半導(dǎo)體制造工藝培訓(xùn)課程(共29張)(PPT 29頁)

1、半導(dǎo)體制造工藝第1頁，共29頁。第3章清 洗 工 藝第2頁，共29頁。第3章清 洗 工 藝3.1引言3.2污染物雜質(zhì)的分類3.3清洗方法概況3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備3.5質(zhì)量控制第3頁，共29頁。3.1引言表3-1國際半導(dǎo)體技術(shù)指南清洗技術(shù)第4頁，共29頁。3.1引言表3-1國際半導(dǎo)體技術(shù)指南清洗技術(shù)第5頁，共29頁。3.2污染物雜質(zhì)的分類表3-2各種沾污的來源和相對(duì)的影響第6頁，共29頁。3.2污染物雜質(zhì)的分類3.2.1顆粒顆粒主要是一些聚合物、光刻膠和蝕刻雜質(zhì)等。通常都是在工藝中引進(jìn)的，工藝設(shè)備、環(huán)境、氣體、化學(xué)試劑和去離子水均會(huì)引入顆粒。這些顆粒一旦粘附在硅表面，則會(huì)影響下一工序

2、幾何特征的形成及電特性。根據(jù)顆粒與表面的粘附情況分析，其粘附力雖然表現(xiàn)出多樣化，但主要是范德瓦爾斯吸引力，所以對(duì)顆粒的去除方法主要以物理或化學(xué)的方法對(duì)顆粒進(jìn)行底切，逐漸減小顆粒與硅表面的接觸面積，最終將其去除。第7頁，共29頁。3.2污染物雜質(zhì)的分類3.2.2有機(jī)殘余物有機(jī)物雜質(zhì)在IC制程中以多種形式存在，如人的皮膚油脂、凈化室空氣、機(jī)械油、硅樹脂、光刻膠、清洗溶劑等，殘留的光刻膠是IC工藝中有機(jī)沾污的主要來源。每種污染物對(duì)IC 制程都有不同程度的影響，通常會(huì)在晶圓表面形成有機(jī)物薄膜阻止清洗液到達(dá)晶圓表面，會(huì)使硅片表面無法得到徹底的清洗。因此有機(jī)殘余物的去除常常在清洗工序的第一步進(jìn)行。第8頁，

3、共29頁。3.2污染物雜質(zhì)的分類3.2.3金屬污染物IC制造過程中采用金屬互連材料將各個(gè)獨(dú)立的器件連接起來，首先采用光刻、刻蝕的方法在絕緣層上制作接觸窗口，再利用蒸發(fā)、濺射或化學(xué)氣相沉積（CVD）形成金屬互連膜，如AlSi，Cu等，通過蝕刻產(chǎn)生互連線，然后對(duì)沉積介質(zhì)層進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）。這個(gè)過程對(duì)IC制程也是一個(gè)潛在的沾污過程，在形成金屬互連的同時(shí)，產(chǎn)生的各種金屬沾污會(huì)影響器件性能，如在界面形成缺陷，在后續(xù)的氧化或外延工藝中引入層錯(cuò)，PN結(jié)漏電，減少少數(shù)載流子的壽命。除此以外，在整個(gè)晶圓的工藝制備過程中，所用的氣體、化學(xué)試劑、器皿、去離子水的純度不夠、設(shè)備本身的沾污以及操作人員所攜帶的

4、金屬離子等都會(huì)對(duì)IC引入一些可動(dòng)離子沾污，這些離子大部分都是金屬離子，并且人是最大的引入源。第9頁，共29頁。3.2污染物雜質(zhì)的分類1)通過金屬離子和硅襯底表面的氫原子之間的電荷交換直接結(jié)合到硅表面，這種類型的雜質(zhì)很難通過濕法清洗工藝去除，這類金屬常是貴金屬離子，如金(AU)，由于它的負(fù)電性比Si高，有從硅中取出電子中和的趨向，并沉積在硅表面。2)金屬沉積的第二種機(jī)理是在氧化時(shí)發(fā)生的，當(dāng)硅在氧化時(shí)，像Al、Cr和Fe等有氧化的趨向，并會(huì)進(jìn)入氧化層中，這種金屬雜質(zhì)可通過在稀釋的HF中去除氧化層而去除。第10頁，共29頁。3.2污染物雜質(zhì)的分類3.2.4需要去除的氧化層硅原子非常容易在含氧氣及水的

