半導(dǎo)體工藝教案第九章

1、第九章 摻雜【教學(xué)目標(biāo)與要求】1.理解摻雜的概念和方法2.了解擴(kuò)散原理和擴(kuò)散工藝3熟悉離子注入和退火工藝4、了解摻雜的質(zhì)量控制【教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】擴(kuò)散工藝、離子注入和退火工藝、質(zhì)量控制【課程類型】【教學(xué)方法與手段】【學(xué)時(shí)分配】【教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)過程】9.1概述9.1.1摻雜概念在前面已經(jīng)介紹了在半導(dǎo)體中哪怕引入一點(diǎn)點(diǎn)雜質(zhì)也會(huì)大大改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。本章就要介紹給半導(dǎo)體引入指定雜質(zhì)的工藝過程，也就是摻雜。摻雜的目的就是改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，形成N型層或P型層，以形成PN結(jié)和各種半導(dǎo)體器件，從而形成半導(dǎo)體集成電路；或改變材料的電導(dǎo)率。經(jīng)過摻雜，雜質(zhì)原子將要代替原材料中的部分原子，材料的導(dǎo)電類型決定于雜

2、質(zhì)的化合價(jià)，如硅中摻入五價(jià)的磷（施主雜質(zhì)）將成為N型半導(dǎo)體，摻入三價(jià)的硼（受主雜質(zhì)）將成為P型半導(dǎo)體。9.1.2摻雜的兩種方法 摻雜的方法有兩種：熱擴(kuò)散和離子注入。熱擴(kuò)散法是最早使用也是最簡(jiǎn)單的摻雜工藝，熱擴(kuò)散是利用高溫驅(qū)動(dòng)雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體的晶格中，并使雜質(zhì)在半導(dǎo)體襯底中擴(kuò)散。這種方法對(duì)溫度和時(shí)間的依賴性很強(qiáng)。于20世紀(jì)50年代開始研究，20世紀(jì)70年代進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段，隨著VLSI超精細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已成為各種半導(dǎo)體摻雜和注入隔離的主流技術(shù)。離子注入是通過把雜質(zhì)離子變成高能離子來轟擊襯底，從而把雜質(zhì)注入到半導(dǎo)體襯底中的摻雜方法。9.1.3摻雜工藝流程 半導(dǎo)體制造中的污染無時(shí)無刻不在，所以摻

3、雜之前要對(duì)襯底進(jìn)行清洗等前處理。大部分的摻雜是在半導(dǎo)體襯底中指定的區(qū)域摻雜選擇性摻雜，也就是有些區(qū)域需要摻雜，其他區(qū)域不摻雜。怎樣實(shí)現(xiàn)選擇性摻雜呢？那就是在摻雜之前在半導(dǎo)體襯底表面生長(zhǎng)一層掩蔽膜（這層掩蔽膜具有阻擋雜質(zhì)向半導(dǎo)體襯底中擴(kuò)散的能力），然后對(duì)掩蔽膜進(jìn)行光刻和刻蝕，去掉襯底上面待摻雜區(qū)域的掩蔽膜，不摻雜區(qū)域的掩蔽膜要保留下來，得到選擇擴(kuò)散窗口。然后放入高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行摻雜，則在窗口區(qū)就可以向半導(dǎo)體襯底中擴(kuò)散雜質(zhì)，其他區(qū)域被掩蔽膜屏蔽，沒有雜質(zhì)進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體襯底中的選擇性擴(kuò)散。摻雜完成后要進(jìn)行檢測(cè)。圖91是在N型襯底中摻入受主雜質(zhì)形成P型摻雜區(qū)的流程圖。圖9-1摻雜工藝流程9.2擴(kuò)散

4、9.2.1擴(kuò)散原理擴(kuò)散是物質(zhì)的一個(gè)基本性質(zhì)，原子、分子和離子都會(huì)從高濃度向低濃度處進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。一種物質(zhì)向另一種物質(zhì)發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)需滿足兩個(gè)基本條件：第一有濃度差；第二提供足夠的能量使物質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散。在半導(dǎo)體制造中，利用高溫?zé)崮苁闺s質(zhì)擴(kuò)散到半導(dǎo)體襯底中。1. 擴(kuò)散機(jī)制圖9-2雜質(zhì)在硅晶體中的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)2.擴(kuò)散系數(shù)3.雜質(zhì)濃度分布圖9-3擴(kuò)散示意圖9.2圖9-4雜質(zhì)濃度分布4.結(jié)深圖9-5 4結(jié)深5.掩蔽膜6.固溶度9.2.2擴(kuò)散工藝步驟在圖91中，已經(jīng)介紹了擴(kuò)散工藝流程，在這個(gè)流程中，前3步為擴(kuò)散摻雜的晶圓準(zhǔn)備，同時(shí)在擴(kuò)散摻雜前要進(jìn)行設(shè)備準(zhǔn)備，即包括設(shè)備檢測(cè)、設(shè)備清潔、工藝菜單、升溫并達(dá)到指定的溫度

5、分布等。1. 上料模式圖9-6兩種上料模式2.擴(kuò)散步驟1)預(yù)淀積擴(kuò)散：預(yù)淀積是恒定表面源擴(kuò)散，即擴(kuò)散爐中的雜質(zhì)氣體濃度保持恒定不變，這樣暴露在雜質(zhì)氣體中的半導(dǎo)體晶圓表面雜質(zhì)濃度NS也保持恒定不變。2)再分布擴(kuò)散：再分步又叫推進(jìn)，是限定源濃度擴(kuò)散。3.評(píng)估4.橫向擴(kuò)散圖9-7擴(kuò)散的理想情況與橫向擴(kuò)散9.2.3 擴(kuò)散設(shè)備、工藝參數(shù)及其控制半導(dǎo)體設(shè)備發(fā)展很快，擴(kuò)散設(shè)備已經(jīng)智能化。圖9-8擴(kuò)散設(shè)備外觀1.擴(kuò)散設(shè)備圖9-9擴(kuò)散設(shè)備單管控制結(jié)構(gòu)圖 (1)技術(shù)指標(biāo)1)適用硅片：100mm、150mm、200mm、300mm。2)爐管數(shù)量：14管 (由客戶定)。3)凈化工作臺(tái)：臺(tái)面采用進(jìn)口不銹鋼面板。4)氣路

6、流量計(jì)：標(biāo)配為浮子流量計(jì)，可選件為質(zhì)量流量計(jì)：5)氣密性指標(biāo)：閥門壓力調(diào)節(jié)到29psi(1psi=6.895kPa)，24h后壓力減小到不大于1.4psi(1psi=6.895kPa)。6)氣路管件：采用內(nèi)拋光不銹鋼氣路管線及優(yōu)質(zhì)閥門,SWAGELOK接口。7)工作溫度范圍：6001300。8)溫度傳感器：S型熱電偶。9)長(zhǎng)期工作溫度：12001286。10)恒溫區(qū)長(zhǎng)度及精度：8001300，800mm/0.5；400800，800mm/1。11)單點(diǎn)溫度穩(wěn)定性：8001300，800mm/0.5/48h；400800，800mm/1/48h。12)升溫速度范圍：4001300，0.515/m

