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1、1、清洗的概念及超净室环境引见、清洗的概念及超净室环境引见2、污染的类别及去除过程、污染的类别及去除过程第五讲之第五讲之 Si片的清洗工艺片的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引言引言芯片代加工工厂的芯片代加工工厂的环环境境经过经过以下措施以下措施进进展展: :HEPA(high-efficiency particulate arresting HEPA(high-efficiency particulate arresting ) filters and recirculation for th
2、e air.() filters and recirculation for the air.(高效高效过滤过滤器和空气再循器和空气再循环环) )“Bunny suits“Bunny suits for workers.( for workers.(任任务务人人员员的超的超净净任任务务服服) )Filtration of chemicals and gases.(Filtration of chemicals and gases.(高高纯纯化化学学药药品和气体品和气体) )Manufacturing protocols.(Manufacturing protocols.(严厉严厉的制造的制造规
3、规程程) )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From Intel Museum引言引言风淋室净净化化级别级别：每立方英尺空：每立方英尺空气气中含有尺度大于中含有尺度大于0.5mm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引言引言引言引言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由于集成电
4、路內各元件及连线相当微细，因此制造过程中，假设遭到灰尘、金属的污染，很容易呵斥芯片内电路功能的损坏，构成短路或断路，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厂路厂 产产量量1000片片/周周100芯片芯片/片，芯片，芯片价片价钱为钱为$50/芯片，假芯片，假设产设产率率为为50，那么正好保本。，那么正好保本。假假设设要年要年赢赢利利$10,000,000，产产率添加需求率添加需求为为产产率提高率提高3.8%，将，将带带来年利来年利润润1千万美千万美圆圆！年年产产能能=年开支年开支为为1亿亿3千万千万100010052
5、$5050%=$130,000,000污染的危害污染的危害污染物能够包括：微尘，有机物剩余，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颗颗粒：一切可以落在硅片外表的都粒：一切可以落在硅片外表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及资资料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、颗粒各各种种能能够够落在芯片外表的落在芯片外表的颗颗粒粒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：
6、v 1 溶解v 2 氧化分解v 3 对硅片外表细微的腐蚀去除v 4 粒子和硅片外表的电排斥v去除方法：湿法刻蚀, megasonic超声清洗清洗的原理清洗的原理在在在在ULSIULSI级级级级化学化学化学化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 数目数目数目数目/ml/ml 2、金属的玷污来源：化学来源：化学试剂试剂，离子注入、反响离子刻，离子注入、反响离子刻蚀蚀等工等工艺艺量量级级：1010原子原子/cm2影响：影响：在界面构成缺陷，影响器件性能，在界面构成缺陷，影响器件性能，废废品率下降品率下降添加添加p-n结结的漏的漏电电流，减少少数流，减少少数载载流子的寿命
7、流子的寿命Fe, Cu, Ni, Cr, W, TiNa, K, Li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 Cu金属杂质沉淀到硅外表的机理经过金属离子和硅外表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：强氧化剂复原氧化电负电负性性Cu+eCu-SiSi+eCu2-+2eCu反反响响优优先先向向左左3、有机物的玷污、有机物的玷污来来源：源： 环环境中的有机蒸汽
8、境中的有机蒸汽存存储储容器容器光刻光刻胶胶的的残残留物留物去除方法：强去除方法：强氧氧化化 臭臭氧氧干法干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭臭氧氧注入注入纯纯水水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：HFH2Oca. 1: 50典型的典型的湿湿法化法化学清学清洗洗药药品品有机物有机物/光刻光刻胶胶的的两种两种去除去除方法：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留意：高留意：高温温工工艺过艺过程程会会使使
9、污污染物分散染物分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PiranhaSPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1把光刻把光刻胶胶分解分解为为CO2H2O适宜于几乎一切有机物适宜于几乎一切有机物 Si片的清洗工艺片的清洗工艺规范清洗液范清洗液-SC1APM，Ammonia Peroxide Mixture： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7 7080C, 10min 碱性碱性pH值7可以氧化有机膜可以氧化有机膜和金属构成和金属构成络合物
10、合物缓慢溶解原始氧化慢溶解原始氧化层，并再氧化，并再氧化可以去除可以去除颗粒粒NH4OH对硅有腐硅有腐蚀作用作用RCA规规范清洗范清洗OHOHOHOHOHOHRCA 是规范工艺可以有效去除重金属、有机物等.规范清洗液规范清洗液-SC2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080 C, 10min 酸性酸性pH值值7可以将碱金属离子及可以将碱金属离子及Al3、Fe3和和Mg2在在SC-1溶液中构成的不溶的氢氧化物反响成溶于水的络合溶液中构成的不溶的氢氧化物反响成溶于水的络合物物可以进一步去除残留的重金属污染如可以进一步去除残留的重金属污染如AuRCA与与超
11、超声声波振波振动动共同作用，可以有更好的去共同作用，可以有更好的去颗颗粒作用粒作用2050kHz 或或 1MHz左右。左右。平行于硅片外表的声压波使粒子浸润，然后溶液分散入界面，最后粒子完全浸润，并成为悬浮的自在粒子。RCA规规范清洗范清洗现现代代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去除的去除的污污染物染物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)