5、環(huán)境下氧化形成氧化層。該層氧化物不是所需要存在的氧化層，它會(huì)阻止晶圓表面在其他的工藝過程中發(fā)生正常的反應(yīng)，它可成為絕緣體，從而阻擋晶圓表面與導(dǎo)電的金屬層之間良好的電性接觸，同時(shí)為了確保柵極氧化層的品質(zhì)，晶圓如果經(jīng)過其他工藝操作或者經(jīng)過清洗后（由于過氧化氫的強(qiáng)氧化力，在晶圓表面上會(huì)生成一層化學(xué)氧化層），此表面氧化層必須去除。另外，在IC制程中采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）沉積的氮化硅、二氧化硅等氧化物也要在相應(yīng)的清洗過程中有選擇地去除。 第11頁，共29頁。3.3清洗方法概況表3-3硅片濕法清洗化學(xué)品表3-3硅片濕法清洗化學(xué)品第12頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.1RCA清洗工業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)的濕

6、法清洗工藝稱為RCA清洗工藝，是由美國無線電公司（RCA）的WKern和DPuotinen于1970年提出的，主要由過氧化氫和堿組成的1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)清洗液（SC1）以及由過氧化氫和酸組成的2號(hào)標(biāo)準(zhǔn)清洗液（SC2）進(jìn)行一系列有序的清洗。RCA清洗工藝技術(shù)的特點(diǎn)在于按照應(yīng)該被清除的污染物種類選用相應(yīng)的清洗藥水，按照順序進(jìn)行不同的藥水的清洗工藝，就可以清除掉所有附著在硅圓片上的各種污染物。需要注意的是，每次使用化學(xué)品后都要在超純水（UPW）中徹底清洗，去除殘余成分，以免污染下一步清洗工序。典型的硅片濕法清洗流程如圖31所示。實(shí)際的順序有一些變化，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)調(diào)整以及增加某些HF/H2O（DHF）去

7、氧化層步驟。第13頁，共29頁。3.3清洗方法概況圖3-1典型的硅片濕法清洗流程第14頁，共29頁。3.3清洗方法概況1)第一步是去除有機(jī)物和金屬，用到的試劑是H2SO4/H2O2(SPM)。 2)第二步是去除顆粒，一般用NH4OH/H2O2/H2O(APM)1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)清洗液(SC-1)。3)第三步是去除金屬，一般用HCl/H2O2/H2O(HPM)2號(hào)標(biāo)準(zhǔn)液(SC-2)。4)第四步是在旋轉(zhuǎn)干燥器中進(jìn)行離心干燥，并用低沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑進(jìn)一步置換干燥。第15頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.2稀釋RCA清洗現(xiàn)行的RCA清洗方法存在不少問題：步驟多，消耗超純水和化學(xué)試劑多，成本高；使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿和

8、強(qiáng)氧化劑，操作危險(xiǎn)；試劑易分解、揮發(fā)，有刺激性氣味，使用時(shí)必須通風(fēng)，從而增加了超凈間的持續(xù)費(fèi)用；存在較嚴(yán)重的環(huán)保問題；硅片干燥慢，干燥不良可能造成前功盡棄，且與其后的真空系統(tǒng)不能匹配。其中的很多問題是RCA本身無法克服的。第16頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.3IMEC清洗基于使用稀釋化學(xué)品的成功經(jīng)驗(yàn)，IMEC(Interuniversity MicroElectronics Centre，大學(xué)間聯(lián)合微電子研究中心)提出了一項(xiàng)臭氧化和稀釋化學(xué)品的簡化清洗方法。第一步去除有機(jī)污染物，通常采用硫酸混合物，但出于環(huán)保方面的考慮，在正確的操作條件下（嚴(yán)格控制好溫度、濃度參數(shù)）可以采用臭氧化的去