7、in，可控可設(shè)定編程；最大升溫速率為15/min。13)降溫速度范圍：1300800，0.55/min，可控可設(shè)定編程；最大降溫速率為5/min。(2)擴(kuò)散設(shè)備的組成及功能擴(kuò)散設(shè)備主要由控制系統(tǒng)、擴(kuò)散爐、散熱系統(tǒng)、排毒箱、工作臺(tái)、加熱爐體系統(tǒng)、推拉舟送料系統(tǒng)等7個(gè)部分組成。1)控制系統(tǒng)：由可編程序控制器、人機(jī)界面、溫度控制儀表和氣路控制組成。 可編程序控制器：系統(tǒng)的智能控制核心單元，采用高穩(wěn)定性、高可靠性、可編程、可升級(jí)的控制器，控制設(shè)備運(yùn)行。負(fù)責(zé)系統(tǒng)的工藝運(yùn)行控制，溫度檢測(cè)，熱電偶故障檢測(cè)，超溫報(bào)警，溫控儀參數(shù)設(shè)定，推拉舟控制，氣路質(zhì)量流量計(jì)控制，氣路故障檢測(cè)，工藝要求各種的聯(lián)鎖控制，實(shí)時(shí)報(bào)

8、警等。采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，在計(jì)算機(jī)故障或關(guān)閉情況下，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)控幾個(gè)爐管的運(yùn)行狀態(tài)，記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)定、操作各管運(yùn)行。 人機(jī)界面：擴(kuò)散爐控制系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話界面。用于輸入和顯示溫控曲線，氣路設(shè)定，實(shí)時(shí)顯示爐體實(shí)際溫度、爐體各相關(guān)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)、實(shí)時(shí)報(bào)警信息，設(shè)定和修改各工藝控制參數(shù)，推拉舟的設(shè)定及運(yùn)行操作，系統(tǒng)測(cè)溫傳感器偏差的修正和補(bǔ)償?shù)?，都可以通過觸摸屏來完成查看、設(shè)定、操作等功能。 溫度控制儀表：采用進(jìn)口溫度控制儀表，通過數(shù)字通信接口與控制核心進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，在控制核心的控制指令之下實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的溫度控制。 氣路控制(流量計(jì)和電磁閥)：通過控制核心的模擬量控制，進(jìn)行質(zhì)

9、量流量控制器的設(shè)定和氣路的實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋，操作人員通過觸摸屏可設(shè)定流量大小并查看實(shí)際流量(系統(tǒng)根據(jù)反饋值與設(shè)定值來判斷氣路流量偏差，并提供聲光報(bào)警，同時(shí)完成氣路與氣路、氣路與溫度等之間的聯(lián)鎖要求，如H2等危險(xiǎn)氣體的控制等)。2)擴(kuò)散爐：擴(kuò)散爐主機(jī)頂部是排風(fēng)、散熱系統(tǒng)，擴(kuò)散爐主機(jī)中部是處理硅片的多個(gè)加熱爐體，每個(gè)爐體有一套功率調(diào)節(jié)部件和下送風(fēng)系統(tǒng)(下送風(fēng)系統(tǒng)主要是協(xié)助頂部排風(fēng)，使主機(jī)內(nèi)溫度均衡，減少環(huán)境溫度變化對(duì)設(shè)備精度的影響)。3)散熱系統(tǒng)：擴(kuò)散爐頂部裝有排風(fēng)扇及水循環(huán)散熱器。4)排毒箱：排毒箱安裝在擴(kuò)散爐主機(jī)箱與凈化臺(tái)之間，由4個(gè)獨(dú)立的不銹鋼箱體和4個(gè)獨(dú)立的排風(fēng)道組成。5)工作臺(tái)：工作臺(tái)臺(tái)面全

10、部采用進(jìn)口不銹鋼加工制作而成，提供一個(gè)小型工作環(huán)境。6)加熱爐體系統(tǒng)：用優(yōu)質(zhì)高溫加熱絲繞制加熱器，使用壽命長(zhǎng)，加熱溫度均勻。7)推拉舟送料系統(tǒng)：采用進(jìn)口步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器做運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在控制核心的控制之下，根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)控制推拉舟進(jìn)舟、出舟和速度變化(速度參數(shù)可通過觸摸屏直接設(shè)定)。(3)主要操作界面圖9-10控制系統(tǒng)的主菜單畫面圖9-11自動(dòng)運(yùn)行控制畫面圖9-12工藝曲線編輯進(jìn)入畫面密碼輸入圖9-13工藝曲線編輯畫面設(shè)定工藝參數(shù)9.2圖9-14PID參數(shù)設(shè)置畫面9.2圖9-15PID參數(shù)自整定操作畫面9.2圖9-16工藝溫度設(shè)定曲線查看畫面9.2圖9-17報(bào)警信息查看畫面9.2圖9-18

11、多點(diǎn)修正操作畫面9.2圖9-19參數(shù)修改時(shí)自動(dòng)彈出的數(shù)字鍵盤9.2圖9-20自動(dòng)運(yùn)行中強(qiáng)制跳步操作提示窗9.2圖9-21斷電后提示繼續(xù)運(yùn)行時(shí)的彈出畫面9.2圖9-22自動(dòng)運(yùn)行中強(qiáng)制終止提示窗口2.擴(kuò)散工藝參數(shù)、控制及應(yīng)用(1)工藝參數(shù)摻雜時(shí)間、摻雜溫度、雜質(zhì)源流量是很重要的工藝控制參數(shù)。(2)工藝控制及應(yīng)用擴(kuò)散是最早用于摻雜的一種方法，隨著IC規(guī)模的快速發(fā)展，集成度越來越高，擴(kuò)散已不能適應(yīng)超大規(guī)模、巨大規(guī)模集成電路淺結(jié)、小尺寸、準(zhǔn)確的摻雜濃度的需要，但其設(shè)備便宜、工藝非常成熟，仍在許多方面應(yīng)用，如在分立器件、光伏器件、中小規(guī)模集成電路中仍廣泛應(yīng)用。1)磷摻雜： 影響磷擴(kuò)散的因素： 磷擴(kuò)散工藝控

12、制： 常見問題及處理:2)推阱。 推阱工藝主要參數(shù)：結(jié)深、膜厚和表面濃度。結(jié)深比較關(guān)鍵，必須保證正確的溫度和時(shí)間；注入能量和劑量一定后, 生長(zhǎng)氧化膜主要為光刻對(duì)位提供方便,同時(shí)會(huì)改變晶圓表面的雜質(zhì)濃度，過厚或過薄均會(huì)影響NMOS管或PMOS管的開啟電壓；表面濃度主要受制于推阱程序的工藝過程,如高溫的溫度、工藝的時(shí)間、氧化和推結(jié)的前后順序。 影響推阱的工藝參數(shù)： 推阱工藝控制：(3)設(shè)備維護(hù)及工藝維護(hù)1)定期拉恒溫區(qū)以得到好的溫度控制。2)BT 測(cè)量：BT項(xiàng)目可以檢測(cè)到可動(dòng)離子數(shù)目，及時(shí)掌握爐管的沾污情況，防止?fàn)t管受到可動(dòng)電荷粘污,使大批晶圓受損。3)片內(nèi)均勻性：保證硅片中每個(gè)芯片的重復(fù)性良好。

13、4)片間均勻性：保證每個(gè)硅片的重復(fù)性良好。5)定期清洗爐管：清洗爐管，可以減少重金屬離子、堿金屬離子的沾污同時(shí)也能減少顆粒，保證氧化層質(zhì)量。6)定期檢測(cè)系統(tǒng)顆粒。9.2.4常用擴(kuò)散雜質(zhì)源擴(kuò)散用的雜質(zhì)源按其在常溫常壓下的形態(tài)可分為三類：液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)。擴(kuò)散時(shí)雜質(zhì)源要被汽化然后用惰性氣體攜帶送入爐管中。1.液態(tài)源2.氣態(tài)源3.固態(tài)源1)硼擴(kuò)散。2)鋁擴(kuò)散。圖9-23提高鋁擴(kuò)散表面濃度用的閉管擴(kuò)散圖9-24三套管閉管擴(kuò)散3)磷擴(kuò)散。9.3離子注入9.3.1離子注入原理離子注入是將被摻雜的雜質(zhì)原子或分子進(jìn)行離子化，經(jīng)磁場(chǎng)選擇和電場(chǎng)加速到一定的能量，形成一定電流密度的離子束流后被直接打進(jìn)（掃描注入）半

