半导体硅片清洗4课时PPT课件

1、第五讲 硅片清洗技术 1 2 本节课主要内容本节课主要内容 硅片清洗硅片清洗 湿法清洗：湿法清洗：Piranha，RCA（SC1，SC2），），HF:H2O 物理清洗物理清洗 干法清洗：气相化学干法清洗：气相化学 吸杂三步骤：吸杂三步骤：激活激活，扩散，俘获，扩散，俘获 碱金属：碱金属：PSG，超净化，超净化Si3N4钝化保护钝化保护 其他金属：本征吸杂和非本征吸杂其他金属：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 净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂 本节课主要内容本节课主要内容 净化级别净化级别 高效净化高效

2、净化 净化的必要性净化的必要性 器件：少子寿命器件：少子寿命 ，VT改变，改变，Ion Ioff ，栅击，栅击 穿电压穿电压 ，可靠性，可靠性 电路：产率电路：产率 ，电路性能，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、杂质种类：颗粒、有机物、金属、 天然氧化层天然氧化层 强氧化强氧化 天然氧化层 HF:D

3、I H2O 本征吸杂和非本征吸杂本征吸杂和非本征吸杂 4 三道防线三道防线: 环境净化（环境净化（clean room） 硅片清洗（硅片清洗（wafer cleaning） 吸杂（吸杂（gettering） 5 1、空气净化、空气净化 From Intel Museum 6 净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5m mm的粒子总数不超过的粒子总数不超过X个。个。 0.5um 7 8 高效过滤 排气除尘 超细玻璃纤维构超细玻璃纤维构 成的多孔过滤膜：成的多孔过滤膜： 过滤大颗粒，静过滤大颗粒，静 电吸附小颗粒电吸附小颗粒 泵循环系统泵循环系统 2022

4、 C 4046RH 9 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。 例例1. 一集成电路厂一集成电路厂 产量产量1000片片/周周100芯片芯片/片，芯片价格为片，芯片价格为$50/芯片，芯片， 如果产率为如果产率为50，则正好保本。若要年赢利，则正好保本。若要年赢利$10,000,000，产率增加需要为，产率增加需要为 %8.3 5250$1001000 101$ 7 产率提高产率提高3.8%，将带来年利润，将带来年

5、利润1千万美元！千万美元！ 年开支年开支=年产能年产能 为为1亿亿3千万千万 100010052$5050% =$130,000,000 10 Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions. 11 外来杂质的危害性外来杂质的危害性 例例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响阈值电压受碱金属离子的影响 ox M ox fAs fFBth C qQ C qN VV )2(2 2 当当tox10 nm，QM6.51011 cm-2（ 10 ppm)时，时，

6、D DVth0.1 V 例例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求的要求 10 15 cm2， ，vth=107 cm/s 若要求若要求 G100 m ms，则，则Nt 1012 cm-3 =0.02 ppb ! tth G Nv 1 12 颗粒粘附颗粒粘附 所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。 颗粒来源：颗粒来源： 空气空气 人体人体 设备设备 化学品化学品 超级净化空气 风淋吹扫、防护服、面罩、手套等，风淋吹扫、防护服、面罩、手套等， 机器手机器手/人人 特殊设计及材料特殊设计及材料 定期清洗定期清洗 超纯化学品

7、超纯化学品 去离子水去离子水 13 各种可能落在芯片表面的颗粒各种可能落在芯片表面的颗粒 14 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, megasonic（超声清洗） 15 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 16 不同工艺过程引入的金属污染 干法刻蚀 离子注入

8、去胶 水汽氧化 910111213 Log (concentration/cm2) Fe Ni Cu 17 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：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂） 还原 氧化 18 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 19 自然氧化层（Native Oxide） 在空气、水中迅速生长 带

9、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） 20 2、硅片清洗、硅片清洗 有机物有机物/光刻胶的光刻胶的 两种清除方法：两种清除方法： 氧等离子体干法刻蚀：把光刻胶分解为气态氧等离子体干法刻蚀：把光刻胶分解为气态CO2 H2O （适用于大多数高分子膜）（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（前端工艺（FEOL）的清洗尤为重要）的清洗尤为重要 SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98

10、):H2O2(30)=2:14:1 把光刻胶分解为把光刻胶分解为CO2H2O （适合于几乎所有有机物）（适合于几乎所有有机物） 21 SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7 7080 C, 10min 碱性（碱性（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标准清洗标准清洗 OH OH OH OH OH OH RCA clean is “standard process” used to remove or

