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1、半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 三道防线: 环境净化（clean room） 硅片清洗（wafer cleaning） 吸杂（gettering） 1 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 1、空气净化 From Intel Museum 2 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5mm的粒子 总数不超过X个。 0.5um 3 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 4 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 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
2、颗粒 泵循环系统 2022C 4046RH 5 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 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！ 年开支=年产能 为1亿3千万 100010052$5050% =$130
3、,000,000 6 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions. 7 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 外来杂质的危害性 例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响 当tox10 nm，QM6.51011 cm-2（10 ppm)时，DVth0.1 V 例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求 1015 cm2，vth=107 cm/s 若要求G100 ms，则N
4、t1012 cm-3 =0.02 ppb ! 8 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 颗粒粘附 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 9 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 各种可能落在芯片表面的颗粒 10 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 v粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等 v去除的机理有四种： 1 氧化分解 2 溶解 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：SC-1,
5、 megasonic（超声清洗） 11 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 金属的玷污 来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺 v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, W, Ti Na, K, Li 12 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 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 910111213 Log (concentration/cm2) Fe Ni Cu 13 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 金
6、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：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂） 还原 氧化 14 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 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 15 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 自然氧化层（Native Oxide） 在空气、水中迅速生长 带来的问题：
7、 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：HFH2O（ca. 1: 50） 16 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 2、硅片清洗 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CO2H2O （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 SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1 把光刻胶分解为CO2H2O （适合于几乎所有有机物） 17 半导体制造工艺原理 第二章 实验室
8、净化及硅片清洗 SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7 7080C, 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 clean is “standard process” used to remove organics, heavy metals and alkali ions. 18 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 SC-2
9、: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080C, 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 2050kHz 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。 19 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 机器人自动清洗机 20 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 清洗容器和载体 SC
10、1/SPM/SC2 石英（ Quartz ）或 Teflon容器 HF 优先使用Teflon，其他无色塑料容器也行。 硅片的载体 只能用Teflon 或石英片架 21 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 清洗设备 超声清洗 喷雾清洗 22 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 洗刷器 23 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 对硅造成表面腐蚀 较难干燥 价格 化学废物的处理 和先进集成工艺的不相容 湿法清洗的问题 24 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 干法清洗工艺 气相化学，通常需激活能在低温下加强化学反应。 所需加入的能量，可以来自于
11、等离子体，离子束， 短波长辐射和加热，这些能量用以清洁表面，但必 须避免对硅片的损伤 HFH2O气相清洗 紫外一臭氧清洗法（UVOC） H2Ar等离子清洗 热清洗 25 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 其它方法举例 26 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 3、吸杂 把重金属离子和碱金属离子从有源区引导到不重要的区域。 器件正面的碱金属离子被吸杂到介质层（钝化层），如PSG 、Si3N4 硅片中的金属离子则被俘获到体硅中（本征吸杂）或硅片背 面（非本征吸杂） 27 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 硅中深能级杂质（SRH中心） 扩散系数大 容易被
12、各种机械缺陷和化学陷阱区域俘获 28 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 吸杂三步骤： 杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可动原子 杂质元素扩散到吸杂中心 杂质元素被吸杂中心俘获 29 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 AusI 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 30 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 碱金属离子的吸杂： PSG可以束缚碱金属离子
13、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1020mm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。 31 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 bipolar 32 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂 本节课主要内容 净化级别
14、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，电路性能 The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips. 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 33 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 本节课主要内容 硅片清洗 湿法清洗：Piranha，RCA（SC1，SC2），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 34 半导体制造工艺原理 第二章 实验室净化及硅片清洗 三道防线: 净化环境（clean room） 硅片清洗（wafer cleaning） 吸杂（gettering） “Dirt is a natural part of life.” 35