14、導(dǎo)體晶圓內(nèi)部去。具有一定動(dòng)能的離子射進(jìn)硅片內(nèi)部后，由于硅片內(nèi)原子核和電子的不規(guī)則作用，以及和硅原子多次的碰撞，而使得注入的離子能量逐漸受到消耗，離子注入速度減慢，在硅片內(nèi)部移動(dòng)到一定的距離就停止在硅片內(nèi)某一位置上，形成PN結(jié)。如果把離子注入機(jī)比作步槍，把被注入雜質(zhì)離子比作子彈，那么，離子注入就好像用步槍打靶子一樣，將離子強(qiáng)迫打進(jìn)硅片中去，即實(shí)現(xiàn)了離子注入，如圖925所示。圖9-25離子注入原理圖9.3離子注入1.離子注入掩蔽膜2.雜質(zhì)離子種類3.雜質(zhì)濃度分布9.3.2離子注入的重要參數(shù)1.劑量與束流密度2.射程與注入能量3.注入角度(1) 溝道效應(yīng)單晶硅原子的排列是長(zhǎng)程有序的，當(dāng)雜質(zhì)離子穿過晶

15、格間隙的通道注入而不與電子和原子核發(fā)生碰撞(能量損失少)而減速，雜質(zhì)離子將進(jìn)入硅中很深的地方，大大超過了預(yù)期的射程，即超過了設(shè)計(jì)的結(jié)深，這就叫發(fā)生了溝道效應(yīng),如圖9-26a和b中的A離子路徑。圖9-26溝道效應(yīng)圖9-27抑制溝道效應(yīng)的方法1)傾斜晶圓：100晶向的硅片注入角度常偏離7，能夠獲得對(duì)注入射程很好的控制。2)掩蔽氧化層：注入之前在硅片上生長(zhǎng)一層薄的氧化層(1040nm)，這層氧化層是非晶化的，當(dāng)離子注入后和二氧化硅原子碰撞使離子方向變的隨機(jī)，因此可以減小溝道效應(yīng)。3)硅預(yù)非晶化：在注入之前，用一種方法損壞硅表面一薄層的單晶結(jié)構(gòu)，使硅表面呈非單晶態(tài)，這就叫預(yù)非晶化。 (2) 注入陰影前

16、面講到通過旋轉(zhuǎn)硅片或傾斜硅片可以減小溝道效應(yīng)，但同時(shí)帶來一個(gè)問題，即注入陰影。圖9-28硅片傾斜時(shí)的注入陰影9.3.3離子注入摻雜工藝與擴(kuò)散摻雜工藝的比較離子注入摻雜工藝與擴(kuò)散摻雜工藝的比較離子注入工藝相對(duì)擴(kuò)散工藝具有許多優(yōu)點(diǎn)，見表91。表9-1離子注入摻雜工藝與擴(kuò)散摻雜工藝的比較9.4離子注入機(jī)1)高能量注入機(jī)所得到的離子束具有較高能量。2)大束流注入機(jī)能獲得較大的離子束電流，其摻雜濃度較大，但是深度較淺，主要用于器件中的源漏極摻雜和LDD摻雜。3)中束流注入機(jī)則能獲得中等能量和電流的離子束， 被廣泛用于除深阱摻雜和源漏摻雜以外幾乎所有的離子摻雜工藝。圖9-29離子注入機(jī)的組成9.4.1離子

17、源組件雜質(zhì)源要成為氣體才能送進(jìn)離子源，把雜質(zhì)源變?yōu)闅怏w一般用蒸發(fā)器。圖9-30離子源作用1.離子源圖9-31離子源圖9-32吸附組件及其作用2.吸附組件表9-2離子速度與吸極電壓圖9-33IHC離子源原理圖9.4.2分析磁體離子源中產(chǎn)生的離子通常不是單獨(dú)一種離子，而是多種離子，如圖934所示，就是硼源BF3（三氟化硼）分子被電離后產(chǎn)生的主要陽離子，但所需要的只是一種雜質(zhì)離子。因此，必須采取分析磁體對(duì)離子束進(jìn)行質(zhì)量分離，選出所需的單一離子。在分析磁體中，離子束流在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)以恒定速度在真空中運(yùn)動(dòng)。由電磁學(xué)原理可知，此時(shí)帶電粒子受洛侖茲力的影響作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。對(duì)于不同質(zhì)量的離子，其勻速圓周

18、運(yùn)動(dòng)的半徑是完全不同的。磁分析器就是根據(jù)不同離子其運(yùn)動(dòng)半徑不同的原理，將不同的離子一一分離開來，把不需要的雜質(zhì)離子濾除掉，只把所需要的一種雜質(zhì)離子挑選出來送進(jìn)加速器進(jìn)行加速。分析磁體如圖935所示。圖9-34B(三氟化硼)分子被電離后產(chǎn)生的主要陽離子圖9-35分析磁體9.4.3加速聚焦器 加速聚焦器由加速器、聚焦陽極、聚焦透鏡和中性束流陷阱構(gòu)成，如圖936所示。圖9-36加速聚焦器(1)加速器離子源的吸極最高負(fù)壓一般不能達(dá)到注入離子能量的要求,如果需要更高的能量就必須再添加高壓進(jìn)行第二次的加速,完成此功能的就是后加速器。圖9-37后加速器9.4離子注入機(jī)(2)聚焦透鏡在磁分析器與后加速高壓吸極

19、間，安裝了絕緣環(huán)以及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)從而使磁分析器與后加速高壓吸極間的距離被拉長(zhǎng)了,束流在這一段過程中由于束流中正離子的相互排斥而使束流發(fā)散,為此要對(duì)束流聚焦，同時(shí)使離子束中性化。圖9-38電磁聚焦透鏡原理9.4.4掃描偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)從聚焦系統(tǒng)出來的離子束打到硅片上是一個(gè)亮斑，束斑的大小沒有硅片大，束流打在硅片上僅是一部分，如中束流的注入束斑約1cm2，大束流的約3cm2，要使整個(gè)硅片表面都能均勻地注入離子，需要束流對(duì)硅片進(jìn)行掃描，對(duì)靶片進(jìn)行大面積離子注入，使整個(gè)靶片得到均勻的雜質(zhì)離子分布。掃描有兩種形式，或者硅片不動(dòng)，束流作掃描運(yùn)動(dòng)(電子掃描)，或者束流不動(dòng),硅片作一定方向的運(yùn)動(dòng)(機(jī)械掃描)，當(dāng)然還有

20、束流和硅片都動(dòng)的(機(jī)械電子混合掃描)。圖9-39電子掃描(1)電子掃描電子掃描是在一套X-Y電極上加特定電壓，使離子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，注入固定的硅片上，如圖9-39所示，若X電極被設(shè)為負(fù)壓，正離子束就會(huì)向X電極方向偏轉(zhuǎn)。圖9-40機(jī)械掃描(靶盤上的硅片既能旋轉(zhuǎn)又能上下移動(dòng)，還能翻轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描) (2)機(jī)械掃描這種掃描束流不動(dòng),硅片作一定方向的運(yùn)動(dòng)，如圖9-40所示。(3) 混合掃描混合掃描系統(tǒng)中，硅片放置在輪盤上旋轉(zhuǎn)，并沿Y軸掃描，離子束在靜電(或電磁)的作用下沿X軸方向掃描。(4)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)當(dāng)雜質(zhì)離子在離子注入中行進(jìn)時(shí)，會(huì)與系統(tǒng)中的殘余氣體分子碰撞，將電荷轉(zhuǎn)給這些氣體分子而變成中性原子9.4.5靶室及

