【文章內(nèi)容簡介】 限性。 本論文的研究目的與內(nèi)容在本論文中，主要研究國產(chǎn)CMP設備在reclaim工藝過程中表面缺陷優(yōu)化問題，通過對拋光管單元對硅片表面劃傷的影響，以及對后清洗工序對表面清洗效果的研究和分析，得到了一組完整的優(yōu)化方案，有效的改善了硅片表面缺陷問題。主要內(nèi)容如下：第一章介紹了CMP工藝以及CMP工藝應用在集成電路中的優(yōu)點和面臨的問題。第二章對本文用到的實驗設備、實驗方法和CMP機理進行了介紹。第三章主要對CMP的后道清洗工藝對硅片表面沾污的影響進行了分析。第四章主要研究了以下幾個部分：；；；最后將得到的優(yōu)化參數(shù)條件應用在Reclaim CMP工藝中，CMP后表面缺陷和沾污得到了有效的控制。第五章對全文進行了總結，并做出了展望。15第二章 Cu CMP試驗設備及理論方法第二章 Reclaim CMP試驗設備及理論方法 試驗設備 化學機械研磨設備 為了確保硅片的拋光加工精度，根據(jù)工藝要求對硅片進行三道拋光工序，分別是粗拋光、細拋光和精拋光。粗拋工序的目的是去重復利用的控擋片表面損傷層，一般拋光加工量約15um～20um；細拋工序的目的是進一步降低硅片表面平整度以及粗糙度，一般拋光加工量約為3um～6um；精拋工序的目的是“去霧”， 確保硅片表面有極高的納米形貌特性，一般拋光加工量約小于1um。 目前，12英寸CMP設備市場中主要是應用材料（占有率70%）和EBARA（占有率30%），國內(nèi)專注于CMP設備研發(fā)的天津華海清科公司也初具規(guī)模。本文實驗過程中細拋光和精拋光工序正是采用華海清科公司的Universal 300型化學機械拋光機（CMP）。該型設備可實現(xiàn)300mm（12英寸）晶圓（wafer）“干進干出”的化學機械拋光工藝，適用于集成電路制造、晶圓基片生產(chǎn)、拋光耗材研發(fā)、拋光工藝探索等領域。其結構采用獨立單元、模塊化組合設計，共有2個拋光單元，每個單元含1個研磨頭，1個platen，即在2個獨立的拋光單元上使用不同研磨液實現(xiàn)細拋光和精拋光2步工序。每個拋光單元用單頭固定在穩(wěn)定的基座上面，不同研磨頭在不同的platen上面研磨，這種類型設計其優(yōu)勢在于消除了研磨頭之間的相互影響，保證了更穩(wěn)定的工藝結果。且硅片在每個platen磨完，都會經(jīng)過Loadcup清洗，消除了某公司LK型號platen1磨完，硅片將platen1的研磨液帶到platen2造成交叉污染的影響。 CMP Universal 300設備由于拋光片的分界面化學反應和研磨微粒的存在，在CMP(chemical mechanical planarization)工藝中，必然會引入表面缺陷和沾污。在硅片表面全局平坦化以后，必須進行有效的清洗來實現(xiàn)CMP工藝的優(yōu)點。為了確保得到進一步金屬化所需要的無缺陷無沾污硅片表面，CMP后清洗工藝是必需步驟。硅片表面的沾污主要有兩種，微粒沾污和金屬雜質。針對造成這兩種缺陷的成因，選擇化學濕法清洗的辦法對其表面進行清洗。出CMP后的硅片首先要經(jīng)過含有具有腐蝕金屬離子的化學品機臺清洗，然后再經(jīng)過能去除表面微?；瘜W品的機臺進行清洗從而達到最終的理想效果，整個流程如圖可以說CMP后清洗是是整個工藝過程必不可少的一環(huán)，它影響著整個工藝平坦化的質量。 