集成電路工藝第一章硅集成電路襯底加工技術(shù)

集成電路制造技術(shù)微電子工程系何玉定

早在1830年，科學(xué)家已于實(shí)驗(yàn)室展開對(duì)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。

1引言基本器件的兩個(gè)發(fā)展階段分立元件階段（1905～1959）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)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)品向著高效能低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能化的方向發(fā)展。

什么是微電子工藝微電子工藝，是指用半導(dǎo)體材料制作微電子產(chǎn)品的方法、原理、技術(shù)。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），稱為單項(xiàng)工藝。不同產(chǎn)品的制作就是將單項(xiàng)工藝按需要順序排列組合來實(shí)現(xiàn)的。微電子工業(yè)生產(chǎn)過程圖前工序：微電子產(chǎn)品制造的特有工藝后工序npn-Si雙極型晶體管芯片工藝流程

----硅外延平面工藝舉例舉例n+npn+ebc2微電子工藝發(fā)展歷程誕生:1947年12月在美國(guó)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)是合金法制作pn結(jié)。合金法pn結(jié)示意圖加熱、降溫pn結(jié)InGeN-GeTheFirstTransistorfromBellLabsPhotocourtesyofLucentTechnologiesBellLabsInnovations1958年在美國(guó)的德州儀器公司和仙童公司各自研制出了集成電路，采用的工藝方法是硅平面工藝。pn結(jié)SiO2Si氧化光刻擴(kuò)散摻雜誕生JackKilby’sFirstIntegratedCircuitPhotocourtesyofTexasInstruments,Inc.1959年2月，德克薩斯儀器公司（TI）工程師J.kilby申請(qǐng)第一個(gè)集成電路發(fā)明專利；利用臺(tái)式法完成了用硅來實(shí)現(xiàn)晶體管、二極管、電阻和電容，并將其集成在一起的創(chuàng)舉。臺(tái)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)體公公司1959年7月，諾依斯斯提出：可可以用蒸發(fā)發(fā)沉積金屬屬的方法代代替熱焊接接導(dǎo)線，這這是解決元元件相互連連接的最好好途徑。1966年，基爾比比和諾依斯斯同時(shí)被富富蘭克林學(xué)學(xué)會(huì)授予巴巴蘭丁獎(jiǎng)?wù)抡拢鶢柋缺缺蛔u(yù)為“第一塊集成成電路的發(fā)發(fā)明家”而諾依斯被被譽(yù)為“提出了適合合于工業(yè)生生產(chǎn)的集成成電路理論論”的人。1969年，法院最最后的判決決下達(dá)，也也從法律上上實(shí)際承認(rèn)認(rèn)了集成電電路是一項(xiàng)項(xiàng)同時(shí)的發(fā)發(fā)明。60年代的出現(xiàn)現(xiàn)了外延技技術(shù)，如：：n-Si/n+-Si，n-Si/p-Si。一般雙極極電路或晶晶體管制作作在外延層層上。70年代的離子子注入技術(shù)術(shù)，實(shí)現(xiàn)了了淺結(jié)摻雜雜。IC的集成度提提高得以實(shí)實(shí)現(xiàn)。新工藝，新新技術(shù)，不不斷出現(xiàn)。。（等離子子技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用，電子子束光刻，，分子束外外延，等等等）發(fā)展張忠謀：臺(tái)臺(tái)灣半導(dǎo)體體教父全球第一個(gè)個(gè)集成電路路標(biāo)準(zhǔn)加工工廠（Foundry）是1987年成立的臺(tái)臺(tái)灣積體電電路公司，，它的創(chuàng)始始人張忠謀謀也被譽(yù)為為“晶體芯芯片加工之之父”。張忠謀戈登-摩爾提出摩爾定律英特爾公司司的聯(lián)合創(chuàng)創(chuàng)始人之一一----戈登-摩爾早在1965年，摩爾就就曾對(duì)集成成電路的未未來作出預(yù)預(yù)測(cè)?！澳柖伞保杭呻婋娐飞夏鼙槐患傻木Ьw管數(shù)目目，將會(huì)以以每18個(gè)月翻一番番的速度穩(wěn)穩(wěn)定增長(zhǎng)。。集成電路的的集成度每每三年增長(zhǎng)長(zhǎng)四倍，特特征尺寸每每三年縮小小倍倍DROM集成度與工工藝的進(jìn)展展年代1985年1988年1991年1994年1997年2000年集成度1M4M16M64M256M1G最小線寬1.250.80.60.50.350.18光刻技術(shù)光學(xué)曝光準(zhǔn)分子電子束電子束X射線（電子束）摩爾定律：：每隔3年IC集成度提高高4倍2002年1月：英特爾爾奔騰4處理器推出出，它采用用英特爾0.13μm制程技術(shù)生生產(chǎn)，含有有5500萬個(gè)晶體管管。