摩爾定律”： 集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目，將會以每18個(gè)月翻一番的速度穩(wěn)定增長。集成電路的集成度每三年增長四倍，特征尺寸每三年縮小 倍2DROM集成度與工藝的進(jìn)展集成度與工藝的進(jìn)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最小最小線寬線寬1.250.80.60.50.350.18光刻光刻技術(shù)技術(shù)光學(xué)曝光光學(xué)曝光準(zhǔn)分子準(zhǔn)分子電子束電子束電子束電子束X射線射線（電子束）（電子束）摩爾定律：每隔摩爾定律：每隔3年年IC集成度提高集成度提高4倍倍 2002年1月：英特爾奔

8、騰4處理器推出，它采用英特爾0.13m制程技術(shù)生產(chǎn)，含有5500萬個(gè)晶體管。 2002年8月13日：英特爾透露了90nm制程技術(shù)的若干技術(shù)突破，包括高性能、低功耗晶體管，應(yīng)變硅，高速銅質(zhì)接頭和新型低-k介質(zhì)材料。這是業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)中采用應(yīng)變硅。 2003年3月12日：針對筆記本的英特爾迅馳移動技術(shù)平臺誕生，采用英特爾0.13m制程技術(shù)生產(chǎn)，包含7700萬個(gè)晶體管。 2005年5月26日：英特爾第一個(gè)主流雙核處理器“英特爾奔騰D處理器”誕生，含有2.3億個(gè)晶體管-90nm制程技術(shù)生產(chǎn)。 2006年7月18日：英特爾安騰2雙核處理器發(fā)布，含有17.2億個(gè)晶體管-90nm制程技術(shù)生產(chǎn)。 2006年7

9、月27日：英特爾酷睿2雙核處理器,含有2.9億多個(gè)晶體管，采用英特爾65nm制程技術(shù)。 2007年1月8日：65nm制程英特爾酷睿2四核處理器和另外兩款四核服務(wù)器處理器。英特爾酷睿2四核處理器含有5.8億多個(gè)晶體管。 2007年1月29日：英特爾酷睿2雙核、英特爾酷睿2四核處理器以及英特爾至強(qiáng)系列多核處理器的數(shù)以億計(jì)的45nm晶體管或微小開關(guān)中用來構(gòu)建 電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢：更小，更快，更冷電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢：更小，更快，更冷 現(xiàn)有的工藝將更成熟、完善；新技術(shù)不斷出現(xiàn)?，F(xiàn)有的工藝將更成熟、完善；新技術(shù)不斷出現(xiàn)。當(dāng)前，光刻工藝線寬已達(dá)當(dāng)前，光刻工藝線寬已達(dá)0.0450.045微米。由于量子微米。由于量

10、子尺寸效應(yīng)，集成電路線寬的物理極限約為尺寸效應(yīng)，集成電路線寬的物理極限約為0.0350.035微米，即微米，即3535納米。納米。 另外，硅片平整度也是影響工藝特征尺寸進(jìn)一另外，硅片平整度也是影響工藝特征尺寸進(jìn)一步小型化的重要因素。步小型化的重要因素。 微電子業(yè)的發(fā)展面臨轉(zhuǎn)折。上世紀(jì)九十年代納微電子業(yè)的發(fā)展面臨轉(zhuǎn)折。上世紀(jì)九十年代納電子技術(shù)出現(xiàn)，并越來越受到關(guān)注。電子技術(shù)出現(xiàn)，并越來越受到關(guān)注。 未來未來 近10年來 ，“輕晶圓廠”（fab-light）或“無晶圓廠”（fabless）模式的興起，而沒有芯片設(shè)計(jì)公司反過來成為IDM（Integrated Device Manufacturer）

11、 。 5年前英特爾做45納米時(shí)，臺積電還停留在90納米，中間隔了一個(gè)65納米。但到45納米，臺積電開始“搶先半步”。即遵循“摩爾定律”的英特爾的路線是45、32、22納米，臺積電的路線則是40、28、20納米。3 微電子工藝特點(diǎn)及用途微電子工藝特點(diǎn)及用途 超凈超凈 環(huán)境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈環(huán)境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈室，室，ULSIULSI在在100級超凈室制作，超凈臺達(dá)級超凈室制作，超凈臺達(dá)10級。級。 超純超純 指所用材料方面，如襯底材料、指所用材料方面，如襯底材料、功能性電子功能性電子材料、水、氣等；材料、水、氣等；Si、Ge單晶純度達(dá)單晶純度達(dá)11個(gè)個(gè)9。 高技

