第三章半导体制造中的化学品

1、 半导体制造在很大程度上是一种与化学有关的工半导体制造在很大程度上是一种与化学有关的工 艺过程。高达艺过程。高达20%工艺步骤是清洗和晶圆表面的工艺步骤是清洗和晶圆表面的 处理。处理。 半导体工厂消耗大量的酸、碱、溶剂和水，为达半导体工厂消耗大量的酸、碱、溶剂和水，为达 到精确和洁净的工艺，部分成本是由于化学品需到精确和洁净的工艺，部分成本是由于化学品需 要非常高的纯度和特殊反应机理。要非常高的纯度和特殊反应机理。 在硅片制造中使用的化学材料被称为工艺用化学在硅片制造中使用的化学材料被称为工艺用化学 品，有不同种类的化学形态并且要严格控制纯度。品，有不同种类的化学形态并且要严格控制纯度。 3.

2、1物质形态物质形态 三种基本形态：固态、液态和气态三种基本形态：固态、液态和气态 固体有其自己固定的形状，不会随容器的形固体有其自己固定的形状，不会随容器的形 状而改变。状而改变。 液体会填充容器的相当于液体体积大小的区液体会填充容器的相当于液体体积大小的区 域，并会形成表面。域，并会形成表面。 气体会填充整个容器，不会形成表面。气体会填充整个容器，不会形成表面。 活性气体如氢气和氧气，容易与其他气体或元素活性气体如氢气和氧气，容易与其他气体或元素 反应形成稳定的化合物。反应形成稳定的化合物。 惰性气体如氦气和氩气，很难形成化合物，不与惰性气体如氦气和氩气，很难形成化合物，不与 其他化学材料反

3、应，广泛应用于半导体制造业。其他化学材料反应，广泛应用于半导体制造业。 等离子体：第四种形态，当有高能电离的原等离子体：第四种形态，当有高能电离的原 子或分子的聚集体存在时就会出现等离子体。子或分子的聚集体存在时就会出现等离子体。 将一定的气体暴露在高能电场中就能诱发等将一定的气体暴露在高能电场中就能诱发等 离子体。离子体。 3.2材料的属性材料的属性 通过研究材料的属性，了解如何在半导体制造业中通过研究材料的属性，了解如何在半导体制造业中 使用它们。使用它们。 有两类：化学属性和物理属性有两类：化学属性和物理属性 物理属性：指那些通过物质本身而不需要与物理属性：指那些通过物质本身而不需要与

4、其他物质相互作用而反映出来的性质。有熔点、沸其他物质相互作用而反映出来的性质。有熔点、沸 点、电阻率和密度等点、电阻率和密度等 化学属性：指通过与其他物质相互作用或相互转变化学属性：指通过与其他物质相互作用或相互转变 而反映出来的性质。有可燃性、反应性和腐蚀性。而反映出来的性质。有可燃性、反应性和腐蚀性。 3.3半导体制造中的化学属性半导体制造中的化学属性 先进的先进的IC制造商通常会使用新型材料来改制造商通常会使用新型材料来改 善芯片的性能并减小器件的特征尺寸。化善芯片的性能并减小器件的特征尺寸。化 学品的一些属性对于理解新的半导体工艺学品的一些属性对于理解新的半导体工艺 材料的存在有很重要

5、的意义。材料的存在有很重要的意义。 属性有：温度，密度，压强和真空，表面属性有：温度，密度，压强和真空，表面 张力，冷凝，热膨胀，蒸气压，应力，升张力，冷凝，热膨胀，蒸气压，应力，升 华和凝华华和凝华 1.温度：是比较一个物质相对于另一个物质温度：是比较一个物质相对于另一个物质 是热还是冷的量度标准。是热还是冷的量度标准。 硅晶圆制造中需要处理很多在高温下的情硅晶圆制造中需要处理很多在高温下的情 况，比如需要加热来影响化学反应（如改况，比如需要加热来影响化学反应（如改 变化学反应速度）或者对硅单晶结构退火变化学反应速度）或者对硅单晶结构退火 使原子重新排列。使原子重新排列。 存在三种温标：华氏

6、温标（存在三种温标：华氏温标（ ），摄氏温），摄氏温 标（标（）和绝对温标或开氏温标（）和绝对温标或开氏温标（K）。）。 2.压强和真空压强和真空 压强压强=压力压力/面积，在半导体制造中被广泛使面积，在半导体制造中被广泛使 用的属性。化学品和气体都是从高压向低用的属性。化学品和气体都是从高压向低 压区域流动的。压区域流动的。 真空，一般来说，压力低于标准大气压就真空，一般来说，压力低于标准大气压就 认为是真空。真空条件用压力单位来衡量。认为是真空。真空条件用压力单位来衡量。 蒸发和溅射都工作在真空环境。蒸发和溅射都工作在真空环境。 3.冷凝和汽化冷凝和汽化 冷凝：气体变成液体的过程被称作冷凝

