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1、1、清洗的概念及超净室环境介绍、清洗的概念及超净室环境介绍2、污染的类别及清除过程、污染的类别及清除过程第五讲之第五讲之 Si片的清洗工艺片的清洗工艺9/23/20241微电子工艺原理-第5讲清洗工艺三道防三道防线线:净净化化环环境（境（clean room）硅片硅片清清洗（洗（wafer cleaning）吸吸杂杂（gettering）引言引言9/23/20242微电子工艺原理-第5讲清洗工艺芯片代加工工芯片代加工工厂厂的的环环境通境通过过以下措施以下措施进进行行: :HEPA(high-efficiency particulate arresting ) filters and recir
2、culation for the air.(高效过滤器和空气再循环)“Bunny 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:HighEfficiencyParticulateAir引言引言恒温，恒湿，恒尘，恒压，恒震，恒静1、净净化化环环境境9/23/20243微电子工艺原理-第5讲清洗工艺From Intel Museum引言引言风淋室9/23/20244微电子工艺原理-第5讲清洗工艺净净化化级别级别：每立方
3、英尺空：每立方英尺空气气中含有尺度大于中含有尺度大于0.5m mm的粒子的粒子总总数数少于少于X个个。（。（1立方英尺立方英尺=0.283立方米）立方米）0.5um引言引言9/23/20245微电子工艺原理-第5讲清洗工艺引言引言9/23/20246微电子工艺原理-第5讲清洗工艺高效高效过滤过滤排排气气除除尘尘超超细细玻璃玻璃纤纤维维构构成的多成的多孔孔过滤过滤膜：膜：过滤过滤大大颗颗粒，粒，静静电电吸附小吸附小颗颗粒粒泵泵循循环环系系统统2022 C4046RH超净室的构造超净室的构造9/23/20247微电子工艺原理-第5讲清洗工艺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
4、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。例例1. 一集成一集成电电路路厂厂 产产量量1000片片/周周100芯片芯片/片，芯片，芯片价格片价格为为$50/芯片，如果芯片，如果产产率率为为50，则则正好保本。若正好保本。若要年要年赢赢利利$10,000,000，产产率增加需要率增加需要为为产产率提高率提高3.8%，将将带带来来年利年利润润1千万美元！千万美元！年年产产能能=年年开开支支为为1亿亿3千万千万100010052$5050%=$130,000,000污染的危害污染的危害
5、9/23/20248微电子工艺原理-第5讲清洗工艺污染物可能包括：微尘，有机物残余，重金属，碱离子污染物的类别及清洗过程污染物的类别及清洗过程9/23/20249微电子工艺原理-第5讲清洗工艺颗颗粒粒：所有可以落在硅片表面的都：所有可以落在硅片表面的都称称作作颗颗粒。粒。颗颗粒粒来来源：源：空空气气人体人体设备设备化化学学品品超超级净级净化空化空气气风风淋吹淋吹扫扫、防、防护护服、面服、面罩罩、手套等，机器手手套等，机器手/人人特殊特殊设计设计及材料及材料定期定期清清洗洗超超纯纯化化学学品品去离子水去离子水1、颗粒、颗粒9/23/202410微电子工艺原理-第5讲清洗工艺各各种种可能落在芯片表
6、面的可能落在芯片表面的颗颗粒粒9/23/202411微电子工艺原理-第5讲清洗工艺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 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）清洗的原理清洗的原理9/23/202412微电子工艺原理-第5讲清洗工艺0.20.2m mmm0.50.5m mmmNHNH4 4OHOH130-240130-24015-3015-30H H2 2OO2 220-10020-1005-205-20HFHF0-10-10 0HClHCl2-72-71-21-2H H2
7、2SOSO4 4180-1150180-115010-8010-80在在在在ULSIULSI级级级级化化化化学学学学试剂试剂试剂试剂中的中的中的中的颗颗颗颗粒粒粒粒浓浓浓浓度（度（度（度（数数数数目目目目/ml/ml）9/23/202413微电子工艺原理-第5讲清洗工艺2、金属的玷污来来源：源：化化学学试剂试剂，离子注入、反，离子注入、反应应离子刻离子刻蚀蚀等工等工艺艺v量量级级：1010原子原子/cm2影影响响：在界面形成缺陷，影在界面形成缺陷，影响响器件性能，成品率下降器件性能，成品率下降增加增加p-n结结的漏的漏电电流，流，减减少少少少数数载载流子的流子的寿寿命命Fe, Cu, Ni,