11、ganics, heavy metals and alkali ions. 22 SC-2: 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溶液中形成的不溶溶液中形成的不溶 的氢氧化物反应成溶于水的络合物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与超声波振动共同作用，可以有更好的去颗粒作用 2050kHz 或或 1M

12、Hz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。 23 机器人自动清洗机机器人自动清洗机 24 清洗容器和载体 SC1/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 25 清洗设备清洗设备 超声清洗超声清洗 喷雾清洗喷雾清洗 26 洗刷器洗刷器 湿法清洗 传统RCA湿式化学清洗技术(wet chemical clean technology) 仍是主导目前深亚微米工艺的清洗过程，只是在SCl和SC2混合 溶液方面作了些

13、微小的改变，所有化学品的纯度也比早期提高 很多，纯度从10-6提高到10-9，而高纯度的气体及纯水也比以 前改进很多，因此在微粒、金属杂质及有机污染的去除效果方 面有很大的进展。湿式化学清洗站(wet chemical station )， 从早期的手动方式(manual typ)发展到目前全自动电脑控制，供酸、换 酸系统也发展 成为自动化控制。 27 湿式清洗程序 湿式清洗程序(wet clean recipes)主要仍以RCA清洗程序为主，对其经过改良以适用于IJLSI工艺及高温 炉扩散前清洗，并开发出多种清洗应用程序，如扩散前清洗( pre一diffusion clean ,栅极氧化前清

14、洗 (Pre一gate clean)和化学气相沉积前清洗(Pre一CVD clean)等。 28 1.RCA清洗程序 RCA清洗是采用SC 1( APM) + SC2 ( HPM)化学清洗液进行清洗，主要去除微粒、金属杂质及有机污染， 但不将晶片浸在HF槽中去除自然氧化物或氧化层。 常用的RCA清洗程序如表所示: 29 30 常用的常用的RCA清洗程序清洗程序 为了要清除残留在晶片上的光刻胶及有机物，在标准RCA清洗程序中多增加了硫酸清洗，如 SPM/SOM(SPM=H2SO4 +H2O2 , SOM=H2SO4 +O3)这样的清洗程序称为改良式RCA清洗。清洗程序 如表所示: 31 32 改

15、良式改良式RCA清洗程序清洗程序 RCA清洗常被用来作为CVD沉积前清洗和不必去除自然氧化物的清洗工艺，若需去除氧化层上的金属杂质 则使用改良式RCA清洗程序，将晶片短暂浸蚀在DHF中，刻蚀氧化层的表层，以去除氧化层上的金属杂质。 33 A式清洗程序 A式清洗也是一种改良式的RCA清洗，与前面清洗程序的差别为在SC1和SC2清洗之间再加一个步骤:将晶 片在SC1清洗后短暂浸人DHF( 1%一5%HF),以去除自然氧化物及沉积在氧化层上的金属杂质，其清洗程序 如表所示: 34 35 A式清洗程序式清洗程序 A式清洗是早期工艺技术式清洗是早期工艺技术(3 m以上以上)中常用的清洗程序，中常用的清洗

16、程序， 由于晶片经由于晶片经SC1清洗去除微粒后，要再浸人清洗去除微粒后，要再浸人DHF， 这会产生新的微粒污染，所以在这会产生新的微粒污染，所以在ULSI 工艺中，工艺中， 不再使用不再使用A式清洗，而由式清洗，而由B式清洗所取代。式清洗所取代。 B式清洗程序 B式清洗也是一种改良的RCA清洗，主要是在SPM清洗后，将晶片浸人 DHF槽以去除氧化层或自然氧化物，然后再进行标准的RCA清洗。清洗程 序如表所示: 36 37 B式清洗程序式清洗程序 B式清洗程序的微粒、金属杂质去除效果比A式清洗好，已取代A式清洗 程序成为主要的湿式化学清洗程序。DHF中的浸蚀时间根据去除氧化层的 厚度而定，并需

17、考虑氧化层刻蚀的均匀度。 B式清洗常被用来作为栅极氧 化层前清洗，因此需特别注意清洗后有源区(active Area)的洁净度、微 粒、金属杂质、有机污染、自然氧化物和表面微粗糙度等。这种清洗程序 也常被用来作为垫层氧化（pad oxide)及场区氧化(field oxide）前清洗 和离子注人后清洗。 38 HF终结B式清洗 当工艺技术精进到0.5 m以下时，栅极氧化层的厚度已降低到10 nm以下，在B式清洗后化学氧化形成的 一层薄氧化物会影响栅极氧化层的品质。为了避免薄氧化物的产生，发展了HF终结B式清洗，其程序如表 所示: 39 40 HF终结终结B式清洗程序式清洗程序 为了避免第9步D