12、術(shù)含量高技術(shù)含量 設(shè)備先進(jìn)，技術(shù)先進(jìn)。設(shè)備先進(jìn)，技術(shù)先進(jìn)。 高精度高精度 光刻圖形的最小線條尺寸在深亞微米量級，光刻圖形的最小線條尺寸在深亞微米量級，制備的介質(zhì)薄膜厚度也在納米量級，而精度更在制備的介質(zhì)薄膜厚度也在納米量級，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 圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)使之得以實(shí)現(xiàn)。圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)使之得以實(shí)現(xiàn)。超凈環(huán)境 21世紀(jì)硅微電子技術(shù)的三個(gè)主要發(fā)展方向 特征尺寸繼續(xù)等比例縮小集成電路(IC)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SOC)-SoC是一個(gè)通過IP設(shè)計(jì)復(fù)用達(dá)到高生產(chǎn)率的軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程 微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的學(xué)科，例如MEMS、DNA

13、芯片等-其核心是將電子信息系統(tǒng)中的信息獲取、信息執(zhí)行與信息處理等主要功能集成在一個(gè)芯片上，而完成信息處理處理功能。微電子技術(shù)的三個(gè)發(fā)展方向互連技術(shù)銅互連已在0.25/0.18um技術(shù)代中使用；但是在0.13um以后，銅互連與低介電常數(shù)絕緣材料共同使用時(shí)的可靠性問題還有待研究開發(fā)工藝課程學(xué)習(xí)主要應(yīng)用工藝課程學(xué)習(xí)主要應(yīng)用 制作微電子器件和集成電路制作微電子器件和集成電路 微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng) (microelectromechanicol System MEMS)的所依托的微加工技術(shù)的所依托的微加工技術(shù) 納米技術(shù)，如納米技術(shù)，如光刻光刻圖形復(fù)制轉(zhuǎn)移工藝，圖形復(fù)制轉(zhuǎn)移工藝，MBE等等4 本課程內(nèi)容本

14、課程內(nèi)容 重點(diǎn)介紹單項(xiàng)工藝和其依托的科學(xué)原理。重點(diǎn)介紹單項(xiàng)工藝和其依托的科學(xué)原理。 簡單介紹典型產(chǎn)品的工藝流程，芯片的封簡單介紹典型產(chǎn)品的工藝流程，芯片的封裝、測試，以及新工藝、新技術(shù)、工藝技裝、測試，以及新工藝、新技術(shù)、工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢。術(shù)的發(fā)展趨勢。第一單元第一單元硅襯底硅襯底1 單晶硅結(jié)單晶硅結(jié)構(gòu)構(gòu)2 硅錠及圓硅錠及圓片制備片制備3 外延外延基本單項(xiàng)基本單項(xiàng)工藝工藝第二單元第二單元氧化與摻雜氧化與摻雜第三單元第三單元薄膜制備薄膜制備第四單元第四單元光刻技術(shù)光刻技術(shù)4 氧化氧化5 擴(kuò)散擴(kuò)散6 離子注離子注入入7 CVD8 PVD9 光刻光刻10 現(xiàn)代光現(xiàn)代光刻技術(shù)刻技術(shù)11 刻蝕刻蝕第五

15、單元第五單元工藝集成和測工藝集成和測試封裝試封裝12 金屬化與金屬化與多層互連多層互連13 工藝集工藝集成成14 測試封測試封裝裝課程內(nèi)容框架圖教材與參考書教材與參考書1.王蔚王蔚 微電子制造技術(shù)微電子制造技術(shù)-原理與工藝原理與工藝 科科學(xué)出版社學(xué)出版社 20102.關(guān)旭東關(guān)旭東 硅集成電路工藝基礎(chǔ)硅集成電路工藝基礎(chǔ)北京大學(xué)出北京大學(xué)出版版 20033.Stephen A. C.微電子制造科學(xué)原理與工程微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)技術(shù)電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，20034.MichaelQuirk，JulianSerda.半導(dǎo)體制造技術(shù)，電子工業(yè)出版社,20045.劉玉嶺等著,微電子技術(shù)工