12、 (SC2) 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枯燥枯燥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)机器人自机器人自动动清清洗机洗机清洗容器和清洗容器和载载体体SC1/SPM/SC2 石英石英 Quartz 或或 氟聚合物氟聚合物容器容器HF 优优先运用氟聚合物，其他无先运用氟聚合物，其他无色塑料容器也行。色塑料容器也行。硅片的硅片的载载体体 只能用氟聚合物或石英片架只能用氟聚合物或石英片架清清洗洗设备设备超超声清声清洗洗喷雾喷雾清清洗洗
13、洗刷器洗刷器水水清清洗枯燥洗枯燥溢流溢流清清洗洗排空排空清清洗洗放射放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枯燥枯燥湿湿法法清清洗的洗的问题问题1外表粗糙度：外表粗糙度：清清洗洗剂剂、金、金属属污污染染对对硅外表呵斥腐硅外表呵斥腐蚀蚀，从从而呵斥外表微粗糙化。而呵斥外表微粗糙化。SC-1中，中，NH4OH含量高，含量高，会会对对硅呵斥外表腐硅呵斥外表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
14、 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Wu et al., EDL 25, 289 (2019).SiGe-gate/high-k/SiGe pMOSFETsSurface roughness (nm)Surface roughness (nm)不同不同清清洗腐洗腐蚀蚀方法方法与与外表粗糙度外表粗糙度Surface roughness (nm)Ebd (MV/cm)外表粗糙度降低了外表粗糙度降低了击击穿穿场场强强颗颗粒的粒的产产生生较难较难枯燥枯燥价价钱钱化化学学废废物的物的处处置置和先和先进进集成工集成工艺艺的不相容的不相容
15、湿湿法法清清洗的洗的问题问题2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响。所需参与的能量，可以来自于等离子体，离子束，短波长辐射和加热，这些能量用以清洁外表，但必需防止对硅片的损伤HFH2O气相清洗紫外一臭氧清洗法UVOCH2Ar等离子清洗热清洗其其它它方法方法举举例例其他去除污染物的方法之吸杂其他去除污染物的方法之吸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那离子那么么被俘被俘获获到体
16、硅中本征吸到体硅中本征吸杂杂或硅片或硅片反面非本征吸反面非本征吸杂杂PSG=Phosphosilicate Glass 磷硅酸盐玻璃硅中深能硅中深能级杂质级杂质SRH中心中心分散系数大分散系数大容易被各种机械缺陷和化学圈套区域俘容易被各种机械缺陷和化学圈套区域俘获获吸吸杂杂三步三步骤骤：杂质杂质元素元素从从原有圈套中被原有圈套中被释释放，成放，成为为可可动动原子原子杂质杂质元素分散到吸元素分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高分散系高分散系数数间间隙分散方式聚集隙分散方式聚集并并占据非理想缺陷圈套位置占据非理想缺陷圈套位置深能级金属离子的吸杂：深能级金属离子的吸杂：
17、AusI AuI 踢踢出机制出机制Aus AuI V 分分别别机制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，分散速度可以大大提高。，分散速度可以大大提高。方法方法高高浓浓度磷分散度磷分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，添加分散速度。替位原子，添加分散速度。替位原子 间间隙原子隙原子PSG可以束可以束缚缚碱金属离子成碱金属离子成为稳为稳定的化合物定的化合物 超越室温的条件下，碱金属离子即可分散超越室温的条件下，碱金属离子即可分散进进入入PSG超超净净工工艺艺Si3N4钝
18、钝化化维护维护抵抵挡挡碱金属离子的碱金属离子的进进入入其他金属离子的吸其他金属离子的吸杂杂：本征吸本征吸杂杂 使硅外表使硅外表1020mm范范围围内氧原子分散到体硅内，内氧原子分散到体硅内，而硅外表的氧原子而硅外表的氧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反面构成利用在硅片反面构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。在器件制造中心。在器件制造过过程中的一些高温程中的一些高温处处置步置步骤骤，吸，吸杂杂自自动动完成。完成。碱碱金金属属离子的吸
19、离子的吸杂杂：本征吸本征吸杂杂工工艺艺更易控制更易控制呵斥的呵斥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置置外分散外分散凝凝结结成核成核沉淀析出沉淀析出bipolar净净化的三个化的三个层层次：次：环环境、硅片清洗、吸境、硅片清洗、吸杂杂本本节课节课主要主要内内容小容小结结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改改动动，Ion Ioff ，栅击栅击穿穿电压电压 ，可靠，可靠性性 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
20、、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硅片硅片清清洗洗湿湿法法清清洗：洗：Piranha，RCASC1，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，分散，俘：激活，分散，俘获获碱金属：碱金属：PSG，超，超净净化化Si3N4钝钝化化维护维护其他金属：本征吸其他金属：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。硅片反面高硅片反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小容小结结2作业
21、作业作业：作业：1 1现代现代IC IC 制造依赖哪三道防线来控制沾污？制造依赖哪三道防线来控制沾污？2 2现代现代IC IC 制造经过哪些措施来实现环境净化？制造经过哪些措施来实现环境净化？3 3 净化级别是怎样定义的？净化级别是怎样定义的？4 4 在在ICIC消费过程中能够出现的污染物有哪些，及这些污染的来源？消费过程中能够出现的污染物有哪些，及这些污染的来源？5 5 落在落在SiSi片外表的颗粒的附着机理和去除方法？片外表的颗粒的附着机理和去除方法？6 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？7 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，影响与去除方法？8 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？9 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？10 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？11 11 现代现代CMOSCMOS的硅片清洗工艺？的硅片清洗工艺？12 12 吸杂的三步骤是什么，碱金属和其它金属详细是怎样经过吸杂得到净吸杂的三步骤是什么，碱金属和其它金属详细是怎样经过吸杂得到净化的？化的？
