微电子工艺原理-第5讲清洗工艺.ppt

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1、2021-01-27 1 1 1、清洗的概念及超净室环境介绍 2、污染的类别及清除过程 第五讲之 Si片的清洗工艺 2021-01-27 2 1 三道防 线 : 净 化 环 境（ clean room） 硅片 清 洗（ wafer cleaning） 吸 杂 （ gettering） 引言 2021-01-27 3 1 芯片代加工工 厂 的 环 境通 过 以下措施 进 行 : HEPA(high-efficiency particulate arresting ) filters and recirculation for the air.(高效 过滤 器和空 气 再循 环 ) “Bunny

2、suits” for workers.(工作人 员 的超 净 工作服 ) Filtration of chemicals and gases.(高 纯 化 学药 品和 气 体 ) Manufacturing protocols.(严 格的制造 规 程 ) HEPA: High Efficiency Particulate Air 引言 恒 温 ，恒 湿 ，恒 尘 ， 恒 压 ，恒震，恒 静 1、 净 化 环 境 2021-01-27 4 1 From Intel Museum 引言 风 淋室 2021-01-27 5 1 净 化 级别 ：每立方英尺空 气 中含有尺度大于 0.5mm的粒子 总数

3、 少于 X个 。（ 1立方英尺 =0.283立方米） 0.5um 引言 2021-01-27 6 1 引言 2021-01-27 7 1 高效 过滤 排 气 除 尘 超 细 玻璃 纤 维构 成的多 孔 过滤 膜： 过滤 大 颗 粒， 静电 吸附小 颗 粒 泵 循 环 系 统 20 22C 40 46 RH 超净室的构造 2021-01-27 8 1 由于集成 电 路內各元件及 连线 相 当 微 细 ，因此制造 过 程中，如 果遭到灰 尘 、金 属 的 污 染，很容易造成芯片 内电 路功能的 损 坏， 形成短路或 断 路， 导 致集成 电 路的失效！在 现 代的 VLSI工 厂 中， 75%的

4、产 品率下降都 来 源于硅芯片上的 颗 粒 污 染。 例 1. 一集成 电 路 厂 产 量 1000片 /周 100芯片 /片，芯 片价格 为 $50/芯片，如果 产 率 为 50， 则 正好保本。若 要年 赢 利 $10,000,000， 产 率增加需要 为 产 率提高 3.8%， 将带来 年利 润 1千万美元！ 年 产 能 =年 开 支 为 1亿 3千万 1000 100 52 $50 50% =$130,000,000 污染的危害 2021-01-27 9 1 污 染物可能包括：微 尘 ，有机物 残 余，重 金 属 ， 碱 离子 污染物的类别及清洗过程 2021-01-27 10 1 颗

5、 粒 ：所有可以落在硅片表面的都 称 作 颗 粒。 颗 粒 来 源： 空 气 人体 设备 化 学 品 超 级净 化空 气 风 淋吹 扫 、防 护 服、面 罩 、 手套等，机器手 /人 特殊 设计 及材料 定期 清 洗 超 纯 化 学 品 去离子水 1、颗粒 2021-01-27 11 1 各 种 可能落在芯片表面的 颗 粒 2021-01-27 12 1 粒子附着的机理： 静电 力，范德 华 力，化 学键 等 去除的机理有四 种 ： 1 溶解 2 氧 化分解 3 对 硅片表面 轻 微的腐 蚀 去除 4 粒子和硅片表面的 电 排斥 去除方法： 湿法刻蚀 , megasonic（超 声清 洗） 清

6、洗的原理 2021-01-27 13 1 0.2mm 0.5mm NH4OH 130-240 15-30 H2O2 20-100 5-20 HF 0-1 0 HCl 2-7 1-2 H2SO4 180-1150 10-80 在 ULSI级 化 学试剂 中的 颗 粒 浓 度（ 数 目 /ml） 2021-01-27 14 1 2、 金 属 的玷 污 来 源： 化 学试剂 ，离子注入、反 应 离子刻 蚀 等工 艺 量 级 ： 1010原子 /cm2 影 响 ： 在界面形成缺陷，影 响 器件性能，成品率下降 增加 p-n结 的漏 电 流， 减 少少 数载 流子的 寿 命 Fe, Cu, Ni, Cr

7、, W, Ti Na, K, Li 2021-01-27 15 1 不同工 艺过 程引入的金 属污 染 干法刻 蚀 离子注入 去 胶 水汽 氧 化 9 10 11 12 13 Log (concentration/cm2) Fe Ni Cu 2021-01-27 16 1 金属杂质沉淀到硅表面的机理 通过金属离子和硅表面终端的氢原子之间的电荷 交换，和硅结合。（难以去除） 氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入 去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子 M Mz+ + z e- 去除溶液： H2O2：强氧化剂 还 原 氧 化 2021-01-27 17 1 电负 性 Cu+e Cu- Si Si+e