8、Cr, W, TiNa, K, Li9/23/202414微电子工艺原理-第5讲清洗工艺不同工不同工艺过艺过程引入的金程引入的金属属污污染染干法刻蚀离子注入 去胶水汽氧化910111213Log (concentration/cm2)Fe Ni Cu9/23/202415微电子工艺原理-第5讲清洗工艺金属杂质沉淀到硅表面的机理n n通过金属离子和硅表面终端的氢原子之间的电荷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）交换，和硅结合。（难以去除）n n氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入氧化时发生：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+
9、+ z e-去除溶液：H2O2：强氧化剂还原氧化9/23/202416微电子工艺原理-第5讲清洗工艺电负电负性性Cu+eCu-SiSi+eCu2-+2eCu9/23/202417微电子工艺原理-第5讲清洗工艺反反应应优优先先向向左左9/23/202418微电子工艺原理-第5讲清洗工艺3、有机物的玷有机物的玷污污来来源：源： 环境中的有机蒸汽存储容器光刻胶的残留物去除方法：强去除方法：强氧氧化化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入纯水9/23/202419微电子工艺原理-第5讲清洗工艺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
10、属杂质源难以生长金属硅化物清洗工艺：HFH2O（ca. 1: 50）9/23/202420微电子工艺原理-第5讲清洗工艺典型的典型的湿湿法化法化学清学清洗洗药药品品9/23/202421微电子工艺原理-第5讲清洗工艺有机物有机物/光刻光刻胶胶的的两种清两种清除除方法：方法：氧氧等离子体干法刻等离子体干法刻蚀蚀：把光刻：把光刻胶胶分解分解为为气气态态CO2H2O（适用于大多（适用于大多数数高分子膜）高分子膜）注意：高注意：高温温工工艺过艺过程程会会使使污污染物染物扩扩散散进进入硅片或薄膜入硅片或薄膜前端工前端工艺艺（FEOL）的）的清清洗尤洗尤为为重要重要金金属属Piranha（SPM：sulf
11、uric/peroxide mixture） H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1把光刻把光刻胶胶分解分解为为CO2H2O（适合于几乎所有有机物）（适合于几乎所有有机物） Si片的清洗工艺片的清洗工艺9/23/202422微电子工艺原理-第5讲清洗工艺标准清洗液标准清洗液-SC1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7 7080 C, 10min 碱碱性（性（pH值值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标标准准清
12、清洗洗OHOHOHOHOHOHRCA 是标准工艺可以有效去除重金属、有机物等.9/23/202423微电子工艺原理-第5讲清洗工艺标准清洗液标准清洗液-SC2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080 C, 10min 酸性（酸性（pH值值7）可以可以将碱将碱金金属属离子及离子及Al3、Fe3和和Mg2在在SC-1溶溶液中形成的不溶的液中形成的不溶的氢氢氧氧化物反化物反应应成溶于水的成溶于水的络络合物合物可以可以进进一步去除一步去除残残留的重金留的重金属属污污染（如染（如Au）RCA与与超超声声波振波振动动共同作用，可以有更好的去共同作用，可以有更好的
13、去颗颗粒作用粒作用2050kHz 或或 1MHz左右。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标标准准清清洗洗9/23/202424微电子工艺原理-第5讲清洗工艺现现代代CMOS的硅片的硅片清清洗工洗工艺艺化化学学溶溶剂剂清洗温度清清除的除的污污染物染物1H2SO4+H2O2(4:1)120 C,10min有机有机污污染物染物2D.I. H2O室室温温洗洗清清3NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5) (SC1) 80 C,10min微微尘尘4D.I. H2O室室温温洗洗清清5HCl+H2O2+H2O(1:1:6) (SC2)