18、HF浸蚀时产生 新的微粒，有许多清洗工艺将这一步的改为FPM ( HF+H2O2)或HF + IPA , 以去除微粒及金属杂质、改良表面微粗糙度 金属前清洗 溅射金属前清洗的目的，主要是将接触孔刻蚀后残留在接触孔侧壁(sidewall的聚合物polymer)及接触孔 底层的自然氧化物去除干净，以利于金属溅镀时形成良好的接触，使接触电阻降低。晶片经SPM清洗可去 除附在接触孔侧壁的聚合物等有机污染，为了使BHF容易润湿接触孔的小洞，有效地将自然氧化物去除干 净，通常在BHF中加人表面活性剂。其清洗程序如表所示: 41 42 清洗后的晶片应避免暴露在空气中，以免接触孔底层又产生自然氧化物而影响金属

19、与接触清洗后的晶片应避免暴露在空气中，以免接触孔底层又产生自然氧化物而影响金属与接触 孔的接触电阻，所以应立即放人金属溅射机内，快速完成金属溅镀。在如需等待金属溅镀，孔的接触电阻，所以应立即放人金属溅射机内，快速完成金属溅镀。在如需等待金属溅镀， 清洗后的晶片需存放在清洗后的晶片需存放在N2气柜内，若等待时间超过气柜内，若等待时间超过4小时，则晶片需要重新清洗。重洗不小时，则晶片需要重新清洗。重洗不 得超过两次，否则，接触孔的小洞受得超过两次，否则，接触孔的小洞受BHF浸蚀将变大或变形而造成接触孔破裂，从而影响浸蚀将变大或变形而造成接触孔破裂，从而影响 线路，造成接触孔桥接短路，影响器件的可靠

20、性。线路，造成接触孔桥接短路，影响器件的可靠性。 SPM清洗 在前面已经讨论硫酸清洗去除光刻胶及其清洗配方。这里主要 讨论PSG、BFSG或全面离子注入(blanket implant)后的清洗。 在磷硅玻璃或硼磷硅玻璃沉积后，SPM清洗的主要目的是将玻 璃沉积后析出表面的磷玻璃及硼玻璃溶于硫酸，以消除表面的 磷斑点或硼斑点。因为磷、硼玻璃的吸水性较强，沉积后的磷 硅玻璃或硼磷硅玻璃放置在空气中，硼斑点或磷斑点将吸收空 气中的水气形成磷酸或硼酸，使沉积后的晶片表面形成斑点的 污染源，其反应式如下:B2O3+3H2O2H3BO3 P2O5+3H2O2H3PO4 43 44 同时沉积后的PSG或B

21、PSG经高温致密化及回流后，也会析出成分为P2O5及B2O3的一层很薄的透明结晶玻璃， 需经硫酸清洗以溶去磷、硼玻璃。 在全面离子注人的过程中，虽然晶片表面没有光刻胶覆盖，但晶片表面 在离子注人时也会沉积一层聚合物，因此，需通过硫酸清洗去除这层有机物污染。 SPM清洗后，晶片表面会 有微粒产生，因此常在SPM清洗后再加上SC1清洗以去除微粒。其清洗程序如上表所示。 湿式化学清洗工艺技术 在湿式化学清洗工艺技术中，主要有三种不同形式的清洗机台，各种机台有其不同的优缺点及应注意考查 的标准，下面对各种清洗设备说明如下，以供参考。 45 浸洗式化学清洗站 这种化学清洗技术已经完全属于自动化控制，操作

22、员只要将欲清洗的晶片连同晶舟放置 在清洗站的输入端（input stage)即可进行清洗。为了增加产量，一般均设计两个晶舟， 每个晶舟可装25片晶片。如晶片不足，则用伪片补满或平均分配，使两个晶舟装有相同 的晶片数，以便两边负重平衡。这样，在旋干时，才不会因负重不平衡导致旋干机振动 造成碎片或产生微粒。若用IPA干燥法进行干燥可不必考虑到平衡的间题。操作员根据流 程卡上记录的所需清洗程序，在电脑上选定要清洗的程序后，按下启动，机械手即开始 按照设定的清洗程序执行清洗的工艺，逐槽清洗到脱水于燥。清洗完成后，机械手自动 将清洗后的晶片传送到输出端(output stage），然后发出信号告诉操作员

