半导体制造工艺_02硅的实验室处理工艺

1、半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗1三道防线三道防线: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）半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗21、空气净化、空气净化From Intel Museum半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗3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的粒子的粒子总数不超过总数不超过X个。个。0.5um半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室

2、净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗4半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗5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 C4046RH半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗6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

3、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，芯片价格为片价格为$50/芯片，如果产率为芯片，如果产率为50，则正好保本。若，则正好保本。若要年赢利要年赢利$10,000,000，产率增加需要为，产率增加需要为%8 . 35250$1001000101$7产率提高产率提高3.8%，将带来年利润，将带来年利润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半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗7Contaminants may consist of part

4、icles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions.半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗8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oxMoxfAsfFBthCqQCqNVV)2(22当当tox10 nm，QM6.51011 cm-2（ 10 ppm)时，时，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 1015 cm2，vth=107 cm/s若要求若要

5、求 G100 m ms，则，则Nt 1012 cm-3 =0.02 ppb !tthGNv1半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗9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，机器手手套等，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超纯化学品去离子水去离子水半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗10各种可能落在芯片表面的颗粒各种可

6、能落在芯片表面的颗粒半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗11v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）半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗12金属的玷污来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺艺v量级：量级：1010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

7、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Fe, Cu, Ni, Cr, W, TiNa, K, Li半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗13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离子注入 去胶水汽氧化910111213Log (concentration/cm2)Fe Ni Cu半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗14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

8、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）还原氧化半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗15有机物的玷污有机物的玷污来源：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：强氧化去除方法：强氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入纯水半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗16自然氧化层（Native Oxide） 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（c

9、a. 1: 50）半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗172、硅片清洗、硅片清洗有机物有机物/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（FEOL）的清洗尤为重要）的清洗尤为重要SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1把光刻胶分解为把光刻胶分解为

10、CO2H2O（适合于几乎所有有机物）（适合于几乎所有有机物）半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗18SC-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OHOHOHOHOHOHRCA clean is “standard process” used to remove organics, hea

11、vy metals and alkali ions.半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗19SC-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20

12、50kHz 或或 1MHz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。半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗20机器人自动清洗机机器人自动清洗机半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗21清洗容器和载体清洗容器和载体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 或石英片架半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗22清洗设备清洗设备超声

13、清洗超声清洗喷雾清洗喷雾清洗半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗23洗刷器洗刷器半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗24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的问题湿法清洗的问题半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗25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

14、清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2Ar等离子清洗热清洗半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗26其它方法举例其它方法举例半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗273、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）背面（非本征吸杂）

15、半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗28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半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗29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中心俘获半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗30AusI AuI 踢出机制踢出机制Au

16、s 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等替位等替位杂质转变为间隙杂质，扩散速度可以大大提高。杂质转变为间隙杂质，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 间隙原子间隙原子半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗31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进入

17、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内，而硅表面的氧原子浓度降低至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，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制造缺陷成为吸杂中心。在器件制作

18、过程中的一些高温处理步骤，吸杂自动完成。步骤，吸杂自动完成。半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗32bipolar半导体制造工艺原理第二章第二章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗33净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂净化的三个层次：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 ，栅击穿电压，栅击穿电压 ，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 manufa