微納光電子系統(tǒng)(1章 沾污控制)

1、微納光電子系統(tǒng)微納光電子系統(tǒng)黃鷹 教授2014-2-18第第1 1章章 硅片制造中的沾污控制硅片制造中的沾污控制1. 1.沾污源與控制沾污源與控制2. 2.濕法清洗濕法清洗3. 3.干法清洗干法清洗4. 4.硅片吸雜控制硅片吸雜控制1.11.1沾污源與控制沾污源與控制1.1.11.1.1沾污控制的三道防線(xiàn)沾污控制的三道防線(xiàn): :環(huán)境凈化（環(huán)境凈化（clean roomclean room）硅片清洗（硅片清洗（wafer cleaningwafer cleaning）吸雜（吸雜（getteringgettering）1.1.2、環(huán)境凈化環(huán)境凈化凈化級(jí)別：凈化級(jí)別：每立方英尺空氣中含有尺度大于每立

2、方英尺空氣中含有尺度大于0.5m mm的粒的粒子總數(shù)不超過(guò)子總數(shù)不超過(guò)X個(gè)。個(gè)。高效過(guò)濾高效過(guò)濾排氣除塵排氣除塵超細(xì)玻璃纖超細(xì)玻璃纖維構(gòu)成的多維構(gòu)成的多孔過(guò)濾膜：孔過(guò)濾膜：過(guò)濾大顆粒，過(guò)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 C4046RH1.1.3 沾污沾污1.顆粒粘附顆粒粘附所有可以落在硅片表面的都稱(chēng)作顆粒。所有可以落在硅片表面的都稱(chēng)作顆粒。顆粒來(lái)源：顆粒來(lái)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)凈化空氣超級(jí)凈化空氣特殊設(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

3、套等，機(jī)器手/人人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v粒子附著的機(jī)理：靜電力，范德華力，化學(xué)鍵等粒子附著的機(jī)理：靜電力，范德華力，化學(xué)鍵等v去除的機(jī)理有四種：去除的機(jī)理有四種： 1 1. .氧化分解氧化分解 2 2. .溶解溶解 3 3. .對(duì)硅片表面輕微的腐蝕去除對(duì)硅片表面輕微的腐蝕去除 4 4. .粒子和硅片表面的電排斥粒子和硅片表面的電排斥 去除方法：去除方法：SC-1, megasonicSC-1, megasonic（超聲清洗）（超聲清洗）2.金屬的玷污金屬的玷污來(lái)源：來(lái)源：化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工藝藝v量級(jí)：量級(jí)：1

4、010原子原子/cm2影響：影響：在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降增加增加p-n結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命不同工藝過(guò)程引入的金屬污染不同工藝過(guò)程引入的金屬污染干法刻蝕干法刻蝕離子注入離子注入 去膠去膠水汽氧化水汽氧化910111213Log (concentration/cm2)Fe Ni Cu金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機(jī)理金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機(jī)理通過(guò)金屬離子和硅表面終端的氫原子之間的電荷通過(guò)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）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

5、質(zhì)會(huì)進(jìn)入氧化時(shí)發(fā)生：硅在氧化時(shí)，雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入去除方法：使金屬原子氧化變成可溶性離子去除方法：使金屬原子氧化變成可溶性離子 M M MMz+ z+ + z e+ z e- -去除溶液：去除溶液：SC-1, SC-2SC-1, SC-2（H H2 2O O2 2：強(qiáng)氧化劑）：強(qiáng)氧化劑）還原還原氧化氧化反應(yīng)優(yōu)先向左反應(yīng)優(yōu)先向左3. 3.有機(jī)物的玷污有機(jī)物的玷污來(lái)源：來(lái)源： 環(huán)境中的有機(jī)蒸汽環(huán)境中的有機(jī)蒸汽 存儲(chǔ)容器存儲(chǔ)容器 光刻膠的殘留物光刻膠的殘留物去除方法：強(qiáng)氧化去除方法：強(qiáng)氧化 臭氧干法臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入純水臭氧注入純水4. 4.自然氧化層自然氧化層（Nat

