半導(dǎo)體硅片清洗課時(shí)

1、1會(huì)計(jì)學(xué)半導(dǎo)體硅片清洗課時(shí)半導(dǎo)體硅片清洗課時(shí)2本節(jié)課主要內(nèi)容本節(jié)課主要內(nèi)容硅片清洗硅片清洗濕法清洗：濕法清洗：Piranha，RCA（SC1，SC2），），HF:H2O物理清洗物理清洗干法清洗：氣相化學(xué)干法清洗：氣相化學(xué)吸雜三步驟：吸雜三步驟：激活激活，擴(kuò)散，俘獲，擴(kuò)散，俘獲堿金屬：堿金屬：PSG，超凈化，超凈化Si3N4鈍化保護(hù)鈍化保護(hù)其他金屬：本征吸雜和非本征吸雜其他金屬：本征吸雜和非本征吸雜大密度硅間隙原子體缺陷大密度硅間隙原子體缺陷SiO2的成核生長。硅片背面高濃度摻雜，淀積多晶硅凈化的三個(gè)層次：環(huán)境、硅片清洗、吸雜本節(jié)課主要內(nèi)容本節(jié)課主要內(nèi)容凈化級(jí)別凈化級(jí)別高效凈化高效凈化凈化的必要

2、性凈化的必要性器件：少子壽命器件：少子壽命 ，VT改變，改變，Ion Ioff ，柵擊穿電壓，柵擊穿電壓 ，可靠性，可靠性 電路：產(chǎn)率電路：產(chǎn)率 ，電路性能，電路性能 The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.雜質(zhì)種類：顆粒、有機(jī)雜質(zhì)種類：顆粒、有機(jī)物、金屬、天然氧化層物、金屬、天然氧化層強(qiáng)氧化強(qiáng)氧化天然氧化層HF:DI H2O本征吸雜和非本本征吸

3、雜和非本征吸雜征吸雜4三道防線三道防線:環(huán)境凈化（環(huán)境凈化（clean room）硅片清洗（硅片清洗（wafer cleaning）吸雜（吸雜（gettering）51、空氣凈化、空氣凈化From Intel Museum6凈化級(jí)別：每立方英尺空氣中含有尺度大于凈化級(jí)別：每立方英尺空氣中含有尺度大于0.5m mm的粒子的粒子總數(shù)不超過總數(shù)不超過X個(gè)。個(gè)。0.5um78高效過濾排氣除塵超細(xì)玻璃纖超細(xì)玻璃纖維構(gòu)成的多維構(gòu)成的多孔過濾膜：孔過濾膜：過濾大顆粒，過濾大顆粒，靜電吸附小靜電吸附小顆粒顆粒泵循環(huán)系統(tǒng)泵循環(huán)系統(tǒng)2022 C4046RH9由于集成電路內(nèi)各元件及連線相當(dāng)微細(xì)，因此制造過程中，如果

4、遭到灰塵、金屬的污染，很容易造成芯片內(nèi)電路功能的損壞，形成短路或斷路，導(dǎo)致集成電路的失效！在現(xiàn)代的VLSI工廠中，75%的產(chǎn)品率下降都來源于硅芯片上的顆粒污染。例例1. 一集成電路廠一集成電路廠 產(chǎn)量產(chǎn)量1000片片/周周100芯片芯片/片，芯片，芯片價(jià)格為片價(jià)格為$50/芯片，如果產(chǎn)率為芯片，如果產(chǎn)率為50，則正好保本。若，則正好保本。若要年贏利要年贏利$10,000,000，產(chǎn)率增加需要為，產(chǎn)率增加需要為%8 . 35250$1001000101$7產(chǎn)率提高產(chǎn)率提高3.8%，將帶來年利潤，將帶來年利潤1千萬美元！千萬美元！年開支年開支=年產(chǎn)能年產(chǎn)能為為1億億3千萬千萬100010052$5

5、050%=$130,000,00010Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions.11外來雜質(zhì)的危害性外來雜質(zhì)的危害性例例2. MOS閾值電壓受堿金屬離子的影響閾值電壓受堿金屬離子的影響oxMoxfAsfFBthCqQCqNVV)2(22當(dāng)當(dāng)tox10 nm，QM6.51011 cm-2（ 10 ppm)時(shí)，時(shí)，D DVth0.1 V例例3. MOS DRAM的刷新時(shí)間對(duì)重金屬離子含量的刷新時(shí)間對(duì)重金屬離子含量Nt的要求的要求 1015 cm2，v

