集成电路工艺中减薄与抛光设备的现状及发展.pdf

（总第 228 期）Feb 2014电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE收稿日期：2014-01-21集成电路工艺中减薄与抛光设备的现状及发展费玖海，杨 师，周志奇(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)摘要：晶圆加工是单晶硅衬底和集成电路制造中的关键技术之一，为了得到更稳定的硅片，提高其平整度和表面洁净度，国内外技术人员越来越注重减薄与抛光设备的研究与改进。介绍了针对硅片平坦化工艺的减薄设备及现阶段加工过程中防止碎片的技术方法；介绍了化学机械抛光设备的技术发展现状以及针对硅片抛光的后清洗工艺。关键词：集成电路；硅片；减薄；中图分类号：TN305.2文献标识码：A文章编号：1004-4507(2014)02-0006-05The Trends and the State of Grinding Technology and PolishingProductionsin IC ManufacturingFEI Jiuhai，YANG Shi，ZHOU Zhiqi(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 101601，China)Abstract:Silicon substrate processis one of core technology in IC fabrication.For steady and bettersurface of silicon wafer，Researchers are paying more and more attentions on the structures of Grindingand Polishing.This paper introduces the technology of silicon substrate actuality.Mainly about themeasure of decreasing wafer scrap.Analyzes the technology and development of the polishing andcleaning process of silicon wafer.Keywords:IC；Silicon wafer；Grinding；减薄与抛光技术是晶圆加工过程中必不可少的工序，在集成电路(IC)制造中，已成为与光刻、刻蚀等技术同等重要、且相互依赖的不可缺少的技术。是集成电路进入 0.25 m 以下节点，提高生产效率、降低成本的晶圆全局平坦化关键技术。随着微电子技术向 32 nm、22 nm 及以下技术节点方向发展，IC 平坦化工艺仍然是集成电路制造中的重要支撑技术。目前，抛光工艺已成功延伸应用到 22 nm 节点，在 IC 制造工艺中发挥着重要的作用，已经开始向 16 nm 节点制造趋势与展望6电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（总第 228 期）Feb 2014技术的应用延伸。从 IC 技术应用领域来看，表面抛光已经从最初层间介质（ILD）平坦化应用，发展到目前集成电路制造前段工艺（FEOL）和后段工艺（BEOL）所有 平 坦 化 工 艺 应 用，如 STI、ILD、Tungsten、Cu-wiring 及 Metal Gate 等平坦化工艺。另一方面，受集成电路制造节点技术不断缩小带来的瓶颈效应影响，2006 年开始，3D-IC 封装技术应运而生且快速发展，TSV CMP 技术成为一种重要的工艺手段。除此之外，平坦化设备技术的扩展应用领域包括硅片表面的初始晶圆片平坦化、计算机硬盘、照相机镜头、薄膜液晶显示器铟锡导电玻璃(ITO)与彩色滤光片等的抛光，IC、LED、第三代半导体基片精密研磨、抛光等，平板显示器玻璃基体材料抛光以及先进封装背面减薄抛光等（减薄抛光一体机），其产品晶圆需求逐年递增（见图 1）。