23、将货卸下。 一般化学酸槽非常庞大，在某些比较复杂的设计中，全套RCA或B式清洗.工艺共有5个化 学槽，6个去离子纯水洗涤槽，长度超过30英尺。它的最大缺点为占用面积大。这种自 动化学清洗站一般都设计有小型号及独立的排气系统，而机械手为后置式(rear mount) 的，机械手在传送晶片从1站开始按照清洗程序逐槽清洗，到第12站清洗干燥后会自动 更换晶舟。清洗程序可简述如下: 46 中央控制系统及晶片输人端:操作员将欲清洗的晶片及晶舟放在晶舟自动转换器上， 将晶片从塑料晶舟转换到耐酸的特氟龙或石英晶舟后，操作员在电脑控制系统选定清洗 程序并按下启动键。机械手即开始将晶舟提吊到程序设定的酸槽，徐徐

24、浸人第2站酸槽。 每一站均有两个槽，一个为化学酸槽（chemical tank )，另一个为纯水洗涤槽。在 化学酸槽清洗后，机械手将晶片传送到洗涤槽将化学残酸洗除干净后，再传送到第3、4、 5、6、12站等。 安装前置式的机械手，即机械手如装置在前面并与操作员同向时，容易造成机器手 臂伤人的意外事件，为安全考虑，机械手常为后置式的。 酸槽化学浓度的校准:所有的酸槽都是开放式的，在酸槽内的化学酸会因加热蒸发、 分解而影响到酸的浓度及各成分的混合比例，因此，需要用滴定法来检验酸浓度的变化， 并添加新的化学品，以保持酸槽内浓度及比例的稳定。 47 浸洗式化学清洗站的功能和优缺点 (1)软件功能( s

25、oftware capability) 在整座自动化酸槽系统中，各种清洗参数均能利用软件设定程序，以达到自动控制， 如; 换酸时间(chemical change 混合溶液比例(chemical ratio 酸槽温度(tank ternperatuive ) 清洗时间cleaning process time) 酸槽浓度(chemical concentration) 洗涤时间(rinse time) 清洗阻值(rinse resislivity) 机械手操作(robot operation ) 预警系统(alarm system ) 48 (2)清洗功能(recipe capabilitie

26、s) 可设定多种清洗程序避免晶片间的“交互污染”，即将有 掺杂(doped)及无掺杂(nondoped)的晶片分开在不同的酸槽系统内清洗， 主要清洗程序有以下几种: RCA清洗程序。 B式清洗程序。 栅极氧化前清洗程序。 HF终结B式清洗程序。 无HF酸B式清洗程序。 SPM清洗程序 金属前清洗程序。 49 (3)优点 节省化学品用量:每一个化学槽换酸后，约可清洗12一24 h或以清洗的晶片批数作为换酸的依据。若 连续清洗，则每片晶片清洗化学品的费用和成本较低。 连续清洗，提高了设备的利用率:换酸完毕，酸槽需预热约1h才可进行清洗，连续清洗时每10一15 min可放入两个晶舟(50片晶片)进行

27、清洗。 50 (4)缺点 这种清洗系统酸槽内的化学品的洁净度，随着清洗晶片数的增加逐渐脏污且金属和有 机杂质易沉积在槽内而造成污染。另外，晶片是通过机械手移动来实现逐槽清洗的，机 械手的移动会产生很多微粒。同时，机械手暴露在化学蒸气环境中，易受腐蚀而影响到 机械手的可信度，机械手的异常会造成晶片报废及产生生产不安全因素，如机器手臂伤 人、撞破石英槽、手臂断裂、破片等。微粒的控制及氧化的刻蚀率不稳定、不均匀。如 将8英寸的晶片浸在DHF酸槽中去除氧化层时，下端先人后出，而上端后人先出，且晶 片拉出液面时DHF由上往下流，将造成刻蚀的不均匀。随着晶片尺寸的变大，这些问题 更为突出。该清洗系统的缺点

