微纳光电子系统(1章沾污控制)

1、微纳光电子系统微纳光电子系统黄鹰 教授2014-2-18第第1 1章章 硅片制造中的沾污控制硅片制造中的沾污控制1. 1.沾污源与控制沾污源与控制2. 2.湿法清洗湿法清洗3. 3.干法清洗干法清洗4. 4.硅片吸杂控制硅片吸杂控制1.11.1沾污源与控制沾污源与控制1.1.11.1.1沾污控制的三道防线沾污控制的三道防线: :环境净化（环境净化（clean roomclean room）硅片清洗（硅片清洗（wafer cleaningwafer cleaning）吸杂（吸杂（getteringgettering）1.1.2、环境净化环境净化净化级别：净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于每立

2、方英尺空气中含有尺度大于0.5m mm的粒的粒子总数不超过子总数不超过X个。个。高效过滤高效过滤排气除尘排气除尘超细玻璃纤超细玻璃纤维构成的多维构成的多孔过滤膜：孔过滤膜：过滤大颗粒，过滤大颗粒，静电吸附小静电吸附小颗粒颗粒泵循环系统泵循环系统2022 C4046RH1.1.3 沾污沾污1.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超级净化空气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超纯化学品去离子水去离子水风淋吹扫、防护服、面罩、风淋吹扫、防护服、面罩、手套等，机器手手

3、套等，机器手/人人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v粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等v去除的机理有四种：去除的机理有四种： 1 1. .氧化分解氧化分解 2 2. .溶解溶解 3 3. .对硅片表面轻微的腐蚀去除对硅片表面轻微的腐蚀去除 4 4. .粒子和硅片表面的电排斥粒子和硅片表面的电排斥 去除方法：去除方法：SC-1, megasonicSC-1, megasonic（超声清洗）（超声清洗）2.金属的玷污金属的玷污来源：来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺艺v量级：量级：1

4、010原子原子/cm2影响：影响：在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降增加增加p-n结的漏电流，减少少数载流子的寿命结的漏电流，减少少数载流子的寿命不同工艺过程引入的金属污染不同工艺过程引入的金属污染干法刻蚀干法刻蚀离子注入离子注入 去胶去胶水汽氧化水汽氧化910111213Log (concentration/cm2)Fe Ni Cu金属杂质沉淀到硅表面的机理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）交换，和硅结合。（难以去除）氧化时发生：硅在氧化时，杂

5、质会进入氧化时发生：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去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子 M M MMz+ z+ + z e+ z e- -去除溶液：去除溶液：SC-1, SC-2SC-1, SC-2（H H2 2O O2 2：强氧化剂）：强氧化剂）还原还原氧化氧化反应优先向左反应优先向左3. 3.有机物的玷污有机物的玷污来源：来源： 环境中的有机蒸汽环境中的有机蒸汽 存储容器存储容器 光刻胶的残留物光刻胶的残留物去除方法：强氧化去除方法：强氧化 臭氧干法臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入纯水臭氧注入纯水4. 4.自然氧化层自然氧化层（Nat

6、ive OxideNative Oxide） 在空气、水中迅速生长在空气、水中迅速生长 带来的问题：带来的问题：接触电阻增大接触电阻增大难实现选择性的难实现选择性的CVDCVD或外延或外延成为金属杂质源成为金属杂质源难以生长金属硅化物难以生长金属硅化物 清洗工艺：清洗工艺：HFHFH H2 2O O（ca. 1: 50ca. 1: 50）1.2.1 清洗设备清洗设备酸碱腐蚀清洗台有机清洗台,专用清洗台 1.21.2硅片清洗硅片清洗甩干机、电镀、酸刻蚀、碱刻蚀台匀胶显影台（光刻间用）匀胶台（光刻间用）匀胶显影机（自动；光刻间用）洗刷器洗刷器清洗设备清洗设备超声清洗超声清洗喷雾清洗喷雾清洗兆声发射

7、器清洗容器和载体清洗容器和载体SC1/SPM/SC2 石英（石英（ Quartz ）或）或 Teflon（特服龙塑料）（特服龙塑料）容器容器HF 优先使用优先使用Teflon，其他无色塑料容器也行。，其他无色塑料容器也行。硅片的载体硅片的载体 只能用只能用Teflon 或石英片架或石英片架SPM：sulfuric/peroxide mixture（浓硫酸双（浓硫酸双氧水混合物）氧水混合物） H2SO4(98):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）有机物有机物/光刻光刻胶的两种清胶的两种清除方法：除方法：氧等离子体

