半导体器件与工艺(6).ppt

第六章硅片的制备与清洗 哈尔滨工程大学 微电子学 半导体器件与工艺 硅是用来制造芯片的主要半导体材料 也是半导体产业中最重要的材料 对于可用于制造半导体器件的硅而言 使用一种特殊纯度级以满足严格的材料和物理要求 在硅片上制作的芯片的最终质量与开始制作时所采用的硅片的质量有直接关系 如果原始硅片上有缺陷 那么最终芯片上也肯定会存在缺陷 半导体级硅 用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅 semiconductor gradesilicon 或者SGS 有时也被称做电子级硅 半导体级硅 不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键 而且它也要有近乎完美的晶体结构 只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷 单晶是一种固体材料 在许多的原子长程范围内原子都在三维空间中保持有序且重复的结构 晶体结构 非晶材料是指非晶固体材料 它们没有重复的结构 并且在原子级结构上体现的是杂乱的结构 非晶硅对生产半导体器件所需的硅片来讲是没有任何用处的 这是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关 这就要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性 非晶材料 在晶体材料中 对于长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞 晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复单元 它给出了晶体的结构 在一个晶体结构中 晶胞紧密地排列 因此存在共有原子 共有原子非常重要 因为晶胞是通过它们来组成一个紧密连接在一起的晶格结构的 在金刚石面心立方晶胞中每个角上的原子被8个晶胞所共有 每个面上的原子被2个晶胞所共有 因此每个面心立方晶胞包含4个完整原子 晶胞 对于硅晶体来说 晶胞和金刚石晶体结构的面心立方结构晶胞不同 除了面心立方所具有的那些共有原子之外 还包括完全位于立方结构中的4个原子 对于硅晶胞来说 总共有8个完整原子 其中4个共有原子和4个非共有原子 晶胞 如果晶胞不是有规律地排列 那么这种材料就叫多晶材料 如果从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶结构 就叫做多晶硅 polycrystal 如果晶胞在三维方向上整齐地重复排列 那这样的结构就叫单晶 monocrystal 英文的另一种表达方式是singlecrystal 多晶和单晶结构 晶向非常重要 因为它决定了在硅片中晶体结构的物理排列是怎样的 不同晶向的硅片的化学 电学和机械性质都不一样 这会影响工艺条件和最终的器件性能 如果晶体是单晶结构 那么所有的晶胞就都会沿着这个坐标轴重复地排列 晶向 硅晶体平面上的方向由一套称做密勒指数的参数所描 在密勒系统的符号里 小括号 用来表示特殊的平面 而尖括号 表示对应的方向 多晶和单晶结构 晶体生长是把半导体级硅的多晶硅转换成一块大的单晶硅 生长后的单晶硅被称为硅单晶锭 现在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是Czochralski CZ 法 是按照发明者的名字来命名的 CZ法生长单晶硅是把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅 一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭 生长的单晶硅锭就像籽晶的复制品 为了用CZ法得到单晶硅 在熔化了的硅和单晶硅籽晶的接触面的条件要精确控制 这些条件保证薄层硅能够精确复制籽晶结构 并最后生长成一个大的硅锭 