9、離子水，既減少了化學(xué)品和去離子水的消耗量，又避免了硫酸浴后復(fù)雜的沖洗步驟。同時(shí)，用此清洗方法取代標(biāo)準(zhǔn)化的SPM清洗方法可增加3倍的酸槽使用壽命。第二步則采用最佳化的氫氟酸及鹽酸混合稀釋液，可以在去除氧化層和顆粒的同時(shí)抑制Cu、Ag等金屬離子的沉積。因?yàn)镃u、Ag等金屬離子存在于HF溶液時(shí)會(huì)沉積到Si表面，其沉積過程是一個(gè)電化學(xué)過程，在光照條件下，銅的表面沉積速度加快。第17頁，共29頁。3.3清洗方法概況添加氯化物可抑制光照的影響，但少量的氯化物離子由于在Cu2+/Cu+反應(yīng)中的催化作用增加了Cu的沉積，而大量的氯化物離子添加后形成可溶性的高亞銅氯化物合成體抑制了銅離子的沉積。優(yōu)化的HF/HC

10、l混合物可有效預(yù)防溶液中金屬外鍍，增長溶液使用時(shí)間。第三步是使用最佳的臭氧化混合物，如氯化氘及臭氧，可在較低pH環(huán)境下使硅表面產(chǎn)生親水性，以保證干燥時(shí)不產(chǎn)生干燥斑點(diǎn)或水印，同時(shí)避免金屬污染的再次發(fā)生。在最后沖洗過程中增加了HNO3的濃度可減少表面Ca的污染。 表3-4IMEC清洗法與RCA清洗法的比較第18頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.4單晶圓清洗隨著器件工藝技術(shù)的關(guān)鍵尺寸不斷縮小，以及新材料的引入，使得前道制程(FEOL)中表面處理更為重要。關(guān)鍵尺寸縮小使得清洗的工藝窗口變窄，要滿足清洗效率并同時(shí)做到盡量少的表面刻損和結(jié)構(gòu)損壞變得十分不容易。以上這些傳統(tǒng)的批式處理方法已經(jīng)越來越無法

11、適應(yīng)濕式清洗的實(shí)際應(yīng)用，制造工藝過程需要其他新型清洗步驟，從而確保重要的器件規(guī)格、性能以及可靠性不因污染物的影響而大打折扣。此外，批式濕式處理無法滿足如快速熱處理(RTP)等工藝的關(guān)鍵擴(kuò)散技術(shù)和CVD技術(shù)。因此，業(yè)內(nèi)正逐步傾向于使用單晶圓濕式清洗處理技術(shù)，以降低重要的清洗過程中交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高產(chǎn)品成品率以及降低成本。單晶圓清洗技術(shù)處理也更適于向銅和低k值電介質(zhì)等新型材料過渡。第19頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.5干法清洗所謂干法清洗是相對(duì)濕法化學(xué)清洗而言的，一般指不采用溶液的清洗技術(shù)。根據(jù)徹底采用溶液的程度，分為“全干法”和“半干法”清洗。目前常用的干法清洗方法有等離子體清洗