21、終端臺(tái)1.靶室(1) 靶盤離子注入的最終目標(biāo)是將離子注入硅片上去，所以需要把硅片安放在一個(gè)地方，讓離子束流能注入進(jìn)去，這個(gè)地方就是靶盤。 圖9-41靶盤及靶盤圖9-42束流測(cè)量 (2)束流檢測(cè)器在靶盤的背后有一個(gè)離子束檢測(cè)器(法拉第測(cè)試杯金屬杯，又叫劑量控制器)，用以監(jiān)測(cè)注入的離子數(shù)量，如圖9-42所示。2.終端臺(tái)(1)靶盤運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置靶盤運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置提供靶盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(Rotary drive)、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)(Linear drive)以及靶盤兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)(Gyro drive)的動(dòng)力。(2)硅片傳送裝置當(dāng)硅片盒被放到移動(dòng)片盒臺(tái)上后，需要通過一系列的操作將沒注入過的硅片從片盒中取出放到靶盤

22、上，同時(shí)又要把注入好的硅片從靶盤上取下送回到空片盒中，為了提高效率，裝片和卸片同時(shí)進(jìn)行。1)真空片盒(Vacuum cassette)：真空片盒是讓硅片從大氣狀態(tài)進(jìn)入到真空狀態(tài)或從真空狀態(tài)回到大氣狀態(tài)的一個(gè)過渡裝置。2)硅片裝卸傳輸機(jī)械手(Transfer arm)：和前面的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一樣,它是一套具有編碼器的直流伺服電動(dòng)機(jī),通過齒形帶帶動(dòng)傳輸手臂的旋轉(zhuǎn)。(3)監(jiān)視與操作界面這一部分實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝的全過程的程序設(shè)置、工藝參數(shù)設(shè)置、工藝監(jiān)控等。9.4.6真空系統(tǒng)離子注入機(jī)的許多部件內(nèi)部都要求真空系統(tǒng)，比如離子源、加速器、靶室等。一般用真空泵和閉合的抽氣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。9.5離子注入工藝9.5.1離子注入

23、工藝規(guī)范操作1.接片檢查2.注入工藝操作1)按設(shè)備操作順序和規(guī)范進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)、工具檢測(cè)與準(zhǔn)備。2)雜質(zhì)氣源檢測(cè)與準(zhǔn)備：指示燈、真空度及氣體流量調(diào)節(jié)等要達(dá)到工藝規(guī)范要求。3)待注入硅片準(zhǔn)備：用倒筐器把待注入片倒入注入專用筐。4)再次核對(duì)設(shè)備、氣源等各項(xiàng)指標(biāo)并校正。5)離子注入：待片子進(jìn)到注入室時(shí)，按操作程序開始注入。6)當(dāng)注入完后，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，按下“END”鍵，并使設(shè)備有關(guān)表頭、有關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)換到結(jié)束狀態(tài)設(shè)定值。7)注入結(jié)束后，填好設(shè)備運(yùn)行記錄。9.5離子注入工藝8)將硅片倒入原片筐，用真空鑷子從背面吸片，目檢表面，確認(rèn)全部正常后下傳下道工序。3.工藝操作注意事項(xiàng)1)接傳片以及工藝操作過程中，必須戴

24、一次性手套，并且要求一副一次性手套使用最多不能超過45min，操作過程中不論任何原因造成手套損壞，或觸摸、抓拿其他物體(除承片臺(tái)、承片筐、傳片盒、真空鑷子、隨工單、專用記錄筆以外的物體)，都必須更換一副新的一次性手套。2)接片時(shí)盛片筐、傳片盒必須是干凈的，無論片量大小傳片盒必須是對(duì)硅片無擠壓的黑色雙筐傳片盒。3)換筐時(shí)必須等筐升到位才可以拿下片筐，否則容易碎片、卡片。4)過程檢驗(yàn)時(shí)必須使用真空鑷子吸取硅片背面進(jìn)行操作，任何情況下不得接觸硅片正面。5)超過一天不使用或交叉注入不同類型離子源時(shí)，必須進(jìn)行先行假片注入，待所測(cè)方塊電阻值合格后才能進(jìn)行正式片操作，操作時(shí)保證先入先出的原則。6)傳片時(shí)必須

25、保證盛片筐、傳片盒是干凈的，并且保持原傳片裝置清潔。7)當(dāng)操作出現(xiàn)異常問題時(shí)，“ERROR”黃燈會(huì)報(bào)警，表示不正?；蛴衅渌麊栴}，不能碰任何按鍵，立即通知調(diào)度找維修人員處理。8)注入機(jī)進(jìn)行注入時(shí)，不能在機(jī)器兩側(cè)及后面走動(dòng)，嚴(yán)禁觸及與控制面板無關(guān)的按鍵。4.安全注意事項(xiàng)1)所有鑰匙開關(guān)在開啟之后必須立即取下鑰匙。2)高壓端加上高壓后，嚴(yán)禁打開防護(hù)罩，需要修理高壓端或更換離子源時(shí)，必須先戴好防毒面具，把高壓端斷開，并用放電棒對(duì)高壓端、離子源及相關(guān)部分放電，進(jìn)行這些操作時(shí)，至少有兩人在場(chǎng)。3)離子源使用的BF3、PH3都是劇毒氣體，因此注入時(shí)必須打開排風(fēng)系統(tǒng)。4)不管任何情況造成機(jī)械泵停止工作，都要及

26、時(shí)打開放氣閥，防止機(jī)械泵返油。5)在緊急情況下需要停機(jī)時(shí)，關(guān)掉總電源“MAIN POWER”，意外情況下可以按下紅色的“EMERGENCY POWER OFF”按鍵。6)不能在高于額定能量、束流的條件下運(yùn)行。7)清洗離子源或換燈絲時(shí)，必須在帶有強(qiáng)排風(fēng)的操作箱里進(jìn)行，且要保證排風(fēng)良好，對(duì)于清洗下來的雜物和被污染的手套應(yīng)按規(guī)定處理，不能亂扔亂放。8) 注入操作結(jié)束及清洗離子源、換燈絲后，應(yīng)立即用清洗劑洗手。9)未經(jīng)許可不能打開氣瓶、氣箱和調(diào)節(jié)任何閥門，換氣瓶時(shí)，必須至少有兩人在場(chǎng)，離子源冷卻一小時(shí)后才能取出。10)熟練掌握緊急遇險(xiǎn)與緊急情況的處理。9.5.2離子注入使用的雜質(zhì)源及注意事項(xiàng)1.雜質(zhì)源

27、1)磷化氫是一種無色的可燃的劇毒氣體，并帶有一股腐爛的魚臭味。2)氟化硼是一種無色的氣體，它在潮濕的空氣中發(fā)出煙霧并帶有一種刺激且令人窒息的臭味。2.注意事項(xiàng)9.5.3退火由于離子注入會(huì)損傷襯底，使電子空穴對(duì)的遷移率及壽命大大減小，此外，被注入的離子大多不是以替位形式處在晶格位置上。為了激活離子，恢復(fù)原有遷移率，必須在適當(dāng)?shù)臏囟认率拱雽?dǎo)體退火，如圖943所示。退火能夠修復(fù)晶格缺陷，還能使雜質(zhì)原子移動(dòng)到晶格格點(diǎn)上，激活雜質(zhì)。一般，修復(fù)晶格缺陷大約需要500，激活雜質(zhì)需要950。雜質(zhì)的激活與時(shí)間和溫度有關(guān)，時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高，雜質(zhì)激活的越充分。硅片的退火方法常用的有高溫?zé)嵬嘶鸷涂焖贌嵬嘶?。圖9-4