这些是通过CZ拉单晶炉的设备得到的 单晶硅生长 CZ法 单晶硅生长 CZ法 坩埚里的硅被拉单晶炉加热 使用电阻加热或射频 RF 加热线圈 电阻加热用于制备大直径的硅锭 当硅被加热时 它变成液体 叫做熔体 籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢地拉起 它的旋转方向与坩埚的旋转方向相反 随着籽晶在直拉过程中离开熔体 熔体上的液体会因表面张力而提高 籽晶上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固 随着籽晶旋转着从熔体里拉出 与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来了 为了在最后得到所需电阻率的晶体 掺杂材料被加到拉单晶炉的熔体中 纯硅的电阻率大约在 晶体生长中最常用的掺杂杂质是产生P型硅的三价硼或者产生n型硅的五价磷 通常掺杂杂质不直接加入到熔体中 这是由于掺杂杂质数量非常少 典型的工艺是采用将掺杂杂质加入到被粉碎的硅粉中的形式进行掺杂 单晶硅生长 CZ法 区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里 一个籽晶固定到一端然后放进生长炉中 用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域 加热多晶硅棒是区熔法最主要的部分 因为在熔融晶棒的单晶界面再次凝固之前只有30分钟的时间 晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动 典型的区熔法硅片直径要比直拉法小 由于不用坩埚 区熔法生长的硅纯度高且含氧量低 单晶硅生长 区熔法 更大直径的硅锭对正确的晶体生长和保持良好的工艺控制提出了挑战 300mm的硅锭大约有1米长 并且需要在坩埚中熔化150kg到300kg的半导体级硅 大直径硅锭 更大直径硅片意味着每个硅片上有更多的芯片 每块芯片的加工和处理时间都减少了 导致设备生产效率提高 更大直径的另一个好处就是在硅片边缘的芯片少了 转化为更高的生产成品率 还有一个好处是由于在同一工艺过程中有更多的芯片 所以在芯片处理过程中 设备的重复利用率提高了 大直径硅锭 晶体缺陷 crystaldefect 就是在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断 硅晶体缺陷对半导体的电学特性有破坏作用 随着器件尺寸的缩小以及有源栅区面积的增加 更多的晶体管集成在一块芯片上 缺陷出现在芯片敏感区域的可能性就会增加 这样的缺陷会对先进的IC器件的成品率有负面影响 硅中主要存在三种普遍的缺陷形式 1 点缺陷 原子层面的局部缺陷2 位错 错位的晶胞3 层错 晶体结构的缺陷 硅中的晶体缺陷 点缺陷点缺陷存在于晶格的特定位置 最基本的一种缺陷是空位 这种缺陷是当一个原子从其格点位置移开时出现 另一种点缺陷是间隙原子 它存在于晶体结构的空隙中 当一个原子离开其格点位置并且产生了一个空位时 就会产生间隙原子 空位对 或叫Frenkel缺陷 硅中的晶体缺陷 位错在单晶中 晶胞形成重复性结构 如果晶胞错位 这种情况就叫做位错 位错可以在晶体生长和硅片制备过程中的任意阶段产生 然而 发生在晶体生长之后的位错通常由作用在硅片上的机械应力所造成 例如不均匀的受冷或受热以及超过硅片承受范围的应力 硅中的晶体缺陷 层错层错与晶体结构有关 经常发生在晶体生长过程中 滑移就是一种层错 它沿着一个或更多的平面发生滑移 硅中的晶体缺陷 另一种层错是孪生平面 就是在一个平面上 晶体沿着两个不同的方向生长 硅是硬而脆的材料 晶体生长后的硅锭对半导体制造来说用处很小 圆柱形的单晶硅锭 又叫单晶锭 要经过一系列的处理过程 最后形成硅片 才能达到半导体制造的严格要求 这些硅片制备步骤包括机械加工 化学处理 表面抛光和质量测量 硅片制备的基本流程如图所示 硅片制备 整型处理硅单晶锭在拉单晶炉中生长完成后 