8、 Cu2-+2e Cu 2021-01-27 18 1 反 应 优 先 向 左 2021-01-27 19 1 3、 有机物的玷 污 来 源： 环 境中的有机蒸汽 存 储 容器 光刻 胶 的 残 留物 去除方法：强 氧 化 臭 氧 干法 Piranha： H2SO4-H2O2 臭 氧 注入 纯 水 2021-01-27 20 1 4、 自然 氧 化 层 在空 气 、水中迅速生 长 带来 的 问题 ： 接 触电 阻增大 难实现选择 性的 CVD或外延 成 为 金 属杂质 源 难 以生 长 金 属 硅化物 清 洗工 艺 ： HF H2O（ ca. 1: 50） 2021-01-27 21 1 典型

9、的 湿 法化 学清 洗 药 品 2021-01-27 22 1 有机物 /光刻 胶 的 两种清 除 方法： 氧 等离子体干法刻 蚀 ：把光刻 胶 分解 为 气态 CO2 H2O （适用于大多 数 高分子膜） 注意：高 温 工 艺过 程 会 使 污 染物 扩 散 进 入硅片或薄膜 前端工 艺 （ FEOL）的 清 洗尤 为 重要 金 属 Piranha（ SPM： sulfuric/peroxide mixture） H2SO4(98 ):H2O2(30 )=2:14:1 把光刻 胶 分解 为 CO2 H2O （适合于几乎所有有机物） Si片的清洗工艺 2021-01-27 23 1 标准清洗液

10、 -SC1（ APM， Ammonia Peroxide Mixture）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5 1:2:7 70 80C, 10min 碱 性（ pH值 7） 可以 氧 化有机膜 和金 属 形成 络 合物 缓 慢溶解原始 氧 化 层 ， 并 再 氧 化 可以去除 颗 粒 NH4OH对 硅有腐 蚀 作用 RCA 标 准 清 洗 OH OH OH OH OH OH RCA 是标准工艺可 以有效去除重金属、 有机物等 . 2021-01-27 24 1 标准清洗液 -SC2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 70

11、 80C, 10min 酸性（ pH值 7） 可以 将碱 金 属 离子及 Al3 、 Fe3 和 Mg2 在 SC-1溶 液中形成的不溶的 氢氧 化物反 应 成溶于水的 络 合物 可以 进 一步去除 残 留的重金 属污 染（如 Au） RCA与 超 声 波振 动 共同作用，可以有更好的去 颗 粒作用 20 50kHz 或 1MHz左右。 平行于硅片表面的 声压 波使粒子浸 润 ， 然后溶液 扩 散入界面，最后粒子完全浸 润 ， 并 成 为悬 浮的自由粒子。 RCA 标 准 清 洗 2021-01-27 25 1 现 代 CMOS的硅片 清 洗工 艺 化 学 溶 剂 清 洗 温 度 清 除的 污

12、 染物 1 H2SO4+H2O2(4:1) 120C,10 min 有机 污 染物 2 D.I. H2O 室 温 洗 清 3 NH4OH+H2O2+H2O (1:1:5) (SC 1) 80C,10min 微 尘 4 D.I. H2O 室 温 洗 清 5 HCl+H2O2+H2O (1:1:6) (SC 2) 80C,10min 金 属 离子 6 D.I. H2O 室 温 洗 清 7 HF+H2O (1:50) 室 温 氧 化 层 8 D.I. H2O 室 温 洗 清 9 干燥 2021-01-27 26 1 其 它 先 进湿 法 清 洗工 艺 (1) H2O + O3 (18M-cm) 20

13、21-01-27 27 1 机器人自 动清 洗机 2021-01-27 28 1 清 洗容器和 载 体 SC1/SPM/SC2 石英（ Quartz ）或 氟 聚合物容器 HF 优 先使用 氟 聚合物，其他无色塑料容器也 行。 硅片的 载 体 只能用 氟 聚合物或石英片架 2021-01-27 29 1 清 洗 设备 超 声清 洗 喷雾清 洗 2021-01-27 30 1 洗刷器 水 清 洗干燥 溢流 清 洗 排空 清 洗 喷 射 清 洗 加 热 去离子水 清 洗 旋 转 式 甩 干 IPA异 丙醇蒸 气 干燥 2021-01-27 31 1 湿 法 清 洗的 问题 （ 1） 表面粗糙度：