1减薄关键工艺及设备由图 2 工艺流程看出，减薄是成品硅片加工的第一道工序。减薄技术主要有磨削、研磨、干式抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子辅助化学腐蚀、常压等离子腐蚀等。其中最常用的背面减薄技术有磨削、湿法腐蚀、常压等离子腐蚀和干式抛光等。硅片研磨减薄技术由于运用时间长，技术相对成熟，而且因为高效、低成本的特点而得到广泛运用。硅片的原始厚度一般为 675775 m，最终要减薄到 100200 m，某些特定产业中，甚至要减薄到 20 m。在硅片减薄工艺中一般不能将硅片磨削到很薄的尺寸，因为如果将硅片直接磨削到芯片封装所需的厚度，由于机械损伤层的存在，在运输和后序工艺中碎片率非常高。因此在实际应用中，首先通过背面减薄的方法将晶圆磨削到接近目标厚度，用磨削的方式去除绝大部分余量，然后利用 CMP 湿法腐蚀、ADPE 和干式抛光中的一种或两种消除磨削引起的损伤层和残余应力，得到无损伤的晶圆表面。随着减薄厚度的降低，硅片的强度减弱，破片率上升。目前针对背面磨削+湿式化学腐蚀的背面减薄工艺，面临的主要废弃模式为周边的缺口、裂纹、裂片，而这些又与减薄时周边的小缺口相关，减薄厚度越低，边缘越尖锐，导致小缺口会增加(见图 3)。因此降低小缺口可显著降低废片率。方法包括调整机械手臂夹紧力；增加刻蚀时间改变硅片边缘尖锐度；减弱硅片放入片盒过程中的碰撞；以及改善取放薄片的正确姿势等。另外，修边加工（见图 4）作为一种解决方案，也有助于减少边缘崩裂现象的发生。这是在研削加工之前预先对晶片边缘部分实施开槽加工，即使是在减薄加工之后晶片边缘也不会形成尖锐锐角的加工工艺。运用该手法可大幅度地降低边缘图2减薄抛光工艺流程图样片清洗原始厚度测量上蜡粘接片压片二次厚度测量样片清洗融蜡取片抛光研磨减薄图3硅片周边的崩裂晶片边缘研销水表面保护胶膜减减薄加工后晶片表面保护胶膜精加工厚度晶片（断面图）图1 2012年统计与预测的各节点晶元销售额度（来源于：Techcet Group）销售额/亿美元2.001.801.601.401.201.000.800.600.400.200.00受金融危机影响的衰退与复苏2005200720092011201320152017200620082010201220142016/年趋势与展望7（总第 228 期）Feb 2014电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE崩裂的发生频率。更为重要的是，在硅片被减薄到 100 m 以下后，除了对减薄自身的挑战外，向后续工艺的硅片传递、搬送也遇到了很大的问题。硅片在这样的厚度下，即使通过应力消减减少了翘曲，但仍然表现出形态上柔软、刚性差，实质脆弱的物理特性。这样的特性给硅片的搬送带来了很大的麻烦。在各道独立的工序间搬送这样的硅片需要特制的硅片支撑系统。硅片支撑系统一般是通过把特制玻璃片粘结在硅片上，使其和加工片一起作为整体被加工，达到可以使用普通搬送机械手和片盒的目的。与此同时，可在搬运系统中使用了与晶片直径相同的搬运吸盘，并且采用可清洁吸盘表面，防止晶片与吸盘之间粘附颗粒状污物的清洗功能（见图 5）。另外，在整个搬运过程中尽量避开手动方式，采用了从研削、DAF 胶膜粘贴、切割框架粘贴、到表面保护薄膜剥离等一系列工序的联机化操作系统（见图 6），使硅片在不用离开真空吸盘的情况下就可以顺次移送到粗磨、精磨、抛光等不同的加工位，完成整个减薄的过程。这一独创的设计完全克服了磨片后硅片的严重翘曲所造成的难以搬送到抛光机的问题。同时也避免了磨片后的严重翘曲使表而损伤扩大，进而破裂的危险。从而能够有效地解决晶片破损的问题，现在研究之中。2抛光及后清洗技术材料抛光过程中，因为存在化学反应等，抛光工艺会产生表面颗粒和污染。只有有效地去除这些表面污染物才能充分利用化学机械抛光来实现硅片表面的整体平坦化。所以目前大部分化学机械抛光设备都与清洗设备捆绑组合。