整型处理是接下来的第一步工艺 整型处理包括在切片之前对单晶硅锭做的所有准备步骤 去掉两端第一步是把硅单晶锭的两端去掉 当两端被去掉后 可用四探针来检查电阻以确定整个硅单晶锭达到合适的杂质均匀度 径向研磨径向研磨来产生精确的材料直径 由于在晶体生长中直径和圆度的控制不可能很精确 所以硅单晶锭都要长得稍大一点以进行径向研磨 对半导体制造中流水线的硅片自动传送来讲 精确的直径控制是非常关键的 硅片制备 整型处理 硅片定位边或定位槽半导体业界传统上在硅单晶锭上做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向 主定位边标明了晶体结构的晶向 还有一个次定位边标明硅片的晶向和导电类型 硅片制备 整型处理 硅片定位边或定位槽硅片定位边在200mm及以上的硅片已被定位槽所取代 具有定位槽的硅片在硅片上的一小片区域有激光刻上的关于硅片的信息 对300mm硅片来讲 激光刻印于硅片背面靠近边缘的没有利用到的区域 对于300mm硅片 没有利用到的区域是在固定质量区域面积之外 固定质量区域 FQA 是指硅片上容纳芯片的面积 现在没有利用的区域一般是3mm 硅片制备 切片一旦整型处理完成后 硅锭就准备进行切片 对200mm以下硅片来讲 切片是用带有金刚石切割边缘的内圆切割机来完成的 使用内圆切割机是因为边缘切割时能更稳定 使之产生平整的切面 硅片制备 切片对300mm的硅片来讲 由于大直径的原因 内圆切割机不再符合要求 300mm的硅锭目前都是用线锯来切片的 线锯在切片过程中减少了对硅片表面的机械损伤 硅片的厚度在切片过程中得到了精确的控制 300mm硅片目前的厚度是775 25微米 更厚的硅片能够承受在导体制造高温工艺中的热能以及机械震动 硅片制备 磨片和倒角切片完成后 要进行双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤 达到硅片两面高度的平行及平坦 磨片是用垫片和带有磨料的浆料利用压力旋转来完成 硅片边缘抛光修整 又叫倒角 可使硅片边缘获得平滑的半径周线 在硅片边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错 平滑的边缘半径对于将这些影响降到最小 硅片制备 刻蚀硅片整型使硅片表面和边缘损伤及沾污 硅片损伤的深度一般有几微米深 为了消除硅片表面的损伤 采用硅片刻蚀或化学刻蚀的技术 硅片经过湿法化学刻蚀工艺消除硅片表面损伤和沾污 在刻蚀工艺中 通常要腐蚀掉硅片表面约20微米的硅以保证所有的损伤都被去掉 硅片制备 抛光制备硅片的最后一步是化学机械平坦化 CMP 它的目标是高平整度的光滑表面 硅片在抛光盘之间行星式的运动轨迹使硅片表面平坦且两面平行 最后硅片的两面都会像镜子一样 硅片制备 清洗半导体硅片必须被清洗使得在发送给芯片制造厂之前达到超净的洁净状态 清洗规范在过去几年中经历了相当大的发展 使硅片达到几乎没有颗粒和沾污的程度 硅片制备 硅片评估在包装硅片之前 会按照客户要求的规范来检查是否达到质量标准 包装硅片供应商必须仔细地包装要发货给芯片制造厂的硅片 硅片叠放在有窄槽的塑料片架或 舟 里以支撑硅片 碳氟化合物树脂材料 如特氟纶 常被用于盒子材料使颗粒产生减到最少 另外 特氟纶被作成导体使其不会产生静电释放 装满硅片后 片架就会放在充满氮气的密封小盒里以免在运输过程中氧化和其他沾污 当硅片到达硅片制造厂时 它们被转移到其他标准化片架里使其在被这些制造设备的加工过程中传送和处理 一种传送容器是能容纳25个硅片的容器 叫做前开口传送盒 它与硅片制造厂里的自动传送系统有连接 硅片制备 质量测量对硅片测量来说 硅片的均匀性是关键的 重要的硅片质量要求如下 物理尺寸 平整度 微粗糙度 氧含量 晶体缺陷 颗粒 体电阻率 硅片制备 外延片 在硅外延片中 硅基片作为籽晶在硅片上面生长一薄层硅 新的外延层会复制硅片的晶体结构 由于衬底硅片是单晶 外延层也是单晶 而且 外延层可以是n型也可以是p型 这并不依赖于原始硅片的掺杂类型 