半导体硅片清洗课时

1、1会计学半导体硅片清洗课时半导体硅片清洗课时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净化净化的必要

2、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 manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.杂质种类：颗粒、有机杂质种类：颗粒、有机物、金属、天然氧化层物、金属、天然氧化层强氧化强氧化天然氧化层HF:DI H2O本征吸杂和非本本征吸

3、杂和非本征吸杂征吸杂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）51、空气净化、空气净化From Intel Museum6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。0.5um78高效过滤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 C4046RH9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

4、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，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$5

5、050%=$130,000,00010Contaminants 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，v

6、th=107 cm/s若要求若要求 G100 m ms，则，则Nt 1012 cm-3 =0.02 ppb !tthGNv112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、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14v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

7、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, TiNa, K, Li16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 Cu17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

8、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）202、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

9、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CO2H2O（适合于几乎所有有机物）（适合于几乎所有有机物）21SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7

10、 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, heavy metals and alkali ions.22SC-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

11、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，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

12、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27282930常用的常用的RCA清洗程序清洗程序3132改良式改良式RCA清洗程序清洗程序333435A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。3637B式清洗程序式清洗程序383940HF终结终结B式清洗程序式清洗程序为了避免第

13、9步DHF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4142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，清洗后的晶片需存内，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。重小时，则晶

14、片需要重新清洗。重洗不得超过两次，否则，接触孔的小洞受洗不得超过两次，否则，接触孔的小洞受BHF浸蚀将变大或变形而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，影响器件的可靠性。的可靠性。4344同时沉积后的PSG或BPSG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SP

15、M清洗后再加上SC1清洗以去除微粒。其清洗程序如上表所示。45464748495051525354FSI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5556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585960全流式密闭容器清洗工艺图全流式密闭容器清洗工艺图61626364 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洗系洗系统的机械结构有很大的关系，刷子的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微粒的去材料、结构和形状也

16、会影响微粒的去除效果。晶片经过刷洗去除晶片表面除效果。晶片经过刷洗去除晶片表面及背面的微粒污染，在工艺上有很多及背面的微粒污染，在工艺上有很多优点优点: 提升产品合格率。 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。656667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69707172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7374SMS公司生

17、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7576其它方法举例其它方法举例773、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）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

18、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中心俘获80AusI 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

19、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

20、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。82bipolar8384858687三道防线三道防线: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）88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。0.5um89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