28、为: 51 体积庞大，占用昂贵的净化室。 换酸后的准备时间长，影响产能。 价格昂贵，系统复杂，维修困难。 酸槽溶液越洗越脏。 洗涤槽的用水量多。 开放式加热酸槽使酸槽内的溶液浓度、比例随时在变。 清洗工艺不稳定。 机械手易造成意外事件。 52 2.喷洗式单箱化学清洗机(spray chemical cleaning processor) 这种清洗方式是将晶片放在清洗槽内的转盘上，新鲜的清洗用化学溶液经N2加压、通 过喷洗柱(spray post)均匀喷淋在晶片上作为化学清洗及超纯水洗涤，转盘按照清洗程 序所设定的转速转动，根据不同的清洗循环(cycle)自动变化，以达到最佳的清洗效果。 每一循

29、环结束后，喷洗后的化学酸立即排出，所以每次清洗时都是用新鲜、洁净的化学 酸喷洗，不像浸洗式化学酸槽中的酸易受污染。以美国FSI公司设计的多座式喷洗机为 例，清洗过程中首先用加压N:将化学罐( chemical canister)内的清洗用化学溶液压出 并经由清洗腔中央的喷洗柱与超纯水均匀棍合到配方的比例，然后喷洗旋转中转盘上的 晶片，如图所示。按照程序设定的顺序，不同的化学清洗溶液依序喷洗晶片。在改换化 学溶液前，化学管路(elremical tubing ,喷洗柱和清洗槽需用超纯水洗涤干净，以避 免“交互污染” 53 54 FSI公司生产的化学喷洗机剖面图公司生产的化学喷洗机剖面图 清洗槽需

30、用超纯水洗涤干净，以避免“交互污染”。下图1所示为FSI公司生产的化学喷 洗机的化学溶液管路图。在最后纯水洗涤( final rinse)后，转盘高速旋转，利用高速离 心力、伯努利原理及顶盖上的加热.器( blanket heater)，将清洗后的晶片烘干。为了 彻底清洗晶片边缘靠近清洗槽侧壁的化学残留物，装在侧壁上的纯水洗涤喷洗柱从侧壁 喷洗晶片，如图2所示。一次清洗循环(cleaningcycle)约为20一30 min ,清洗的晶片片 数根据晶片的大小及清洗程序的不同而不同。这种清洗设备面积很小，不像整座化学清 洗站要占用庞大昂贵的净化室面积，以下为喷洗式化学清洗机的优点: 设备占用的净

31、化室面积较小。 清洗产能高。 清洗循环时间短。 使用新鲜、纯净的清洗用化学品。 清洗后晶片表面的微粒少，小于0.1/cm2 金属杂质含量低，小于1010atoms/cm3 工艺省水、省化学品。 55 56 图图1 FSI公司生产的化学喷洗机化学溶液管路图公司生产的化学喷洗机化学溶液管路图 57 图图2 化学喷洗机中央及侧壁喷洗柱化学喷洗机中央及侧壁喷洗柱(spray-post)透视图透视图 这种单槽喷洗式的化学清洗机也有多种清洗功能，可设定很多清洗程序，可应用在以下 工艺中: (1)清洗 扩散前清洗。 栅极氧化前清洗。 外延前清洗(pre EPI clean)。 化学气相沉积前清洗。 氧化前清

32、洗(pry axidation clean) 2)清除(stripping) 光刻胶的清除。 钛/氮化铁金属的清除(Ti/TiN stripping)。 多晶硅的清除(pnlysilicon stripping ) (3)刻蚀. WSi 的刻蚀(wsi etching)。 Si3N4的刻蚀(nitride etching) SiO2的刻蚀(oxide etching)。 (4)特殊 化学机械研磨后清洗(Post CMP clean) 晶片的回收(wafer reclaim ) 58 3，密闭容器化学清洗系统 这种化学清洗技术是将晶片放在密闭单容器( single enclosed vessel

33、)的清洗腔内， 按照设定的清洗程序，通人不同的清洗用化学溶液清洗晶片，超纯水清洗残留的化学酸 液后，通人IPA使晶片脱水干燥。整个清洗工艺均在“标准态”的密闭容器内进行，不 同于浸洗式化学清洗站和喷洗式的化学清洗机，晶片的清洗过程在半真空状态下进行， 晶片表面不接触空气，所以能减少微粒污染、提高晶片表面的洁净度。 清洗前，品片经自动晶舟转换器放入有沟槽( slotted)的密闭容器内，操作员选定清洗 程序并将程序下载到系统的电脑控制站(computer controller），按下启动键。系统 开始按照设定的清洗程序，依次将不同的清洗用化学溶液通人密闭容器清洗品片，随后 通人超纯水洗涤晶片和容