外延层的厚度可以不同 用于高速数字电路的典型厚度是0 5到5微米 用于硅功率器件的典型厚度是50到100微米 硅片的清洗 集成电路制造过程中的硅片清洗是指在氧化 光刻 外延 扩散和引线蒸发等工序前 采用物理或化学的方法去除硅片表面的污染物和自身氧化物 以得到符合清洁度要求的硅片表面的过程 硅片表面的污染物通常以原子 离子 分子 粒子或膜的形式 以物理吸附或化学吸附的方式存在于硅片表面或硅片自身氧化膜中 硅片清洗要求既能去除各类杂质 又不损坏硅片 目前 晶片清洗成为集成电路生产中重复率最高的步骤 对于ULSI有80多道清洗工序 清洗可分为物理清洗和化学清洗 化学清洗又包括液相清洗和气相清洗等 颗粒问题 电路的特征尺寸已由微米级降到深亚微米 0 25微米 65纳米 和纳米 50纳米 级的水平 这使得导致电路缺陷的颗粒尺寸下限值也相应苛刻 由于半导体元件制程日益精密复杂 对晶片表面洁净度的要求也日益提高 硅片清洗是半导体器件中最重要 最频繁的步骤 其效率将直接影响到器件的成品率 性能和可靠性 然而在ULSI制程中 氧化层的厚度已低于10nm 所以清洗后的晶片表面微粗糙度是必须考虑的问题 颗粒问题 颗粒的危害集成电路工艺的重要特性之一是对杂质十分敏感 极微量的杂质都会对器件性能产生影响 但是 器件制作过程中的化学试剂 清洗用的水等都可能成为有害杂质的来源 微电子器件衬底表面的吸附物在p n结扩散制作或离子注入时形成钉子模型 处于颗粒下面的硅片不能得到掺杂 导致低击穿 管道击穿 颗粒问题 微粒源及微粒附着在清洗过程中 微粒随时都会产生 而微粒源来自于清洗用的超纯水 化学品 环境及气体等 由于单晶硅片极易吸附外来杂质 即使是存放在100级洁净室 1m3空气中不小于0 5尘粒数不多于3500个 内 只要经过一段时间之后 晶片上仍会附着尘埃 有机物问题 硅片上的油脂等有机杂质 分子型杂质 可用有机溶剂溶除 有机物污染用溶解性很强的三氯乙烯 丙酮和乙醇等有机溶剂浸渍 同时采用加温或者超声波清洗 除尘效果更佳 此外 采用或等氧化剂和硫酸的混合液 在100 左右的温度下加热处理5 10min也很有效 有机污染量不大时 用碱性溶液处理对硅片影响很小 可获得良好的清洗效果 如3 1 4 1的硫酸和双氧水混合液加热清洗多用于光刻抗蚀剂的剥离 除上述湿法处理外 紫外线和臭氧处理或100 150Pa的氧压等离子中灰化后处理方法 也同样用于去除光刻胶等有机物的清洗 离子问题 在化学清洗中 经常采用生成络合物的方法来清涂硅片表面的杂质 特别是对于那些用 三酸 也难以清除的重金属杂质 金 银 铜 铂等 是很有效的 由原子可以形成简单的分子 许多简单分子之间还可以进一步结合 形成复杂的化合物 络合物就是分子间化合物 铜 金 铁等重金属元素形成深能级而降低少数载流子的寿命 并产生晶格缺陷 导致硅氧化膜耐压不良或漏电流增大 钠 钾等碱性金属也在氧化膜中变成活性离子 使MOS性能不稳定 因此 清除这些金属杂质是十分必要的 在硅片加工及器件制造过程中 所有与硅片接触的外部媒介都是硅片沾污杂质的可能来源 这主要包括以下几方面 硅片加工成型过程中的污染 环境污染 水造成的污染 试剂带来的污染 工业气体带来的污染 工艺本身带来的污染 人体造成的污染等 硅片表面沾污杂质的来源和分类 晶片清洗的原理及方法 物理去除法对附着在晶片表面的微尘施加一些物理力 使之从晶片表面离去的方法有刷洗法及超声波清洗等 刷洗法是最普及的方法 其优点是 去除能力强 可以在短时间内完成清洗工作 但是易对硅片造成损伤 而且它的效率比较低 超声波清洗则是以纯水或碱性药水的药液注入超声波内 使之在清洗中产生 气穴现象 利用此现象产生的力将微尘从晶片表面分离 晶片清洗的原理及方法 溶解污染物该方法就是利用药液溶解除去晶片表面的污染物 有机物及无机物 在半导体清洗的制程中 使用盐酸和过氧化氢的混合溶液 HPM 对去除金属离子很有效 还有一种叫做SPM的混合溶液 可有效地去除有机物及金属污染 清洗中利用HF来进行氧化膜表面的清洗 