8、干法刻蚀：把光刻胶分解氧等离子体干法刻蚀：把光刻胶分解为气态为气态CO2H2O（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（FEOLFEOL）的清洗尤为重要）的清洗尤为重要 1.2.2 硅片清洗硅片清洗 RCA标准清洗标准清洗（湿法清洗）（湿法清洗）SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture氨水双氧水混合物）：氨水双氧水混合物）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O(去离子水）去离子水）=1:1:51:2:7 7080 C, 10min

9、 碱性（碱性（pH值值7）可以氧化有机膜可以氧化有机膜和金属形成络合物和金属形成络合物缓慢溶解原始氧化层，并再氧化缓慢溶解原始氧化层，并再氧化可以去除颗粒可以去除颗粒NH4OH对硅有腐蚀作用对硅有腐蚀作用OHOHOHOHOHOHRCA clean is “standard process” used to remove organics（有机物）, heavy metals and alkali （ 碱金属 ）ions.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Al

10、3、Fe3和和Mg2在在SC-1溶溶液中形成的不溶的氢氧化物反应成溶于水的络合物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 1MHz左右。左右。平行于硅片表面的声压波使粒子浸润，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。润，并成为悬浮的自由粒子。现代现代CMOS的硅片清洗工艺的硅片清洗工艺化学溶剂化学溶剂清洗温度清洗温度清

11、除的污染物清除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120 C,10min有机污染物有机污染物D.I. H2O室温室温洗清洗清2NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5) (SC1) 80 C,10min微尘微尘D.I. H2O室温室温洗清洗清3HCl+H2O2+H2O(1:1:6) (SC2) 80 C,10min金属离子金属离子D.I. H2O室温室温洗清洗清4HF+H2O (1:50)室温室温氧化层氧化层D.I. H2O室温室温洗清洗清干燥干燥其它先进湿法清洗工艺其它先进湿法清洗工艺，如OhmiFrom IMEC (Interuniversity Microelectronic Cen

12、ter)(1) H2O + O3 (18M -cm)机器人自动清洗机机器人自动清洗机湿法清洗的问题湿法清洗的问题对硅造成表面腐蚀对硅造成表面腐蚀较难干燥较难干燥价格价格化学废物的处理化学废物的处理和先进集成工艺的不相容和先进集成工艺的不相容湿法清洗造成硅片表面粗糙度增加湿法清洗造成硅片表面粗糙度增加表面粗糙度表面粗糙度：清洗剂、金属污染对硅表面造成腐蚀，从而造成表：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。面微粗糙化。SC-1中，中，NH4OH含量高，会对硅造成表面腐蚀和损含量高，会对硅造成表面腐蚀和损伤。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降低沟道内载流子的迁

13、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。质量、击穿电压都有破坏性的影响。降低微粗糙度的方法降低微粗糙度的方法：减少减少NHNH4 4OHOH的份额的份额降低清洗温度降低清洗温度减少清洗时间减少清洗时间Ra(nm)Mixing ratio of NH4OH(A) in NH4OH+H2O2+H2O solution (A:1:5, A1)Surface roughness Ra(nm)不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度Surface roughness Ra(nm)1.2.3 干法清洗工艺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。

14、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，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须避免对硅片的损伤HFHFH H2 2O O气相清洗气相清洗紫外一臭氧清洗法（紫外一臭氧清洗法（UVOCUVOC）H H2 2ArAr等离子清洗等离子清洗热清洗热清洗脉冲激光清洗把重金属离子和碱金属离子从有源区引导到不重要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。的区域。器件正面的碱金属离子被吸杂到介质层（钝化器件正面的碱金属离子被吸杂到介质层（钝化

15、 层），如层），如PSGPSG（磷硅玻璃,SiO2中含P2O5）、SiSi3 3N N4 4硅片中的金属离子则被俘获到体硅中（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）或硅片背面（非本征吸杂）1.3 吸杂吸杂激活：杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可激活：杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可 动原子动原子扩散：杂质元素扩散到吸杂中心扩散：杂质元素扩散到吸杂中心俘获：杂质元素被吸杂中心俘获俘获：杂质元素被吸杂中心俘获吸杂三步骤：吸杂三步骤：碱金属离子的吸杂：碱金属离子的吸杂：PSGPSG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进入超过室温的条件下，碱金属离子即可扩散进入PSGPSG超净工艺超净工艺SiSi3 3N N4 4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