28、3退火9.5.4關(guān)鍵工藝控制1.注入角度控制1)離子束調(diào)節(jié)中可能造成入射離子束與束線的軸不平行。2)大規(guī)模制造中硅片切割誤差造成漂移。3)掃描結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的硅片定位變化。2.污染3.硅片電荷控制4.劑量均勻性和重復(fù)性9.6離子注入的應(yīng)用9.6.1溝道區(qū)及阱區(qū)摻雜溝道區(qū)及阱區(qū)的摻雜主要有閾值電壓調(diào)節(jié)注入、反穿通注入、埋層注入、阱區(qū)絕緣注入、阱區(qū)反型注入及吸收注入。這部分注入工藝的能量比較寬，但劑量屬中低范圍，所以此部分注入工藝基本上使用中束流及高能注入機(jī)。(1) 閾值電壓調(diào)節(jié)注入工藝閾值電壓調(diào)節(jié)注入工藝是半導(dǎo)體工業(yè)中使用最早的離子注入技術(shù)工藝。(2)反穿通注入工藝該注入工藝的功能是防止源漏兩極在溝

29、道下面導(dǎo)通，因PN結(jié)結(jié)深與載流子濃度成反比，如果溝道下部載流子濃度很低，在溝道很短的情況下源漏之間的PN結(jié)就會(huì)靠得很近而容易被穿通，使溝道短路，發(fā)生不希望的漏電。圖9-44反穿通注入工藝(3)阱間絕緣注入工藝(Channel Stop)阱間絕緣的注入工藝是將雜質(zhì)摻在用于隔開阱區(qū)的絕緣欄的下方，此目的是為了提高阱間寄生場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓，9.6離子注入的應(yīng)用使在正常的工作情形下此寄生場(chǎng)效應(yīng)晶體管不會(huì)被導(dǎo)通而起到絕緣的效果。(4)埋層注入工藝(Buried Layer)該工藝是要降低阱區(qū)底部的電阻，以防芯片在運(yùn)行中出現(xiàn)死循環(huán)(Latchup) 現(xiàn)象。圖9-45埋層注入工藝9.6離子注入的應(yīng)用(

30、5)吸取注入工藝(Gettering)它是在CM0S離子注入中能量最高的工藝，其目的是利用所注入的元素的化學(xué)特性和注入后所形成缺陷的物理特性來吸收阱區(qū)里的其他雜質(zhì)(如重金屬等)及晶格缺陷，以提高阱區(qū)內(nèi)，尤其是溝道區(qū)內(nèi)的材料質(zhì)量從而提升產(chǎn)品性能。(6)反型阱區(qū)注入工藝(Retrograde Well)在早期此工藝由爐管擴(kuò)散或注入后驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散而完成，但其不能在阱區(qū)內(nèi)形成優(yōu)化的載流子分布，高性能的芯片要求硅片表面的載流子濃度低，而在硅片內(nèi)部的某些部位要濃，這樣既能提高芯片的運(yùn)行速度，又能達(dá)到以上所述的反穿通、抑制死循環(huán)及吸取污染雜質(zhì)的效果。9.6.2多晶硅注入此注入工藝是為了降低多晶硅的電阻，是CMO

31、S注入工藝中注入劑量最大的工藝。有的制程在生長(zhǎng)多晶硅的同時(shí)已摻入所需的元素，假如生長(zhǎng)多晶硅時(shí)沒有摻雜，則要做多晶硅注入，再進(jìn)行退火，注入后的元素退火時(shí)在多晶硅中的擴(kuò)散率與單晶硅相比會(huì)高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此摻雜后的多晶硅的阻值與非摻雜的多晶硅相比會(huì)有大幅度的下降。此工藝因劑量很大，能量較低，在生產(chǎn)中一般都采用大束流離子注入機(jī)。9.6.3源漏區(qū)注入源漏區(qū)注入主要包括大角度暈環(huán)(Halo)注入工藝、延伸(Extension)注入工藝、源漏(Sourcedrain)注入工藝及非晶體化(Preamorphous)注入工藝，此部分工藝技術(shù)要求越來越高，并與注入后的退火工藝有著密切的聯(lián)系。該部分的注入工藝其能

32、量相對(duì)較低，但劑量屬中高范圍，一般采用中束流及大束流注入機(jī)。(1)大角度暈環(huán)注入工藝Halo是大角度(大于20)四方向的中劑量離子注入工藝，它的主要功能是防止源漏相通，降低延伸區(qū)的結(jié)深及縮短溝道長(zhǎng)度，有利于提高芯片的性能，一般在延伸注入工藝之后注入。(2) 延伸注入工藝它先前也稱作低劑量摻雜(LDD)，是定義漏源區(qū)的注入工藝，這種區(qū)域通常稱為漏源擴(kuò)展區(qū)。 (3)源漏注入工藝源漏注入的劑量很大，是降低場(chǎng)效應(yīng)晶體管串聯(lián)電阻的重要一環(huán)。(4)非晶體化注入工藝在源漏區(qū)還有一種注入工藝被有些廠家所采用，它就是非晶體化注入工藝，其注入元素主要有鍺和硅，其中鍺的使用比較廣泛一些， 因?yàn)槠湓又亓看?，容易達(dá)到

33、非晶體化效果，并能降低源漏區(qū)的接觸電阻。9.7摻雜質(zhì)量控制9.7.1結(jié)深的測(cè)量及分析 結(jié)深的測(cè)量包括3個(gè)步驟：結(jié)深研磨放大、染色顯示、顯微鏡或工具顯微鏡測(cè)量，其中結(jié)深的研磨放大有多種形式。1. 磨角法圖9-46磨角法測(cè)量結(jié)深示意圖2.滾槽法圖9-47滾槽法測(cè)結(jié)深圖9-48擴(kuò)散電阻測(cè)試儀4.測(cè)量結(jié)果分析1)快速熱退火升溫速度和保持時(shí)間是否正確，保持時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)擴(kuò)散，增加結(jié)深。3.擴(kuò)展電阻測(cè)試儀(SPR)2)檢查是否有溝道效應(yīng)，注入角度可能不正確，是否采用了有效措施。3)檢查注入能量系統(tǒng)。9.7.2摻雜濃度的測(cè)量摻雜濃度不能直接測(cè)量，一般都是間接測(cè)量。測(cè)量濃度的方法有四探針方塊電阻測(cè)試法、擴(kuò)

34、展電阻測(cè)試儀、熱波測(cè)試、CV測(cè)試、二次離子質(zhì)譜儀等。常用的在線測(cè)試方法是四探針法和熱波系統(tǒng)，四探針法應(yīng)用于高摻雜，熱波系統(tǒng)用于低劑量注入測(cè)量。1.四探針方塊電阻測(cè)試法圖9-49上表面為正方形薄層(1)方塊電阻Rs方塊電阻是硅片上表面正方形薄層之間的電阻。 (2)直線四探針方塊電阻測(cè)試原理可以用四探針方塊電阻測(cè)試儀來測(cè)量方塊電阻，以達(dá)到測(cè)試摻雜濃度的目的，并繪制方塊電阻等值線，評(píng)估硅片整個(gè)表面的摻雜均勻性。圖9-50直線四探針方塊電阻測(cè)試原理(3) 方塊電阻、摻雜濃度的測(cè)量現(xiàn)在的方塊電阻測(cè)試儀已經(jīng)智能化，計(jì)算機(jī)算法把方塊電阻、摻雜濃度等已經(jīng)聯(lián)系起來，同時(shí)制造商已經(jīng)考慮了測(cè)試中的各種情況將修正因子