2002年8月13日：英特爾爾透露了90nm制程技術(shù)的的若干技術(shù)術(shù)突破，包包括高性能能、低功耗耗晶體管，，應(yīng)變硅，，高速銅質(zhì)質(zhì)接頭和新新型低-k介質(zhì)材料。。這是業(yè)內(nèi)內(nèi)首次在生生產(chǎn)中采用用應(yīng)變硅。。2003年3月12日：針對(duì)筆筆記本的英英特爾·迅馳·移動(dòng)技術(shù)平平臺(tái)誕生，，采用英特特爾0.13μm制程技術(shù)生生產(chǎn)，包含含7700萬個(gè)晶體管管。2005年5月26日：英特爾爾第一個(gè)主主流雙核處處理器“英英特爾奔騰騰D處理器”誕誕生，含有有2.3億個(gè)晶體管管----90nm制程技術(shù)生生產(chǎn)。2006年7月18日：英特爾爾安騰2雙核處理器器發(fā)布，含含有17.2億個(gè)晶體管管----90nm制程技術(shù)生生產(chǎn)。2006年7月27日：英特爾爾·酷睿?2雙核處理器器,含有2.9億多個(gè)晶體體管，采用用英特爾65nm制程技術(shù)。。2007年1月8日：65nm制程英特爾爾·酷睿?2四核處理器器和另外兩兩款四核服服務(wù)器處理理器。英特特爾·酷睿?2四核處理器器含有5.8億多個(gè)晶體體管。2007年1月29日：英特爾酷酷睿?2雙核、英特特爾酷睿??2四核處理器器以及英特特爾至強(qiáng)系系列多核處處理器的數(shù)數(shù)以億計(jì)的的45nm晶體管或微微小開關(guān)中中用來構(gòu)建建電子產(chǎn)品發(fā)發(fā)展趨勢(shì)：：更小，更更快，更冷冷現(xiàn)有的工藝將將更成熟、完完善；新技術(shù)術(shù)不斷出現(xiàn)。。當(dāng)前，光刻刻工藝線寬已已達(dá)0.045微米。由于量量子尺寸效應(yīng)應(yīng)，集成電路路線寬的物理理極限約為0.035微米，即35納米。另外，硅片平平整度也是影影響工藝特征征尺寸進(jìn)一步步小型化的重重要因素。微電子業(yè)的發(fā)發(fā)展面臨轉(zhuǎn)折折。上世紀(jì)九九十年代納電電子技術(shù)出現(xiàn)現(xiàn)，并越來越越受到關(guān)注。。未來近10年來，“輕晶圓廠”（fab-light）或“無晶圓廠”（fabless）模式的興起起，而沒有芯芯片設(shè)計(jì)公司司反過來成為為IDM（IntegratedDeviceManufacturer）。5年前英特爾做做45納米時(shí)，臺(tái)積積電還停留在在90納米，中間隔隔了一個(gè)65納米。但到45納米，臺(tái)積電電開始“搶先半步”。即遵循“摩爾定律”的英特爾的路路線是45、32、22納米，臺(tái)積電電的路線則是是40、28、20納米。3微電子工藝特特點(diǎn)及用途超凈環(huán)境、操作者者、工藝三方方面的超凈，，如超凈室，，ULSI在100級(jí)超凈室制作作，超凈臺(tái)達(dá)達(dá)10級(jí)。超純指所用材料方方面，如襯底底材料、功能性電子材料、水、氣氣等；Si、Ge單晶純度達(dá)11個(gè)9。高技術(shù)含量設(shè)備先進(jìn)，技技術(shù)先進(jìn)。高精度光刻圖形的最最小線條尺寸寸在深亞微米米量級(jí)，制備備的介質(zhì)薄膜膜厚度也在納納米量級(jí)，而而精度更在上上述尺度之上上。大批量，低成成本圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)術(shù)使之得以實(shí)實(shí)現(xiàn)。超凈環(huán)境21世紀(jì)硅微電子子技術(shù)的三個(gè)個(gè)主要發(fā)展方方向特征尺寸繼續(xù)續(xù)等比例縮小小集成電路(IC)將發(fā)展成為系系統(tǒng)芯片(SOC)----SoC是一個(gè)通過IP設(shè)計(jì)復(fù)用達(dá)到到高生產(chǎn)率的的軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)計(jì)過程微電子技術(shù)與與其它領(lǐng)域相相結(jié)合將產(chǎn)生生新的產(chǎn)業(yè)和和新的學(xué)科，例如MEMS、DNA芯片等----其核心是將電電子信息系統(tǒng)統(tǒng)中的信息獲獲取、信息執(zhí)執(zhí)行與信息處處理等主要功功能集成在一一個(gè)芯片上，，而完成信息息處理處理功功能。微電子技術(shù)的的三個(gè)發(fā)展方方向互連技術(shù)銅互連已在0.25/0.18um技術(shù)代中使用用；但是在0.13um以后，銅互連連與低介電常常數(shù)絕緣材料料共同使用時(shí)時(shí)的可靠性問問題還有待研研究開發(fā)工藝課程學(xué)習(xí)習(xí)主要應(yīng)用制作微電子器器件和集成電電路微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanicolSystemMEMS)的所依托的微微加工技術(shù)納米技術(shù)，如如光刻—圖形復(fù)制轉(zhuǎn)移移工藝，MBE等4本課程內(nèi)容重點(diǎn)介紹單項(xiàng)項(xiàng)工藝和其依依托的科學(xué)原原理。簡(jiǎn)單介紹典型型產(chǎn)品的工藝藝流程，芯片片的封裝、測(cè)測(cè)試，以及新新工藝、新技技術(shù)、工藝技技術(shù)的發(fā)展趨趨勢(shì)。