16、程，電子工業(yè)出版社，2004集成電路制造過程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)芯片檢測芯片檢測單晶、外單晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造過程造過程封裝封裝測試測試系統(tǒng)需求系統(tǒng)需求硅片與晶片（chip）集成電路集成電路工藝1. 襯底加工及清洗2. 熱氧化3. 圖形轉(zhuǎn)移4. 摻雜：擴(kuò)散、離子注入5. 刻蝕6. 薄膜工藝：外延、濺射、蒸發(fā)7. 金屬化及多層布線第一章：超大規(guī)模集成電路硅襯底加工技術(shù)Crystal seedMolten polysiliconHeat shieldWater jacketSingle crystal siliconQuartz crucibleCarbon heating eleme

17、nt Crystal puller and rotation mechanismCZCrystalPullerFigure 4.10 SiliconIngotGrownbyCZMethodPhotograph courtesy of Kayex Corp., 300 mm Si ingotPhoto 4.1 單晶硅片Crystal GrowthShapingWafer SlicingWafer Lapping and Edge GrindEtchingPolishingCleaningInspectionPackagingBasicProcessStepsforWaferPreparation

18、Figure 4.19 硅單晶的加工成型技術(shù)硅片加工：將硅單晶棒制作成硅片的過程硅片加工：將硅單晶棒制作成硅片的過程滾圓（rounding）X射線定位（xrayorientation）切片（slicing）倒角（edgecontouring）硅片研磨（lapping）清洗（cleaning）化學(xué)腐蝕（etching）熱處理（heattreatment)硅片加工的目的1、提高硅單晶棒的使用率2、制造硅片二個(gè)高平行度與平坦度的潔凈表明3、維持硅片表面結(jié)晶性能、化學(xué)性能與電特性等性質(zhì)與其內(nèi)層材料一致，力圖避免出現(xiàn)位錯、微裂紋、應(yīng)力等缺陷，以免影響半導(dǎo)體中載體的形成單晶錠外形整理單晶錠外形整理包括：切

19、割分段、外圓滾磨、定位面研磨1、切割分段切割分段切除籽晶、肩部、尾部的直徑小于規(guī)格要求的部分及電阻率和完整性不符合規(guī)格要求的部分切割前加熱單晶錠到100，用粘結(jié)劑將石墨條粘貼在切縫底部，切割速度7mm/min以下，以避免破損2 2、外圓滾磨、外圓滾磨 包括液體磨料研磨和砂輪研磨液體研磨：去除單晶錠表面毛刺砂輪研磨：使晶錠直徑達(dá)到規(guī)格要求的尺寸3 3、研磨定位、研磨定位 定位面研磨：沿晶錠軸線方向在晶錠表面研磨1或2個(gè)平面主定位面的主要作用：A 在自動加工設(shè)備中作為硅片機(jī)械定位的參考面；B 作為 選定芯片圖形與晶體取向關(guān)系的參考； C 在吸片或裝硅 片時(shí)可以選擇固定的接觸位置減少損壞。副定位面的

20、作用：識別硅片晶向和電導(dǎo)類型的標(biāo)志。直徑等于或大于8英寸的晶片不磨定位面，而沿長度方向磨一小溝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

21、 切片切片決定了硅片的四個(gè)重要參數(shù)：晶向、厚度、斜度、翹度和平行度。切片流程：切片1.晶棒粘著：用臘或樹脂類粘結(jié)劑將晶棒粘在同長的石墨條上，石墨起支撐、防邊沿崩角、修整鋸條。粘前用三錄乙烯清洗表面，1201501小時(shí)預(yù)熱，80粘著。2.結(jié)晶定位：保證結(jié)晶方向的偏差在控制范圍內(nèi)，試切切片3.切片：內(nèi)徑切割（ID Slicing）、線切割（wiresaw slicing）。內(nèi)徑切割環(huán)形金屬鋸片內(nèi)徑邊緣鑲有金剛石，單片切割；線切割利用高速往復(fù)移動的張力鋼線上的陶瓷磨料切割晶棒，可同時(shí)切割多片。切片決定晶片四個(gè)參數(shù)： 表面方向（surface orientation） 如或 厚度（thickness）