35、輸入到軟件中，通過探針測(cè)試臺(tái)、測(cè)試主機(jī)、顯示器等很方便地得到方塊電阻和摻雜濃度，并可以直觀地顯示。2. 熱波系統(tǒng)圖9-51熱波系統(tǒng)測(cè)量摻雜濃度原理示意圖3.電容-電壓測(cè)試系統(tǒng)(1) 測(cè)量原理圖9-52a是MOS器件結(jié)構(gòu)，當(dāng)在柵極和襯底(地)之間加上縱向電壓時(shí)，有兩個(gè)串聯(lián)電容起作用，第一個(gè)是柵氧電容，第二個(gè)是硅襯底材料電容。圖9-52MOS結(jié)構(gòu)C-U測(cè)試1)如果是P型硅，電壓從正負(fù)變化；N型硅電壓從負(fù)正變化，測(cè)試C-U曲線。2)將硅片加熱到300保持5min。3)重復(fù)步驟1，測(cè)此時(shí)的C-U曲線，與第一步的C-U曲線做對(duì)比，兩條曲線有一個(gè)電壓漂移U，如圖9-53所示。圖9-53N型硅中的電壓漂移

36、(2)C-U測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)在C-U測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)智能化，靠軟件控制測(cè)試，使測(cè)試能自動(dòng)完成。4.二次離子質(zhì)譜儀5.測(cè)量結(jié)果分析9.7.3污染圖9-54顆粒分布圖1.光散射表面缺陷探測(cè)儀2.掃描電子顯微鏡3.測(cè)量結(jié)果分析1)高壓電極微放電。2)移動(dòng)機(jī)械的機(jī)械手、真空片盒等裝卸裝置。3)注入機(jī)清洗不當(dāng)造成的顆粒源。4)溫度過高造成脫落的光刻膠。5)硅片背面的冷卻橡膠。6)靶盤、靶盤腔、靶室門、真空度。7)硅片清洗不徹底造成的顆粒源。9.8摻雜實(shí)驗(yàn)9.8.1擴(kuò)散工藝模擬實(shí)驗(yàn)擴(kuò)散式半導(dǎo)體器件中的基本摻雜方法。Athena中擴(kuò)散的基本命令為“diffuse”。其主要參數(shù)包括擴(kuò)散的時(shí)間、溫度和擴(kuò)散源的濃度。9.8

37、.2離子注入工藝模擬實(shí)驗(yàn)離子注入是半導(dǎo)體器件中的主要摻雜方法。Athena中離子注入的基本命令為implant。圖9-55B離子注入后的濃度分布圖【作業(yè)布置】【課后分析】第十章 平坦化【教學(xué)目標(biāo)與要求】1.了解平坦化技術(shù)的分類2.熟悉CMP的機(jī)理、設(shè)備和工藝控制3熟悉CMP的質(zhì)量控制【教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】平坦化技術(shù)的作用、CMP工藝及質(zhì)量控制【課程類型】【教學(xué)方法與手段】【學(xué)時(shí)分配】【教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)過程】10.1概述圖 10-1兩層布線表面的不平整圖 10-2多層布線技術(shù)圖10-3平坦化術(shù)語1)平滑處理：平坦化后使臺(tái)階圓滑和側(cè)壁傾斜，但高度沒有顯著減小，如圖10-3b所示。2)部分平坦化：平坦化后

38、使臺(tái)階圓滑，且臺(tái)階高度局部減小，如圖10-3c所示。3)局部平坦化：使硅片上的局部區(qū)域達(dá)到平坦化。4)全局平坦化：使整個(gè)硅片表面總的臺(tái)階高度顯著減小，使整個(gè)硅片表面平坦化，如圖10-3e所示。10.2傳統(tǒng)平坦化技術(shù)10.2.1反刻 反刻平坦化是在起伏的硅片表面旋涂一層厚的介質(zhì)材料或其他材料（如光刻膠或SOG），這層材料可以填充空洞和表面的低處，將作為平坦化的犧牲層，如圖104a所示。然后用干法刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕，利用高處刻蝕速率快，低處刻蝕速率慢來實(shí)現(xiàn)平坦化。當(dāng)被刻蝕的介質(zhì)層達(dá)到希望的厚度時(shí)刻蝕停止，這樣把起伏的表面變得相對(duì)平滑，實(shí)現(xiàn)了局部平坦化，如圖104b所示。圖 10-4反刻平坦10.2傳

39、統(tǒng)平坦化技術(shù)10.2.2玻璃回流 玻璃回流是對(duì)作為層間介質(zhì)的硼磷硅玻璃（BPSG）或其他的摻雜氧化硅膜層進(jìn)行加熱升溫，使玻璃膜層發(fā)生流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)平坦化的技術(shù)，如圖105所示。一般，BPSG在氮?dú)猸h(huán)境中，在850加熱30min就發(fā)生流動(dòng)，這樣可使臺(tái)階處變成斜坡。玻璃回流不能滿足深亞微米IC的平坦化要求。圖10-5玻璃回流10.2.3旋涂玻璃法旋涂玻璃法(Spin On Glass)主要是在起伏的硅片表面旋涂含有溶劑的液體材料，這樣表面低處和縫隙將被填充，然后進(jìn)行烘烤固化，使溶劑蒸發(fā)，即可獲得表面形貌的平滑效果，如圖106所示。圖10-6旋涂玻璃10.3 化學(xué)機(jī)械平坦化圖10-7化學(xué)機(jī)械平坦化原理圖

40、10.3.1CMP優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)1) 能獲得全局平坦化。2) 對(duì)于各種各樣的硅片表面都能平坦化。3) 可對(duì)多層材料進(jìn)行平坦化。4) 減小嚴(yán)重的表面起伏，使層間介質(zhì)和金屬層平坦，可以實(shí)現(xiàn)更小的設(shè)計(jì)圖形，更多層的金屬互連，提高電路的可靠性、速度和良品率。5) 解決了銅布線難以刻蝕良好圖形的問題。6) 通過減薄表層材料，可以去掉表面缺陷。7) CMP是濕法研磨，不使用干法刻蝕中常用的危險(xiǎn)氣體。8) CMP可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化、大批量生產(chǎn)、高可靠性和關(guān)鍵參數(shù)控制。2.缺點(diǎn)1) 影響平坦化質(zhì)量的工藝因素很多且不易控制。2) CMP進(jìn)行平坦化的同時(shí)也會(huì)引入新的缺陷。3) 需要配套的設(shè)備、材料、工藝控制技

41、術(shù)，這是一個(gè)需要開發(fā)、提高的系統(tǒng)工程。4) 設(shè)備、技術(shù)、耗材、維護(hù)等十分昂貴。10.3.2CMP機(jī)理CMP工作原理是將硅片固定在拋光頭的最下面，將拋光墊放置在研磨盤上，拋光時(shí)，旋轉(zhuǎn)的拋光頭以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，由亞微米或納米磨粒和化學(xué)溶液組成的研磨液在硅片表面和拋光墊之間流動(dòng)，然后研磨液在拋光墊的傳輸和離心力的作用下，均勻分布其上，在硅片和拋光墊之間形成一層研磨液液體薄膜。研磨液中的化學(xué)成分與硅片表面材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，將不溶的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶物質(zhì)，或者將硬度高的物質(zhì)進(jìn)行軟化，然后通過磨粒的微機(jī)械摩擦作用將這些化學(xué)反應(yīng)物從硅片表面去除，溶入流動(dòng)的液體中帶走，即在化學(xué)去膜和機(jī)械去膜的交替過