6、ive OxideNative Oxide） 在空氣、水中迅速生長(zhǎng)在空氣、水中迅速生長(zhǎng) 帶來(lái)的問(wèn)題：帶來(lái)的問(wèn)題：接觸電阻增大接觸電阻增大難實(shí)現(xiàn)選擇性的難實(shí)現(xiàn)選擇性的CVDCVD或外延或外延成為金屬雜質(zhì)源成為金屬雜質(zhì)源難以生長(zhǎng)金屬硅化物難以生長(zhǎng)金屬硅化物 清洗工藝：清洗工藝：HFHFH H2 2O O（ca. 1: 50ca. 1: 50）1.2.1 清洗設(shè)備清洗設(shè)備酸堿腐蝕清洗臺(tái)有機(jī)清洗臺(tái),專(zhuān)用清洗臺(tái) 1.21.2硅片清洗硅片清洗甩干機(jī)、電鍍、酸刻蝕、堿刻蝕臺(tái)勻膠顯影臺(tái)（光刻間用）勻膠臺(tái)（光刻間用）勻膠顯影機(jī)（自動(dòng)；光刻間用）洗刷器洗刷器清洗設(shè)備清洗設(shè)備超聲清洗超聲清洗噴霧清洗噴霧清洗兆聲發(fā)射

7、器清洗容器和載體清洗容器和載體SC1/SPM/SC2 石英（石英（ Quartz ）或）或 Teflon（特服龍塑料）（特服龍塑料）容器容器HF 優(yōu)先使用優(yōu)先使用Teflon，其他無(wú)色塑料容器也行。，其他無(wú)色塑料容器也行。硅片的載體硅片的載體 只能用只能用Teflon 或石英片架或石英片架SPM：sulfuric/peroxide mixture（濃硫酸雙（濃硫酸雙氧水混合物）氧水混合物） 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）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

8、干法刻蝕：把光刻膠分解氧等離子體干法刻蝕：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(guò)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(guò)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（FEOLFEOL）的清洗尤為重要）的清洗尤為重要 1.2.2 硅片清洗硅片清洗 RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗標(biāo)準(zhǔn)清洗（濕法清洗）（濕法清洗）SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture氨水雙氧水混合物）：氨水雙氧水混合物）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O(去離子水）去離子水）=1:1:51:2:7 7080 C, 10min

9、 堿性（堿性（pH值值7）可以氧化有機(jī)膜可以氧化有機(jī)膜和金屬形成絡(luò)合物和金屬形成絡(luò)合物緩慢溶解原始氧化層，并再氧化緩慢溶解原始氧化層，并再氧化可以去除顆粒可以去除顆粒NH4OH對(duì)硅有腐蝕作用對(duì)硅有腐蝕作用OHOHOHOHOHOHRCA clean is “standard process” used to remove organics（有機(jī)物）, heavy metals and alkali （ 堿金屬 ）ions.SC-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Al

10、3、Fe3和和Mg2在在SC-1溶溶液中形成的不溶的氫氧化物反應(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(rùn)，平行于硅片表面的聲壓波使粒子浸潤(rùn)，然后溶液擴(kuò)散入界面，最后粒子完全浸然后溶液擴(kuò)散入界面，最后粒子完全浸潤(rùn)，并成為懸浮的自由粒子。潤(rùn)，并成為懸浮的自由粒子。現(xiàn)代現(xiàn)代CMOS的硅片清洗工藝的硅片清洗工藝化學(xué)溶劑化學(xué)溶劑清洗溫度清洗溫度清

11、除的污染物清除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120 C,10min有機(jī)污染物有機(jī)污染物D.I. H2O室溫室溫洗清洗清2NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5) (SC1) 80 C,10min微塵微塵D.I. H2O室溫室溫洗清洗清3HCl+H2O2+H2O(1:1:6) (SC2) 80 C,10min金屬離子金屬離子D.I. H2O室溫室溫洗清洗清4HF+H2O (1:50)室溫室溫氧化層氧化層D.I. H2O室溫室溫洗清洗清干燥干燥其它先進(jìn)濕法清洗工藝其它先進(jìn)濕法清洗工藝，如OhmiFrom IMEC (Interuniversity Microelectronic Cen