Reclaim CMP 后清洗流程 SEM掃描電鏡 SEM（scanning electron microscopy）掃描電子顯微鏡簡稱掃描電鏡，它介于透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀的觀察工具，利用固體表面物質的性能進行電鏡掃描成像。電鏡掃描鏡的優(yōu)點：。，景深，立體感強，其凹凸不平的表面結構可直接觀察。SEM在半導體制造行業(yè)里必不可少的設備。它能及時的發(fā)現(xiàn)問題，分析成分，找出原因。 SEM設備結構示意圖 KLATencor公司 eDR7280型缺陷掃描設備KLATencor公司是工藝控制與良率管理解決方案的領先提供商，它與全球客戶合作，開發(fā)先進的檢測與量測技術。該公司的eDR7280電子束檢查系統(tǒng)具備增強型影像記錄和自動缺陷分類能力，能夠精確表述由寬波段等離子檢測儀偵測出的缺陷群，從而大幅度縮短缺陷發(fā)現(xiàn)所需的時間。 試驗方法及原理 化學機械研磨Universal 300主要分為三大部分：研磨（Polish）、清洗（Cleaner）和機械傳送（EFEM）。 Universal 300的示意圖第二章 Reclaim CMP試驗設備及理論方法研磨（CMP）：共有2個研磨頭，2個研磨盤，第一步，粗磨，在CMP1研磨盤上研磨液的幫助下用高效的研磨速率來去除硅片表面大部分缺陷層。第二步，在CMP2研磨盤上采用精磨，修復CMP1導致的細小劃傷。 Universal 300 CMP 示意圖清洗（Cleaner）：硅片完成拋光后，在兆聲清洗單元進行兆聲波清洗，去除硅片表面的大顆粒，并初步去除晶圓表面殘留的化學品，硅片完成兆聲清洗后，進行兩道刷洗單元進行清洗。晶圓在刷洗單元串行加工，逐步清洗掉晶圓表面的顆粒和殘留的化學品。硅片完成刷洗后，進入干燥單元進行甩干，去除晶圓表面殘留的去離子水，完成晶圓加工工藝。CMP后道清洗是CMP很重要的一部分，其目的是把硅片的殘留顆粒清洗下去。 Universal 300 cleaner 示意圖清洗的第一步為超聲波振蕩單元（Meg），其工作原理mega中兆聲波清洗的機理是由高頻振效應對硅片展開清洗的。，清洗時，晶圓支撐滾輪以及晶圓夾持機將wafer固定住并開始轉動，mega換能器產(chǎn)生高能聲波，水溶液分子于該類聲波推動下展開加速運動，以高速流體波形式，通過兆聲噴頭連續(xù)沖擊wafer表面,令硅片表面所附著污染物的細小微粒被強制除去。兆聲噴頭 晶片 MEG結構圖與工作示意圖然后經(jīng)過刷子（Brush），刷洗是去除硅片微粒最古老和有效的一種方法，材料去除力的機械分力由刷毛提供。刷子作用于硅片一面或兩面來去除硅片表面的微粒。刷子用聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)制成，潮濕時質地松軟，它利用液體水動力對表面微粒施加去除作用。去離子水在脫落微粒和硅片表面之間產(chǎn)生靜電作用，用它可以防止微粒再度沉淀。在Brush刷洗過程中會有添加活性添加劑噴硅片的正面，通過活性添加劑降低硅片表面顆粒與表面之間的引力，活性添加劑滲透到硅片與顆粒之間使其分開，顆粒很容易的脫離硅片表面，快速清理硅片表面，提高清洗效率[19,20,21]。 brush工作示意圖及其原理圖干燥是后清洗流程中最后一道工序。Universal 300機臺采用高速甩干與氮氣吹掃相結合的干燥方式。使其硅片表面的水分快速揮發(fā)，達到干燥的效果。 