第三章半導(dǎo)體制造中化學(xué)品

1、 半導(dǎo)體制造在很大程度上是一種與化學(xué)有關(guān)的工半導(dǎo)體制造在很大程度上是一種與化學(xué)有關(guān)的工藝過程。高達(dá)藝過程。高達(dá)20%工藝步驟是清洗和晶圓表面的工藝步驟是清洗和晶圓表面的處理。處理。 半導(dǎo)體工廠消耗大量的酸、堿、溶劑和水，為達(dá)半導(dǎo)體工廠消耗大量的酸、堿、溶劑和水，為達(dá)到精確和潔凈的工藝，部分成本是由于化學(xué)品需到精確和潔凈的工藝，部分成本是由于化學(xué)品需要非常高的純度和特殊反應(yīng)機(jī)理。要非常高的純度和特殊反應(yīng)機(jī)理。 在硅片制造中使用的化學(xué)材料被稱為工藝用化學(xué)在硅片制造中使用的化學(xué)材料被稱為工藝用化學(xué)品，有不同種類的化學(xué)形態(tài)并且要嚴(yán)格控制純度。品，有不同種類的化學(xué)形態(tài)并且要嚴(yán)格控制純度。3.1物質(zhì)形態(tài)物

2、質(zhì)形態(tài)三種基本形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種基本形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)固體有其自己固定的形狀，不會隨容器的形固體有其自己固定的形狀，不會隨容器的形狀而改變。狀而改變。液體會填充容器的相當(dāng)于液體體積大小的區(qū)液體會填充容器的相當(dāng)于液體體積大小的區(qū)域，并會形成表面。域，并會形成表面。氣體會填充整個容器，不會形成表面。氣體會填充整個容器，不會形成表面。 活性氣體如氫氣和氧氣，容易與其他氣體或元素活性氣體如氫氣和氧氣，容易與其他氣體或元素反應(yīng)形成穩(wěn)定的化合物。反應(yīng)形成穩(wěn)定的化合物。 惰性氣體如氦氣和氬氣，很難形成化合物，不與惰性氣體如氦氣和氬氣，很難形成化合物，不與其他化學(xué)材料反應(yīng)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造業(yè)。

3、其他化學(xué)材料反應(yīng)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造業(yè)。等離子體：第四種形態(tài)，當(dāng)有高能電離的原等離子體：第四種形態(tài)，當(dāng)有高能電離的原子或分子的聚集體存在時就會出現(xiàn)等離子體。子或分子的聚集體存在時就會出現(xiàn)等離子體。將一定的氣體暴露在高能電場中就能誘發(fā)等將一定的氣體暴露在高能電場中就能誘發(fā)等離子體。離子體。3.2材料的屬性材料的屬性通過研究材料的屬性，了解如何在半導(dǎo)體制造業(yè)中通過研究材料的屬性，了解如何在半導(dǎo)體制造業(yè)中使用它們。使用它們。有兩類：化學(xué)屬性和物理屬性有兩類：化學(xué)屬性和物理屬性物理屬性：指那些通過物質(zhì)本身而不需要與物理屬性：指那些通過物質(zhì)本身而不需要與其他物質(zhì)相互作用而反映出來的性質(zhì)。有熔點(diǎn)、沸其他

4、物質(zhì)相互作用而反映出來的性質(zhì)。有熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、電阻率和密度等點(diǎn)、電阻率和密度等化學(xué)屬性：指通過與其他物質(zhì)相互作用或相互轉(zhuǎn)變化學(xué)屬性：指通過與其他物質(zhì)相互作用或相互轉(zhuǎn)變而反映出來的性質(zhì)。有可燃性、反應(yīng)性和腐蝕性。而反映出來的性質(zhì)。有可燃性、反應(yīng)性和腐蝕性。3.3半導(dǎo)體制造中的化學(xué)屬性半導(dǎo)體制造中的化學(xué)屬性 先進(jìn)的先進(jìn)的IC制造商通常會使用新型材料來改制造商通常會使用新型材料來改善芯片的性能并減小器件的特征尺寸。化善芯片的性能并減小器件的特征尺寸?；瘜W(xué)品的一些屬性對于理解新的半導(dǎo)體工藝學(xué)品的一些屬性對于理解新的半導(dǎo)體工藝材料的存在有很重要的意義。材料的存在有很重要的意義。 屬性有：溫度，密度，壓強(qiáng)和