第一單元硅襯底1單晶硅結(jié)構(gòu)2硅錠及圓片制備3外延基本單項(xiàng)工藝第二單元氧化與摻雜第三單元薄膜制備第四單元光刻技術(shù)4氧化5擴(kuò)散6離子注入7CVD8PVD9光刻10現(xiàn)代光刻技術(shù)11刻蝕第五單元工藝集成和測(cè)試封裝12金屬化與多層互連13工藝集成14測(cè)試封裝課程內(nèi)容框架圖教材與參考書書王蔚《微電子制造技技術(shù)----原理與工藝》科學(xué)出版社2010關(guān)旭東《硅集成電路工工藝基礎(chǔ)》北京大學(xué)出版版2003StephenA.C.《微電子制造科科學(xué)原理與工工程技術(shù)》電子工業(yè)出版版社，2003MichaelQuirk，JulianSerda.《半導(dǎo)體制造技技術(shù)》，電子工業(yè)出出版社,2004劉玉嶺等著,《微電子技術(shù)工工程》，電子工業(yè)出出版社，2004集成電路制造造過程設(shè)計(jì)芯片檢測(cè)單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測(cè)試系統(tǒng)需求硅片與晶片（（chip）集成電路集成電路工藝藝襯底加工及清清洗熱氧化圖形轉(zhuǎn)移摻雜：擴(kuò)散、、離子注入刻蝕薄膜工藝：外外延、濺射、、蒸發(fā)金屬化及多層層布線第一章：超大大規(guī)模集成電電路硅襯底加加工技術(shù)CrystalseedMoltenpolysiliconHeatshieldWaterjacketSinglecrystalsiliconQuartzcrucibleCarbonheatingelementCrystalpullerandrotationmechanismCZCrystalPullerFigure4.10SiliconIngotGrownbyCZMethodPhotographcourtesyofKayexCorp.,300mmSiingotPhoto4.1單晶硅片CrystalGrowthShapingWaferSlicingWaferLappingandEdgeGrindEtchingPolishingCleaningInspectionPackagingBasicProcessStepsforWaferPreparationFigure4.19硅單晶的加工工成型技術(shù)硅片加工：將將硅單晶棒制制作成硅片的的過程滾圓（rounding）－X射線定位（x－rayorientation）－切片（slicing）－倒角（edgecontouring）－硅片研磨磨（lapping）－清洗（cleaning）－化學(xué)腐蝕蝕（etching）－熱處理（（heattreatment)硅片加工的目目的1、提高硅單晶晶棒的使用率率2、制造硅片二二個(gè)高平行度度與平坦度的的潔凈表明3、維持硅片表表面結(jié)晶性能能、化學(xué)性能能與電特性等等性質(zhì)與其內(nèi)內(nèi)層材料一致致，力圖避免免出現(xiàn)位錯(cuò)、、微裂紋、應(yīng)應(yīng)力等缺陷，，以免影響半半導(dǎo)體中載體體的形成單晶錠外形整整理單晶錠外形整整理包括：切切割分段、外外圓滾磨、定定位面研磨1、切割分段切除籽晶、肩肩部、尾部的的直徑小于規(guī)規(guī)格要求的部部分及電阻率率和完整性不不符合規(guī)格要要求的部分切割前加熱單單晶錠到100℃，用粘結(jié)劑將將石墨條粘貼貼在切縫底部部，切割速度度7mm/min以下，以避免免破損2、外圓滾磨包括液體磨料料研磨和砂輪輪研磨液體研磨：去去除單晶錠表表面毛刺砂輪研磨：使使晶錠直徑達(dá)達(dá)到規(guī)格要求求的尺寸3、研磨定位定位面研磨：：沿晶錠軸線線方向在晶錠錠表面研磨1或2個(gè)平面主定位面的主主要作用：A在自動(dòng)加工設(shè)設(shè)備中作為硅硅片機(jī)械定位位的參考面；；B作為選定芯片圖形形與晶體取向向關(guān)系的參考考；C在吸片或裝硅硅片時(shí)可以選擇擇固定的接觸觸位置減少損損壞。副定位面的作作用：識(shí)別硅硅片晶向和電電導(dǎo)類型的標(biāo)標(biāo)志。直徑等于或大大于8英寸的晶片不不磨定位面，，而沿長(zhǎng)度方方向磨一小溝溝WaferIdentifyingFlatsP-type(111)P-type(100)N-type(111)N-type(100)Figure4.21WaferNotchandLaserScribe1234567890Notch

ScribedidentificationnumberFigure4.22FlatgrindDiametergrindPreparingcrystalingotforgrindingIngotDiameterGrindFigure4.20切片切片決定了硅硅片的四個(gè)重重要參數(shù)：晶晶向、厚度、、斜度、翹度度和平行度。。切片流程：切片晶棒粘著：用用臘或樹脂類類粘結(jié)劑將晶晶棒粘在同長(zhǎng)長(zhǎng)的石墨條上上，石墨起支支撐、防邊沿沿崩角、修整整鋸條。粘前前用三錄乙烯烯清洗表面，，120～150℃1小時(shí)預(yù)熱，80℃粘著。結(jié)晶定位：保保證結(jié)晶方向向的偏差在控控制范圍內(nèi)，，試切－切片片切片：內(nèi)徑切切割（IDSlicing）、線切割（（wire－sawslicing）。