干燥箱體結構圖EFEM單元是流程的起始與結束單元，干的控擋片從EFEM單元流去，經(jīng)過制成后在回到EFEM單元。EFEM單元只要包括：三個Loadport，R1機械手送硅片實現(xiàn)干進干出，R1機械手臂傳送硅片實現(xiàn)干進干出，控擋片經(jīng)過Dryer甩干后，由R1機械手臂傳送回晶盒里。在晶盒到達之后，取出晶盒里面的控擋片傳送至移動buffer,移動buffer在EFEM的干燥機械手和CMP機械手之間轉移控擋片。然后經(jīng)過R2機械手傳送至CMP1單元內(nèi)。 EFEM內(nèi)室圖 工藝條件硅片在拋光過程中，機械作用參數(shù)和化學作用參數(shù)都會直接影響到拋光過程中硅片去除率，想要達到高效率和高品質拋光效果，要求令化學作用過程和機械作用過程展開優(yōu)良的匹配。若化學腐蝕的作用超過了機械磨削功能，便會于拋光表面出現(xiàn)腐蝕坑及橘皮狀波紋；若機械磨削的功能超過了化學腐蝕作用，那么則會于拋光表面產(chǎn)生高損傷層與劃傷。實驗確定的加工工藝條件見下表1所示；拋光過程中，硅片表面將產(chǎn)生各種問題，針對在生產(chǎn)中加工硅硅片時遇到的缺陷問題及相應的原因在本文中逐一解析。項目硅片表面的化學機械拋光粗拋光細拋光精拋光研磨對象硅單硅片的表面研磨墊Suba 800Suba 400Politex拋光液液DPP1550DPP1550NP8040PH值101110111011拋光盤轉速 n /（rmin1）10～100（約62）10～80（59）10～80（59）拋光溫度θ /℃21～2521～2421～24拋光速率 v /（ummin1）～～～拋光壓力 Psi～～～拋光加工量 b /um（～）（～） 硅片拋光工藝條件 SEM掃描電鏡原理掃描電鏡SEM通過電子束打到樣品表面產(chǎn)生的電子作為分析對象，從而分析出其固體表面的結構、成分和形貌。其工作原理是由電子槍發(fā)射出電子，電子在電場下加速，經(jīng)過電子透鏡聚焦，在固體樣品表面聚焦成極細小的電子束。固體樣品與電子束兩者發(fā)生相互作用，激發(fā)固體樣品產(chǎn)生出各種物理信號，其強度隨固體樣品表面特征而改變。這些特征信號被按種類、成比例的轉換為視頻信號，再經(jīng)過視頻放大和信號處理，在螢光屏上獲得能反應固體樣品表面的特征的電鏡掃面圖像。其放大倍數(shù)可以得到調節(jié)。其主要結構由三大部分組成：電子束系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。 掃描電鏡原理 Reclaim CMP 機理CMP化學反應屬于復雜化機理,由于面臨著不同的拋光對象，因此有著不同的反應機理，本文僅對化學反應機理的研究現(xiàn)狀展開簡單介紹。透過對硅片表面各類材料的化學機械拋光過程內(nèi)的化學反應機理展開研究，最終總結CMP化學反應的通式：K1α1M0+β1R0 （）式中：M0為硅片表面未被反應物質（比方Si、SiO2互連金屬、介電質等），R0為拋光液內(nèi)的氧化劑、絡合劑等反應劑, Lb表示化學反應于硅片表面產(chǎn)生的化學反應物薄膜層（其未被磨粒磨除）, Df為副產(chǎn)物（氣、液或溶于拋光液反應產(chǎn)物）,αβnm1為系數(shù)（摩爾數(shù)）。K1速率參數(shù),其大小是由氧化劑化學性質所決定的。