14、清 洗 剂 、金 属 污 染 对 硅表面造成腐 蚀 ， 从 而造成表面微粗糙化。 SC-1 中， NH4OH含量高， 会对 硅 造成表面腐 蚀 和 损伤 。 降低 沟 道 内载 流子的 迁 移 率， 对热氧 化生 长 的 栅氧 化物的 质 量、 击 穿 电压 都 有破坏性的影 响 。 Ra (nm) Mixing ratio of NH4OH(A) in NH4OH+H2O2+H2O solution (A:1:5, A 5 0 0 m m P S G 无 缺 陷 区 或 外 延 层 本 征 吸 杂 区 非 本 征 吸 杂 区 吸 杂 三步 骤 ： 杂质 元素 从 原有陷 阱 中被 释 放，成

15、 为 可 动 原子 杂质 元素 扩 散到吸 杂 中心 杂质 元素被吸 杂 中心俘 获 2021-01-27 41 1 高 扩 散系 数 间 隙 扩 散方式聚集 并 占据非理想缺陷（陷 阱 ）位置 深能级 金 属 离子的吸 杂 ： 2021-01-27 42 1 Aus I AuI 踢 出机制 Aus AuI V 分离机制 引入大量的硅 间 隙原子，可以使金 Au和 铂 Pt等替位 杂质转变为间 隙 杂质 ， 扩 散速度可以大大提高。 方法 高 浓 度磷 扩 散 离子注入 损伤 SiO2的凝 结 析出 激活 可 动 ，增加 扩 散速度。替位原子 间 隙原子 2021-01-27 43 1 PSG

16、 可以束 缚碱 金 属 离子成 为稳 定的化合物 超 过 室 温 的 条 件下， 碱 金 属 离子即可 扩 散 进 入 PSG 超 净 工 艺 Si3N4钝 化保 护 抵 挡碱 金 属 离子的 进 入 其他金 属 离子的吸 杂 ： 本征吸 杂 使硅表面 10 20mm范 围内氧 原子 扩 散到体硅 内 ，而硅表面的 氧 原子 浓 度降低至 10ppm以下。利用体硅中的 SiO2的凝 结 成 为 吸 杂 中心。 非本征吸 杂 利用在硅片背面形成 损伤 或生 长 一 层 多晶硅， 制造缺陷成 为 吸 杂 中心。在器件制作 过 程中的一些高 温处 理步 骤 ，吸 杂 自 动 完成。 碱 金 属 离子

17、的吸 杂 ： 2021-01-27 44 1 本征吸 杂 工 艺 更易控制 造成的 损伤 范 围 大 距有源 区 更近 缺陷 热稳 定性好 方法：外延或 热 循 环处 理 500 700 900 1100 1300 时间（h ） 温度（C ） 外 扩 散 凝 结 成核 沉淀析出 2021-01-27 45 1 bipolar 2021-01-27 46 1 净 化的三 个层 次： 环 境、硅片 清 洗、吸 杂 本 节课 主要 内 容 小结 1 净 化 级别 高效 净 化 净 化的必要性 器件：少子 寿 命 ， VT改 变 ， Ion Ioff， 栅击 穿 电压 ，可靠性 电 路： 产 率 ，

18、电 路性能 杂质种类 ： 颗 粒、有机 物、金 属 、天然 氧 化 层 强 氧 化 天然 氧 化 层 HF:DI H2O 本征吸 杂 和非本征吸 杂 2021-01-27 47 1 硅片 清 洗 湿 法 清 洗： Piranha， RCA（ SC 1， SC 2）， HF:H2O 干法 清 洗： 气 相化 学 吸 杂 三步 骤 ： 激活 ， 扩 散，俘 获 碱 金 属 ： PSG，超 净 化 Si3N4钝 化保 护 其他金 属 ：本征吸 杂 和非本征吸 杂 大密度硅 间 隙原子体缺陷 SiO2的成核 生 长 。 硅片背面高 浓 度 掺杂 ，淀 积 多晶硅 本 节课 主要 内 容 小结 2 20

19、21-01-27 48 1 作业 作业： 1现代 IC 制造依赖哪三道防线来控制沾污？ 2现代 IC 制造通过哪些措施来实现环境净化？ 3 净化级别是怎样定义的？ 4 在 IC生产过程中可能出现的污染物有哪些，及这些污染的来源？ 5 落在 Si片表面的颗粒的附着机理和去除方法？ 6 金属污染的来源，影响与去除方法？ 7 有机物的污染的来源，影响与去除方法？ 8 自然氧化层的存在带来的问题和去除溶液是什么？ 9 有机物，光刻胶的两种常见去除方法是？ 10 RCA代表什么意思， SC-1和 SC-2代表什么，有什么用途？ 11 现代 CMOS的硅片清洗工艺？ 12 吸杂的三步骤是什么，碱金属和其它金属具体是怎样通过吸杂得到 净化的