34、器。当达到设定的阻值后再通人第二种化学溶液进行清洗和排 出。再通人超纯水洗涤，按照程序设定的顺序来完成清洗。在切换不同的清洗用化学溶 液时，用超纯水冲洗晶片及容器洗涤残留的化学品，以避免不同化学溶液间交互污染。 在最后超纯水洗涤后，通人IPA将残留的水分排除，然后通人N2，利用IPA蒸发、表面 张力及分子力原理，将晶片及容器脱水干燥。下图为全流式密闭容器的清洗工艺图 59 60 全流式密闭容器清洗工艺图全流式密闭容器清洗工艺图 这种全流式密闭单容器化学清洗系统的设计非常简单和新颖，清洗腔的体积较小，以50 片8英寸晶片的容器为例，体积约为浸洗式化学清洗槽的1/5因此，清洗用化学品和纯水 的用量

35、和成本比化学清洗酸槽要低很多，而且清洗用化学溶液可密闭到清洗容器内，不 易挥发和分解，溶液浓度及比例均可以保持稳定不变，每批晶片的清洗条件均相同。此 外，每批晶片均用新鲜和洁净的化学溶液清洗，金属和有机杂质较低。全流式密闭单容 器化学清洗系统有以下优点; 化学溶液用量少。 可减少超纯水的用量，全流设计使洗涤效率较高。 减少了废气、废水排放量。 系统简单、价格低、维修容易。 使用的均为新鲜和纯净的化学溶液。 晶片表面微粒少且无水痕，而且刻蚀均匀度较高。 清洗用化学溶液的浓度、纯度、比例稳定，每批晶片的清洗条件均相同。 清洗准备时间短，不必等待换酸。 清洗程序功能多。 程序设定简易，转换较快。 6

36、1 物理清洗技术 物理清洗技术主要是利用物理原理来清洗晶片，而不使用任何化学品进 行处理。这种清洗技术主要是去除微粒的污染，最常用的清洗方法是通过 刷洗、超声波振荡,高压喷洗及高压气体喷洗将附着在晶片表面的微粒去 除于净，减少因微粒污染而造成的缺陷，提高成品率及器件的品质和可靠 性。目前，根据以上的物理作用所设计的清洗设备有刷洗机(scrubber)和 冷冻喷雾清洗机两种。物理清洗技术主要应用在去除工艺诱发的微粒污染， 如刻蚀、离子注人、化学气相沉积或物理气相沉积工艺后附着在晶片表面 的微粒。 62 刷洗机 这种刷洗机的设计主要是利用特殊有弹性和低污染的特氟龙刷)在高速旋转的晶片表面来回刷洗，

37、同时用超 纯水洗涤晶片表面将微粒冲洗干净，刷洗程序可设定为单面或双面刷洗.下图所示为DSN公司生产的SS一 W629一B刷洗机。这种设备有多功能的设计，为了提高微粒的去除效果，有自动刷洗、高压刷洗 ,超声波 刷洗三种选择配合刷洗程序进行清洗。 63 64 刷洗机对微粒的去除效果与刷洗机对微粒的去除效果与Mll洗系统的机械结构洗系统的机械结构 有很大的关系，刷子的材料、结构和形状也会影响有很大的关系，刷子的材料、结构和形状也会影响 微粒的去除效果。晶片经过刷洗去除晶片表面及背微粒的去除效果。晶片经过刷洗去除晶片表面及背 面的微粒污染，在工艺上有很多优点面的微粒污染，在工艺上有很多优点: 提升产品

38、合格率。 降低散焦不合格率。 提高生产线的洁净度 防止微粒的再沉积。 纯水刷洗没有化学反应的影响。 冷冻喷雾清洗机 这种冷冻l喷洗技术是将惰性气体(主要是Ar ）低温冷冻后喷射出来，由于膨胀吸热形成 Ar粒子，可通过与N2的混合比来控制Ar粒了的大小，高速Ar粒子喷洗、撞击晶片表面， 可将附着在晶片表面的微粒去除干净。这种冷冻喷雾清洗技术应用在反应离户刻蚀后晶 片的清洗，对工艺诱发的残留微粒和杂质的去除效果非常好。尤其当金属连线刻蚀后， Al金属侧壁所残留的聚合物 ,金属线或金属屑及侧壁聚合物吸附的刻蚀气体残留的Cl2或 氯化物(chlorides）等很难用有机溶剂去除于净，采用这种物理清洗技

