半導體第五講硅片清洗4課時

1、1,第五講,硅片清洗技術,2,本節(jié)課主要內(nèi)容,硅片清洗 濕法清洗：Piranha，RCA（SC1，SC2），HF:H2O 物理清洗 干法清洗：氣相化學,吸雜三步驟：激活，擴散，俘獲 堿金屬：PSG，超凈化Si3N4鈍化保護 其他金屬：本征吸雜和非本征吸雜 大密度硅間隙原子體缺陷,SiO2的成核生長,硅片背面高濃度摻雜，淀積多晶硅,3,凈化的三個層次：環(huán)境、硅片清洗、吸雜,本節(jié)課主要內(nèi)容,The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to bet

2、ter profitability in manufacturing chips,三道防線: 環(huán)境凈化（clean room） 硅片清洗（wafer cleaning） 吸雜（gettering,1、空氣凈化,From Intel Museum,凈化級別：每立方英尺空氣中含有尺度大于0.5mm的粒子總數(shù)不超過X個,0.5um,由于集成電路內(nèi)各元件及連線相當微細，因此制造過程中，如果遭到灰塵、金屬的污染，很容易造成芯片內(nèi)電路功能的損壞，形成短路或斷路，導致集成電路的失效！在現(xiàn)代的VLSI工廠中，75%的產(chǎn)品率下降都來源于硅芯片上的顆粒污染,例1. 一集成電路廠 產(chǎn)量1000片/周100芯片/片，

3、芯片價格為$50/芯片，如果產(chǎn)率為50，則正好保本。若要年贏利$10,000,000，產(chǎn)率增加需要為,產(chǎn)率提高3.8%，將帶來年利潤1千萬美元,年開支=年產(chǎn)能 為1億3千萬 100010052$5050% =$130,000,000,Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions,外來雜質(zhì)的危害性,例2. MOS閾值電壓受堿金屬離子的影響,當tox10 nm，QM6.51011 cm-2（10 ppm)時，DVth0.1 V,例3. MOS DRAM的

4、刷新時間對重金屬離子含量Nt的要求,1015 cm2，vth=107 cm/s 若要求G100 ms，則Nt1012 cm-3 =0.02 ppb,顆粒粘附 所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒,顆粒來源： 空氣 人體 設備 化學品,超級凈化空氣,各種可能落在芯片表面的顆粒,粒子附著的機理：靜電力，范德華力，化學鍵等 去除的機理有四種： 1氧化分解 2溶解 3對硅片表面輕微的腐蝕去除 4 粒子和硅片表面的電排斥 去除方法：SC-1, megasonic（超聲清洗,金屬的玷污,來源：化學試劑，離子注入、反應離子刻蝕等工藝 量級：1010原子/cm2 影響： 在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降

5、增加p-n結的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命,Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti Na, K, Li,不同工藝過程引入的金屬污染,金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機理 通過金屬離子和硅表面終端的氫原子之間的電荷交換，和硅結合。（難以去除） 氧化時發(fā)生：硅在氧化時，雜質(zhì)會進入 去除方法：使金屬原子氧化變成可溶性離子 M Mz+ + z e- 去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：強氧化劑,有機物的玷污,來源： 環(huán)境中的有機蒸汽 存儲容器 光刻膠的殘留物 去除方法：強氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入純水,自然氧化層（Native Oxide,在空氣、水中迅速生長 帶來

6、的問題： 接觸電阻增大 難實現(xiàn)選擇性的CVD或外延 成為金屬雜質(zhì)源 難以生長金屬硅化物 清洗工藝：HFH2O（ca. 1: 50,2、硅片清洗,有機物/光刻膠的兩種清除方法,氧等離子體干法刻蝕：把光刻膠分解為氣態(tài)CO2H2O （適用于大多數(shù)高分子膜,注意：高溫工藝過程會使污染物擴散進入硅片或薄膜,前端工藝（FEOL）的清洗尤為重要,SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1 把光刻膠分解為CO2H2O （適合于幾乎所有有機物,SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）： NH4OH(28%):H2O2