42、程中實(shí)現(xiàn)平坦化的目的，如圖108所示。圖10-8CMP具體步驟1) 化學(xué)過程：研磨液中的化學(xué)品和硅片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成比較容易去除的物質(zhì)；2) 物理過程：研磨液中的磨粒和硅片表面材料發(fā)生機(jī)械物理摩擦，去除化學(xué)反應(yīng)生成的物質(zhì)。1. CMP機(jī)理模型(1) Preston方程從微觀上來看，拋光同時(shí)是機(jī)械摩擦作用也是化學(xué)行為，理想的情況是化學(xué)作用速率和機(jī)械磨除速率相等，但這很難達(dá)到。(2) Cook的模型Cook模型僅適用于單純的硅片拋光，是目前描述拋光最詳細(xì)的模型。2. CMP主要參數(shù)(1)平均磨除率(MRR)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)磨除材料的厚度是工業(yè)生產(chǎn)所需要的。(2)CMP平整度與均勻性平整度是硅片某

43、處CMP前后臺(tái)階高度之差占CMP之前臺(tái)階高度的百分比。圖10-9硅片平整度的測(cè)量(3)選擇比在CMP中，對(duì)不同材料的拋光速率是影響硅片平整性和均勻性的一個(gè)重要因素。圖10-10CMP選擇比應(yīng)用圖10-11阻擋層(4)表面缺陷CMP工藝造成的硅片表面缺陷一般包括擦傷或溝、凹陷、侵蝕、殘留物和顆粒污染。1)硅片表面上的擦痕或溝。圖10-12CMP微擦痕造成的鎢塞間的短路圖10-13大圖形中的CMP凹陷現(xiàn)象1) 侵蝕。圖10-14高密度圖形區(qū)域的CMP侵蝕2)凹陷。圖10-15由于侵蝕帶來的不完全通孔刻蝕問題4)殘留物。10.3.3CMP設(shè)備1. CMP設(shè)備組成圖10-16CMP設(shè)備組成(1)拋光機(jī)

44、運(yùn)動(dòng)組件(常叫拋光機(jī))包括拋光頭、研磨盤，是實(shí)現(xiàn)CMP的關(guān)鍵機(jī)械裝置。1)拋光頭組件。圖10-17拋光圖10-18CMP非均勻邊沿區(qū)域圖 10-19更新的拋光頭設(shè)計(jì)2)研磨盤是CMP研磨的支撐平臺(tái)，其作用是承載拋光墊并帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。(2) 研磨過程的控制它是控制拋光頭壓力大小、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、開關(guān)動(dòng)作、研磨盤動(dòng)作的電路和裝置。(3) 拋光墊與拋光墊修整1)拋光墊大多是使用發(fā)泡式的多孔聚亞胺脂材料制成，是一種多孔的海綿，利用這種類似海綿的機(jī)械特性和多孔特性的材料，提高拋光的均勻性。圖10-20拋光2)拋光墊修整。3)拋光墊壽命及定期更換。 (4)研磨液的供給與循環(huán)系統(tǒng)1)研磨液由磨粒、酸堿劑、純水及添加

45、物構(gòu)成，其成分見表10-1。表10-1研磨液成分2)研磨液供給與輸送系統(tǒng)。 研磨液供給與輸送系統(tǒng)與CMP工藝之間的關(guān)系：研磨液中的化學(xué)品在配比混合輸送過程中可能有許多變化，這一點(diǎn)，使輸送給機(jī)臺(tái)的研磨液質(zhì)量與拋光工藝的成功形成了非常緊密的關(guān)系，其程度超過了與高純化學(xué)品的聯(lián)系。盡管CMP設(shè)備是控制并影響CMP工藝結(jié)果的主要因素，但是研磨液在避免缺陷和影響CMP的平均拋光速率方面起著巨大的作用。 研磨液供給與輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：通過恰當(dāng)設(shè)計(jì)和管理研磨液供給與輸送系統(tǒng)來保證CMP工藝的一致性。研磨液的混合、過濾、滴定以及系統(tǒng)的清洗等程序會(huì)減輕很多與研磨液相關(guān)的問題。那么就要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的研磨液的供給與

46、輸送系統(tǒng)，完成研磨液的管理，控制研磨液的混合、過濾、濃度、滴定及系統(tǒng)的清洗，減少研磨液在供給、輸送過程中可能出現(xiàn)的問題和缺陷，保證CMP的平坦化效果。 研磨液混合和輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：攪動(dòng)：一般來講，研磨液中的固體顆粒經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)逐漸淀積，為了滿足特定的工藝要求，必須保持桶中和儲(chǔ)蓄罐中的液體均一，專業(yè)的研磨液系統(tǒng)制造商可以為每種研磨液設(shè)置特定的淀積率和分散率。 各種CMP工藝的操作問題：在處理化學(xué)品和研磨液時(shí)，一定要理解各種化學(xué)品之間的細(xì)微差別，并在系統(tǒng)中將這些不同點(diǎn)體現(xiàn)出來。半導(dǎo)體工業(yè)使用的化學(xué)品已經(jīng)超過了2000種，任何兩種化學(xué)品在操作和安全方面都不同。在處理研磨液過程中，其特性和問題

47、基本上和工藝有關(guān)。研磨液參數(shù)對(duì)特定CMP應(yīng)用工藝的影響見表10-2。作為成熟的工藝，氧化物和鎢CMP都各自面臨挑戰(zhàn)。作為新出現(xiàn)的技術(shù)，STI、銅和低k介質(zhì)為業(yè)界帶來新的挑戰(zhàn)。表10-2研磨液參數(shù)對(duì)特定CMP應(yīng)用工藝的影響 拋光研磨液后處理：作為消耗品，研磨液一般是一次性使用。隨著CMP市場(chǎng)的擴(kuò)大，拋光研磨液的排放及后處理工作量也在增大(出于環(huán)保原因，即使研磨液不再重復(fù)利用，也必須先處理才可以排放)。而且，拋光研磨液價(jià)格昂貴，如何對(duì)拋光研磨液進(jìn)行后處理，補(bǔ)充必要的化學(xué)添加劑，重復(fù)利用其中的有效成分，或降級(jí)使用，不僅可以減少環(huán)境污染，而且可以大大降低加工成本。拋光研磨液的后處理研究將是未來的新研究

48、熱點(diǎn)。(5)終點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備終點(diǎn)檢測(cè)是檢測(cè)CMP工藝把材料磨除到一個(gè)正確的厚度的能力。1)電動(dòng)機(jī)電流終點(diǎn)檢測(cè)。2)光學(xué)干涉法終點(diǎn)檢測(cè)。圖10-21終點(diǎn)檢測(cè)的光學(xué)干涉圖10-22CMP后的CMOS電路剖面圖(未經(jīng)過光學(xué)檢測(cè))圖10-23經(jīng)光學(xué)終點(diǎn)檢測(cè)后的剖面圖3)先進(jìn)的終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)紅外終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)。 (6)清洗設(shè)備與干出干進(jìn)過去CMP設(shè)備只是研磨拋光，與清洗設(shè)備是分開的。2. CMP設(shè)備的發(fā)展(1)單拋光頭旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)CMP 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備是用以玻璃陶瓷或其他金屬的磨平拋光設(shè)備為基礎(chǔ)的，這種設(shè)備由單個(gè)研磨盤和單個(gè)拋光頭構(gòu)成。(2) 多拋光頭旋轉(zhuǎn)式CMP系統(tǒng)隨著生產(chǎn)力需求和缺陷標(biāo)準(zhǔn)提高，出現(xiàn)了多研磨頭的旋轉(zhuǎn)體