2.1非金属化学机械抛光的现状简 单 而 言，CMP（Chemical Mechanical Pla-narization 化学机械平坦化）抛光工艺就是在一定压力及抛光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫相对运动，借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合，在被研磨的工件表面形成光洁表面（见图 7）。在 CMP 平坦工艺出现之前，集成电路工艺常用的平坦化方法包括:热流法、旋涂式玻璃法、回蚀法、电子环绕式共振法。通过上述工艺方法只能获得晶片的局部平坦化。而 CMP 是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术，它能够将整个晶片上的高低起伏全部磨成理想的厚度。这也是目前许多半导体厂在他们的制造过程中大量采用 CMP 抛光法的最大原因。CMP 过程中最重要的两大组件便是浆料和研磨垫。浆料通常是将一些很细的氧化物粉末(粒图4修边加工图5相同直径的搬运吸盘图6联机化操作系统（DGP8760+DFM2700）同一直径的搬运吸盘硅晶片趋势与展望8电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（总第 228 期）Feb 2014图7 CMP工艺简图径约在 50 nm)分散在水溶液中而制成。研磨垫大多是使用发泡式的多孔聚亚安醋制成。在 CMP 过程中，我们先让浆料填充在研磨垫的空隙中，并提供了高转速的条件，让晶圆在高速旋转下和研磨垫与研磨液中的粉粒作用，同时控制下压的压力等其它参数。CMP 的组成设备分为两部分，即研磨部分和清洗部分。抛光磨料的种类、物理化学性质、粒径大小、颗粒分散度及稳定性等均与抛光效果紧密相关。此外，抛光垫的属性(如材料、平整度等)也极大地影响了化学机械抛光的效果。研磨部分由四部分组成，即研磨液的引入和循环研磨过程的监控。研磨耗材以及研磨运动组件。而清洗部分负责晶圆的清洗和甩干，做到“Dry in-dry out”。化学机械抛光的主要检测参数包括:磨除速率，研磨均匀性以及缺陷量。研磨速率是指给定时间内去除的厚度总量。研磨均匀性又分为晶圆片内均匀性和片间均匀性，晶圆片内均匀性指某片晶圆表面研磨速率的标准偏差，晶圆片间均匀性用于表征一定时间内晶圆表面材料研磨速率的连贯性。对于化学机械抛光而言，主要的缺陷种类包括表面小颗粒、表面刮伤、研磨剂残留等。它们将直接影响产品的良率。CMP 在各层次集成电路制造工艺的非金属平坦化中应用广泛，其中包 括 STI CMP，polyCMP，PMD CMP 和 IMD CMP（见图 8）。（1）浅沟槽隔离平坦化(STI CMP)。STI 目前已成为器件之间隔离的关键技术，已取代 LOCOS(硅的局部氧化)技术。其主要步骤包括在纯硅片上刻蚀浅沟槽、进行二氧化硅沉积、最后用 CMP技术进行表面平坦化。STI CMP 的工艺目标是磨掉比 SIN 层高的所有氧化层，否则 STI 抛光后进行的工艺就不能用热磷酸剥离掉 SIN，从而实现平坦化。在抛光过程中，SIN 被用作抛光阻挡层，通过终点检测当研磨从氧化硅过渡到氮化硅的时候停止抛光过程。另外，氮化硅的厚度也决定了允许的 CMP 过抛光量，并使抛光过程不至于把器件的有源区暴露并带来损伤。STI 抛光工艺的难点之一是避免沟槽中的氧化硅减薄太多，或产生凹陷。这种情况是由于抛光垫使得在压力的作用下，在宽的沟槽区产生缺陷。（2）多晶硅平坦化(Poly CMP)。多晶硅层广泛用于 DRAM 器件制造中的电容结构、门(gate)结构或者多晶硅塞(Plug)等。而 Poly CMP 工艺目前已广泛应用在生产实际中。对于 Poly CMP 而言，保证研磨速率的一致性和可重复性至关重要。早期的 Poly CMP 工艺的弱点就是较难达到这个良好的研磨速率，研磨后晶圆表面的平整度不稳定。这主要是因为这些工艺侧重于利用研磨液的化学作用以磨去多晶硅。