7、(30%):DIH2O=1:1:51:2:7 7080C, 10min 堿性（pH值7） 可以氧化有機膜 和金屬形成絡合物 緩慢溶解原始氧化層，并再氧化可以去除顆粒 NH4OH對硅有腐蝕作用,RCA標準清洗,RCA clean is “standard process” used to remove organics, heavy metals and alkali ions,SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080C, 10min 酸性（pH值7） 可以將堿金屬離子及Al3、Fe3和Mg2在SC-1溶液中形成的不溶的氫氧化物反應成溶于水的絡

8、合物 可以進一步去除殘留的重金屬污染（如Au,RCA與超聲波振動共同作用，可以有更好的去顆粒作用 2050kHz 或 1MHz左右,平行于硅片表面的聲壓波使粒子浸潤，然后溶液擴散入界面，最后粒子完全浸潤，并成為懸浮的自由粒子,機器人自動清洗機,清洗容器和載體 SC1/SPM/SC2 石英（ Quartz ）或 Teflon容器 HF 優(yōu)先使用Teflon，其他無色塑料容器也行。 硅片的載體 只能用Teflon 或石英片架,清洗設備,超聲清洗,噴霧清洗,洗刷器,27,濕法清洗,傳統(tǒng)RCA濕式化學清洗技術(wet chemical clean technology)仍是主導目前深亞微米工藝的清洗過

9、程，只是在SCl和SC2混合溶液方面作了些微小的改變，所有化學品的純度也比早期提高很多，純度從10-6提高到10-9，而高純度的氣體及純水也比以前改進很多，因此在微粒、金屬雜質(zhì)及有機污染的去除效果方面有很大的進展。濕式化學清洗站(wet chemical station )，從早期的手動方式(manual typ)發(fā)展到目前全自動電腦控制，供酸、換酸系統(tǒng)也發(fā)展 成為自動化控制,28,濕式清洗程序,濕式清洗程序(wet clean recipes)主要仍以RCA清洗程序為主，對其經(jīng)過改良以適用于IJLSI工藝及高溫爐擴散前清洗，并開發(fā)出多種清洗應用程序，如擴散前清洗( pre一diffusion

10、 clean ,柵極氧化前清洗(Pre一gate clean)和化學氣相沉積前清洗(Pre一CVD clean)等,29,1.RCA清洗程序 RCA清洗是采用SC 1( APM) + SC2 ( HPM)化學清洗液進行清洗，主要去除微粒、金屬雜質(zhì)及有機污染，但不將晶片浸在HF槽中去除自然氧化物或氧化層。 常用的RCA清洗程序如表所示,30,常用的RCA清洗程序,31,為了要清除殘留在晶片上的光刻膠及有機物，在標準RCA清洗程序中多增加了硫酸清洗，如SPM/SOM(SPM=H2SO4 +H2O2 , SOM=H2SO4 +O3)這樣的清洗程序稱為改良式RCA清洗。清洗程序如表所示,32,改良式R

11、CA清洗程序,33,RCA清洗常被用來作為CVD沉積前清洗和不必去除自然氧化物的清洗工藝，若需去除氧化層上的金屬雜質(zhì)則使用改良式RCA清洗程序，將晶片短暫浸蝕在DHF中，刻蝕氧化層的表層，以去除氧化層上的金屬雜質(zhì),34,A式清洗程序,A式清洗也是一種改良式的RCA清洗，與前面清洗程序的差別為在SC1和SC2清洗之間再加一個步驟:將晶片在SC1清洗后短暫浸人DHF( 1%一5%HF),以去除自然氧化物及沉積在氧化層上的金屬雜質(zhì)，其清洗程序如表所示,35,A式清洗程序,A式清洗是早期工藝技術(3 m以上)中常用的清洗程序， 由于晶片經(jīng)SC1清洗去除微粒后，要再浸人DHF， 這會產(chǎn)生新的微粒污染，所

12、以在ULSI 工藝中， 不再使用A式清洗，而由B式清洗所取代,36,B式清洗程序,B式清洗也是一種改良的RCA清洗，主要是在SPM清洗后，將晶片浸人DHF槽以去除氧化層或自然氧化物，然后再進行標準的RCA清洗。清洗程序如表所示,37,B式清洗程序,38,B式清洗程序的微粒、金屬雜質(zhì)去除效果比A式清洗好，已取代A式清洗程序成為主要的濕式化學清洗程序。DHF中的浸蝕時間根據(jù)去除氧化層的厚度而定，并需考慮氧化層刻蝕的均勻度。 B式清洗常被用來作為柵極氧化層前清洗，因此需特別注意清洗后有源區(qū)(active Area)的潔凈度、微粒、金屬雜質(zhì)、有機污染、自然氧化物和表面微粗糙度等。這種清洗程序也常被用來