是利用HF可以溶解表面氧化层及氧化层中的金属离子 而达到清洗的目的 晶片清洗的原理及方法 防止污染物的再附着吸附在硅片表面上的杂质可分为分子型 离子型和原子型3种情况 其中 分子型杂质与硅片表面之间的吸附力较弱 清除这种杂质粒子比较容易 它们多属于油脂类杂质 具有疏水性的特点 对于清除离子型和原子型杂质具有掩蔽作用 因此 在对硅片清洗时 首先应被清除 离子型杂质和原子型杂质属于化学吸附杂质 其吸附力较强 在一般情况下 原子型吸附杂质的量较小 因此在化学清洗时 先清除掉离子型吸附杂质 然后去除残存的离子型杂质及原子型杂质 最后用高纯去离子水冲洗硅片 再加温烘干或甩干就可得到洁净表面的硅片 清洗硅片的一般工艺程序为 去分子一去离子一去原子一去离子水冲洗 硅片清洗的常用方法与技术 湿法化学清洗利用各种化学试剂和有机溶剂与吸附在被清洗物体表面上的杂质及油污发生化学反应或溶解作用 或伴以超声 加热措施 使杂质从被清除物体的表面脱附 解吸 然后用大量高纯去离子水冲洗 从而获得洁净表面的过程 硅片清洗的常用方法与技术 溶液浸泡法溶液浸泡法就是通过将要清除的硅片放入溶液中浸泡来达到清除表面污染目的的一种方法 它是湿法化学清洗中最常用的一种方法 它主要是通过溶液与硅片表面的污染杂质在浸泡过程中发生化学反应及溶解作用 来达到清除硅片表面杂质的目的 硅片清洗的常用方法与技术 超声波清洗技术超声波清洗是半导体工业中广泛应用的一种清洗方法 该方法的优点是 清洗效果好 操作简单 清洗原理 在强烈的超声波作用下 常用的超声波频率为20 40kHz左右 液体内部会产生疏部和密部 疏部产生近乎真空的空腔泡 当空腔泡消失的瞬间 其附近便产生强大的局部压力 使分子内的化学键断裂 因此使硅片表面的杂质解吸 当超声波的频率和空腔泡的振动频率共振时 机械作用力达到最大 泡内聚集的大量热能 使温度升高 促进化学反应的发生 硅片清洗的常用方法与技术 兆声波清洗技术兆声清洗的机理是由高能 850kHz 频振效应并结合化学清洗剂的化学反应对硅片进行清洗的 清洗时不形成超声波清洗那样的气泡 只以高速的流体波连续冲击晶片表面 使硅片表面附着的污染物和微粒被强制除去并进入到清洗液中 这种方法能同时起到机械擦片和化学清洗两种方法的作用 目前 兆声波清洗方法已成为抛光片清洗的一种有效方法 兆声波清洗示意图 硅片清洗的常用方法与技术 激光清洗法激光清洗是利用激光把表面沾污物浮起 然后利用流动的惰性气体将杂质带走 这种方法可除去表面小于0 1nm的颗粒 也可去除CMP抛光液残余物 光刻残留物 有害化学物和金属离子等 这种方法可以不消耗水和化学试剂 不受亲水性限制 也不会产生有害的废料 硅片清洗的常用方法与技术 旋转喷淋法旋转喷淋法是指利用机械方法将硅片以较高的速度旋转起来 在旋转过程中通过不断向硅片表面喷液体 高纯去离子水或其他清洗液 而达到清除硅片目的的一种方法 该方法利用所喷液体的溶解 或化学反应 作用来溶解硅片表面的沾污 同时利用高速旋转的离心作用 使溶有杂质的液体及时脱离硅片表面 同时由于所喷淋液体与硅片有较高的相对速度 所以会产生较大的冲击力达到清除吸附杂质的目的 因此 可以说旋转喷淋法既有化学清洗 又有高压擦洗的优点 同时该法还可以与硅片的甩干工序结合在一起进行 也就是采用去离子水喷淋清洗一段时间后 停止喷水 而采用喷惰性气体 同时还可以通过旋转速度 增大离心力 使硅片表面很快脱水 湿法清洗的化学品 1 RCA标准清洗1 SC 1 NH4OH H2O2 H2O主要应用在微粒子的清除 利用NH4OH的弱酸性来活化硅晶圆表层 将附着于表面的微粒去除 此外 NH4OH具有很强络合作用 也可同时去除部分金属离子 一般是以NH4OH H2O2 H2O 1 1 5的体积比例混合液在70 温度下进行5 10min的浸泡清洗 由于清洗液呈碱性 又可分解和去除有机物 2 RCA标准清洗2 SC 2 HCl H2O2 H2O主要应用在金属离子的去除 利用HCl所形成的活性离子易与金属离子化合的原理 一般是以HCl H2O2 H2O 1 1 6之体积比例混合液在70