复旦集成电路工艺课件03

集成电路工艺原理

仇志军zjqiu@邯郸校区物理楼435室1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2ModernICfactoriesemployathreetieredapproachtocontrollingunwantedimpurities（现代ICfabs依赖三道防线来控制沾污）3三道防线:环境净化（cleanroom）硅片清洗（wafercleaning）吸杂（gettering）41、空气净化FromIntelMuseum5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。0.5um67高效过滤排气除尘超细玻璃纤维构成的多孔过滤膜：过滤大颗粒，静电吸附小颗粒泵循环系统20～22C40～46％RH8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，如果良率为50％，则正好保本。若要年赢利$10,000,000，良率增加需要为良率提高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%=$130,000,0009Contaminantsmayconsistofparticles,organicfilms(photoresist),heavymetalsoralkaliions.10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Nt1012cm-3

=0.02ppb

!!11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风淋吹扫、防护服、面罩、手套等，机器手/人特殊设计及材料定期清洗超纯化学品去离子水12>0.2mm>0.5mmNH4OH130-24015-30H2O220-1005-20HF0-10HCl2-71-2H2SO4180-115010-80在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数目/ml）13各种可能落在芯片表面的颗粒14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）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…16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)FeNiCu17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）还原氧化18电负性19反应优先向左20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21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）222、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）23SC-1（APM，AmmoniaPeroxideMixture）：NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7

70～80C,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OH－OH－OH－OH－OH－OH－RCAcleanis“standardprocess”usedtoremoveorganics,heavymetalsandalkaliions.24SC-2:HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8

70～80C,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。25现代CMOS的硅片清洗工艺化学溶剂清洗温度清除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120C,10min有机污染物2D.I.H2O室温洗清3NH4OH+H2O2+H2O

(1:1:5)(SC－1)

80C,10min微尘4D.I.H2O室温洗清5HCl+H2O2+H2O

(1:1:6)(SC－2)

80C,10min金属离子6D.I.H2O室温洗清7HF+H2O(1:50)室温氧化层8D.I.H2O室温洗清9干燥26其它先进湿法清洗工艺，如OhmiFromIMEC(InteruniversityMicroelectronicCenter)(1)H2O+O3(<1ppb)去除有机物(2)NH4OH+H2O2+H2O(0.05:1:5)去除颗粒、有机物和金属(3)HF(0.5%)+H2O2(10%)天然氧化层和金属(4)DIH2O清洗（>18M-cm)27机器人自动清洗机28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29清洗设备超声清洗喷雾清洗30洗刷器31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32湿法清洗造成硅片表面粗糙度增加表面粗糙度：清洗剂、金属污染对硅表面造成腐蚀，从而造成表面微粗糙化。SC-1中，NH4OH含量高，会对硅造成表面腐蚀和损伤。降低沟道内载流子的迁移率，对热氧化生长的栅氧化物的质量、击穿电压都有破坏性的影响。Ra(nm)MixingratioofNH4OH(A)inNH4OH+H2O2+H2Osolution(A:1:5,A<1)降低微粗糙度的方法：减少NH4OH的份额降低清洗温度减少清洗时间33Surfaceroughness(nm)Surfaceroughness(nm)不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度34Surfaceroughness(nm)Surfaceroughness(nm)Ebd(MV/cm)Ebd(MV/cm)表面粗糙度降低了击穿场强35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36其它方法举例373、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）38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39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40高扩散系数＋间隙扩散方式＋聚集并占据非理想缺陷（陷阱）位置41Aus＋IAuI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42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。43本征吸杂工艺更易控制造成的损伤范围大距有源区更近缺陷热稳定性好方法：外延或热循环处理外扩散凝结成核沉淀析出44bipolar45净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂本节课主要内容净化级别高效净化净化的必要性器件：少子寿命，VT改变，IonIoff，栅击穿电压，可靠性电路：产率，电路性能Thebottomlineischipyield.“Bad”diemanufacturedalongside“good”die.

Increasingyieldleadstobetterprofitabilityinmanufacturingchips.杂质种类：颗粒、有机物、金属、天然氧化层强氧化天然氧化层HF:DIH