22、 0.5mm0.7mm，由晶片直徑?jīng)Q定 斜度（ taper）：從一端到另一端晶片厚度的差異 彎曲度（翹度bow） 晶片中心量到邊緣的彎曲程度 Internal diameter wafer sawInternalDiameterSawFigure 4.23 倒角砂輪磨去硅圓片周圍鋒利的棱角作用：A防止硅片邊緣破裂（破裂后會產(chǎn)生應(yīng)力集中，會產(chǎn)生碎屑）B防止熱應(yīng)力造成的缺陷（熱應(yīng)力會使位錯向內(nèi)部滑移或增殖，倒角可避免這類材料缺陷在晶片產(chǎn)生并抑制其向內(nèi)延伸）C增加外延層和光刻膠在硅片邊緣的平坦度（外延時(shí)銳角區(qū)域的生長速度會較平面為高，不倒角容易在晶片邊緣處產(chǎn)生突起，涂膠時(shí)光刻膠會在硅片邊緣堆積（見下

23、圖）倒角方法：化學(xué)腐蝕（chemicaletching）、晶面抹磨（lapping）、輪磨（grinding）倒角類型：圓弧型、梯形圓弧型倒角倒角倒角類型圓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. 使表面加工損傷達(dá)到一致保證在化學(xué)腐蝕過程中表面腐蝕速率均勻一致3. 調(diào)節(jié)硅片厚度，使硅片片與片之間厚度差縮小4. 提高平行度使硅片各處厚度均勻5. 改善表面平坦度研磨設(shè)備雙面研磨機(jī)主要元件：A2個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的上下研磨盤；B數(shù)個(gè)置于上下研磨盤之間用于承載硅片的載具；C用以供應(yīng)研磨漿料（slurry）的設(shè)備。A研磨盤材質(zhì)要求：材質(zhì)要求：硬度均勻分布，能耐長時(shí)間的磨耗，容易修整。不

24、造成晶片表面的劃傷。一般用球狀石墨鑄鐵，硬度140280HB研磨盤的溝槽：使研磨漿料更均勻地分布在晶片與研磨盤之間，排出研磨屑與研磨漿料。上研磨盤的溝槽比下研磨盤細(xì)而密，以減小晶片與上研磨盤之間的吸引力，以利磨完后取出晶片。B載具：使用彈簧鋼制造，有數(shù)個(gè)比硅片直徑略大的洞，相對于盤面同時(shí)做公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動，確保硅片的平坦度。研磨的操作控制參數(shù)：研磨盤轉(zhuǎn)速及所加的荷重。研磨壓力由小慢慢增加，以使研磨料均勻散布并去除晶片上的高出點(diǎn)，穩(wěn)定態(tài)的研磨壓力；100kgf/cm2，1015min。研磨結(jié)束前需慢慢降低研磨壓力。研磨速度：研磨壓力增加；研磨漿料流速增加；研磨漿料內(nèi)研磨粉增加；研磨盤轉(zhuǎn)速增加都會提

25、高研磨速度?？刂品椒ǎ憾〞r(shí)或定厚度（磨除量）磨料在一定壓力下與硅片表面不斷進(jìn)行摩擦，通過機(jī)械作用去掉硅片表面的破碎損傷層，使硅片比切割時(shí)平整光滑并達(dá)到預(yù)定的厚度。磨料：Al2O3、SiC、ZrO2、SiO2、CeO2磨削液在表面有損傷的地方，pn結(jié)的二極管噪聲會增加；應(yīng)力大的地方會增加pn結(jié)的擴(kuò)散，形成pn結(jié)擊穿；應(yīng)力大的地方金屬離子比較密集造成漏電流增加形成軟擊穿，須采用磨削液降低損傷層和應(yīng)力層。磨削液的作用：A懸浮作用吸附在磨料顆粒表面產(chǎn)生足夠高的位壘，使顆粒分散開來達(dá)到分散、懸浮的特性B潤滑作用C冷卻作用防止工件表面燒傷和產(chǎn)生裂縫D去損作用磨削液為堿性，在磨削過程中和硅反應(yīng)。E清洗作用清

