复旦大学微电子工艺 第三讲实验室净化与硅片清洗

1 集成电路工艺原理 仇志军zjqiu 邯郸校区物理楼435室 2 硅单晶的制备 掺杂分布 有效分凝系数衬底制备 晶体缺陷 本节课主要内容 CZ直拉法 悬浮区熔法 整形 晶体定向 晶面标识 晶面加工 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷 3 大纲 2 第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战 4 ModernICfactoriesemployathreetieredapproachtocontrollingunwantedimpurities 现代ICfabs依赖三道防线来控制沾污 5 三道防线 环境净化 cleanroom 硅片清洗 wafercleaning 吸杂 gettering 6 1 空气净化 FromIntelMuseum 7 净化级别 每立方英尺空气中含有尺度大于0 5mm的粒子总数不超过X个 0 5um 8 9 10 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1 一集成电路厂产量 1000片 周 100芯片 片 芯片价格为 50 芯片 如果产率为50 则正好保本 若要年赢利 10 000 000 产率增加需要为 产率提高3 8 将带来年利润1千万美元 年开支 年产能为1亿3千万1000 100 52 50 50 130 000 000 11 Contaminantsmayconsistofparticles organicfilms photoresist heavymetalsoralkaliions 12 外来杂质的危害性 例2 MOS阈值电压受碱金属离子的影响 当tox 10nm QM 6 5 1011cm 2 10ppm 时 DVth 0 1V 例3 MOSDRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求 10 15cm2 vth 107cm s若要求 G 100ms 则Nt 1012cm 3 0 02ppb 13 颗粒粘附所有可以落在硅片表面的都称作颗粒 颗粒来源 空气人体设备化学品 超级净化空气 14 各种可能落在芯片表面的颗粒 15 粒子附着的机理 静电力 范德华力 化学键等去除的机理有四种 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 16 金属的玷污 来源 化学试剂 离子注入 反应离子刻蚀等工艺量级 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 17 不同工艺过程引入的金属污染 18 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MMz ze 去除溶液 SC 1 SC 2 H2O2 强氧化剂 19 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 20 自然氧化层 NativeOxide 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 HF H2O ca 1 50 21 2 硅片清洗 有机物 光刻胶的两种清除方法 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 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 FEOL 的清洗尤为重要 SPM sulfuric peroxidemixtureH2SO4 98 H2O2 30 2 1 4 1把光刻胶分解为CO2 H2O 适合于几乎所有有机物 22 SC 1 APM AmmoniaPeroxideMixture NH4OH 28 H2O2 30 DIH2O 1 1 5 1 2 770 80 C 10min碱性 pH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 RCAcleanis standardprocess usedtoremoveorganics heavymetalsandalkaliions 23 SC 2 HCl 73 H2O2 30 DIH2O 1 1 6 1 2 870 80 C 10min酸性 pH值 7 可以将碱金属离子及Al3 Fe3 和Mg2 在SC 1溶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Au RCA与超声波振动共同作用 可以有更好的去颗粒作用20 50kHz或1MHz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 24 机器人自动清洗机 25 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 26 清洗设备 超声清洗 喷雾清洗 27 洗刷器 28 对硅造成表面腐蚀较难干燥价格化学废物的处理和先进集成工艺的不相容 湿法清洗的问题 29 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 HF H2O气相清洗紫外一臭氧清洗法 UVOC H2 Ar等离子清洗热清洗 30 其它方法举例 31 3 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 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 32 硅中深能级杂质 SRH中心 扩散系数大容易被各种机械缺陷和化学陷阱区域俘获 33 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扩散到吸杂中心杂质元素被吸杂中心俘获 34 Aus I AuI踢出机制Aus AuI V分离机制 引入大量的硅间隙原子 可以使金Au和铂Pt等替位杂质转变为间隙杂质 扩散速度可以大大提高 方法 高浓度磷扩散离子注入损伤SiO2的凝结析出 激活 可动 增加扩散速度 替位原子 间隙原子 35 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超过室温的条件下 碱金属离子即可扩散进入PSG超净工艺 Si3N4钝化保护 抵挡碱金属离子的进入 其他金属离子的吸杂 本征吸杂 使硅表面10 20mm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10ppm以下 利用体硅中的SiO2的凝结成为吸杂中心 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 36 bipolar 37 净化的三个层次 环境 硅片清洗 吸杂 本节课主要内容 Thebottomlineischipyield Bad diemanufacturedalongside good die Increasingyieldleadstobetterprofitabilityinmanufacturingchips 38 本节课主要内容 硅片清洗湿法清洗 Piranha RCA SC 1 SC 2 HF H2O干法清洗 气相化学 吸杂