14、 80 C,10min金金属属离子离子6D.I. H2O室室温温洗洗清清7HF+H2O (1:50)室室温温氧氧化化层层8D.I. H2O室室温温洗洗清清9干燥干燥9/23/202425微电子工艺原理-第5讲清洗工艺其其它它先先进进湿湿法法清清洗工洗工艺艺(1) H2O + O3 (18M -cm)9/23/202426微电子工艺原理-第5讲清洗工艺机器人自机器人自动动清清洗机洗机9/23/202427微电子工艺原理-第5讲清洗工艺清清洗容器和洗容器和载载体体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
15、或石英片架9/23/202428微电子工艺原理-第5讲清洗工艺清清洗洗设备设备超超声清声清洗洗喷雾喷雾清清洗洗9/23/202429微电子工艺原理-第5讲清洗工艺洗刷器洗刷器水水清清洗干燥洗干燥溢流溢流清清洗洗排空排空清清洗洗喷喷射射清清洗洗加加热热去离子水去离子水清清洗洗旋旋转转式式甩甩干干IPA异异丙醇蒸丙醇蒸气气干燥干燥9/23/202430微电子工艺原理-第5讲清洗工艺湿湿法法清清洗的洗的问题问题（1）表面粗糙度：表面粗糙度：清清洗洗剂剂、金、金属属污污染染对对硅表面造成腐硅表面造成腐蚀蚀，从从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，含量高，会会对对硅
16、硅造成表面腐造成表面腐蚀蚀和和损伤损伤。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, A1)降低微粗糙度的方法：减少NH4OH的份额降低清洗温度减少清洗时间9/23/202431微电子工艺原理-第5讲清洗工艺Wu et al., EDL 25, 289 (2004).SiGe-gate/high-k/SiGe pMOSFETs9/23/202432微电子工艺原理-第5讲清洗工艺Surface roughness (nm)Surf
17、ace roughness (nm)不同不同清清洗（腐洗（腐蚀蚀）方法）方法与与表面粗糙度表面粗糙度9/23/202433微电子工艺原理-第5讲清洗工艺Surface roughness (nm)Ebd (MV/cm)表面粗糙度降低了表面粗糙度降低了击击穿穿场场强强9/23/202434微电子工艺原理-第5讲清洗工艺颗颗粒的粒的产产生生较难较难干燥干燥价格价格化化学学废废物的物的处处理理和先和先进进集成工集成工艺艺的不相容的不相容湿湿法法清清洗的洗的问题问题（2）9/23/202435微电子工艺原理-第5讲清洗工艺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
18、于等离子体，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9/23/202436微电子工艺原理-第5讲清洗工艺其其它它方法方法举举例例9/23/202437微电子工艺原理-第5讲清洗工艺其他去除污染物的方法之其他去除污染物的方法之吸吸杂杂把重金把重金属属离子和离子和碱碱金金属属离子离子从从有源有源区区引引导导到不重要的到不重要的区区域。域。器件正面的器件正面的碱碱金金属属离子被吸离子被吸杂杂到介到介质层质层（钝钝化化层层），如），如PSG、Si3N4硅片中的金硅片中的金属属离子离子则则被俘被俘获获到体
19、硅中（本征吸到体硅中（本征吸杂杂）或硅片）或硅片背面（非本征吸背面（非本征吸杂杂）PSG=Phosphosilicate Glass 磷硅酸盐玻璃9/23/202438微电子工艺原理-第5讲清洗工艺硅中深能硅中深能级杂质级杂质（SRH中心）中心）扩扩散系散系数数大大容易被各容易被各种种机械缺陷和化机械缺陷和化学学陷陷阱区阱区域俘域俘获获9/23/202439微电子工艺原理-第5讲清洗工艺吸吸杂杂三步三步骤骤：杂质杂质元素元素从从原有陷原有陷阱阱中被中被释释放，成放，成为为可可动动原子原子杂质杂质元素元素扩扩散到吸散到吸杂杂中心中心杂质杂质元素被吸元素被吸杂杂中心俘中心俘获获9/23/20244