26、洗細(xì)碎的磨屑和磨粒粉末F防銹功能弱堿性的磨削液與磨盤形成堿性氧化物鈍化膜，并加緩蝕劑硅單晶研磨片的清洗硅片清洗的重要性：硅片表面層原子因垂直切片方向的化學(xué)鍵被破壞成為懸掛鍵，形成表面附近的自由力場，極易吸附各種雜質(zhì)，如顆粒、有機(jī)雜質(zhì)、無機(jī)雜質(zhì)、金屬離子等，造成磨片后的硅片易發(fā)生變花發(fā)藍(lán)發(fā)黑等現(xiàn)象，導(dǎo)致低擊穿、管道擊穿、光刻產(chǎn)生針孔，金屬離子和原子易造成pn結(jié)軟擊穿，漏電流增加，嚴(yán)重影響器件性能與成品率。硅片清洗的基本概念及理論吸附：硅片表面的硅原子鍵被打開，這些不飽和鍵處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易吸引周圍環(huán)境中的原子或分子解吸：吸附于硅片表面的雜質(zhì)粒子在其平衡位置附近不停地作熱運(yùn)動，有的雜質(zhì)粒子獲得了

27、較大的動能得以脫離硅片表面重新回到周圍環(huán)境中吸附放熱，解吸吸熱，以各種方法為雜質(zhì)粒子解吸提供所需能量，形成各種不同的清洗方法常用的清洗方法：濕法化學(xué)清洗；兆聲清洗；干法清洗；刷片清洗；激光清洗被吸附雜質(zhì)的存在狀態(tài)：分子型、離子型、原子型分子型雜質(zhì)與硅片表面吸附力較弱，多屬油脂類物質(zhì)離子型和原子型雜質(zhì)屬化學(xué)吸附，吸附力較強(qiáng)清洗順序：去分子去離子去原子去離子水沖洗烘干、甩干分子型雜質(zhì)對離子及原子型雜質(zhì)有掩蔽作用，應(yīng)先去除。原子型雜質(zhì)吸附量較小，應(yīng)先清除離子型雜質(zhì)。清洗原理1.表面活性劑的增溶作用：表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度時(shí)會在水溶液中形成膠束，能使不溶或微溶于水的有機(jī)物的溶解度顯著增大。2.

28、表面活性劑的潤濕作用：固氣界面消失，形成固液界面3.起滲透作用；利用表面活性劑的潤濕性降低溶液的表面張力后，再由滲透劑的滲透作用將顆粒托起，包裹起來。具有極強(qiáng)滲透力的活性劑分子可深入硅片表面與吸附物之間，起劈開的作用，活性劑分子將顆粒托起并吸附于硅片表面上，降低表面能。顆粒周圍也吸附一層活性劑分子，防止顆粒再沉積。通過對污染物進(jìn)行化學(xué)腐蝕、物理滲透和機(jī)械作用，達(dá)到清洗硅片的目的。腐蝕工序目的：去除表面因加工應(yīng)力而形成的損傷層及污染（損傷層和污染部分約15um）化學(xué)腐蝕種類：酸性腐蝕及堿性腐蝕腐蝕方式：噴淋（spray）及浸泡（batch）酸性腐蝕酸性腐蝕原理及加工條件：腐蝕液由不同比例的硝酸、

29、氫氟酸及緩沖酸液等組成。硝酸為氧化劑，氫氟酸為絡(luò)合劑。HF：HNO3約0.050.25，腐蝕溫度1824，以減少金屬擴(kuò)散進(jìn)入晶片表面的可能性。氧化：Si+2HNO3-SiO2+2HNO22HNO2-NO+NO2+H2O絡(luò)合SiO2+6HF-H2SiF6（可溶性絡(luò)合物）+2H2O緩沖酸液作用：緩沖腐蝕速率，促進(jìn)均勻，避免晶片表面出現(xiàn)不規(guī)則的腐蝕結(jié)構(gòu)。緩沖劑的性質(zhì)：a、在HF+HNO3中具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性。B、在腐蝕過程中不會與反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生進(jìn)一步。C、可溶解在HF+HNO3中。D、可以濕化晶片表面。E、不會產(chǎn)生化學(xué)泡沫。常用的有：醋酸（CH3COOH)及磷酸(H3PO4)酸性腐蝕的特性腐蝕后的晶

