微電子清洗工藝

2024-05-04111、清洗的概念及超凈室環(huán)境介紹2、污染的類別及清除過程第五講之Si片的清洗工藝2024-05-0421三道防線:凈化環(huán)境（cleanroom）硅片清洗（wafercleaning）吸雜（gettering）引言2024-05-0431芯片代加工工廠的環(huán)境通過以下措施進(jìn)行:HEPA(high-efficiencyparticulatearresting)filtersandrecirculationfortheair.(高效過濾器和空氣再循環(huán))“Bunnysuits”forworkers.(工作人員的超凈工作服)Filtrationofchemicalsandgases.(高純化學(xué)藥品和氣體)Manufacturingprotocols.(嚴(yán)格的制造規(guī)程)HEPA:HighEfficiencyParticulateAir引言恒溫，恒濕，恒塵，恒壓，恒震，恒靜1、凈化環(huán)境2024-05-0441FromIntelMuseum引言風(fēng)淋室2024-05-0451凈化級(jí)別：每立方英尺空氣中含有尺度大于0.5mm的粒子總數(shù)少于X個(gè)。（1立方英尺=0.283立方米）0.5um引言2024-05-0461引言2024-05-0471高效過濾排氣除塵超細(xì)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％RH超凈室的構(gòu)造2024-05-0481由于集成電路內(nèi)各元件及連線相當(dāng)微細(xì)，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(dǎo)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，芯片價(jià)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！年產(chǎn)能=年開支為1億3千萬1000×100×52×$50×50%=$130,000,000污染的危害2024-05-0491污染物可能包括：微塵，有機(jī)物殘余，重金屬，堿離子污染物的類別及清洗過程2024-05-04101顆粒：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(jí)凈化空氣風(fēng)淋吹掃、防護(hù)服、面罩、手套等，機(jī)器手/人特殊設(shè)計(jì)及材料定期清洗超純化學(xué)品去離子水1、顆粒2024-05-04111各種可能落在芯片表面的顆粒2024-05-04121粒子附著的機(jī)理：靜電力，范德華力，化學(xué)鍵等去除的機(jī)理有四種：1溶解2氧化分解3對(duì)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：濕法刻蝕,megasonic（超聲清洗）清洗的原理2024-05-04131>0.2mm>0.5mmNH4OH130-24015-30H2O220-1005-20HF0-10HCl2-71-2H2SO4180-115010-80在ULSI級(jí)化學(xué)試劑中的顆粒濃度（數(shù)目/ml）2024-05-041412、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(jí)：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…2024-05-04151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)FeNiCu2024-05-04161金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機(jī)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(shí)發(fā)生：硅在氧化時(shí)，雜質(zhì)會(huì)進(jìn)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：H2O2：強(qiáng)氧化劑還原氧化2024-05-04171電負(fù)性Cu+eCu-SiSi++eCu2-+2eCu2024-05-04181反應(yīng)優(yōu)先向左2024-05-041913、有機(jī)物的玷污來源：環(huán)境中的有機(jī)蒸汽存儲(chǔ)容器光刻膠的殘留物去除方法：強(qiáng)氧化－臭氧干法－Piranha：H2SO4-H2O2

－臭氧注入純水2024-05-042014、自然氧化層在空氣、水中迅速生長帶來的問題：接觸電阻增大難實(shí)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）2024-05-04211典型的濕法化學(xué)清洗藥品2024-05-04221有機(jī)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(huì)使污染物擴(kuò)散進(jìn)入硅片或薄膜前端工藝（FEOL）的清洗尤為重要金屬Piranha（SPM：sulfuric/peroxidemixture）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(jī)物）Si片的清洗工藝2024-05-04231標(biāo)準(zhǔn)清洗液-SC1（APM，AmmoniaPeroxideMixture）：NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7

70～80

C,10min堿性（pH值>7）可以氧化有機(jī)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(duì)硅有腐蝕作用RCA——標(biāo)準(zhǔn)清洗OH－OH－OH－OH－OH－OH－RCA是標(biāo)準(zhǔn)工藝可以有效去除重金屬、有機(jī)物等.2024-05-04241標(biāo)準(zhǔn)清洗液-SC2:HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8

70～80

C,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(jìn)一步去除殘留的重金屬污染（如Au）RCA與超聲波振動(dòng)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(kuò)散入界面，最后粒子完全浸潤，并成為懸浮的自由粒子。RCA——標(biāo)準(zhǔn)清洗2024-05-04251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)120

C,10min有機(jī)污染物2D.I.H2O室溫洗清3NH4OH+H2O2+H2O

(1:1:5)(SC－1)