7、冷凝：气体变成液体的过程被称作冷凝 汽化：从液体变成气体的相反过程叫做汽汽化：从液体变成气体的相反过程叫做汽 化化 吸收：气体或液体进入其他材料的主要方吸收：气体或液体进入其他材料的主要方 式式 吸附：气体或液体被束缚在固体表面，被吸附：气体或液体被束缚在固体表面，被 吸附的分子通过化学束缚或者物理吸引这吸附的分子通过化学束缚或者物理吸引这 样的弱束缚黏在物体表面样的弱束缚黏在物体表面 4.蒸汽压蒸汽压 在密闭容器中气体分子施加的压力，汽化和在密闭容器中气体分子施加的压力，汽化和 冷凝的速率处于动态平衡。冷凝的速率处于动态平衡。 5.升华和凝华升华和凝华 升华：固体直接变成气体的过程。升华：固

8、体直接变成气体的过程。 凝华：气体直接变成固体的过程凝华：气体直接变成固体的过程 6.表面张力表面张力:当一滴液体在一个平面上，液滴当一滴液体在一个平面上，液滴 存在着一个接触表面积，液滴的表面张力存在着一个接触表面积，液滴的表面张力 是增加接触表面积所需的能量。随着表面是增加接触表面积所需的能量。随着表面 积的增加，液体分子必须打破分子间的引积的增加，液体分子必须打破分子间的引 力，从液体内部运动到液体的表面，因此力，从液体内部运动到液体的表面，因此 需要能量。需要能量。 在半导体中这个概念用来衡量液体均匀涂在半导体中这个概念用来衡量液体均匀涂 在晶圆表面的粘附能力。在晶圆表面的粘附能力。

9、7.热膨胀：当一个物体被加热时，由于原子热膨胀：当一个物体被加热时，由于原子 振动加剧，它的体积就会发生膨胀。振动加剧，它的体积就会发生膨胀。 衡量材料热膨胀大小的参数是热膨胀系数。衡量材料热膨胀大小的参数是热膨胀系数。 非晶材料的热膨胀是各向同性的，而所有非晶材料的热膨胀是各向同性的，而所有 晶体材料，比如单晶，热膨胀是各向异性晶体材料，比如单晶，热膨胀是各向异性 的。的。 8.应力：当一个物体受到外力作用时，就会应力：当一个物体受到外力作用时，就会 产生应力。产生应力。 在晶圆中有多种原因可导致应力的产生。在晶圆中有多种原因可导致应力的产生。 硅片表面的物理损伤硅片表面的物理损伤 位错，多

10、余的空隙和杂质产生的内力位错，多余的空隙和杂质产生的内力 外界材料生长外界材料生长 如果两个热膨胀系数相差很大的物体结合在如果两个热膨胀系数相差很大的物体结合在 一起，然后加热，由于两种材料以不同的一起，然后加热，由于两种材料以不同的 速率膨胀导致它们彼此推拉，产生应力。速率膨胀导致它们彼此推拉，产生应力。 会使硅片弯曲，在半导体制造过程中，非会使硅片弯曲，在半导体制造过程中，非 常重视这种应力。确保材料的最小应力可常重视这种应力。确保材料的最小应力可 以改善芯片的可靠性。以改善芯片的可靠性。 3.4化学品在半导体制造中的状态化学品在半导体制造中的状态 三种状态：液态，固态和气态。三种状态：液

11、态，固态和气态。 用途有：用途有： 用湿法化学溶液和超净的水清洗硅片用湿法化学溶液和超净的水清洗硅片 表面表面 用高能离子对硅片进行掺杂得到用高能离子对硅片进行掺杂得到P型或型或N型硅型硅 淀积不同的金属导体层以及导体层之间的介淀积不同的金属导体层以及导体层之间的介 质层质层 生长薄的二氧化硅层作为生长薄的二氧化硅层作为MOS器件的栅极介质材器件的栅极介质材 料料 用等离子体增强刻蚀或湿法试剂有选择的去除材用等离子体增强刻蚀或湿法试剂有选择的去除材 料并在薄膜上形成所需的图形料并在薄膜上形成所需的图形 1、液体、液体 在半导体制造的湿法工艺步骤中使用了许在半导体制造的湿法工艺步骤中使用了许 多