39、术可有效去除这 些污染物。避免形成金属桥接短路及残留氯化物水解而造成金属腐蚀等不良缺陷，提高 产品的成品率、品质及可靠性。 在冷冻喷雾的物理清洁技术中，高速的冷冻Ar粒子喷射在晶片表面l时具有很高的动能和 动量。将撞击附着在晶片表面的各种污染物。同时，高速粒子撞击时会产生热效应，可 利用不同材质热膨胀系数的差异使附着在侧壁卜的残留物剥落并脱离表rfil减少金属腐蚀 的缺陷。提高产品的成品率:如图3所示可以看到，金属刻蚀后，侧壁残留有大量的不纯 物l如图3（a)所示，清洗后侧壁及表面非常洁净L如图3（b)所示。这说明经冷冻喷雾清 洗后，侧壁残留物可以被完全清除干净. 65 金属腐蚀实验表明冷冻喷

40、雾清洗对抑制、减少金属腐蚀的效果比湿式清 洗有明显的改善，图4所示比较了冷冻喷雾清洗和湿式清洗对金属腐蚀的 影响“，冷冻喷雾清洗的个属腐蚀约为湿式清洗的十分之一。冷冻喷雾清 洗可应用在任何刻蚀工艺后的清洗，如多l晶硅栅极氧化层刻蚀、氧化物 刻蚀、接触孔及走线孔刻蚀后的清洗，能有效地去除刻蚀后残留下来的有 机和无机副产品及不纯物、抑制刻蚀后的化学反应，使刻蚀后的图形和线 路更清晰、洁净，提高产品的成品率。 66 67 图图3金属刻蚀后，侧壁残留物冷冻喷洗前后比较金属刻蚀后，侧壁残留物冷冻喷洗前后比较 图4冷冻喷雾清洗与湿式清洗对 金属腐蚀的影响比较 68 对硅造成表面腐蚀 较难干燥 价格 化学废

41、物的处理 和先进集成工艺的不相容 湿法清洗的问题湿法清洗的问题 为解决这些问题，开发了许多替代的清洗技术，干式清洗技术(dry clean technology)即是其中之一，但仍无法完全取代湿式化学清洗技术。一般， 晶片可在湿式化学清洗后，再利用干式清洗技术去除晶片表面碳氢化合物 等有机杂质及自然氧化物以确保晶片表面的洁净度，使后续工艺的薄膜沉 积(例如多晶走线通孔沉积和外延层沉积)能达到高品质。干式清洗技术主 要是应用气相化学反应进行清洗。在常温或低温下，利用等离子体 (plasma)、射频(radio frequency)或辐射(radiation)提升化学反应的 活化能,增加对晶片表面

42、的清洗能力。 69 主要清洗技术 HF/H2O蒸气清洗技术 HF/H2O 蒸气清洗技术是利用N2作为载气，将HF带人低压的蒸气反应腔 内，同时通人水蒸气， HF/H2O混合蒸气将与放在反应腔内的硅片表面 的氧化层发生反应。HF蒸气在水蒸气的催化助长下与SiO2反应生成SiF4 气体，经抽气系统排出，同时用超纯水洗涤，将晶片表面刻蚀后的残留不 纯物及金属杂质清洗去除，使硅片表面成为非常洁净的、无微粒和自然氧 化层的表面。 70 在这种气相干式清洗系统中，除了HF气体外，还可通人其他气体，如 HC1,O2/O3等作为去除有机物及金属杂质的气体。这种清洗技术最大的 优点是在真空下清洗晶片，使晶片表面

43、没有氧化物、水痕、微粒和较低的 金属及有机物污染，纯水及化学品的用量少。该技术可用于多晶硅沉积及 金属溅射前的接触孔的清洗，可有效地降低接触孔的接触电阻。此外，还 可用于去除金属刻蚀后残留的杂质和侧壁聚合物等不纯物，如图所示为金 属刻蚀后，干式蒸气清洗前后的比较。 71 72 金属刻蚀后，干式蒸气清洗前后的比较金属刻蚀后，干式蒸气清洗前后的比较 紫外线/臭氧干洗技术 紫外线/臭氧干洗技术(UV/O3 dry clean )，将O2通人真空的蒸气反应室内，紫外线 的能量使氧分子分解成具有强氧化能力的初生态O和C，进而将有机碳氢化合物氧化 成具有挥发性的化合物，由抽气系统排出。这种方法可有效地将晶

