微納光電子系統(tǒng)(1章沾污控制)

微納光電子系統(tǒng)

黃鷹教授2014-2-18第1章硅片制造中的沾污控制1.沾污源與控制2.濕法清洗3.干法清洗4.硅片吸雜控制1.1沾污源與控制1.1.1沾污控制的三道防線:環(huán)境凈化（cleanroom）硅片清洗（wafercleaning）吸雜（gettering）1.1.2、環(huán)境凈化凈化級別：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。高效過濾排氣除塵超細玻璃纖維構(gòu)成的多孔過濾膜：過濾大顆粒，靜電吸附小顆粒泵循環(huán)系統(tǒng)20～22C40～46％RH1.1.3沾污1.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(shè)備化學(xué)品超級凈化空氣特殊設(shè)計及材料定期清洗超純化學(xué)品去離子水風(fēng)淋吹掃、防護服、面罩、手套等，機器手/人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(xué)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）2.金屬的玷污來源：化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)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，成品率下降增加p-n結(jié)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干法刻蝕離子注入

去膠水汽氧化910111213Log(concentration/cm2)FeNiCu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(jié)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MMz++ze-去除溶液：SC-1,SC-2（H2O2：強氧化劑）還原氧化反應(yīng)優(yōu)先向左3.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4.自然氧化層（NativeOxide）在空氣、水中迅速生長帶來的問題：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：HF＋H2O（ca.1:50）1.2.1清洗設(shè)備酸堿腐蝕清洗臺有機清洗臺,專用清洗臺

1.2硅片清洗甩干機、電鍍、酸刻蝕、堿刻蝕臺勻膠顯影臺（光刻間用）勻膠臺（光刻間用）勻膠顯影機（自動；光刻間用）洗刷器清洗設(shè)備超聲清洗噴霧清洗兆聲發(fā)射器清洗容器和載體SC1/SPM/SC2–石英（Quartz）或Teflon（特服龍塑料）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SPM：sulfuric/peroxidemixture（濃硫酸雙氧水混合物）

H2SO4(98％):H2O2(30％)=2:1~4:1把光刻膠分解為CO2＋H2O（適合于幾乎所有有機物）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)CO2＋H2O（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

1.2.2硅片清洗

RCA——標準清洗（濕法清洗）SC-1（APM，AmmoniaPeroxideMixture氨水雙氧水混合物）：NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O(去離子水）=1:1:5～1:2:7

70～80C,10min堿性（pH值>7）可以氧化有機膜和金屬形成絡(luò)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OH－OH－OH－OH－OH－OH－RCAcleanis“standardprocess”usedtoremoveorganics（有機物）,heavymetalsandalkali（堿金屬）ions.SC-2:

HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:870～80C,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(yīng)成溶于水的絡(luò)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20～50kHz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。現(xiàn)代CMOS的硅片清洗工藝化學(xué)溶劑清洗溫度清除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120C,10min有機污染物D.I.H2O室溫洗清2NH4OH+H2O2+H2O

(1:1:5)(SC－1)

80C,10min微塵D.I.H2O室溫洗清3HCl+H2O2+H2O

(1:1:6)(SC－2)

80C,10min金屬離子D.I.H2O室溫洗清4HF+H2O(1:50)室溫氧化層D.I.H2O室溫洗清干燥其它先進濕法清洗工藝，如OhmiFromIMEC(InteruniversityMicroelectronicCenter)(1)H2O+O3(<1ppb)去除有機物(2)NH4OH+H2O2+H2O(0.05:1:5)去除顆粒、有機物和金屬(3)HF(0.5%)+H2O2(10%)天然氧化層和金屬(4)DIH2O清洗（>18M-cm)機器人自動清洗機濕法清洗的問題對硅造成表面腐蝕較難干燥價格化學(xué)廢物的處理和先進集成工藝的不相容濕法清洗造成硅片表面粗糙度增加表面粗糙度：清洗劑、金屬污染對硅表面造成腐蝕，從而造成表面微粗糙化。SC-1中，NH4OH含量高，會對硅造成表面腐蝕和損傷。降低溝道內(nèi)載流子的遷移率，對熱氧化生長的柵氧化物的質(zhì)量、擊穿電壓都有破壞性的影響。降低微粗糙度的方法：減少NH4OH的份額降低清洗溫度減少清洗時間Ra(nm)MixingratioofNH4OH(A)inNH4OH+H2O2+H2Osolution(A:1:5,A<1)SurfaceroughnessRa(nm)不同清洗（腐蝕）方法與表面粗糙度SurfaceroughnessRa(nm)1.2.3干法清洗工藝氣相化學(xué)，通常需激活能在低溫下加強化學(xué)反應(yīng)。所需加入的能量，可以來自于等離子體，離子束，短波長輻射和加熱，這些能量用以清潔表面，但必須避免對硅片的損傷HF／H2O氣相清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2／Ar等離子清洗熱清洗脈沖激光清洗把重金屬離子和堿金屬離子從有源區(qū)引導(dǎo)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（磷硅玻璃,SiO2中含P2O5）、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）1.3吸雜激活：雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可動原子擴散：雜質(zhì)元素擴散到吸雜中心俘獲：雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲吸雜三步驟：堿金屬離子的吸雜：PSG——可以束縛堿金屬離子成為穩(wěn)定的化合物超過室溫的條件下，堿金屬離子即