30、片要求一定的TTV(TotalThicknessVariation）;TIR(TatalIndicatorReading）；粗糙度（Roughness）；反射度（Reflectivity）；波度（Waviness）；金屬含量等品質(zhì)參數(shù)。影響因素：晶片旋轉(zhuǎn)速度；打入氣泡方式（由酸槽下方打入氣泡或超聲波提高反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物的交換速度與均一性）；HF濃度；緩沖酸液；晶片盒的設(shè)計(jì)等HF濃度與打氣泡方式是影響腐蝕速度及平坦度的主要參數(shù)。粗糙度及反射度主要受緩沖劑性能，腐蝕去除量及腐蝕前表面損傷狀況的影響。堿性腐蝕堿性腐蝕適宜于直徑較大的硅片，有較好的均勻度。硅片在堿性腐蝕液中的腐蝕過程是反應(yīng)控制過程，反

31、應(yīng)速度取決于表面懸掛鍵密度，是各向異性的過程，還與晶片表面的機(jī)械損傷有關(guān)，損傷層完全去除后腐蝕速度會變得比較緩慢。堿性腐蝕劑：KOH或NaOH,濃度30%50%反應(yīng)溫度60120，溫度高不易遺留斑點(diǎn)，當(dāng)易造成金屬污染。 Si 2KOH + H2O - K2SiO3 2H2比較： 堿性腐蝕在表面平坦地、成本與環(huán)保方面優(yōu)于酸性腐蝕，但表面質(zhì)量（粗糙度和腐蝕深度）不夠理想超大規(guī)模集成電路硅襯底的拋光技術(shù)單純的化學(xué)拋光：拋光速度快，光潔度高，損傷低，完美性好，但表面平坦度、平行度較差，拋光一致性較差單純的機(jī)械拋光：拋光一致性好，平坦度高，但光潔度差，損傷層深化學(xué)機(jī)械拋光（CMP-chemicalmec

32、hanicalpolishing）：拋光速度高，平坦度高硅片拋光：邊緣拋光及表面拋光1.邊緣拋光：分散應(yīng)力，減少微裂紋，降低位錯排與滑移線，降低因碰撞而產(chǎn)生碎片的機(jī)會2.表面拋光：粗拋光，細(xì)拋光，精拋光硅襯底的邊緣拋光拋光類型：大T型、圓弧型、小T型拋光方法：1.硅片傾斜并旋轉(zhuǎn)，加壓與轉(zhuǎn)動中的拋光布作用，拋光液選用硅溶膠，成本低。2.預(yù)先在拋光輪上切出硅片外圓形狀再進(jìn)行拋光，拋光輪為發(fā)泡固化的聚氨脂。二個(gè)拋光輪，一個(gè)切有溝槽，用來拋x1、x2面，一個(gè)為平滑表面，用來拋x3面，拋光液用噴灑方式，邊緣拋光后立即清洗IC中硅襯底表面拋光拋光設(shè)備：A、按生產(chǎn)方式分：批式拋光機(jī)和單片式拋光機(jī)B、按拋光面

33、數(shù)分：單面拋光機(jī)和雙面拋光機(jī)CMP拋光的動力學(xué)過程CMP是一個(gè)多相反應(yīng)，有二個(gè)動力學(xué)過程：1.首先吸附在拋光布上的拋光液中的氧化劑、催化劑等與單晶片表面的硅原子在表面進(jìn)行氧化還原的動力學(xué)過程（化學(xué)作用）如堿性拋光液中的OH-對Si的反應(yīng)：Si2OH-+H2O=SiO32-+2H22.拋光表面反應(yīng)物脫離硅單晶表面，即解吸過程，使未反應(yīng)的硅單晶重新裸露出來的動力學(xué)過程（機(jī)械作用）CMPOxideMechanismFigure 18.10 SiO2 layerPolishing padSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiCMP Sy