殊不知，在这类研磨液作用下，多晶硅表面被反应生成氧化物并因此阻碍硅表面研磨的继续进行。研磨终点的精确控制也是PolyCMP 的重点.否则，对晶圆的过度研磨使得门区域(Gate)、塞子(Plug)中的多晶硅严重磨损，这会影响将来器件的性能因为它有可能改变器件中掺杂结构的电性能。另外，Poly CMP 要能够得到很低的缺陷率和掺杂物的损失。缺陷越少，则器件图8 CMP在集成电路中的应用金属间介质平坦化层间介质平坦化多晶硅平坦化深沟槽隔离平坦化抛光头背膜晶片下压力WC抛光液抛光垫抛光盘WP趋势与展望9（总第 228 期）Feb 2014电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE良率就越高。（3）层间介质平坦化(PMD CMP)。ILD 为实际器件提供 IMD 层的金属连线的绝缘层，ILD 氧化层包括一层薄氮化硅或氮氧化硅，用做器件保护层和金属连线的阻挡层，其上面是一层用等离子增强工艺或高密度等离子体工艺淀积的厚掺杂氧化硅层。（4）金属间介质平坦化(IMD CMP)。淀积在金属层之间的层间介质(IMD)用来对金属导体进行电绝缘。它通常是高密度等离子体 CVD 淀积后，紧接着进行 PECVD 淀积。这是因为 HDPCVD 氧化层具有优良的细缝隙填充特性，而 PECVD 可以提高产量和降低成本。氧化层用 CMP 抛光至特定厚度，不需要抛光停止层。2.2基于CMP的化学清洗工艺CMP 清洗的重点是去除研磨过程中带来的所有污染物。在研磨过程中晶圆会接触到腐蚀性化学品并承受较大的外界压力，导致其表面或次表面区域发生变形或破坏，将影响到器件的稳定性，所以 CMP 清洗的主要目的是去除研磨剂残留、金属污染物以及游离态离子。去除硅片表面的污染物，首先要通过机械方法克服范德华力或者用化学腐蚀污染物表面减小与基底的接触。然后通过改变表面电荷性能以避免颗粒重新粘附到硅片表面。目前清洗机台可分为非接触式清洗（超声波清洗）、接触式清洗（PVC 刷洗）。超声波清洗(Megasonic)是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。双面机械刷洗（Brush Scrubbering）能够同时提供物理清洗和化学清洗，选材一般是聚乙烯醇（PVA）。清洗过程中多孔海绵状呈挤压状态。可同时与 pH 值212 的化学溶液使用。憎水性表面，如 HF 清洗过的 Si 以及部分介质硅片，由于润湿角较大，很容易从刷子上粘附污染颗粒，而这些污染颗粒是从亲水性的晶圆表面吸附到刷子上的。憎水性的容易吸附表面颗粒是因为刷洗过程中憎水的界面存在多重的固-液界面。如果刷子被轻度污染，可以跑一些纯硅片来吸附刷子表面的颗粒，降低刷子的污染度。目前多数清洗设备供应商提供接触清洗、非接触清洗和晶圆甩干三部分的组合方式。其它的清洗工艺正在逐渐用于 CMP 的清洗，如 CO2冷凝清洗和激光烧蚀。目前很多先进的清洗工艺，如Marangoni 或 IPA 清洗，主要用于低介电常数的介质材料清洗。3结束语集成电路产业飞速发展，与之对应的晶圆加工设备市场不断增大。实现对减薄与抛光设备的技术跟踪与超越，对我国电子工业的稳定发展至关重要。不久前，在国家相关项目的扶持之下，减薄抛光及后清洗的硬件集成和进一步工艺优化目前正在开发中，初步结果证明了此套工艺在同一设备上集成的可行性。我们坚信，坚持实事求是的发展规律，全面借鉴和消化国内外的先进技术和经验，勇于改进创新，终会使我国集成电路产业取得更大成就。参考文献：1东精精密设备(上海)有限公司.廖凯.堆叠 3D 封装的关键技术之一-硅片减薄J.中国集成电路，2007(5)：79-81.2HANH P0.The 300 mm silicontechnology challengeJ.Engineering，2001，56(1-2)：3-13.3机械设计手册编委会.机械设计手册（第 2 卷）M.北京：机械工业出版社，2004.4刘涛，高慧莹，张领强，等.化学机械抛光压力控制技术研究J.电子工业专用设备，2010(9)：9-13.趋势与展望10