下面就Reclaim CMP單晶硅片[22,23]化學反應的機理現(xiàn)展作一個總結：（1） 拋光液:單晶硅片通常運用的是堿性的拋光液，PH值通常界乎911間，包括氧化鎂水劑、二氧化鈦堿性液、二氧化鋯氧化性溶液、銅離子酸性溶液等。為有效改進硅片的表面性能，提升拋光液的穩(wěn)定性能與懸浮性，偶爾也會加進一些有機多輕基胺。現(xiàn)階段運用最多的即氧化硅堿性拋光液。其主要化學反應式如下： （）（2）磨粒：磨粒通常運用的是SiO2。以SiO2（磨粒）拋光液時,其不但能發(fā)揮機械動力學（磨除）功能,還有效地加速化學動力學過程，其反應式為： （）由于SiO2（四價硅）于一定壓力與溫度下將先和硅反應生成SiO（二價硅）,接著和堿展開氧化還原反應。實驗顯示,反應式（）比反應式（）的進行容易許多，膠體在拋光過程中，可能會引發(fā)催化劑作用。因此，盡管加進了少許的SiO2磨粒,卻能發(fā)揮提升拋光速率幾十倍的功效。（3） PH值穩(wěn)定劑選擇:堿性拋光液內(nèi)堿挑選是極為重要的,主要表現(xiàn)在，一方面其能有效保障PH值的穩(wěn)定性,另一方面應無毒等。通常粗拋時用氫氧化鈉或氫氧化鉀,精拋時一般選擇氨水。但堿金屬離子在拋光過程中容易進入硅襯底,引起器件局部穿通,使芯片可靠性降低。而氨水卻容易造成環(huán)境污染，且將引發(fā)PH值不穩(wěn)定的問題?；谶@個原因，當前一些廠家會挑選有機氨替代氫氧化鈉（鉀）與氨水。實證顯示：相同值條件下，拋光液內(nèi)添加的有機堿拋光速率要高于添加無機堿的拋光速率。由于其和SiO32作用不同，因此，水溶液內(nèi)，鈉離子對產(chǎn)物SiO32的作用較有機堿弱,使產(chǎn)物脫離硅片表面的速率也較低。57第三章 后道濕法清洗工藝對控擋片沾污去除的影響研究第三章 后道濕法清洗工藝對控擋片沾污去除的影響研究濕法腐蝕從半導體制造業(yè)開始之初，就被廣泛的接受和使用，是半導體生產(chǎn)過程中達到圖形轉移的進程，屬于關鍵的刻蝕工藝。通常來講，互聯(lián)材料一旦淀積于硅片表面，先通過光刻技術將其曝光顯影，定義電路圖形，接著依據(jù)圖形有選擇地去除材料，便會產(chǎn)生具相關功能的電路，這類有選擇的去除過程即刻蝕[24]。即，刻蝕屬于不可逆轉的過程，材料在去掉之后便不可能恢復，基于這個原因，對于刻蝕工藝展開的控制十分關鍵，要求能有效保障工藝準確地開展，如果不然，便只能報廢硅片。刻蝕在芯片制備中會運用到多次，一次光刻便會產(chǎn)生一次刻蝕，刻蝕對象的材料品類也較為繁多，包括金屬鋁、氧化硅、氮化硅等，材料不同，則刻蝕參數(shù)也不同，因此，刻蝕參數(shù)的設置有著多樣性和復雜性，對尺寸也有著嚴格的控制要求。除上述有關圖形的刻蝕之外，還包括無圖形刻蝕，通常情況下，有圖形的刻蝕被用作制備各類不同特點的圖形，無圖形刻蝕則是于整片硅片無掩膜條件下，用作整體剝離掩蔽層，比方淺溝槽的隔離結構內(nèi)，通過系列的膜層淀積、刻蝕、化學機械研磨后便會產(chǎn)生隔離，最后剝離氮化硅阻擋層的過程，制備晶體管注入側墻的硅化物工藝后展開鈦的剝離等。早期運用的反刻同樣屬于無圖形刻蝕，反刻有助于有效降低膜層厚度，包括化學機械研磨工藝在運用前，用作降低形貌特征，實現(xiàn)平坦化目的[25]?？涛g工藝的目標是為了精確復制出光刻圖形，通常慣用的方法包括物理法與化學法，按照反應條件及原理，兩種基本刻蝕工藝也就是干法刻蝕與濕法腐蝕。前者是運用等離子體的功能，和暴露的硅片表面產(chǎn)生物理反應和化學反應