內(nèi)徑切割割－環(huán)形金屬屬鋸片內(nèi)徑邊邊緣鑲有金剛剛石，單片切切割；線切割割－利用高速速往復(fù)移動(dòng)的的張力鋼線上上的陶瓷磨料料切割晶棒，，可同時(shí)切割割多片。切片決定晶片片四個(gè)參數(shù)：：表面方向（surfaceorientation）如<111>或<100>厚度（thickness）0.5mm～0.7mm，由晶片直徑徑?jīng)Q定斜度（taper）：從一端到到另一端晶片片厚度的差異異彎曲度（翹度度bow）晶片中心心量到邊緣的的彎曲程度InternaldiameterwafersawInternalDiameterSawFigure4.23倒角砂輪磨去硅圓圓片周圍鋒利利的棱角作用：A防止硅片邊緣緣破裂（破裂裂后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)應(yīng)力集中，會(huì)會(huì)產(chǎn)生碎屑））B防止熱應(yīng)力造造成的缺陷（（熱應(yīng)力會(huì)使使位錯(cuò)向內(nèi)部部滑移或增殖殖，倒角可避避免這類材料料缺陷在晶片片產(chǎn)生并抑制制其向內(nèi)延伸伸）C增加外延層和和光刻膠在硅硅片邊緣的平平坦度（外延延時(shí)銳角區(qū)域域的生長(zhǎng)速度度會(huì)較平面為為高，不倒角角容易在晶片片邊緣處產(chǎn)生生突起，涂膠膠時(shí)光刻膠會(huì)會(huì)在硅片邊緣緣堆積（見下下圖）倒角方法：化化學(xué)腐蝕（chemicaletching）、晶面抹磨磨（lapping）、輪磨（grinding）倒角類型：圓圓弧型、梯梯形圓弧型倒角倒角倒角類型圓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損損傷達(dá)到一致致保證在化學(xué)學(xué)腐蝕過程中中表面腐蝕速速率均勻一致致調(diào)節(jié)硅片厚度度，使硅片片片與片之間厚厚度差縮小提高平行度使使硅片各處厚厚度均勻改善表面平坦坦度研磨設(shè)備雙面研磨機(jī)主主要元件：A2個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的的上下研磨盤盤；B數(shù)個(gè)置于上下下研磨盤之間間用于承載硅硅片的載具；；C用以供應(yīng)研磨磨漿料（slurry）的設(shè)備。A研磨盤材質(zhì)要求：硬度均勻分布布，能耐長(zhǎng)時(shí)時(shí)間的磨耗，，容易修整。。不造成晶片片表面的劃傷傷。一般用球球狀石墨鑄鐵鐵，硬度140－280HB研磨盤的溝槽槽：使研磨漿漿料更均勻地地分布在晶片片與研磨盤之之間，排出研研磨屑與研磨磨漿料。上研研磨盤的溝槽槽比下研磨盤盤細(xì)而密，以以減小晶片與與上研磨盤之之間的吸引力力，以利磨完完后取出晶片片。B載具：使用用彈簧鋼制造造，有數(shù)個(gè)比比硅片直徑略略大的洞，相相對(duì)于盤面同同時(shí)做公轉(zhuǎn)與與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，，確保硅片的的平坦度。研磨的操操作控制參數(shù)數(shù)：研磨磨盤轉(zhuǎn)速速及所加加的荷重重。研磨壓力力由小慢慢慢增加加，以使使研磨料料均勻散散布并去去除晶片片上的高高出點(diǎn)，，穩(wěn)定態(tài)態(tài)的研磨磨壓力；；100kgf/cm2，10－15min。研磨結(jié)結(jié)束前需需慢慢降降低研磨磨壓力。。研磨速度度：研磨壓力力增加；；研磨漿漿料流速速增加；；研磨漿漿料內(nèi)研研磨粉增增加；研研磨盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加加都會(huì)提提高研磨磨速度。?？刂品椒ǚǎ憾〞r(shí)時(shí)或定厚厚度（磨磨除量））磨料在一定壓壓力下與與硅片表表面不斷斷進(jìn)行摩摩擦，通通過機(jī)械械作用去去掉硅片片表面的的破碎損損傷層，，使硅片片比切割割時(shí)平整整光滑并并達(dá)到預(yù)預(yù)定的厚厚度。磨料：Al2O3、SiC、ZrO2、SiO2、CeO2磨削液在表面有有損傷的的地方，，pn結(jié)的二極極管噪聲聲會(huì)增加加；應(yīng)力力大的地地方會(huì)增增加pn結(jié)的擴(kuò)散散，形成成pn結(jié)擊穿；；應(yīng)力大大的地方方金屬離離子比較較密集造造成漏電電流增加加形成軟軟擊穿，，須采用用磨削液液降低損損傷層和和應(yīng)力層層。磨削液的的作用：：A懸浮作用用－吸附附在磨料料顆粒表表面產(chǎn)生生足夠高高的位壘壘，使顆顆粒分散散開來達(dá)達(dá)到分散散、懸浮浮的特性性B潤(rùn)滑作用用C冷卻作用用－防止止工件表表面燒傷傷和產(chǎn)生生裂縫D去損作用用－磨削削液為堿堿性，在在磨削過過程中和和硅反應(yīng)應(yīng)。E清洗作用用－清洗洗細(xì)碎的的磨屑和和磨粒粉粉末F防銹功能能－弱堿堿性的磨磨削液與與磨盤形形成堿性性氧化物物鈍化膜膜，并加加緩蝕劑劑硅單晶研研磨片的的清洗硅片清洗洗的重要要性：硅片表面面層原子子因垂直直切片方方向的化化學(xué)鍵被被破壞成成為懸掛掛鍵，形形成表面面附近的的自由力力場(chǎng)，極極易吸附附各種雜雜質(zhì)，如如顆粒、、有機(jī)雜雜質(zhì)、無無機(jī)雜質(zhì)質(zhì)、金屬屬離子等等，造成成磨片后后的硅片片易發(fā)生生變花發(fā)發(fā)藍(lán)發(fā)黑黑等現(xiàn)象象，導(dǎo)致致低擊穿穿、管道道擊穿、、光刻產(chǎn)產(chǎn)生針孔孔，金屬屬離子和和原子易易造成pn結(jié)軟擊穿穿，漏電電流增加加，嚴(yán)重重影響器器件性能能與成品品率。