13、作為墊層氧化（pad oxide)及場區(qū)氧化(field oxide）前清洗和離子注人后清洗,39,HF終結B式清洗,當工藝技術精進到0.5 m以下時，柵極氧化層的厚度已降低到10 nm以下，在B式清洗后化學氧化形成的一層薄氧化物會影響柵極氧化層的品質(zhì)。為了避免薄氧化物的產(chǎn)生，發(fā)展了HF終結B式清洗，其程序如表所示,40,HF終結B式清洗程序,為了避免第9步DHF浸蝕時產(chǎn)生 新的微粒，有許多清洗工藝將這一步的改為FPM ( HF+H2O2)或HF + IPA ,以去除微粒及金屬雜質(zhì)、改良表面微粗糙度,41,金屬前清洗,濺射金屬前清洗的目的，主要是將接觸孔刻蝕后殘留在接觸孔側壁(sidewall

14、的聚合物polymer)及接觸孔底層的自然氧化物去除干凈，以利于金屬濺鍍時形成良好的接觸，使接觸電阻降低。晶片經(jīng)SPM清洗可去除附在接觸孔側壁的聚合物等有機污染，為了使BHF容易潤濕接觸孔的小洞，有效地將自然氧化物去除干凈，通常在BHF中加人表面活性劑。其清洗程序如表所示,42,清洗后的晶片應避免暴露在空氣中，以免接觸孔底層又產(chǎn)生自然氧化物而影響金屬與接觸孔的接觸電阻，所以應立即放人金屬濺射機內(nèi)，快速完成金屬濺鍍。在如需等待金屬濺鍍，清洗后的晶片需存放在N2氣柜內(nèi)，若等待時間超過4小時，則晶片需要重新清洗。重洗不得超過兩次，否則，接觸孔的小洞受BHF浸蝕將變大或變形而造成接觸孔破裂，從而影響線

15、路，造成接觸孔橋接短路，影響器件的可靠性,43,SPM清洗,在前面已經(jīng)討論硫酸清洗去除光刻膠及其清洗配方。這里主要討論PSG、BFSG或全面離子注入(blanket implant)后的清洗。在磷硅玻璃或硼磷硅玻璃沉積后，SPM清洗的主要目的是將玻璃沉積后析出表面的磷玻璃及硼玻璃溶于硫酸，以消除表面的磷斑點或硼斑點。因為磷、硼玻璃的吸水性較強，沉積后的磷硅玻璃或硼磷硅玻璃放置在空氣中，硼斑點或磷斑點將吸收空氣中的水氣形成磷酸或硼酸，使沉積后的晶片表面形成斑點的污染源，其反應式如下:B2O3+3H2O2H3BO3 P2O5+3H2O2H3PO4,44,同時沉積后的PSG或BPSG經(jīng)高溫致密化及回

16、流后，也會析出成分為P2O5及B2O3的一層很薄的透明結晶玻璃，需經(jīng)硫酸清洗以溶去磷、硼玻璃。 在全面離子注人的過程中，雖然晶片表面沒有光刻膠覆蓋，但晶片表面在離子注人時也會沉積一層聚合物，因此，需通過硫酸清洗去除這層有機物污染。 SPM清洗后，晶片表面會有微粒產(chǎn)生，因此常在SPM清洗后再加上SC1清洗以去除微粒。其清洗程序如上表所示,45,濕式化學清洗工藝技術,在濕式化學清洗工藝技術中，主要有三種不同形式的清洗機臺，各種機臺有其不同的優(yōu)缺點及應注意考查的標準，下面對各種清洗設備說明如下，以供參考,46,浸洗式化學清洗站,這種化學清洗技術已經(jīng)完全屬于自動化控制，操作員只要將欲清洗的晶片連同晶舟