34、stem(5) By-product removal(1) Slurry dispenseBy-products(2) H2O & OH- travel to wafer surface (4) Surface reactions and mechanical abrasionDrainSlurry(3) Mechanical force presses slurry into waferSi(OH)4RotationSiSiSiMechanismforMetalCMPFigure 18.11 Polishing pad2) Mechanical abrasionRotation1)

35、Surface etch and passivation3) RepassivationSlurryDownforceOxideMetalOxideMetalOxideMetalCMPToolwithMultipleWaferCarriersPolishing slurrySlurry dispenserRotating platenPolishing padWafer carrierSpindleCarrierBacking filmWaferFigure 18.17 CMP拋光的機(jī)理高速旋轉(zhuǎn)下的磨料SiO2與拋光墊一起通過對硅片表面摩擦，磨去反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入拋光液中，SiO2以膠體形式存在，表

36、面帶有電荷，對產(chǎn)物具有吸附作用，加快產(chǎn)物脫離硅片表面。SiO2還有催化反應(yīng)作用。即SiSiO2-2SiO,SiO+2OH-SiO32-H2比Si2OH-+H2O-SiO32-H2容易發(fā)生硅的化學(xué)機(jī)械拋光過程是以化學(xué)反應(yīng)為主的機(jī)械拋光過程，若化學(xué)腐蝕作用大于機(jī)械拋光作用，表面易產(chǎn)生腐蝕坑、橘皮狀波紋。反之，若機(jī)械磨削作用大于化學(xué)腐蝕作用，表面產(chǎn)生高損傷層。影響拋光速度及拋光片表面質(zhì)量的因素SchematicofChemicalMechanicalPlanarization(CMP)WaferWafer carrierRotating platenPolishing slurrySlurry di

37、spenserPolishing padDownforceFigure 18.8 Double-SidedWaferPolishUpper polishing padLower polishing padWaferSlurryFigure 4.26 影響拋光速度及拋光片表面質(zhì)量的因素1.PH值的影響：隨著PH值增加硅的去除速度增加，當(dāng)PH大于12.5后，去除速度下降（表面從疏水性變?yōu)橛H水性）。在相同的PH值下，有機(jī)堿的拋光速度大于無機(jī)堿。2.溫度的影響：提高溫度拋光速度增加，粗拋時(shí)3850，精拋時(shí)2030，防過度揮發(fā)。3.壓力的影響：壓力增加拋光速度增加，但如過大會增加表面劃傷，溫度不好控制。

38、4.硅片晶向的影響：不同晶向、不同摻雜濃度的硅片所得到的拋光速度不同。5.流量的影響：流量小，摩擦力大，溫度分布不均，降低硅片表面的平坦地。大流量使生成物迅速脫離硅片，降低摩擦熱，保證硅片表面的一致性。6.轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度：轉(zhuǎn)速過高，拋光液較難均勻分布在拋光墊上，易掉片，損傷層大。大型拋光機(jī)相對轉(zhuǎn)速在100140rpm，上轉(zhuǎn)30rpm，下轉(zhuǎn)80rpm7.粘貼：對有臘粘貼（單面拋光），臘層中含有氣泡或微粒時(shí)會造成拋光時(shí)的區(qū)域性壓力而導(dǎo)致硅片的彎曲度或凹洞的產(chǎn)生；雙面拋光須采用無臘粘貼技術(shù)，雙面拋光的載具盤與拋光墊反向旋轉(zhuǎn)可以平衡硅片所受的切向力，改善表面平坦度、厚度及彎曲度影響拋光速度及拋光片表面