硅片清洗洗的基本本概念及及理論吸附：硅硅片表面面的硅原原子鍵被被打開，，這些不不飽和鍵鍵處于不不穩(wěn)定狀狀態(tài)，極極易吸引引周圍環(huán)環(huán)境中的的原子或或分子解吸：吸吸附于硅硅片表面面的雜質(zhì)質(zhì)粒子在在其平衡衡位置附附近不停停地作熱熱運(yùn)動(dòng)，，有的雜雜質(zhì)粒子子獲得了了較大的的動(dòng)能得得以脫離離硅片表表面重新新回到周周圍環(huán)境境中吸附放熱熱，解吸吸吸熱，，以各種種方法為為雜質(zhì)粒粒子解吸吸提供所所需能量量，形成成各種不不同的清清洗方法法常用的清清洗方法法：濕法法化學(xué)清清洗；兆兆聲清洗洗；干法法清洗；；刷片清清洗；激激光清洗洗被吸附雜雜質(zhì)的存存在狀態(tài)態(tài)：分子子型、離離子型、、原子型型分子型雜雜質(zhì)與硅硅片表面面吸附力力較弱，，多屬油油脂類物物質(zhì)離子型和和原子型型雜質(zhì)屬屬化學(xué)吸吸附，吸吸附力較較強(qiáng)清洗順序序：去分分子－去去離子－－去原子子－去離離子水沖沖洗－烘烘干、甩甩干分子型雜雜質(zhì)對(duì)離離子及原原子型雜雜質(zhì)有掩掩蔽作用用，應(yīng)先先去除。。原子型型雜質(zhì)吸吸附量較較小，應(yīng)應(yīng)先清除除離子型型雜質(zhì)。。清洗原理理表面活性性劑的增增溶作用用：表面面活性劑劑濃度大大于臨界界膠束濃濃度時(shí)會(huì)會(huì)在水溶溶液中形形成膠束束，能使使不溶或或微溶于于水的有有機(jī)物的的溶解度度顯著增增大。表面活性性劑的潤(rùn)潤(rùn)濕作用用：固－－氣界面面消失，，形成固固－液界界面起滲透作作用；利利用表面面活性劑劑的潤(rùn)濕濕性降低低溶液的的表面張張力后，，再由滲滲透劑的的滲透作作用將顆顆粒托起起，包裹裹起來。。具有極極強(qiáng)滲透透力的活活性劑分分子可深深入硅片片表面與與吸附物物之間，，起劈開開的作用用，活性性劑分子子將顆粒粒托起并并吸附于于硅片表表面上，，降低表表面能。。顆粒周周圍也吸吸附一層層活性劑劑分子，，防止顆顆粒再沉沉積。通過對(duì)污污染物進(jìn)進(jìn)行化學(xué)學(xué)腐蝕、、物理滲滲透和機(jī)機(jī)械作用用，達(dá)到到清洗硅硅片的目目的。腐蝕工序目的的：去除除表面因因加工應(yīng)應(yīng)力而形形成的損損傷層及及污染（（損傷層層和污染染部分約約15um）化學(xué)腐蝕蝕種類：：酸性腐腐蝕及堿堿性腐蝕蝕腐蝕方式式：噴淋淋（spray）及浸泡泡（batch）酸性腐蝕蝕酸性腐蝕蝕原理及及加工條條件：腐蝕液－－由不同同比例的的硝酸、、氫氟酸酸及緩沖沖酸液等等組成。。硝酸為為氧化劑劑，氫氟氟酸為絡(luò)絡(luò)合劑。。HF：HNO3約0.05～0.25，腐蝕溫溫度18~24℃，以減少少金屬擴(kuò)擴(kuò)散進(jìn)入入晶片表表面的可可能性。。氧化：Si+2HNO3----SiO2+2HNO22HNO2------NO+NO2+H2O絡(luò)合SiO2+6HF-----H2SiF6（可溶性絡(luò)絡(luò)合物）+2H2O緩沖酸液作作用：緩沖沖腐蝕速率率，促進(jìn)均均勻，避免免晶片表面面出現(xiàn)不規(guī)規(guī)則的腐蝕蝕結(jié)構(gòu)。緩沖劑的性性質(zhì)：a、在HF+HNO3中具有一定定的化學(xué)穩(wěn)穩(wěn)定性。B、在腐蝕蝕過程中不不會(huì)與反應(yīng)應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生生進(jìn)一步。。C、可溶解解在HF+HNO3中。D、可以濕化化晶片表面面。E、不會(huì)產(chǎn)生生化學(xué)泡沫沫。常用的的有：醋酸酸（CH3COOH)及磷酸(H3PO4)酸性腐蝕的的特性腐蝕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）；金屬含含量等品質(zhì)質(zhì)參數(shù)。影響因素：：晶片旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度；打打入氣泡方方式（由酸酸槽下方打打入氣泡或或超聲波提提高反應(yīng)物物與反應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)物的交換換速度與均均一性）；；HF濃度；緩沖沖酸液；晶晶片盒的設(shè)設(shè)計(jì)等HF濃度與打氣氣泡方式是是影響腐蝕蝕速度及平平坦度的主主要參數(shù)。。粗糙度及及反射度主主要受緩沖沖劑性能，，腐蝕去除除量及腐蝕蝕前表面損損傷狀況的的影響。堿性腐蝕堿性腐蝕適適宜于直徑徑較大的硅硅片，有較較好的均勻勻度。硅片在堿性性腐蝕液中中的腐蝕過過程是反應(yīng)應(yīng)控制過程程，反應(yīng)速速度取決于于表面懸掛掛鍵密度，，是各向異異性的過程程，還與晶晶片表面的的機(jī)械損傷傷有關(guān)，損損傷層完全全去除后腐腐蝕速度會(huì)會(huì)變得比較較緩慢。