17、放置在清洗站的輸入端（input stage)即可進行清洗。為了增加產(chǎn)量，一般均設計兩個晶舟，每個晶舟可裝25片晶片。如晶片不足，則用偽片補滿或平均分配，使兩個晶舟裝有相同的晶片數(shù)，以便兩邊負重平衡。這樣，在旋干時，才不會因負重不平衡導致旋干機振動造成碎片或產(chǎn)生微粒。若用IPA干燥法進行干燥可不必考慮到平衡的間題。操作員根據(jù)流程卡上記錄的所需清洗程序，在電腦上選定要清洗的程序后，按下啟動，機械手即開始按照設定的清洗程序執(zhí)行清洗的工藝，逐槽清洗到脫水于燥。清洗完成后，機械手自動將清洗后的晶片傳送到輸出端(output stage），然后發(fā)出信號告訴操作員將貨卸下。一般化學酸槽非常龐大，在某些比較

18、復雜的設計中，全套RCA或B式清洗.工藝共有5個化學槽，6個去離子純水洗滌槽，長度超過30英尺。它的最大缺點為占用面積大。這種自動化學清洗站一般都設計有小型號及獨立的排氣系統(tǒng)，而機械手為后置式(rear mount)的，機械手在傳送晶片從1站開始按照清洗程序逐槽清洗，到第12站清洗干燥后會自動更換晶舟。清洗程序可簡述如下,47,中央控制系統(tǒng)及晶片輸人端:操作員將欲清洗的晶片及晶舟放在晶舟自動轉換器上，將晶片從塑料晶舟轉換到耐酸的特氟龍或石英晶舟后，操作員在電腦控制系統(tǒng)選定清洗程序并按下啟動鍵。機械手即開始將晶舟提吊到程序設定的酸槽，徐徐浸人第2站酸槽。 每一站均有兩個槽，一個為化學酸槽（che

19、mical tank )，另一個為純水洗滌槽。在化學酸槽清洗后，機械手將晶片傳送到洗滌槽將化學殘酸洗除干凈后，再傳送到第3、4、5、6、12站等。 安裝前置式的機械手，即機械手如裝置在前面并與操作員同向時，容易造成機器手臂傷人的意外事件，為安全考慮，機械手常為后置式的。 酸槽化學濃度的校準:所有的酸槽都是開放式的，在酸槽內(nèi)的化學酸會因加熱蒸發(fā)、分解而影響到酸的濃度及各成分的混合比例，因此，需要用滴定法來檢驗酸濃度的變化，并添加新的化學品，以保持酸槽內(nèi)濃度及比例的穩(wěn)定,48,浸洗式化學清洗站的功能和優(yōu)缺點,1)軟件功能( software capability) 在整座自動化酸槽系統(tǒng)中，各種清洗

20、參數(shù)均能利用軟件設定程序，以達到自動控制，如; 換酸時間(chemical change 混合溶液比例(chemical ratio 酸槽溫度(tank ternperatuive ) 清洗時間cleaning process time) 酸槽濃度(chemical concentration) 洗滌時間(rinse time) 清洗阻值(rinse resislivity) 機械手操作(robot operation ) 預警系統(tǒng)(alarm system,49,2)清洗功能(recipe capabilities) 可設定多種清洗程序避免晶片間的“交互污染”，即將有 摻雜(doped)及無

21、摻雜(nondoped)的晶片分開在不同的酸槽系統(tǒng)內(nèi)清洗，主要清洗程序有以下幾種: RCA清洗程序。 B式清洗程序。 柵極氧化前清洗程序。 HF終結B式清洗程序。 無HF酸B式清洗程序。 SPM清洗程序 金屬前清洗程序,50,3)優(yōu)點 節(jié)省化學品用量:每一個化學槽換酸后，約可清洗12一24 h或以清洗的晶片批數(shù)作為換酸的依據(jù)。若連續(xù)清洗，則每片晶片清洗化學品的費用和成本較低。 連續(xù)清洗，提高了設備的利用率:換酸完畢，酸槽需預熱約1h才可進行清洗，連續(xù)清洗時每10一15 min可放入兩個晶舟(50片晶片)進行清洗,51,4)缺點 這種清洗系統(tǒng)酸槽內(nèi)的化學品的潔凈度，隨著清洗晶片數(shù)的增加逐漸臟污且