6、th=107 cm/s若要求若要求 G100 m ms，則，則Nt 1012 cm-3 =0.02 ppb !tthGNv112顆粒粘附顆粒粘附所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。顆粒來源：顆粒來源：空氣空氣人體人體設(shè)備設(shè)備化學(xué)品化學(xué)品超級(jí)凈化空氣風(fēng)淋吹掃、防護(hù)服、面罩、風(fēng)淋吹掃、防護(hù)服、面罩、手套等，機(jī)器手手套等，機(jī)器手/人人特殊設(shè)計(jì)及材料特殊設(shè)計(jì)及材料定期清洗定期清洗超純化學(xué)品超純化學(xué)品去離子水去離子水13各種可能落在芯片表面的顆粒各種可能落在芯片表面的顆粒14v粒子附著的機(jī)理：靜電力，范德華力，化學(xué)鍵等v去除的機(jī)理有四種： 1氧化分解 2溶解 3對(duì)硅片表面

7、輕微的腐蝕去除 4 粒子和硅片表面的電排斥 去除方法：SC-1, megasonic（超聲清洗）15金屬的玷污來源：化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工藝v量級(jí)：1010原子/cm2影響：在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降增加p-n結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命Fe, Cu, Ni, Cr, W, TiNa, K, Li16不同工藝過程引入的金屬污染干法刻蝕離子注入 去膠水汽氧化910111213Log (concentration/cm2)Fe Ni Cu17金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機(jī)理 通過金屬離子和硅表面終端的氫原子之間的電荷交換，和硅結(jié)合。（難以去除） 氧化時(shí)發(fā)生：硅在氧化時(shí)，雜

8、質(zhì)會(huì)進(jìn)入去除方法：使金屬原子氧化變成可溶性離子 M Mz+ + z e-去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：強(qiáng)氧化劑）還原氧化18有機(jī)物的玷污來源： 環(huán)境中的有機(jī)蒸汽 存儲(chǔ)容器 光刻膠的殘留物去除方法：強(qiáng)氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入純水19自然氧化層（Native Oxide） 在空氣、水中迅速生長 帶來的問題： 接觸電阻增大 難實(shí)現(xiàn)選擇性的CVD或外延 成為金屬雜質(zhì)源 難以生長金屬硅化物 清洗工藝：HFH2O（ca. 1: 50）202、硅片清洗、硅片清洗有機(jī)物有機(jī)物/光刻光刻膠的兩種清膠的兩種清除方法：除方法：氧等離子體干法刻蝕：把光刻膠分解氧等離子

9、體干法刻蝕：把光刻膠分解為氣態(tài)為氣態(tài)CO2H2O（適用于大多數(shù)高分子膜）（適用于大多數(shù)高分子膜）注意：高溫工藝過程會(huì)使污染物擴(kuò)散進(jìn)入硅片或薄膜注意：高溫工藝過程會(huì)使污染物擴(kuò)散進(jìn)入硅片或薄膜前端工藝（前端工藝（FEOL）的清洗尤為重要）的清洗尤為重要SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1把光刻膠分解為把光刻膠分解為CO2H2O（適合于幾乎所有有機(jī)物）（適合于幾乎所有有機(jī)物）21SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7

10、 7080 C, 10min 堿性（堿性（pH值值7）可以氧化有機(jī)膜和金屬形成絡(luò)合物緩慢溶解原始氧化層，并再氧化可以去除顆粒NH4OH對(duì)硅有腐蝕作用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗標(biāo)準(zhǔn)清洗OHOHOHOHOHOHRCA clean is “standard process” used to remove organics, heavy metals and alkali ions.22SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080 C, 10min 酸性（酸性（pH值值7）可以將堿金屬離子及可以將堿金屬離子及Al3、Fe3和和Mg2在在SC-1溶溶液中形成的不溶的氫

11、氧化物反應(yīng)成溶于水的絡(luò)合物液中形成的不溶的氫氧化物反應(yīng)成溶于水的絡(luò)合物可以進(jìn)一步去除殘留的重金屬污染（如可以進(jìn)一步去除殘留的重金屬污染（如Au）RCA與超聲波振動(dòng)共同作用，可以有更好的去顆粒作用與超聲波振動(dòng)共同作用，可以有更好的去顆粒作用2050kHz 或或 1MHz左右。左右。平行于硅片表面的聲壓波使粒子浸潤，然后溶液擴(kuò)散入界面，最后粒子完全浸潤，并成為懸浮的自由粒子。23機(jī)器人自動(dòng)清洗機(jī)機(jī)器人自動(dòng)清洗機(jī)24清洗容器和載體SC1/SPM/SC2 石英（ Quartz ）或 Teflon容器HF 優(yōu)先使用Teflon，其他無色塑料容器也行。硅片的載體 只能用Teflon 或石英片架25清洗設(shè)備