堿性腐蝕劑劑：KOH或NaOH,濃度30%～50%反應(yīng)溫度60～120℃，溫度高不不易遺留斑斑點(diǎn)，當(dāng)易易造成金屬屬污染。Si＋2KOH+H2O----K2SiO3＋2H2比較：堿性腐蝕在在表面平坦坦地、成本本與環(huán)保方方面優(yōu)于酸酸性腐蝕，，但表面質(zhì)質(zhì)量（粗糙糙度和腐蝕蝕深度）不不夠理想超大規(guī)模集集成電路硅硅襯底的拋拋光技術(shù)單純的化學(xué)學(xué)拋光：拋拋光速度快快，光潔度度高，損傷傷低，完美美性好，但但表面平坦坦度、平行行度較差，，拋光一致致性較差單純的機(jī)械械拋光：拋拋光一致性性好，平坦坦度高，但但光潔度差差，損傷層層深化學(xué)機(jī)械拋拋光（CMP-chemicalmechanicalpolishing）：拋光速速度高，平平坦度高硅片拋光：：邊緣拋光光及表面拋拋光邊緣拋光：：分散應(yīng)力力，減少微微裂紋，降降低位錯(cuò)排排與滑移線線，降低因因碰撞而產(chǎn)產(chǎn)生碎片的的機(jī)會(huì)表面拋光：：粗拋光，，細(xì)拋光，，精拋光硅襯底的邊邊緣拋光拋光類型：：大T型、圓弧型型、小T型拋光方法：：硅片傾斜并并旋轉(zhuǎn)，加加壓與轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)中的拋光光布作用，，拋光液選選用硅溶膠膠，成本低低。預(yù)先在拋光光輪上切出出硅片外圓圓形狀再進(jìn)進(jìn)行拋光，，拋光輪為為發(fā)泡固化化的聚氨脂脂。二個(gè)拋拋光輪，一一個(gè)切有溝溝槽，用來來拋x1、x2面，一個(gè)為為平滑表面面，用來拋拋x3面，拋光光液用噴灑灑方式，邊邊緣拋光后后立即清洗洗IC中硅襯底表表面拋光拋光設(shè)備：：A、按生產(chǎn)產(chǎn)方式分：：批式拋光光機(jī)和單片片式拋光機(jī)機(jī)B、按拋光光面數(shù)分：：?jiǎn)蚊鎾伖夤鈾C(jī)和雙面面拋光機(jī)CMP拋光的動(dòng)力力學(xué)過程CMP是一個(gè)多相相反應(yīng)，有有二個(gè)動(dòng)力力學(xué)過程：：首先吸附在在拋光布上上的拋光液液中的氧化化劑、催化化劑等與單單晶片表面面的硅原子子在表面進(jìn)進(jìn)行氧化還還原的動(dòng)力力學(xué)過程（（化學(xué)作用用）如堿性性拋光液中中的OH-對(duì)Si的反應(yīng)：Si＋2OH-+H2O===SiO32-+2H22.拋光表面反反應(yīng)物脫離離硅單晶表表面，即解解吸過程，，使未反應(yīng)應(yīng)的硅單晶晶重新裸露露出來的動(dòng)動(dòng)力學(xué)過程程（機(jī)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拋光的機(jī)理理高速旋轉(zhuǎn)下下的磨料SiO2與拋光墊一一起通過對(duì)對(duì)硅片表面面摩擦，磨磨去反應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)物進(jìn)入拋拋光液中，，SiO2以膠體形式存存在，表面帶帶有電荷，對(duì)對(duì)產(chǎn)物具有吸吸附作用，加加快產(chǎn)物脫離離硅片表面。。SiO2還有催化反應(yīng)應(yīng)作用。即Si＋SiO2----2SiO,SiO+2OH-----SiO32-＋H2比Si＋2OH-+H2O----SiO32-＋H2容易發(fā)生硅的化學(xué)機(jī)械械拋光過程是是以化學(xué)反應(yīng)應(yīng)為主的機(jī)械械拋光過程，，若化學(xué)腐蝕蝕作用大于機(jī)機(jī)械拋光作用用，表面易產(chǎn)產(chǎn)生腐蝕坑、、橘皮狀波紋紋。反之，若若機(jī)械磨削作作用大于化學(xué)學(xué)腐蝕作用，，表面產(chǎn)生高高損傷層。影響拋光速度度及拋光片表表面質(zhì)量的因因素SchematicofChemicalMechanicalPlanarization(CMP)WaferWafercarrierRotatingplatenPolishingslurrySlurrydispenserPolishingpadDownforceFigure18.8Double-SidedWaferPolishUpperpolishingpadLowerpolishingpadWaferSlurryFigure4.26影響拋光速度度及拋光片表表面質(zhì)量的因因素PH值的影響：隨隨著PH值增加硅的去去除速度增加加，當(dāng)PH大于12.5后，去除速度度下降（表面面從疏水性變變?yōu)橛H水性））。在相同的的PH值下，有機(jī)堿堿的拋光速度度大于無機(jī)堿堿。溫度的影響：：提高溫度拋拋光速度增加加，粗拋時(shí)38～50℃，精拋時(shí)20～30℃，防過度揮發(fā)發(fā)。壓力的影響：：壓力增加拋拋光速度增加加，但如過大大會(huì)增加表面面劃傷，溫度度不好控制。。硅片晶向的影影響：不同晶晶向、不同摻摻雜濃度的硅硅片所得到的的拋光速度不不同。流量的影響：：流量小，摩摩擦力大，溫溫度分布不均均，降低硅片片表面的平坦坦地。大流量量使生成物迅迅速脫離硅片片，降低摩擦擦熱，保證硅硅片表面的一一致性。轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速速度：轉(zhuǎn)速過過高，拋光液液較難均勻分分布在拋光墊墊上，易掉片片，損傷層大大。