22、金屬和有機雜質(zhì)易沉積在槽內(nèi)而造成污染。另外，晶片是通過機械手移動來實現(xiàn)逐槽清洗的，機械手的移動會產(chǎn)生很多微粒。同時，機械手暴露在化學蒸氣環(huán)境中，易受腐蝕而影響到機械手的可信度，機械手的異常會造成晶片報廢及產(chǎn)生生產(chǎn)不安全因素，如機器手臂傷人、撞破石英槽、手臂斷裂、破片等。微粒的控制及氧化的刻蝕率不穩(wěn)定、不均勻。如將8英寸的晶片浸在DHF酸槽中去除氧化層時，下端先人后出，而上端后人先出，且晶片拉出液面時DHF由上往下流，將造成刻蝕的不均勻。隨著晶片尺寸的變大，這些問題更為突出。該清洗系統(tǒng)的缺點為,52,體積龐大，占用昂貴的凈化室。 換酸后的準備時間長，影響產(chǎn)能。 價格昂貴，系統(tǒng)復雜，維修困難。 酸

23、槽溶液越洗越臟。 洗滌槽的用水量多。 開放式加熱酸槽使酸槽內(nèi)的溶液濃度、比例隨時在變。 清洗工藝不穩(wěn)定。 機械手易造成意外事件,53,2.噴洗式單箱化學清洗機(spraychemical cleaning processor,這種清洗方式是將晶片放在清洗槽內(nèi)的轉盤上，新鮮的清洗用化學溶液經(jīng)N2加壓、通過噴洗柱(spray post)均勻噴淋在晶片上作為化學清洗及超純水洗滌，轉盤按照清洗程序所設定的轉速轉動，根據(jù)不同的清洗循環(huán)(cycle)自動變化，以達到最佳的清洗效果。每一循環(huán)結束后，噴洗后的化學酸立即排出，所以每次清洗時都是用新鮮、潔凈的化學酸噴洗，不像浸洗式化學酸槽中的酸易受污染。以美國F

24、SI公司設計的多座式噴洗機為例，清洗過程中首先用加壓N:將化學罐( chemical canister)內(nèi)的清洗用化學溶液壓出并經(jīng)由清洗腔中央的噴洗柱與超純水均勻棍合到配方的比例，然后噴洗旋轉中轉盤上的晶片，如圖所示。按照程序設定的順序，不同的化學清洗溶液依序噴洗晶片。在改換化學溶液前，化學管路(elremical tubing ,噴洗柱和清洗槽需用超純水洗滌干凈，以避免“交互污染,54,FSI公司生產(chǎn)的化學噴洗機剖面圖,55,清洗槽需用超純水洗滌干凈，以避免“交互污染”。下圖1所示為FSI公司生產(chǎn)的化學噴洗機的化學溶液管路圖。在最后純水洗滌( final rinse)后，轉盤高速旋轉，利用高

25、速離心力、伯努利原理及頂蓋上的加熱.器( blanket heater)，將清洗后的晶片烘干。為了徹底清洗晶片邊緣靠近清洗槽側壁的化學殘留物，裝在側壁上的純水洗滌噴洗柱從側壁噴洗晶片，如圖2所示。一次清洗循環(huán)(cleaningcycle)約為20一30 min ,清洗的晶片片數(shù)根據(jù)晶片的大小及清洗程序的不同而不同。這種清洗設備面積很小，不像整座化學清洗站要占用龐大昂貴的凈化室面積，以下為噴洗式化學清洗機的優(yōu)點: 設備占用的凈化室面積較小。 清洗產(chǎn)能高。 清洗循環(huán)時間短。 使用新鮮、純凈的清洗用化學品。 清洗后晶片表面的微粒少，小于0.1/cm2 金屬雜質(zhì)含量低，小于1010atoms/cm3

26、工藝省水、省化學品,56,圖1 FSI公司生產(chǎn)的化學噴洗機化學溶液管路圖,57,圖2 化學噴洗機中央及側壁噴洗柱(spray-post)透視圖,58,這種單槽噴洗式的化學清洗機也有多種清洗功能，可設定很多清洗程序，可應用在以下工藝中: (1)清洗 擴散前清洗。 柵極氧化前清洗。 外延前清洗(pre EPI clean)。 化學氣相沉積前清洗。 氧化前清洗(pry axidation clean) 2)清除(stripping) 光刻膠的清除。 鈦/氮化鐵金屬的清除(Ti/TiN stripping)。 多晶硅的清除(pnlysilicon stripping ) (3)刻蝕. WSi 的刻蝕(

