復(fù)旦集成電路工藝課件-03

1、INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗1集成電路工藝原理 仇志軍邯鄲校區(qū)物理樓435室INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗2大綱大綱 （2）第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶體生長晶體生長第第三章三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 熱氧化熱氧化第六章第六章 熱擴散熱擴散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 刻蝕刻蝕第十章第十章 后端工藝與集成后端工藝與集成第十一章第十一章 未來趨勢與挑戰(zhàn)未來趨

2、勢與挑戰(zhàn)INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗3Modern IC factories employ a three tiered approach to controlling unwanted impurities（現(xiàn)代（現(xiàn)代IC fabs依賴三道防線來控制沾污依賴三道防線來控制沾污）INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗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）INFO13

3、0024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗51、空氣凈化、空氣凈化From Intel MuseumINFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗6凈化級別：每立方英尺空氣中含有尺度大于凈化級別：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。個。0.5umINFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗7INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗8高效過濾高效過濾排氣除

4、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 C4046RHINFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗9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，芯片價格為片價格為$50/芯片，

5、如果良率為芯片，如果良率為50，則正好保本。若，則正好保本。若要年贏利要年贏利$10,000,000，良率增加需要為，良率增加需要為%8 . 35250$1001000101$7良率提高良率提高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$5050%=$130,000,000INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗10Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy

6、 metals or alkali ions.INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗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，時，D DVth0.1 V例例3. MOS DRAM的刷新時間對重金屬離子含量的刷新時間對重金屬離子含量Nt的要求的要求 1015 cm2，vth=107 cm/s若要求若要求 G100 m ms，則，則Nt 1012 cm-3

7、=0.02 ppb !tthGNv1INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗12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)品超級凈化空氣超級凈化空氣風(fēng)淋吹掃、防護服、面罩、風(fēng)淋吹掃、防護服、面罩、手套等，機器手手套等，機器手/人人特殊設(shè)計及材料特殊設(shè)計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INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗130.2mm0.5mmNH4OH130-

8、24015-30H2O220-1005-20HF0-10HCl2-71-2H2SO4180-115010-80INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗14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INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗15v粒子附著的機理：靜電力，范德華力，化學(xué)鍵等v去除的機理有四種： 1氧化分解 2溶解 3對硅片表面輕微的腐蝕去除 4 粒子和硅片表面的電排斥 去除方法：SC-1, megasonic（超聲清洗）INFO130024.02集成電路工藝原理第

9、三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗16金屬的玷污來源：來源：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：量級：1010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INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗17不同工藝過程引入的金屬污染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/

10、cm2)Fe Ni CuINFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗18金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機理 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） 氧化時發(fā)生：硅在氧化時，雜質(zhì)會進入去除方法：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：強氧化劑）還原氧化INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗19電負(fù)性電負(fù)性INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗20反應(yīng)優(yōu)

11、先向左反應(yīng)優(yōu)先向左INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗21有機物的玷污有機物的玷污來源：來源： 環(huán)境中的有機蒸汽 存儲容器 光刻膠的殘留物去除方法：強氧化去除方法：強氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入純水INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗22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）INFO130024

12、.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗232、硅片清洗、硅片清洗有機物有機物/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：高溫工藝過程會使污染物擴散進入硅片或薄膜注意：高溫工藝過程會使污染物擴散進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（

13、適合于幾乎所有有機物）（適合于幾乎所有有機物）INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗24SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7 7080 C, 10min 堿性（堿性（pH值值7）可以氧化有機膜和金屬形成絡(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

14、, heavy metals and alkali ions.INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗25SC-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)合物可以進一步去除殘留的重金屬污染（如可以進一步去除殘留的重金屬污染（如Au）RCA與超聲波振動共同作用，可以有更好的去顆粒作用與超聲波振動共

15、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，然后溶液擴散入界面，最后粒子完全浸潤，并成為懸浮的自由粒子。INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗26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)溶劑清洗溫度清除的污染物清除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120 C,10min有機污染物有機污染物2D.I. H2O室溫室溫洗清洗清3NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5) (SC1) 80 C,10min微塵微塵4D.I. H2O室溫室溫洗清洗清5HCl+H2

16、O2+H2O(1:1:6) (SC2) 80 C,10min金屬離子金屬離子6D.I. H2O室溫室溫洗清洗清7HF+H2O (1:50)室溫室溫氧化層氧化層8D.I. H2O室溫室溫洗清洗清9干燥干燥INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗27其它先進濕法清洗工藝其它先進濕法清洗工藝，如OhmiFrom IMEC (Interuniversity Microelectronic Center)(1) H2O + O3 (18M -cm)INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗28機

17、器人自動清洗機機器人自動清洗機INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗29清洗容器和載體清洗容器和載體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INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗30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INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗31洗刷器洗刷器INFO130024.