20、0微电子工艺原理-第5讲清洗工艺高高扩扩散系散系数数间间隙隙扩扩散方式聚集散方式聚集并并占据非理想缺陷（陷占据非理想缺陷（陷阱阱）位置）位置深能级深能级金金属属离子的吸离子的吸杂杂：9/23/202441微电子工艺原理-第5讲清洗工艺AusI AuI 踢踢出机制出机制Aus AuI V 分离机制分离机制引入大量的硅引入大量的硅间间隙原子，可以使金隙原子，可以使金Au和和铂铂Pt等替位等替位杂质转变为间杂质转变为间隙隙杂质杂质，扩扩散速度可以大大提高。散速度可以大大提高。方法方法高高浓浓度磷度磷扩扩散散离子注入离子注入损伤损伤SiO2的凝的凝结结析出析出激活激活 可可动动，增加，增加扩扩散速度。
21、替位原子散速度。替位原子 间间隙原子隙原子9/23/202442微电子工艺原理-第5讲清洗工艺PSG可以束可以束缚缚碱碱金金属属离子成离子成为稳为稳定的化合物定的化合物 超超过过室室温温的的条条件下，件下，碱碱金金属属离子即可离子即可扩扩散散进进入入PSG超超净净工工艺艺Si3N4钝钝化保化保护护抵抵挡挡碱碱金金属属离子的离子的进进入入其他金其他金属属离子的吸离子的吸杂杂：本征吸本征吸杂杂 使硅表面使硅表面1020m mm范范围围内氧内氧原子原子扩扩散到体硅散到体硅内内，而硅表面的，而硅表面的氧氧原子原子浓浓度降低至度降低至10ppm以下。利用体硅中的以下。利用体硅中的SiO2的凝的凝结结成成
22、为为吸吸杂杂中心。中心。非本征吸非本征吸杂杂利用在硅片背面形成利用在硅片背面形成损伤损伤或生或生长长一一层层多晶硅，多晶硅，制造缺陷成制造缺陷成为为吸吸杂杂中心。在器件制作中心。在器件制作过过程中的一些高程中的一些高温温处处理步理步骤骤，吸，吸杂杂自自动动完成。完成。碱碱金金属属离子的吸离子的吸杂杂：9/23/202443微电子工艺原理-第5讲清洗工艺本征吸本征吸杂杂工工艺艺更易控制更易控制造成的造成的损伤损伤范范围围大大距有源距有源区区更近更近缺陷缺陷热稳热稳定性好定性好方法：外延或方法：外延或热热循循环处环处理理外外扩扩散散凝凝结结成核成核沉淀析出沉淀析出9/23/202444微电子工艺原
23、理-第5讲清洗工艺bipolar9/23/202445微电子工艺原理-第5讲清洗工艺净净化的三化的三个个层层次：次：环环境、硅片境、硅片清清洗、吸洗、吸杂杂本本节课节课主要主要内内容容小结小结1净净化化级别级别高效高效净净化化净净化的必要性化的必要性器件：少子器件：少子寿寿命命 ，VT改改变变，Ion Ioff ，栅击栅击穿穿电压电压 ，可靠性，可靠性 电电路：路：产产率率 ，电电路性能路性能 杂质杂质种种类类：颗颗粒、有机粒、有机物、金物、金属属、天然、天然氧氧化化层层强强氧氧化化天然天然氧氧化化层层HF:DI H2O本征吸本征吸杂杂和非本征吸和非本征吸杂杂9/23/202446微电子工艺原
24、理-第5讲清洗工艺硅片硅片清清洗洗湿湿法法清清洗：洗：Piranha，RCA（SC1，SC2），），HF:H2O干法干法清清洗：洗：气气相化相化学学吸吸杂杂三步三步骤骤：激活激活，扩扩散，俘散，俘获获碱碱金金属属：PSG，超，超净净化化Si3N4钝钝化保化保护护其他金其他金属属：本征吸：本征吸杂杂和非本征吸和非本征吸杂杂大密度硅大密度硅间间隙原子体缺陷隙原子体缺陷SiO2的成核的成核生生长长。硅片背面高硅片背面高浓浓度度掺杂掺杂，淀，淀积积多晶硅多晶硅本本节课节课主要主要内内容容小结小结29/23/202447微电子工艺原理-第5讲清洗工艺作业作业作业：作业：n n1 1现代现代IC IC 制
25、造制造依赖哪三道防线来控制沾污？依赖哪三道防线来控制沾污？n n2 2现代现代IC IC 制造制造通过哪些措施来实现环境净化？通过哪些措施来实现环境净化？n n3 3 净化级别是怎样定义的？净化级别是怎样定义的？n n4 4 在在ICIC生产过程中可能出现的污染物有哪些，及这些污染的来源？生产过程中可能出现的污染物有哪些，及这些污染的来源？n n5 5 落在落在Si Si片表面的颗粒的附着机理和去除方法？片表面的颗粒的附着机理和去除方法？n n6 6 金属污染的来源，影响与去除方法？金属污染的来源，影响与去除方法？n n7 7 有机物的污染的来源，影响与去除方法？有机物的污染的来源，影响与去除
26、方法？n n8 8 自然氧化层的存在带来的问题和去除溶液是什么？自然氧化层的存在带来的问题和去除溶液是什么？n n9 9 有机物，光刻胶的两种常见去除方法是？有机物，光刻胶的两种常见去除方法是？n n10 RCA10 RCA代表什么意思，代表什么意思，SC-1SC-1和和SC-2SC-2代表什么，有什么用途？代表什么，有什么用途？n n11 11 现代现代CMOSCMOS的硅片清洗工艺？的硅片清洗工艺？n n1 12 2 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？净化的？9/23/202448微电子工艺原理-第5讲清洗工艺