49、系，這類設(shè)備有很多種。圖10-24多拋光頭CMP設(shè)備 (3) 多研磨盤CMP系統(tǒng)由于Auriga公司和Symphony公司的設(shè)備缺乏靈活性，例如加工的硅片片數(shù)是22片而不是25片硅片，就不能發(fā)揮它們生產(chǎn)力高的優(yōu)點(diǎn)。(4) 軌道式CMP系統(tǒng)由于對(duì)于工藝的靈活性和生產(chǎn)力的需求提高，IPEC公司開發(fā)出了676軌道式CMP系統(tǒng)。(5) 線性CMP設(shè)備最后，有些公司開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)高線速度的線性CMP設(shè)備。10.3.4CMP工藝控制 CMP工藝操作雖然簡(jiǎn)單，可是CMP效果受多方面因素的控制，所以要得到期望的效果，工藝控制就非常重要。1. CMP工藝流程1)前期準(zhǔn)備：根據(jù)研磨的材料對(duì)象(如硅、二氧化硅、鋁、

50、銅等)、工藝對(duì)象(STI、ILD、LI等)來選擇合適的研磨液、拋光墊、清洗液等消耗品，并按照要求做好CMP設(shè)備、硅片、化學(xué)品(研磨液、清洗液)配置和輸送系統(tǒng)、環(huán)境等的前期準(zhǔn)備(例如設(shè)備和硅片清洗、檢測(cè)，環(huán)境是否達(dá)到要求等)。2)研磨拋光、清洗、甩干：按照工藝文件的要求設(shè)置工藝參數(shù)進(jìn)行CMP、清洗和甩干并監(jiān)控工藝過程，做好工藝記錄。3)質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)估：按照檢驗(yàn)工藝文件的檢測(cè)方案(抽樣、質(zhì)量參數(shù)、檢測(cè)工具和儀器、測(cè)量點(diǎn)等)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，并按照標(biāo)準(zhǔn)判斷CMP工藝的合格性，做好記錄。2. 影響CMP效果的主要參數(shù)表10-3影響CMP效果的主要參數(shù)圖10-25單晶硅片拋光速率v與壓力p的關(guān)系圖(1)

51、拋光頭壓力以對(duì)單晶硅片進(jìn)行CMP為例來說明。 (2)拋光頭與研磨盤間的相對(duì)速度拋光速率隨著拋光頭與研磨盤間的相對(duì)速度的增大而增大。(3)拋光墊拋光墊是在CMP中決定拋光速率和平坦化能力的一個(gè)重要部件。 碎片后為防止缺陷而更換拋光墊。 優(yōu)化襯墊選擇以便取得好的硅片內(nèi)和硬膜內(nèi)的均勻性和平坦化(建議采用層疊或兩層墊)。 運(yùn)用集成的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研磨墊溫度控制。 孔型墊設(shè)計(jì)、表面紋理化、打孔和制成流動(dòng)渠道等有利于研磨液的傳送。 CMP前對(duì)研磨墊進(jìn)行修正、造型或平整。 有規(guī)律地對(duì)研磨墊用刷子或金剛石修整器做臨場(chǎng)和場(chǎng)外修整。 (4) 研磨液研磨液是影響CMP速率和效果的重要因素，在半導(dǎo)體工藝中，針對(duì)Si

52、O2、鎢栓、多晶硅和銅，需要用不同的研磨液來進(jìn)行研磨，不同廠家的研磨液的特性也有所區(qū)別。1)磨粒。 磨粒材料：對(duì)不同的薄膜CMP和不同工藝的CMP要精心選擇磨粒材料。即使是對(duì)同種薄膜材料進(jìn)行CMP，其磨粒材料不同，拋光速率也不同。例如對(duì)于ILD氧化硅進(jìn)行CMP ,采用二氧化鈰(CeO2 )作為磨粒的拋光速率比用氣相納米SiO2為磨粒的拋光速率大約快3倍。Christopher L.Borst對(duì)含碳量不同的三種PECVD的SiOC進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SiOC在基于SiO2 磨粒的堿性研磨液作用下的拋光速率明顯高于基于氧化鋁磨粒的酸性拋光液作用下的拋光速率，而且隨著pH值的增加，拋光速率顯著增大。

53、圖10-26磨粒含量對(duì)拋光速率的影響 磨粒含量：磨粒含量是指研磨液中磨粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。即(磨粒質(zhì)量/研磨液質(zhì)量)100%，又叫磨粒濃度。由圖10-26可知，對(duì)于硅拋光，在低磨粒含量時(shí)，在一定范圍內(nèi)對(duì)硅的拋光速率隨著磨粒含量的增加而增加，平整度趨于更好。這主要是由于，隨著磨粒含量的提高，研磨液中參與機(jī)械研磨的有效粒子數(shù)增多，拋光液的質(zhì)量傳遞作用提高，使平坦化速率增加，可以減小塌邊情況的發(fā)生。但并不是磨粒含量越高越好，當(dāng)磨粒含量達(dá)到一定值之后，平坦化速率增加緩慢，且流動(dòng)性也會(huì)受影響，成本也增加，不利于拋光。要通過實(shí)驗(yàn)對(duì)確定的拋光對(duì)象找出一個(gè)最優(yōu)的磨粒含量。10.3化學(xué)機(jī)械平坦化 磨粒大小及硬度：隨

54、著微粒尺寸和硬度的增加，去除速率也隨之增加。但會(huì)產(chǎn)生更多的凹痕和劃傷。所以要很細(xì)心地選擇顆粒的大小和硬度，顆粒硬度要比去除材料的硬度小。要不能使平坦化的表面產(chǎn)生凹痕和擦傷等表面缺陷。2)研磨液的選擇性：對(duì)確定的研磨液，在同樣條件下對(duì)兩種不同的薄膜材料進(jìn)行拋光時(shí)其拋光速率的不同，這就是研磨液的選擇性。3)研磨液中添加物的濃度與pH值：與MRR有直接關(guān)系。 (5)溫度對(duì)去除率的影響CMP在加工過程中無論是酸性液體還是堿性液體，在與去除材料的化學(xué)反應(yīng)中都是放熱的反應(yīng)，造成溫度的上升，同時(shí)在加工過程中，由于拋光頭的壓力作用和拋光頭及研磨盤的旋轉(zhuǎn)具有做功的情況，所以有能量的釋放，造成溫度的上升。(6)

55、薄膜特性CMP研磨薄膜材料的性質(zhì)(化學(xué)成分、硬度、密度、表面狀況等)也影響拋光速度和拋光效果。3. CMP主要工藝控制(1)研磨速率的控制CMP的基本工藝控制主要是改變研磨盤轉(zhuǎn)速、拋光頭角速度和研磨壓力。(2)硅片內(nèi)拋光均勻性控制研磨均勻性是考量CMP的一個(gè)非常重要的考核指標(biāo)，必須很好地優(yōu)化設(shè)備、耗材和工藝。 (3)CMP后清洗清洗液的成分、濃度和清洗設(shè)備有機(jī)地結(jié)合，可以達(dá)到清洗的最佳效果。表10-4CMP工藝對(duì)象與CMP后清洗10.3.5CMP應(yīng)用CMP技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，有如下幾個(gè)方面：半導(dǎo)體表面的平坦化處理；去除硅片損傷層，達(dá)成良好的表面粗度與平坦度；CMP用在無電鍍磷化鎳鋁鎂基板的雙面拋光。此外還有一些其他應(yīng)用，如鏡頭、薄膜液晶顯示器的零