18、02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗32對硅造成表面腐蝕對硅造成表面腐蝕較難干燥較難干燥價格價格化學(xué)廢物的處理化學(xué)廢物的處理和先進集成工藝的不相容和先進集成工藝的不相容濕法清洗的問題濕法清洗的問題INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗33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：清洗劑、金屬污染對硅表面造成腐蝕，從污染對硅表面造成腐蝕，從而造成表面微粗糙化。而造成表面微粗糙化。SC-1中，中，NH4OH含量高，會對硅含量高，會對硅造成表面腐蝕和損

19、傷。造成表面腐蝕和損傷。降低溝道內(nèi)載流子的遷移率，對熱氧化生長的柵氧化物的質(zhì)量、擊穿電壓都有破壞性的影響。Ra(nm)Mixing ratio of NH4OH(A) in NH4OH+H2O2+H2O solution (A:1:5, A1)降低微粗糙度的方法：減少NH4OH的份額降低清洗溫度減少清洗時間INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗34Surface roughness (nm)Surface roughness (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INFO130024.02集成電路工藝原

20、理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗35Surface roughness (nm)Surface roughness (nm)Ebd (MV/cm)Ebd (MV/cm)表面粗糙度降低了擊穿場強表面粗糙度降低了擊穿場強INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗36干法清洗工藝氣相化學(xué)，通常需激活能在低溫下加強化學(xué)反應(yīng)。所需加入的能量，可以來自于等離子體，離子束，短波長輻射和加熱，這些能量用以清潔表面，但必須避免對硅片的損傷HFH2O氣相清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2Ar等離子清洗熱清洗INFO130024.02集

21、成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗37其它方法舉例其它方法舉例INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗383、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）INFO130024.02集成電路工

22、藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗39硅中深能級雜質(zhì)（硅中深能級雜質(zhì)（SRH中心）中心）擴散系數(shù)大擴散系數(shù)大容易被各種機械缺陷和化學(xué)陷阱區(qū)域俘獲容易被各種機械缺陷和化學(xué)陷阱區(qū)域俘獲INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗40吸雜三步驟：吸雜三步驟：雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可動原子雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可動原子雜質(zhì)元素擴散到吸雜中心雜質(zhì)元素擴散到吸雜中心雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗41高

23、擴散系數(shù)間隙擴散方式聚集并占據(jù)非理想缺陷（陷阱）位置高擴散系數(shù)間隙擴散方式聚集并占據(jù)非理想缺陷（陷阱）位置INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗42AusI AuI 踢出機制踢出機制Aus AuI V 分離機制分離機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)，擴散速度可以大大提高。雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙雜質(zhì)，擴散速度可以大大提高。方法方法高濃度磷擴散高濃度磷擴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，增加擴散速度。替位原子可動，增加擴散速度。替位原子

24、間隙原子間隙原子INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗43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，堿金屬離子即可擴散進入超過室溫的條件下，堿金屬離子即可擴散進入PSG超凈工藝超凈工藝Si3N4鈍化保護鈍化保護抵擋堿金屬離子的進入抵擋堿金屬離子的進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)氧原子擴散到體硅范圍內(nèi)氧原子擴散到體硅內(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

25、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，吸雜自動完成。步驟，吸雜自動完成。INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗44本征吸雜工藝更易控制本征吸雜工藝更易控制造成的損傷范圍大造成的損傷范圍大距有源區(qū)更近距有源區(qū)更近缺陷熱穩(wěn)定性好缺陷熱穩(wěn)定性好方法：外延或熱循環(huán)處理方法：外延或熱循環(huán)處理外擴散外擴散凝結(jié)成核凝結(jié)成核沉淀析出沉淀析出INFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗45bipolarINFO130024.02集成電路工藝原理第三章第三章 實驗室凈