12、清洗設(shè)備超聲清洗超聲清洗噴霧清洗噴霧清洗26洗刷器洗刷器27282930常用的常用的RCA清洗程序清洗程序3132改良式改良式RCA清洗程序清洗程序333435A式清洗程序式清洗程序A式清洗是早期工藝技術(shù)式清洗是早期工藝技術(shù)(3 m以上以上)中常用的清洗程序，中常用的清洗程序，由于晶片經(jīng)由于晶片經(jīng)SC1清洗去除微粒后，要再浸人清洗去除微粒后，要再浸人DHF，這會(huì)產(chǎn)生新的微粒污染，所以在這會(huì)產(chǎn)生新的微粒污染，所以在ULSI 工藝中，工藝中，不再使用不再使用A式清洗，而由式清洗，而由B式清洗所取代。式清洗所取代。3637B式清洗程序式清洗程序383940HF終結(jié)終結(jié)B式清洗程序式清洗程序?yàn)榱吮苊獾?/p>

13、9步DHF浸蝕時(shí)產(chǎn)生 新的微粒，有許多清洗工藝將這一步的改為FPM ( HF+H2O2)或HF + IPA ,以去除微粒及金屬雜質(zhì)、改良表面微粗糙度4142清洗后的晶片應(yīng)避免暴露在空氣中，以免接觸孔底層又產(chǎn)生自然氧清洗后的晶片應(yīng)避免暴露在空氣中，以免接觸孔底層又產(chǎn)生自然氧化物而影響金屬與接觸孔的接觸電阻，所以應(yīng)立即放人金屬濺射機(jī)化物而影響金屬與接觸孔的接觸電阻，所以應(yīng)立即放人金屬濺射機(jī)內(nèi)，快速完成金屬濺鍍。在如需等待金屬濺鍍，清洗后的晶片需存內(nèi)，快速完成金屬濺鍍。在如需等待金屬濺鍍，清洗后的晶片需存放在放在N2氣柜內(nèi)，若等待時(shí)間超過氣柜內(nèi)，若等待時(shí)間超過4小時(shí)，則晶片需要重新清洗。重小時(shí)，則晶

14、片需要重新清洗。重洗不得超過兩次，否則，接觸孔的小洞受洗不得超過兩次，否則，接觸孔的小洞受BHF浸蝕將變大或變形而浸蝕將變大或變形而造成接觸孔破裂，從而影響線路，造成接觸孔橋接短路，影響器件造成接觸孔破裂，從而影響線路，造成接觸孔橋接短路，影響器件的可靠性。的可靠性。4344同時(shí)沉積后的PSG或BPSG經(jīng)高溫致密化及回流后，也會(huì)析出成分為P2O5及B2O3的一層很薄的透明結(jié)晶玻璃，需經(jīng)硫酸清洗以溶去磷、硼玻璃。 在全面離子注人的過程中，雖然晶片表面沒有光刻膠覆蓋，但晶片表面在離子注人時(shí)也會(huì)沉積一層聚合物，因此，需通過硫酸清洗去除這層有機(jī)物污染。 SPM清洗后，晶片表面會(huì)有微粒產(chǎn)生，因此常在SP

15、M清洗后再加上SC1清洗以去除微粒。其清洗程序如上表所示。45464748495051525354FSI公司生產(chǎn)的化學(xué)噴洗機(jī)剖面圖公司生產(chǎn)的化學(xué)噴洗機(jī)剖面圖5556圖圖1 FSI公司生產(chǎn)的化學(xué)噴洗機(jī)化學(xué)溶液管路圖公司生產(chǎn)的化學(xué)噴洗機(jī)化學(xué)溶液管路圖57圖圖2 化學(xué)噴洗機(jī)中央及側(cè)壁噴洗柱化學(xué)噴洗機(jī)中央及側(cè)壁噴洗柱(spray-post)透視圖透視圖585960全流式密閉容器清洗工藝圖全流式密閉容器清洗工藝圖61626364 刷洗機(jī)對(duì)微粒的去除效果與刷洗機(jī)對(duì)微粒的去除效果與Mll洗系洗系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，刷子的統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，刷子的材料、結(jié)構(gòu)和形狀也會(huì)影響微粒的去材料、結(jié)構(gòu)和形狀也

16、會(huì)影響微粒的去除效果。晶片經(jīng)過刷洗去除晶片表面除效果。晶片經(jīng)過刷洗去除晶片表面及背面的微粒污染，在工藝上有很多及背面的微粒污染，在工藝上有很多優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 提升產(chǎn)品合格率。 降低散焦不合格率。 提高生產(chǎn)線的潔凈度 防止微粒的再沉積。 純水刷洗沒有化學(xué)反應(yīng)的影響。656667圖圖3金屬刻蝕后，側(cè)壁殘留物冷凍噴洗前后比較金屬刻蝕后，側(cè)壁殘留物冷凍噴洗前后比較圖4冷凍噴霧清洗與濕式清洗對(duì)金屬腐蝕的影響比較68對(duì)硅造成表面腐蝕較難干燥價(jià)格化學(xué)廢物的處理和先進(jìn)集成工藝的不相容濕法清洗的問題濕法清洗的問題69707172金屬刻蝕后，干式蒸氣清洗前后的比較金屬刻蝕后，干式蒸氣清洗前后的比較7374SMS公司生