80

C,10min微塵4D.I.H2O室溫洗清5HCl+H2O2+H2O

(1:1:6)(SC－2)

80

C,10min金屬離子6D.I.H2O室溫洗清7HF+H2O(1:50)室溫氧化層8D.I.H2O室溫洗清9干燥2024-05-04261其它先進(jìn)濕法清洗工藝(1)H2O+O3(<1ppb)去除有機(jī)物(2)NH4OH+H2O2+H2O(0.05:1:5)去除顆粒、有機(jī)物和金屬(3)HF(0.5%)+H2O2(10%)天然氧化層和金屬(4)DIH2O清洗（>18M

-cm)2024-05-04271機(jī)器人自動(dòng)清洗機(jī)2024-05-04281清洗容器和載體SC1/SPM/SC2–石英（Quartz）或氟聚合物容器HF–優(yōu)先使用氟聚合物，其他無色塑料容器也行。硅片的載體–只能用氟聚合物或石英片架2024-05-04291清洗設(shè)備超聲清洗噴霧清洗2024-05-04301洗刷器水清洗＋干燥溢流清洗排空清洗噴射清洗加熱去離子水清洗旋轉(zhuǎn)式甩干IPA異丙醇蒸氣干燥2024-05-04311濕法清洗的問題（1）表面粗糙度：清洗劑、金屬污染對(duì)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(huì)對(duì)硅造成表面腐蝕和損傷。降低溝道內(nèi)載流子的遷移率，對(duì)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。Ra(nm)MixingratioofNH4OH(A)inNH4OH+H2O2+H2Osolution(A:1:5,A<1)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(shí)間2024-05-04321Wu

etal.,EDL25,289(2004).SiGe-gate/high-k/SiGepMOSFETs2024-05-04331Surfaceroughness(nm)Surfaceroughness(nm)不同清洗（腐蝕）方法與表面粗糙度2024-05-04341Surfaceroughness(nm)Ebd(MV/cm)表面粗糙度降低了擊穿場強(qiáng)2024-05-04351顆粒的產(chǎn)生較難干燥價(jià)格化學(xué)廢物的處理和先進(jìn)集成工藝的不相容濕法清洗的問題（2）2024-05-04361干法清洗工藝氣相化學(xué)，通常需激活能在低溫下加強(qiáng)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(duì)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2024-05-04371其它方法舉例2024-05-04381其他去除污染物的方法之吸雜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、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）PSG=PhosphosilicateGlass磷硅酸鹽玻璃2024-05-04391硅中深能級(jí)雜質(zhì)（SRH中心）擴(kuò)散系數(shù)大容易被各種機(jī)械缺陷和化學(xué)陷阱區(qū)域俘獲2024-05-04401吸雜三步驟：雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可動(dòng)原子雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散到吸雜中心雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲2024-05-04411高擴(kuò)散系數(shù)＋間隙擴(kuò)散方式＋聚集并占據(jù)非理想缺陷（陷阱）位置深能級(jí)金屬離子的吸雜：2024-05-04421Aus＋I(xiàn)AuI踢出機(jī)制Aus

AuI＋V分離機(jī)制引入大量的硅間隙原子，可以使金Au和鉑Pt等替位雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙雜質(zhì)，擴(kuò)散速度可以大大提高。方法高濃度磷擴(kuò)散離子注入損傷SiO2的凝結(jié)析出激活

可動(dòng)，增加擴(kuò)散速度。替位原子

間隙原子2024-05-04431PSG——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，堿金屬離子即可擴(kuò)散進(jìn)入PSG超凈工藝＋Si3N4鈍化保護(hù)——抵擋堿金屬離子的進(jìn)入其他金屬離子的吸雜：本征吸雜——使硅表面10－20mm范圍內(nèi)氧原子擴(kuò)散到體硅內(nèi)，而硅表面的氧原子濃度降低至10ppm以下。利用體硅中的SiO2的凝結(jié)成為吸雜中心。非本征吸雜——利用在硅片背面形成損傷或生長一層多晶硅，制造缺陷成為吸雜中心。在器件制作過程中的一些高溫處理步驟，吸雜自動(dòng)完成。堿金屬離子的吸雜：2024-05-04441本征吸雜工藝更易控制造成的損傷范圍大距有源區(qū)更近缺陷熱穩(wěn)定性好方法：外延或熱循環(huán)處理外擴(kuò)散凝結(jié)成核沉淀析出2024-05-04451bipolar2024-05-04461凈化的三個(gè)層次：環(huán)境、硅片清洗、吸雜本節(jié)課主要內(nèi)容小結(jié)1凈化級(jí)別高效凈化凈化的必要性器件：少子壽命

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