VLSI-03第三讲实验室净化与硅片清洗

1、INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗1集成电路工艺原理 仇志军邯郸校区物理楼435室INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗2硅单晶的制备：硅单晶的制备： 掺杂分布：掺杂分布： 有效分凝系数衬底制备：衬底制备：晶体缺陷：晶体缺陷：本节课主要内容本节课主要内容CZ 直拉法、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INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗3大纲大纲 （2）第一章第一章

2、前言前言第二章第二章 晶体生长晶体生长第第三章三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 热氧化热氧化第六章第六章 热扩散热扩散第七章第七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第九章 刻蚀刻蚀第十章第十章 后端工艺与集成后端工艺与集成第十一章第十一章 未来趋势与挑战未来趋势与挑战INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗4Modern IC factories employ a three tiered approach to controlling unwanted impuriti

3、es（现代（现代IC fabs依赖三道防线来控制沾污依赖三道防线来控制沾污）INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗5三道防线三道防线: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）INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗61、空气净化、空气净化From Intel MuseumINFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗7净化级别：每立方英尺空气中含有尺

4、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。0.5umINFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗8INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗9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 C4046RHINFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗10由于集

5、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

6、能年产能为为1亿亿3千万千万100010052$5050%=$130,000,000INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗11Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions.INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗12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oxMoxfAsfFBt

7、hCqQCqNVV)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若要求若要求 G100 m ms，则，则Nt 1012 cm-3 =0.02 ppb !tthGNv1INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗13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

8、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INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗14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INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗15v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

9、-1, megasonic（超声清洗）INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗16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：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INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗17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

10、刻蚀离子注入 去胶水汽氧化910111213Log (concentration/cm2)Fe Ni CuINFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗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 M Mz+ + z e-去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂）还原氧化INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗19有机物的玷污有机物的玷污来源：来源：

11、 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INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗20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）INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗212、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

12、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CO2H2O（适合于几乎所有有机物）（适合于几乎所有有机物）INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗22SC-1

13、（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, heavy metals and alkali ions.INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片

14、清洗23SC-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

15、的自由粒子。INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗24机器人自动清洗机机器人自动清洗机INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗25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INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗26清洗设备清洗设备超声清洗超声清洗喷雾清洗喷雾清洗INFO130024

16、.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗27洗刷器洗刷器INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗28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INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗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

17、硅片的损伤HFH2O气相清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2Ar等离子清洗热清洗INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗30其它方法举例其它方法举例INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗313、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

18、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）INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗32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INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗33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

19、心俘获INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗34AusI 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。替位原子 间隙原子间隙原子INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净

20、化及硅片清洗35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。非本征吸杂非本征

21、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。INFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗36bipolarINFO130024.01集成电路工艺原理第三章第三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗37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