大型拋光光機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速速在100－140rpm，上轉(zhuǎn)30rpm，下轉(zhuǎn)80rpm粘貼：對(duì)有臘臘粘貼（單面面拋光），臘臘層中含有氣氣泡或微粒時(shí)時(shí)會(huì)造成拋光光時(shí)的區(qū)域性性壓力而導(dǎo)致致硅片的彎曲曲度或凹洞的的產(chǎn)生；雙面面拋光須采用用無臘粘貼技技術(shù)，雙面拋拋光的載具盤盤與拋光墊反反向旋轉(zhuǎn)可以以平衡硅片所所受的切向力力，改善表面面平坦度、厚厚度及彎曲度度影響拋光速度度及拋光片表表面質(zhì)量的因因素8.拋光墊的影響響：拋光墊除了可可以使拋光液液有效地均勻勻分布外，還還提供新補(bǔ)充充進(jìn)來的拋光光液，并將反反應(yīng)后的拋光光液及反應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)物排出。選選擇拋光墊材材料時(shí)須考慮慮－－材質(zhì)質(zhì)、密度、厚厚度、表面形形態(tài)、化學(xué)穩(wěn)穩(wěn)定性、壓縮縮性、彈性系系數(shù)、硬度等等。A聚氨脂固化拋拋光墊：用于于粗拋光，成成分為發(fā)泡固固化的聚氨脂脂，類似海綿綿的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)，這些小孔孔利于傳遞漿漿料和機(jī)械拋拋光作用。B無紡布拋光墊墊：用于細(xì)拋拋光，材料為為聚合物棉絮絮類纖維，經(jīng)經(jīng)針孔加工形形成毛毯結(jié)構(gòu)構(gòu)后，在聚合合物的化學(xué)溶溶液槽中浸泡泡在烘烤C絨毛結(jié)構(gòu)拋光光墊：用于精精拋光，基材材為無紡布，，中間層為聚聚合物微孔層層，表面層為為多孔性的絨絨毛結(jié)構(gòu)。拋拋光墊受壓時(shí)時(shí)，拋光液會(huì)會(huì)進(jìn)到孔洞中中，壓力釋放放時(shí)拋光墊恢恢復(fù)原來形狀狀，將舊拋光光液和反應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)物排出及補(bǔ)補(bǔ)充新的拋光光液。拋光液拋光液的基本本要求：流動(dòng)動(dòng)性好，不易易沉淀和結(jié)塊塊，懸浮性能能好，無毒，，拋光速率快快，硅片表面面質(zhì)量好，便便于清洗。拋光液的組成成：氧化劑，，磨料，添加加劑，PH穩(wěn)定劑氧化劑：與表表面硅原子發(fā)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)應(yīng)，去除損傷傷層，實(shí)現(xiàn)高高光亮度磨料：去除表表面反應(yīng)產(chǎn)物物及凹處，提提高平坦度，，使化學(xué)反應(yīng)應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。。需控制顆粒粒大小、硬度度及分散度。。粒度影響去去除速度，粗粗拋時(shí)去除速速度為1～1.5um/min，粒度大時(shí)可可達(dá)20～30um/min，精拋時(shí)去除除速度為0.1～0.2um/min添加劑：改善善硅片表面性性能，穩(wěn)定拋拋光液、顆粒粒分散性和懸懸浮性。PH穩(wěn)定劑：防止止拋光液存放放時(shí)PH值發(fā)生變化。。目前常用的拋拋光液：SiO2拋光液（溶膠膠型）優(yōu)點(diǎn)：SiO2硬度與硅的硬硬度相近，粒粒度細(xì)約0.01～0.1um，損傷層極細(xì)細(xì)，拋光速率率高，高活性性，高潔凈。。SiO2固體濃度：2％～50％，粗拋光液液顆粒較大，，PH值10.5～11.0；精拋光液顆顆粒較小，PH值9.0～9.5精拋光工藝須須解決的問題題精拋光工藝須須解決的問題題有：表面劃劃傷、拋光霧霧、金屬離子子沾污、殘余余顆粒難清除除（這些影響響器件的電特特性，低擊穿穿、漏電流增增加）選用高純SiO2為基材，有機(jī)機(jī)堿為分散介介質(zhì)的無鈉拋拋光液，適用用于MOS器件的硅片精精拋光，以拋拋光片無霧和和減少表面氧氧化層錯(cuò)（OSF)為目的。有機(jī)機(jī)堿和活性劑劑的選擇很重重要。堿的選擇：粗粗拋用NaOH，精拋用氨水水、不含堿金金屬離子的有有機(jī)胺。有機(jī)機(jī)堿（胺）還還起螯合劑的的作用，限制制金屬離子在在芯片表面吸吸附，減少金金屬離子污染染，但須解決決有機(jī)堿在晶晶格方向上反反應(yīng)速度不一一樣的問題（（擇優(yōu)性）活性劑的選擇擇：活性劑的的選擇影響拋拋光液的分散散性、顆粒吸吸附后清洗難難易程度以及及金屬離子污污染等?；钚詣┯绊懳降淖饔脵C(jī)機(jī)理：活性劑劑分散于水中中，當(dāng)用到表表面能量很高高的硅單晶新新拋鏡面時(shí)，，優(yōu)先吸附于于表面上。因因有大分子，，屬物理吸附附，易清洗。。拋光硅片表面面質(zhì)量拋光霧；在強(qiáng)強(qiáng)聚光燈下觀觀察到的拋光光霧實(shí)質(zhì)是密密度高達(dá)105cm－2以上的微淺損損傷缺陷，在在強(qiáng)聚光照射射下產(chǎn)生光的的漫散射，肉肉眼感覺為霧霧。拋光霧表表征表面亞損損傷層的大小小。拋光霧出現(xiàn)的的原因：A拋光布的老化化（可用加時(shí)時(shí)和增加去除除量的方法解解決）；B拋光液的選擇擇；C活性劑、潤(rùn)滑滑劑、壓力的的選擇拋光硅片表面面質(zhì)量2.