27、wsi etching)。 Si3N4的刻蝕(nitride etching) SiO2的刻蝕(oxide etching)。 (4)特殊 化學機械研磨后清洗(Post CMP clean) 晶片的回收(wafer reclaim,59,3，密閉容器化學清洗系統(tǒng),這種化學清洗技術是將晶片放在密閉單容器( single enclosed vessel)的清洗腔內(nèi)，按照設定的清洗程序，通人不同的清洗用化學溶液清洗晶片，超純水清洗殘留的化學酸液后，通人IPA使晶片脫水干燥。整個清洗工藝均在“標準態(tài)”的密閉容器內(nèi)進行，不同于浸洗式化學清洗站和噴洗式的化學清洗機，晶片的清洗過程在半真空狀態(tài)下進行，晶片表

28、面不接觸空氣，所以能減少微粒污染、提高晶片表面的潔凈度。 清洗前，品片經(jīng)自動晶舟轉換器放入有溝槽( slotted)的密閉容器內(nèi)，操作員選定清洗程序并將程序下載到系統(tǒng)的電腦控制站(computer controller），按下啟動鍵。系統(tǒng)開始按照設定的清洗程序，依次將不同的清洗用化學溶液通人密閉容器清洗品片，隨后通人超純水洗滌晶片和容器。當達到設定的阻值后再通人第二種化學溶液進行清洗和排出。再通人超純水洗滌，按照程序設定的順序來完成清洗。在切換不同的清洗用化學溶液時，用超純水沖洗晶片及容器洗滌殘留的化學品，以避免不同化學溶液間交互污染。在最后超純水洗滌后，通人IPA將殘留的水分排除，然后通人N

29、2，利用IPA蒸發(fā)、表面張力及分子力原理，將晶片及容器脫水干燥。下圖為全流式密閉容器的清洗工藝圖,60,全流式密閉容器清洗工藝圖,61,這種全流式密閉單容器化學清洗系統(tǒng)的設計非常簡單和新穎，清洗腔的體積較小，以50片8英寸晶片的容器為例，體積約為浸洗式化學清洗槽的1/5因此，清洗用化學品和純水的用量和成本比化學清洗酸槽要低很多，而且清洗用化學溶液可密閉到清洗容器內(nèi)，不易揮發(fā)和分解，溶液濃度及比例均可以保持穩(wěn)定不變，每批晶片的清洗條件均相同。此外，每批晶片均用新鮮和潔凈的化學溶液清洗，金屬和有機雜質(zhì)較低。全流式密閉單容器化學清洗系統(tǒng)有以下優(yōu)點; 化學溶液用量少。 可減少超純水的用量，全流設計使洗

30、滌效率較高。 減少了廢氣、廢水排放量。 系統(tǒng)簡單、價格低、維修容易。 使用的均為新鮮和純凈的化學溶液。 晶片表面微粒少且無水痕，而且刻蝕均勻度較高。 清洗用化學溶液的濃度、純度、比例穩(wěn)定，每批晶片的清洗條件均相同。 清洗準備時間短，不必等待換酸。 清洗程序功能多。 程序設定簡易，轉換較快,62,物理清洗技術,物理清洗技術主要是利用物理原理來清洗晶片，而不使用任何化學品進行處理。這種清洗技術主要是去除微粒的污染，最常用的清洗方法是通過刷洗、超聲波振蕩,高壓噴洗及高壓氣體噴洗將附著在晶片表面的微粒去除于凈，減少因微粒污染而造成的缺陷，提高成品率及器件的品質(zhì)和可靠性。目前，根據(jù)以上的物理作用所設計的

31、清洗設備有刷洗機(scrubber)和冷凍噴霧清洗機兩種。物理清洗技術主要應用在去除工藝誘發(fā)的微粒污染，如刻蝕、離子注人、化學氣相沉積或物理氣相沉積工藝后附著在晶片表面的微粒,63,刷洗機,這種刷洗機的設計主要是利用特殊有彈性和低污染的特氟龍刷)在高速旋轉的晶片表面來回刷洗，同時用超純水洗滌晶片表面將微粒沖洗干凈，刷洗程序可設定為單面或雙面刷洗.下圖所示為DSN公司生產(chǎn)的SS一W629一B刷洗機。這種設備有多功能的設計，為了提高微粒的去除效果，有自動刷洗、高壓刷洗 ,超聲波刷洗三種選擇配合刷洗程序進行清洗,64,刷洗機對微粒的去除效果與Mll洗系統(tǒng)的機械結構有很大的關系，刷子的材料、結構和形狀