12、种液体。在硅片加工厂减少使用化学品多种液体。在硅片加工厂减少使用化学品 是长期的努力。许多液体化学品都是非常是长期的努力。许多液体化学品都是非常 危险，需要特殊处理和销毁手段。另外，危险，需要特殊处理和销毁手段。另外， 化学品的残余不仅会沾污硅片，还会产生化学品的残余不仅会沾污硅片，还会产生 蒸气通过空气扩散后沉淀在硅片表面。蒸气通过空气扩散后沉淀在硅片表面。 在硅片加工厂液态工艺用化学品主要有以在硅片加工厂液态工艺用化学品主要有以 下几类：酸、碱、溶剂下几类：酸、碱、溶剂 酸酸 以下是一些在硅片加工中常用的酸及其用以下是一些在硅片加工中常用的酸及其用 途：途： a.HF 刻蚀二氧化硅及清洗石

13、英器皿刻蚀二氧化硅及清洗石英器皿 b.HCL 湿法清洗化学品，湿法清洗化学品，2号标准液一部分号标准液一部分 c.H2SO4 清洗硅片清洗硅片 d.H3PO4 刻蚀氮化硅刻蚀氮化硅 e.HNO3 刻蚀刻蚀PSG 碱碱 在半导体制造中通常使用的碱性物质在半导体制造中通常使用的碱性物质 a.NaOH 湿法刻蚀湿法刻蚀 b.NH4OH 清洗剂清洗剂 c.KOH 正性光刻胶显影剂正性光刻胶显影剂 d.TMAH（氢氧化四甲基铵）（氢氧化四甲基铵） 同上同上 溶剂：是一种能够溶解其他物质形成溶液的物质。溶剂：是一种能够溶解其他物质形成溶液的物质。 半导体制造中常用的溶剂：半导体制造中常用的溶剂： a.去离

14、子水去离子水 清洗剂清洗剂 b.异丙醇异丙醇 同上同上 c.三氯乙烯三氯乙烯 同上同上 d.丙酮丙酮 同上同上 e.二甲苯二甲苯 同上同上 去离子水去离子水 它里面没有任何导电的离子，它里面没有任何导电的离子，PH值为值为7， 是中性的。能够溶解其他物质，包括许多是中性的。能够溶解其他物质，包括许多 离子化合物和共价化合物。通过克服离子离子化合物和共价化合物。通过克服离子 间离子键使离子分离，然后包围离子，最间离子键使离子分离，然后包围离子，最 后扩散到液体中。后扩散到液体中。 2、气体、气体 在半导体制造过程中，全部大约在半导体制造过程中，全部大约450道工艺道工艺 中大概使用了中大概使用了

15、50种不同种类的气体。由于种不同种类的气体。由于 不断有新的材料比如铜金属互连技术被引不断有新的材料比如铜金属互连技术被引 入到半导体制造过程中，所以气体的种类入到半导体制造过程中，所以气体的种类 和数量是不断发生变化的。和数量是不断发生变化的。 通常分为两类：通用气体和特种气体通常分为两类：通用气体和特种气体 所有气体都要求有极高的纯度：通用气体所有气体都要求有极高的纯度：通用气体 控制在控制在7个个9以上的纯度；特种气体则要控以上的纯度；特种气体则要控 制在制在4个个9以上的纯度。以上的纯度。 许多工艺气体都具有剧毒性、腐蚀性、活许多工艺气体都具有剧毒性、腐蚀性、活 性和自燃。因此，在硅片

16、厂气体是通过气性和自燃。因此，在硅片厂气体是通过气 体配送（体配送（BGD）系统以安全、清洁和精确）系统以安全、清洁和精确 的方式输送到不同的工艺站点。的方式输送到不同的工艺站点。 n通用气体：对气体供应商来说就是相对简通用气体：对气体供应商来说就是相对简 单的气体。被存放在硅片制造厂外面大型单的气体。被存放在硅片制造厂外面大型 存储罐里。存储罐里。 常分为惰性、还原性和氧化性三种气体。常分为惰性、还原性和氧化性三种气体。 惰性惰性 N2，Ar，He 还原性还原性 H2 氧化性氧化性 O2 n特种气体：指供应量相对较少的气体。比特种气体：指供应量相对较少的气体。比 通用气体更危险，是制造中所必

17、须的材料通用气体更危险，是制造中所必须的材料 来源。来源。 大多数是有害的，如大多数是有害的，如HCL和和CL2具有腐蚀性，具有腐蚀性， 硅烷会发生自燃，砷化氢和磷化氢有毒，硅烷会发生自燃，砷化氢和磷化氢有毒， WF6具有极高的活性。具有极高的活性。 通常用通常用100磅的金属容器（钢瓶）运送到硅磅的金属容器（钢瓶）运送到硅 片厂。钢瓶放在专用的储藏室内。片厂。钢瓶放在专用的储藏室内。 特种气体的分类：氢化物、氟化物或酸性气特种气体的分类：氢化物、氟化物或酸性气 体。体。 常用特种气体有：常用特种气体有： 氢化物氢化物 SiH4 气相淀积工艺的硅源气相淀积工艺的硅源 AsH3 掺杂的砷源掺杂的砷源 PH3 掺杂的磷源掺杂的磷源