17、產(chǎn)的公司生產(chǎn)的SP一一200蒸氣反應(yīng)室結(jié)構(gòu)圖蒸氣反應(yīng)室結(jié)構(gòu)圖7576其它方法舉例其它方法舉例773、吸雜、吸雜把重金屬離子和堿金屬離子從有源區(qū)引導(dǎo)到不重要的區(qū)域。把重金屬離子和堿金屬離子從有源區(qū)引導(dǎo)到不重要的區(qū)域。器件正面的堿金屬離子被吸雜到介質(zhì)層（鈍化層），如器件正面的堿金屬離子被吸雜到介質(zhì)層（鈍化層），如PSG、Si3N4硅片中的金屬離子則被俘獲到體硅中（本征吸雜）或硅片硅片中的金屬離子則被俘獲到體硅中（本征吸雜）或硅片背面（非本征吸雜）背面（非本征吸雜）78硅中深能級(jí)雜質(zhì)（硅中深能級(jí)雜質(zhì)（SRH中心）中心）擴(kuò)散系數(shù)大擴(kuò)散系數(shù)大容易被各種機(jī)械缺陷和化學(xué)陷阱區(qū)域俘獲容易被各種機(jī)械缺陷和化學(xué)陷

18、阱區(qū)域俘獲79吸雜三步驟：吸雜三步驟：雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可動(dòng)原子雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可動(dòng)原子雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散到吸雜中心雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散到吸雜中心雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲80AusI AuI 踢出機(jī)制踢出機(jī)制Aus AuI V 分離機(jī)制分離機(jī)制引入大量的硅間隙原子，可以使金引入大量的硅間隙原子，可以使金Au和鉑和鉑Pt等替位等替位雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙雜質(zhì)，擴(kuò)散速度可以大大提高。雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙雜質(zhì)，擴(kuò)散速度可以大大提高。方法方法高濃度磷擴(kuò)散高濃度磷擴(kuò)散離子注入損傷離子注入損傷SiO2的凝結(jié)析出的凝結(jié)析出激活激活 可動(dòng)，增加擴(kuò)散速度。替位原子可動(dòng)，增加擴(kuò)散速度。替位原

19、子 間隙原子間隙原子81堿金屬離子的吸雜：堿金屬離子的吸雜：PSG可以束縛堿金屬離子成為穩(wěn)定的化合物可以束縛堿金屬離子成為穩(wěn)定的化合物 超過室溫的條件下，堿金屬離子即可擴(kuò)散進(jìn)入超過室溫的條件下，堿金屬離子即可擴(kuò)散進(jìn)入PSG超凈工藝超凈工藝Si3N4鈍化保護(hù)鈍化保護(hù)抵擋堿金屬離子的進(jìn)入抵擋堿金屬離子的進(jìn)入其他金屬離子的吸雜：其他金屬離子的吸雜：本征吸雜本征吸雜 使硅表面使硅表面1020m mm范圍內(nèi)氧原子擴(kuò)散到體硅范圍內(nèi)氧原子擴(kuò)散到體硅內(nèi)，而硅表面的氧原子濃度降低至內(nèi)，而硅表面的氧原子濃度降低至10ppm以下。利用體硅中的以下。利用體硅中的SiO2的凝結(jié)成為吸雜中心。的凝結(jié)成為吸雜中心。非本征吸

20、雜非本征吸雜利用在硅片背面形成損傷或生長一層多晶硅，利用在硅片背面形成損傷或生長一層多晶硅，制造缺陷成為吸雜中心。在器件制作過程中的一些高溫處理制造缺陷成為吸雜中心。在器件制作過程中的一些高溫處理步驟，吸雜自動(dòng)完成。步驟，吸雜自動(dòng)完成。82bipolar8384858687三道防線三道防線:環(huán)境凈化（環(huán)境凈化（clean room）硅片清洗（硅片清洗（wafer cleaning）吸雜（吸雜（gettering）88凈化級(jí)別：每立方英尺空氣中含有尺度大于凈化級(jí)別：每立方英尺空氣中含有尺度大于0.5m mm的粒子的粒子總數(shù)不超過總數(shù)不超過X個(gè)。個(gè)。0.5um89有機(jī)物的玷污來源： 環(huán)境中的有機(jī)蒸汽 存儲(chǔ)容器 光刻膠的殘留物去除方法：強(qiáng)氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入