12、、氣相清洗技術(shù)等。等離子體清洗屬于全干法清洗，而氣相清洗屬于半干法清洗。干法清洗的優(yōu)點(diǎn)在于清洗后無廢液，可以有選擇性地進(jìn)行芯片的局部清洗工序。在VLSI制備過程中，面對(duì)晶圓尺寸的不斷擴(kuò)大與芯片關(guān)鍵圖形尺寸的不斷減小，以等離子清洗技術(shù)為主的干法清洗技術(shù)，以它少輻射易控制的優(yōu)點(diǎn)正在逐步成為濕法清洗的主要替代方法。第20頁，共29頁。3.3清洗方法概況圖3-2等離子清洗機(jī)的工作原理圖及清洗過程第21頁，共29頁。3.3清洗方法概況1)被清洗的工件送入真空艙并加以固定，啟動(dòng)運(yùn)行裝置，開始排氣，使真空艙的真空程度達(dá)到10Pa左右的標(biāo)準(zhǔn)真空度。2)向真空艙引入等離子清洗用的氣體，并使其壓力保持在100Pa

13、。3)在真空艙內(nèi)的電極與接地裝置之間施加高頻電壓，使氣體被擊穿，并通過輝光放電而發(fā)生離子化并產(chǎn)生等離子體。4)清洗完畢后切斷高頻電壓，并將氣體及汽化的污垢排出，同時(shí)向真空艙內(nèi)鼓入空氣，并使氣壓升至一個(gè)大氣壓。第22頁，共29頁。3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備圖3-3全自動(dòng)硅片超聲波清洗機(jī)3.4.1超聲波清洗原理第23頁，共29頁。3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備超聲波在本質(zhì)上和聲波是一樣的，都是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過程，超聲波和聲波的區(qū)別僅在于頻率范圍的不同。聲波是指人耳能聽到的聲音，一般認(rèn)為聲波的頻率在2020000Hz范圍內(nèi)，而振動(dòng)頻率超過20kHz以上的聲波則稱為超聲波，用于清洗

14、的超聲波所采用的頻率為，超聲波由于頻率高、波長短，因而傳播的方向性好、穿透能力強(qiáng)，這也就是為什么設(shè)計(jì)制作超聲波清洗機(jī)的原因。3.4.2超聲波清洗機(jī)第24頁，共29頁。3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備1.切割片超聲波清洗機(jī)的工藝流程超聲波拋動(dòng)粗洗超聲波拋動(dòng)清洗超聲波拋動(dòng)漂洗超聲波拋動(dòng)漂洗純水噴淋拋動(dòng)漂洗超聲波拋動(dòng)漂洗。2.研磨片超聲波清洗機(jī)的工藝流程熱純水超聲波拋動(dòng)清洗熱堿水超聲波拋動(dòng)清洗熱純水超聲波拋動(dòng)清洗熱純水超聲波拋動(dòng)清洗純水噴淋拋動(dòng)漂洗熱酸超聲波拋動(dòng)清洗熱純水超聲波拋動(dòng)漂洗熱純水超聲波拋動(dòng)漂洗。第25頁，共29頁。3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備3.外延片超聲波清洗機(jī)的工藝流程純水超聲波拋動(dòng)清洗清洗劑超聲波拋動(dòng)清洗純水噴淋漂洗清洗劑超聲波拋動(dòng)清洗清洗劑超聲波拋動(dòng)清洗純水噴淋漂洗純水超聲波拋動(dòng)漂洗純水超聲波拋動(dòng)漂洗純水超聲波拋動(dòng)漂洗。圖3-512in單片兆聲波清洗設(shè)備第26頁，共29頁。3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備3.4.3其他清洗設(shè)備 超聲波清洗是半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種清洗方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是清洗效果好，操作簡單，對(duì)于復(fù)雜的器件和容器也能清除，但該方法具有噪聲較大、換能器易壞的缺點(diǎn)。對(duì)硅片進(jìn)行清洗經(jīng)常會(huì)用到的設(shè)備還有刷洗器、旋轉(zhuǎn)噴淋器、溢流清洗器等。(1)刷洗器當(dāng)硅片表面粘有微?；蛴袡C(jī)殘?jiān)鼤r(shí)常用刷洗的方法去除