表面質(zhì)量有關(guān)關(guān)參數(shù)（用Zygo、Wyko、AFM、α－step儀器測(cè)量）ATTV：硅片的最最大及最小的的厚度差。控控制在2um以下（光刻對(duì)對(duì)焦要求）TTV＝a－b拋光硅片表面面質(zhì)量BTIR：硅片表面平平坦度與參考考平面最高到到最低的距離離?？刂圃?um以下（光刻對(duì)對(duì)焦要求）拋光硅片表面面質(zhì)量CFPD：硅片表面面一點(diǎn)與參考考平面之間的的最大距離拋光硅片表面面質(zhì)量D：平整度（（DP）DP（％）＝（1－SHpost/SHpre）×100％SHpost＝CMP之后在硅片表表面的一個(gè)特特殊位置最高高和最低臺(tái)階階的高度差SHpre＝CMP之前在硅片表表面的一個(gè)特特殊位置最高高和最低臺(tái)階階的高度差注意：平整度度與均勻性概概念的區(qū)別，，平整度為局局部概念。WaferMeasurementsforDegreeofPlanarizationSiO2SubstrateMinMaxSHpreMinMaxSHpostPost-polishmeasurementPre-polishmeasurementSiO2Figure18.9PositivedeviationNegativedeviationVacuumchuckWaferReferenceplaneWaferDeformationFigure4.27CMP參數(shù)小小結(jié)拋光時(shí)時(shí)間：：影響響磨掉掉材料料的數(shù)數(shù)量、、平整整性磨頭壓壓力（（向下下壓力力）：：影響響拋光光速率率、平平坦化化和非非均勻勻性轉(zhuǎn)盤速速率；；影響響拋光光速率率、非非均勻勻性磨頭速速度：：影響響非均均勻性性磨料化化學(xué)成成分；；材料料選擇擇比（（同時(shí)時(shí)磨掉掉幾種種材料料）、、拋光光速率率磨料流流速：：影響響拋光光墊上上的磨磨料數(shù)數(shù)量和和設(shè)備備的潤(rùn)潤(rùn)滑性性能拋光墊墊修整整：影影響拋拋光速速率、、非均均勻性性、CMP工藝的的穩(wěn)定定性硅片/磨料溫溫度：：影響響拋光光速率率硅片背背壓：：影響響非均均勻性性（中中央變變慢））、碎碎片CMP后清洗洗CMP清洗重重點(diǎn)是是去除除拋光光工藝藝中帶帶來的的磨料料顆粒粒、被被拋光光材料料帶來來的顆顆粒及及磨料料中帶帶來的的化學(xué)學(xué)沾污污物。。顆粒粒被機(jī)機(jī)械性性地嵌嵌入硅硅片表表面，，或由由于靜靜電力力或或原原子力力而物物理粘粘附在在被拋拋光的的硅片片表面面。CMP后清洗洗設(shè)備備：毛毛刷洗洗擦、、酸性性噴淋淋清洗洗、兆兆聲波波清洗洗、旋旋轉(zhuǎn)清清洗干干燥設(shè)設(shè)備溶劑：：DI水、稀稀釋的的氫氧氧化銨銨NH4OH（附在在毛刷刷上））。硅片的的清洗洗名稱配方使用條件作用備注Ⅰ號(hào)洗液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5→1:2:7

80±5℃10min去油脂去光刻膠殘膜去金屬離子去金屬原子去重離子Ⅱ號(hào)洗液HCl:H2O2:H2O=1:1:6→1:2:880±5℃10min去金屬離子去金屬原子去一般金屬離子，K,Na等Ⅲ號(hào)洗液H2SO4:H2O2=3:1120±10℃10∽15min去油、去光刻膠、去臘去金屬離子去金屬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份的雙雙氧水水作用：：H2O2使臘氧氧化，，使光光刻膠膠氧化化；氨氨水與與重離離子形形成溶溶于水水的絡(luò)絡(luò)合物物，與與油脂脂發(fā)生生皂化化反應(yīng)應(yīng)。配制2#液：先先倒入入6份的DI水，再再倒入入1份的鹽鹽酸，，最后后倒入入1份的雙雙氧水水作用：：鹽酸酸與含含Na的鹽鹽反反應(yīng)應(yīng)，，除除去去Na離子子配制制3#液：：先先倒倒入入H2O2,再將將99％濃濃硫硫酸酸倒倒入入雙雙氧氧水水中中，，會(huì)會(huì)發(fā)發(fā)生生劇劇烈烈放放熱熱反反應(yīng)應(yīng)，，使使用用及及配配制制時(shí)時(shí)需需特特別別小小心心作用用：：使使光光刻刻膠膠氧氧化化（（碳碳化化））當(dāng)前前硅硅圓圓片片的的典典型型規(guī)規(guī)格格清潔潔度度（（顆顆粒粒/cm2）<0.03氧濃濃度度（（cm－3）碳濃濃度度（（cm－3）金屬屬沾沾污污（（ppb十億億分分之之一一））<0.001原生生位位錯(cuò)錯(cuò)（（cm－2）<0.1氧誘誘生生堆堆垛垛層層錯(cuò)錯(cuò)（（cm－3）<3直徑徑、、厚厚度度、、翹翹曲曲、、平平行行度度、、電阻阻率率、、載載流流子子濃濃度度、、遷遷移移率率、、腐腐蝕蝕坑坑密密度度9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨雨中中黃黃葉葉樹樹，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。22:05:0822:05:0822:0512/29/202210:05:08PM11、以我獨(dú)獨(dú)沈久，，愧君相相見頻。。。12月-2222:05:0822:05Dec-2229-Dec-2212、故人江海海別，幾度度