32、也會影響微粒的去除效果。晶片經(jīng)過刷洗去除晶片表面及背面的微粒污染，在工藝上有很多優(yōu)點,提升產(chǎn)品合格率。 降低散焦不合格率。 提高生產(chǎn)線的潔凈度 防止微粒的再沉積。 純水刷洗沒有化學反應的影響,65,冷凍噴霧清洗機,這種冷凍l噴洗技術是將惰性氣體(主要是Ar ）低溫冷凍后噴射出來，由于膨脹吸熱形成Ar粒子，可通過與N2的混合比來控制Ar粒了的大小，高速Ar粒子噴洗、撞擊晶片表面，可將附著在晶片表面的微粒去除干凈。這種冷凍噴霧清洗技術應用在反應離戶刻蝕后晶片的清洗，對工藝誘發(fā)的殘留微粒和雜質(zhì)的去除效果非常好。尤其當金屬連線刻蝕后，Al金屬側壁所殘留的聚合物 ,金屬線或金屬屑及側壁聚合物吸附的刻蝕氣

33、體殘留的Cl2或氯化物(chlorides）等很難用有機溶劑去除于凈，采用這種物理清洗技術可有效去除這些污染物。避免形成金屬橋接短路及殘留氯化物水解而造成金屬腐蝕等不良缺陷，提高產(chǎn)品的成品率、品質(zhì)及可靠性。 在冷凍噴霧的物理清潔技術中，高速的冷凍Ar粒子噴射在晶片表面l時具有很高的動能和動量。將撞擊附著在晶片表面的各種污染物。同時，高速粒子撞擊時會產(chǎn)生熱效應，可利用不同材質(zhì)熱膨脹系數(shù)的差異使附著在側壁卜的殘留物剝落并脫離表rfil減少金屬腐蝕的缺陷。提高產(chǎn)品的成品率:如圖3所示可以看到，金屬刻蝕后，側壁殘留有大量的不純物l如圖3（a)所示，清洗后側壁及表面非常潔凈L如圖3（b)所示。這說明經(jīng)冷

34、凍噴霧清洗后，側壁殘留物可以被完全清除干凈,66,金屬腐蝕實驗表明冷凍噴霧清洗對抑制、減少金屬腐蝕的效果比濕式清洗有明顯的改善，圖4所示比較了冷凍噴霧清洗和濕式清洗對金屬腐蝕的影響“，冷凍噴霧清洗的個屬腐蝕約為濕式清洗的十分之一。冷凍噴霧清洗可應用在任何刻蝕工藝后的清洗，如多l(xiāng)晶硅柵極氧化層刻蝕、氧化物刻蝕、接觸孔及走線孔刻蝕后的清洗，能有效地去除刻蝕后殘留下來的有機和無機副產(chǎn)品及不純物、抑制刻蝕后的化學反應，使刻蝕后的圖形和線路更清晰、潔凈，提高產(chǎn)品的成品率,67,圖3金屬刻蝕后，側壁殘留物冷凍噴洗前后比較,圖4冷凍噴霧清洗與濕式清洗對 金屬腐蝕的影響比較,68,對硅造成表面腐蝕 較難干燥

35、價格 化學廢物的處理 和先進集成工藝的不相容,濕法清洗的問題,69,為解決這些問題，開發(fā)了許多替代的清洗技術，干式清洗技術(dry clean technology)即是其中之一，但仍無法完全取代濕式化學清洗技術。一般，晶片可在濕式化學清洗后，再利用干式清洗技術去除晶片表面碳氫化合物等有機雜質(zhì)及自然氧化物以確保晶片表面的潔凈度，使后續(xù)工藝的薄膜沉積(例如多晶走線通孔沉積和外延層沉積)能達到高品質(zhì)。干式清洗技術主要是應用氣相化學反應進行清洗。在常溫或低溫下，利用等離子體(plasma)、射頻(radio frequency)或輻射(radiation)提升化學反應的活化能,增加對晶片表面的清洗能

