微电子工艺原理-第5讲清洗工艺.ppt

2019-07-17,1,1,1、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,2019-07-17,2,1,三道防线: 净化环境（clean room） 硅片清洗（wafer cleaning） 吸杂（gettering）,引言,2019-07-17,3,1,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 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,2019-07-17,4,1,From Intel Museum,引言,风淋室,2019-07-17,5,1,净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5mm的粒子总数少于X个。（1立方英尺=0.283立方米）,0.5um,引言,2019-07-17,6,1,引言,2019-07-17,7,1,超净室的构造,2019-07-17,8,1,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 100010052$5050% =$130,000,000,污染的危害,2019-07-17,9,1,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,2019-07-17,10,1,颗粒：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,1、颗粒,2019-07-17,11,1,各种可能落在芯片表面的颗粒,2019-07-17,12,1,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）,清洗的原理,2019-07-17,13,1,在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数目/ml）,2019-07-17,14,1,2、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, W, Ti Na, K, Li,2019-07-17,15,1,不同工艺过程引入的金属污染,2019-07-17,16,1,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,2019-07-17,17,1,电负性,Cu+e,Cu-,Si,Si+e,Cu2-+2e,Cu,2019-07-17,18,1,2019-07-17,19,1,3、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,2019-07-17,20,1,4、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：HFH2O（ca. 1: 50）,2019-07-17,21,1,典型的湿法化学清洗药品,2019-07-17,22,1,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,金属,Piranha（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）,Si片的清洗工艺,2019-07-17,23,1,标准清洗液-SC1（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,RCA 是标准工艺可以有效去除重金属、有机物等.,2019-07-17,24,1,标准清洗液-SC2: 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。,RCA标准清洗,2019-07-17,25,1,现代CMOS的硅片清洗工艺,2019-07-17,26,1,其它先进湿法清洗工艺,(1) H2O + O3 (18M-cm),2019-07-17,27,1,机器人自动清洗机,2019-07-17,28,1,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,2019-07-17,29,1,清洗设备,超声清洗,喷雾清洗,2019-07-17,30,1,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,2019-07-17,31,1,湿法清洗的问题（1）,表面粗糙度：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。,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,2019-07-17,32,1,Wu et al., EDL 25, 289 (2004).,SiGe-gate/high-k/SiGe pMOSFETs,2019-07-17,33,1,不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度,2019-07-17,34,1,表面粗糙度降低了击穿场强,2019-07-17,35,1,颗粒的产生 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（2）,2019-07-17,36,1,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,2019-07-17,37,1,其它方法举例,2019-07-17,38,1,其他去除污染物的方法之吸杂,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）,PSG=Phosphosilicate Glass 磷硅酸盐玻璃,2019-07-17,39,1,硅中深能级杂质（SRH中心）,扩散系数大 容易被各种机械缺陷和化学陷阱区域俘获,2019-07-17,40,1,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,2019-07-17,41,1,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：,2019-07-17,42,1,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,2019-07-17,43,1,PSG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。,碱金属离子的吸杂：,2019-07-17,44,1,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,2019-07-17,45,1,bipolar,2019-07-17,46,1,净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂,本节课主要内容小结1,2019-07-17,47,1,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,本节课主要内容小结2,2019-07-17,48,1,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