12、ter)(1) H2O + O3 (18M -cm)機(jī)器人自動(dòng)清洗機(jī)機(jī)器人自動(dòng)清洗機(jī)濕法清洗的問(wèn)題濕法清洗的問(wèn)題對(duì)硅造成表面腐蝕對(duì)硅造成表面腐蝕較難干燥較難干燥價(jià)格價(jià)格化學(xué)廢物的處理化學(xué)廢物的處理和先進(jìn)集成工藝的不相容和先進(jìn)集成工藝的不相容濕法清洗造成硅片表面粗糙度增加濕法清洗造成硅片表面粗糙度增加表面粗糙度表面粗糙度：清洗劑、金屬污染對(duì)硅表面造成腐蝕，從而造成表：清洗劑、金屬污染對(duì)硅表面造成腐蝕，從而造成表面微粗糙化。面微粗糙化。SC-1中，中，NH4OH含量高，會(huì)對(duì)硅造成表面腐蝕和損含量高，會(huì)對(duì)硅造成表面腐蝕和損傷。傷。降低溝道內(nèi)載流子的遷移率，對(duì)熱氧化生長(zhǎng)的柵氧化物的降低溝道內(nèi)載流子的遷

13、移率，對(duì)熱氧化生長(zhǎng)的柵氧化物的質(zhì)量、擊穿電壓都有破壞性的影響。質(zhì)量、擊穿電壓都有破壞性的影響。降低微粗糙度的方法降低微粗糙度的方法：減少減少NHNH4 4OHOH的份額的份額降低清洗溫度降低清洗溫度減少清洗時(shí)間減少清洗時(shí)間Ra(nm)Mixing ratio of NH4OH(A) in NH4OH+H2O2+H2O solution (A:1:5, A1)Surface roughness Ra(nm)不同清洗（腐蝕）方法與表面粗糙度不同清洗（腐蝕）方法與表面粗糙度Surface roughness Ra(nm)1.2.3 干法清洗工藝干法清洗工藝氣相化學(xué)，通常需激活能在低溫下加強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)。

14、氣相化學(xué)，通常需激活能在低溫下加強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)。所需加入的能量，可以來(lái)自于等離子體，離子束，所需加入的能量，可以來(lái)自于等離子體，離子束，短波長(zhǎng)輻射和加熱，這些能量用以清潔表面，但必短波長(zhǎng)輻射和加熱，這些能量用以清潔表面，但必須避免對(duì)硅片的損傷須避免對(duì)硅片的損傷HFHFH H2 2O O氣相清洗氣相清洗紫外一臭氧清洗法（紫外一臭氧清洗法（UVOCUVOC）H H2 2ArAr等離子清洗等離子清洗熱清洗熱清洗脈沖激光清洗把重金屬離子和堿金屬離子從有源區(qū)引導(dǎo)到不重要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。的區(qū)域。器件正面的堿金屬離子被吸雜到介質(zhì)層（鈍化器件正面的堿金屬離子被吸雜到介質(zhì)層（鈍化

15、 層），如層），如PSGPSG（磷硅玻璃,SiO2中含P2O5）、SiSi3 3N N4 4硅片中的金屬離子則被俘獲到體硅中（本征吸雜）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）或硅片背面（非本征吸雜）1.3 吸雜吸雜激活：雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可激活：雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可 動(dòng)原子動(dòng)原子擴(kuò)散：雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散到吸雜中心擴(kuò)散：雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散到吸雜中心俘獲：雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲俘獲：雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲吸雜三步驟：吸雜三步驟：堿金屬離子的吸雜：堿金屬離子的吸雜：PSGPSG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(guò)室溫的條件下，堿金屬離子即可擴(kuò)散進(jìn)入超過(guò)室溫的條件下，堿金屬離子即可擴(kuò)散進(jìn)入PSGPSG超凈工藝超凈工藝SiSi3 3N N4 4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