36、力,70,主要清洗技術,HF/H2O蒸氣清洗技術 HF/H2O 蒸氣清洗技術是利用N2作為載氣，將HF帶人低壓的蒸氣反應腔內(nèi)，同時通人水蒸氣， HF/H2O混合蒸氣將與放在反應腔內(nèi)的硅片表面的氧化層發(fā)生反應。HF蒸氣在水蒸氣的催化助長下與SiO2反應生成SiF4氣體，經(jīng)抽氣系統(tǒng)排出，同時用超純水洗滌，將晶片表面刻蝕后的殘留不純物及金屬雜質(zhì)清洗去除，使硅片表面成為非常潔凈的、無微粒和自然氧化層的表面,71,在這種氣相干式清洗系統(tǒng)中，除了HF氣體外，還可通人其他氣體，如HC1,O2/O3等作為去除有機物及金屬雜質(zhì)的氣體。這種清洗技術最大的優(yōu)點是在真空下清洗晶片，使晶片表面沒有氧化物、水痕、微粒和較

37、低的金屬及有機物污染，純水及化學品的用量少。該技術可用于多晶硅沉積及金屬濺射前的接觸孔的清洗，可有效地降低接觸孔的接觸電阻。此外，還可用于去除金屬刻蝕后殘留的雜質(zhì)和側壁聚合物等不純物，如圖所示為金屬刻蝕后，干式蒸氣清洗前后的比較,72,金屬刻蝕后，干式蒸氣清洗前后的比較,73,紫外線/臭氧干洗技術 紫外線/臭氧干洗技術(UV/O3 dry clean )，將O2通人真空的蒸氣反應室內(nèi)，紫外線的能量使氧分子分解成具有強氧化能力的初生態(tài)O和C，進而將有機碳氫化合物氧化成具有揮發(fā)性的化合物，由抽氣系統(tǒng)排出。這種方法可有效地將晶片表面的有機物質(zhì)去除干凈。 另外，也可通人HF蒸氣將晶片表面的自然氧化物去

38、除干凈，或通人IPA（C3H7OH)、N2和Cl2以去除金屬雜質(zhì)。如圖所示為美國SMS公司制造的SP一200蒸氣反應室的結構圖，反應室內(nèi)有紫外燈 UV一lamp和紅外燈(IR lamb)以提供光化學反應所需的能源。這種紫外線干式清洗技術可清除有機不純物、金屬雜質(zhì)及自然氧化物，使晶片表面具有非常高的潔凈度，避免后續(xù)工藝的薄膜沉積中品片表面微粒和不純物的污染,74,SMS公司生產(chǎn)的SP一200蒸氣反應室結構圖,75,Ar等離子體干洗技術,Ar等離了體干洗技術(Ar plasma dy clean )是采用氛等離子體濺射和轟擊表面以達到清洗口的，主要是應用在金屬濺鍍前走線孔的清洗，去除走線孔底部的自

39、然氧化物和走線孔刻蝕后殘留在側壁及晶片表面的有機聚合物雜質(zhì)，以免造成金屬腐蝕。因為此時的晶片上已經(jīng)沉積了第一層金屬，所以不能使用濕式化學清洗工藝。一般，金屬物理氣相沉積系統(tǒng)中都有這種內(nèi)部濺射清洗的功能，Ar等離子體干洗工藝應適當調(diào)整Ar離子的能量，以免高能量的Ar離子轟擊使晶片表面受損造成微粒污染,其它方法舉例,3、吸雜,把重金屬離子和堿金屬離子從有源區(qū)引導到不重要的區(qū)域。 器件正面的堿金屬離子被吸雜到介質(zhì)層（鈍化層），如PSG、Si3N4 硅片中的金屬離子則被俘獲到體硅中（本征吸雜）或硅片背面（非本征吸雜,硅中深能級雜質(zhì)（SRH中心,擴散系數(shù)大 容易被各種機械缺陷和化學陷阱區(qū)域俘獲,吸雜三步驟,雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可動原子 雜質(zhì)元素擴散到吸雜中心 雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲,AusI AuI 踢出機制 Aus AuI V 分離機制,引入大量的硅間隙原子，可以使金Au和