39、質(zhì)量的因素8.拋光墊的影響：拋光墊除了可以使拋光液有效地均勻分布外，還提供新補(bǔ)充進(jìn)來的拋光液，并將反應(yīng)后的拋光液及反應(yīng)產(chǎn)物排出。選擇拋光墊材料時(shí)須考慮材質(zhì)、密度、厚度、表面形態(tài)、化學(xué)穩(wěn)定性、壓縮性、彈性系數(shù)、硬度等。A聚氨脂固化拋光墊：用于粗拋光，成分為發(fā)泡固化的聚氨脂，類似海綿的多孔結(jié)構(gòu)，這些小孔利于傳遞漿料和機(jī)械拋光作用。B無紡布拋光墊：用于細(xì)拋光，材料為聚合物棉絮類纖維，經(jīng)針孔加工形成毛毯結(jié)構(gòu)后，在聚合物的化學(xué)溶液槽中浸泡在烘烤C絨毛結(jié)構(gòu)拋光墊：用于精拋光，基材為無紡布，中間層為聚合物微孔層，表面層為多孔性的絨毛結(jié)構(gòu)。拋光墊受壓時(shí)，拋光液會進(jìn)到孔洞中，壓力釋放時(shí)拋光墊恢復(fù)原來形狀，將舊拋

40、光液和反應(yīng)產(chǎn)物排出及補(bǔ)充新的拋光液。拋光液拋光液的基本要求：流動性好，不易沉淀和結(jié)塊，懸浮性能好，無毒，拋光速率快，硅片表面質(zhì)量好，便于清洗。拋光液的組成：氧化劑，磨料，添加劑，PH穩(wěn)定劑1.氧化劑：與表面硅原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，去除損傷層，實(shí)現(xiàn)高光亮度2.磨料：去除表面反應(yīng)產(chǎn)物及凹處，提高平坦度，使化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。需控制顆粒大小、硬度及分散度。粒度影響去除速度，粗拋時(shí)去除速度為11.5um/min，粒度大時(shí)可達(dá)2030um/min，精拋時(shí)去除速度為0.10.2um/min3.添加劑：改善硅片表面性能，穩(wěn)定拋光液、顆粒分散性和懸浮性。4.PH穩(wěn)定劑：防止拋光液存放時(shí)PH值發(fā)生變化。目前常用的拋光

41、液：SiO2拋光液（溶膠型）優(yōu)點(diǎn)：SiO2硬度與硅的硬度相近，粒度細(xì)約0.010.1um，損傷層極細(xì)，拋光速率高，高活性，高潔凈。SiO2固體濃度：250，粗拋光液顆粒較大，PH值10.511.0；精拋光液顆粒較小，PH值9.09.5精拋光工藝須解決的問題精拋光工藝須解決的問題有：表面劃傷、拋光霧、金屬離子沾污、殘余顆粒難清除（這些影響器件的電特性，低擊穿、漏電流增加）選用高純SiO2為基材，有機(jī)堿為分散介質(zhì)的無鈉拋光液，適用于MOS器件的硅片精拋光，以拋光片無霧和減少表面氧化層錯（OSF)為目的。有機(jī)堿和活性劑的選擇很重要。1.堿的選擇：粗拋用NaOH，精拋用氨水、不含堿金屬離子的有機(jī)胺。有

42、機(jī)堿（胺）還起螯合劑的作用，限制金屬離子在芯片表面吸附，減少金屬離子污染，但須解決有機(jī)堿在晶格方向上反應(yīng)速度不一樣的問題（擇優(yōu)性）2.活性劑的選擇：活性劑的選擇影響拋光液的分散性、顆粒吸附后清洗難易程度以及金屬離子污染等。活性劑影響吸附的作用機(jī)理：活性劑分散于水中，當(dāng)用到表面能量很高的硅單晶新拋鏡面時(shí)，優(yōu)先吸附于表面上。因有大分子，屬物理吸附，易清洗。拋光硅片表面質(zhì)量1. 拋光霧；在強(qiáng)聚光燈下觀察到的拋光霧實(shí)質(zhì)是密度高達(dá)105cm2以上的微淺損傷缺陷，在強(qiáng)聚光照射下產(chǎn)生光的漫散射，肉眼感覺為霧。拋光霧表征表面亞損傷層的大小。拋光霧出現(xiàn)的原因：A拋光布的老化（可用加時(shí)和增加去除量的方法解決）；B拋光液的選擇；C活性劑、潤滑劑、壓力的選擇拋光硅片表面