44、片表面的有机物质去 除干净。 另外，也可通人HF蒸气将晶片表面的自然氧化物去除干净，或通人IPA （C3H7OH)、N2和Cl2以去除金属杂质。如图所示为美国SMS公司制造的SP一200蒸 气反应室的结构图，反应室内有紫外灯 UV一lamp和红外灯(IR lamb)以提供光化学 反应所需的能源。这种紫外线干式清洗技术可清除有机不纯物、金属杂质及自然氧化物， 使晶片表面具有非常高的洁净度，避免后续工艺的薄膜沉积中品片表面微粒和不纯物的 污染。 73 74 SMS公司生产的公司生产的SP一一200蒸气反应室结构图蒸气反应室结构图 Ar等离子体干洗技术 Ar等离了体干洗技术(Ar plasma dy

45、 clean )是采用氛等离子体溅射和轰 击表面以达到清洗口的，主要是应用在金属溅镀前走线孔的清洗，去除走 线孔底部的自然氧化物和走线孔刻蚀后残留在侧壁及晶片表面的有机聚合 物杂质，以免造成金属腐蚀。因为此时的晶片上已经沉积了第一层金属， 所以不能使用湿式化学清洗工艺。一般，金属物理气相沉积系统中都有这 种内部溅射清洗的功能，Ar等离子体干洗工艺应适当调整Ar离子的能量， 以免高能量的Ar离子轰击使晶片表面受损造成微粒污染。 75 76 其它方法举例其它方法举例 77 3、吸杂、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。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

46、正面的碱金属离子被吸杂到介质层（钝化层），如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）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） 78 硅中深能级杂质（硅中深能级杂质（SRH中心）中心） 扩散系数大扩散系数大 容易被各种机械缺陷和化学陷阱区域俘获容易被各种机械缺陷和化学陷阱区域俘获 79 吸杂三步骤：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扩散到吸杂中心 杂质元素被吸杂中心俘获杂质元素被吸杂

47、中心俘获 80 AusI AuI 踢出机制踢出机制 Aus AuI V 分离机制分离机制 引入大量的硅间隙原子，可以使金引入大量的硅间隙原子，可以使金Au和铂和铂Pt等替位杂质转变为间隙杂等替位杂质转变为间隙杂 质，扩散速度可以大大提高。质，扩散速度可以大大提高。 方法方法 高浓度磷扩散高浓度磷扩散 离子注入损伤离子注入损伤 SiO2的凝结析出的凝结析出 激活激活 可动，增加扩散速度。替位原子可动，增加扩散速度。替位原子 间隙原子间隙原子 81 碱金属离子的吸杂：碱金属离子的吸杂： PSG可以束缚碱金属离子成为稳定的化合物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

48、进入超过室温的条件下，碱金属离子即可扩散进入PSG 超净工艺超净工艺Si3N4钝化保护钝化保护抵挡碱金属离子的进入抵挡碱金属离子的进入 其他金属离子的吸杂：其他金属离子的吸杂： 本征吸杂本征吸杂 使硅表面使硅表面1020m mm范围内氧原子扩散到体硅内，而硅表面的氧原范围内氧原子扩散到体硅内，而硅表面的氧原 子浓度降低至子浓度降低至10ppm以下。利用体硅中的以下。利用体硅中的SiO2的凝结成为吸杂中心。的凝结成为吸杂中心。 非本征吸杂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

49、步骤，吸杂自动完成。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。 82 bipolar 对未来清洗技术的展望 未来ULSI工艺中，单位晶片面积的电子器件趋向高密集化，工艺技术趋 向更精细化，品片直径却越来越大。要在大的晶片面积上制作超精密、细 微的电子器件，需要超洁净的晶片表面，才能满足工艺上的需求。因此， 如何清洗大的硅片是未来工艺上的一个挑战。庞大、复杂而昂贵的湿式化 学清洗、化学品、纯水、排气、废水处理等清洗成本和对环境的污染是未 来清洗工艺中最大的挑战。目前16 MB的DRAM工艺中，清洗一片4英寸 的晶片约需耗用4.5 x 103 kg的纯水和10kg的化学品。因此，节省化学 清洗用纯水和化学品的用量以及对环境的保护是未来发展清洗技术要考虑 的，应开发更有效的省时、省力、省物、省电、无污染的整合清洗技术。 83 清洗设备精简、多功能化 未来晶片的清洗设备将由复杂多槽式的清洗