5、真空，表面屬性有：溫度，密度，壓強(qiáng)和真空，表面張力，冷凝，熱膨脹，蒸氣壓，應(yīng)力，升張力，冷凝，熱膨脹，蒸氣壓，應(yīng)力，升華和凝華華和凝華1.溫度：是比較一個物質(zhì)相對于另一個物質(zhì)溫度：是比較一個物質(zhì)相對于另一個物質(zhì)是熱還是冷的量度標(biāo)準(zhǔn)。是熱還是冷的量度標(biāo)準(zhǔn)。 硅晶圓制造中需要處理很多在高溫下的情硅晶圓制造中需要處理很多在高溫下的情況，比如需要加熱來影響化學(xué)反應(yīng)（如改況，比如需要加熱來影響化學(xué)反應(yīng)（如改變化學(xué)反應(yīng)速度）或者對硅單晶結(jié)構(gòu)退火變化學(xué)反應(yīng)速度）或者對硅單晶結(jié)構(gòu)退火使原子重新排列。使原子重新排列。 存在三種溫標(biāo)：華氏溫標(biāo)（存在三種溫標(biāo)：華氏溫標(biāo)（ ），攝氏溫），攝氏溫標(biāo)（標(biāo)（）和絕對溫標(biāo)或開

6、氏溫標(biāo)（）和絕對溫標(biāo)或開氏溫標(biāo)（K）。）。2.壓強(qiáng)和真空壓強(qiáng)和真空 壓強(qiáng)壓強(qiáng)=壓力壓力/面積，在半導(dǎo)體制造中被廣泛使面積，在半導(dǎo)體制造中被廣泛使用的屬性?；瘜W(xué)品和氣體都是從高壓向低用的屬性?；瘜W(xué)品和氣體都是從高壓向低壓區(qū)域流動的。壓區(qū)域流動的。 真空，一般來說，壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓就真空，一般來說，壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓就認(rèn)為是真空。真空條件用壓力單位來衡量。認(rèn)為是真空。真空條件用壓力單位來衡量。 蒸發(fā)和濺射都工作在真空環(huán)境。蒸發(fā)和濺射都工作在真空環(huán)境。3.冷凝和汽化冷凝和汽化 冷凝：氣體變成液體的過程被稱作冷凝冷凝：氣體變成液體的過程被稱作冷凝 汽化：從液體變成氣體的相反過程叫做汽汽化：從液體變成

7、氣體的相反過程叫做汽化化 吸收：氣體或液體進(jìn)入其他材料的主要方吸收：氣體或液體進(jìn)入其他材料的主要方式式 吸附：氣體或液體被束縛在固體表面，被吸附：氣體或液體被束縛在固體表面，被吸附的分子通過化學(xué)束縛或者物理吸引這吸附的分子通過化學(xué)束縛或者物理吸引這樣的弱束縛黏在物體表面樣的弱束縛黏在物體表面4.蒸汽壓蒸汽壓在密閉容器中氣體分子施加的壓力，汽化和在密閉容器中氣體分子施加的壓力，汽化和冷凝的速率處于動態(tài)平衡。冷凝的速率處于動態(tài)平衡。5.升華和凝華升華和凝華升華：固體直接變成氣體的過程。升華：固體直接變成氣體的過程。凝華：氣體直接變成固體的過程凝華：氣體直接變成固體的過程6.表面張力表面張力:當(dāng)一滴

8、液體在一個平面上，液滴當(dāng)一滴液體在一個平面上，液滴存在著一個接觸表面積，液滴的表面張力存在著一個接觸表面積，液滴的表面張力是增加接觸表面積所需的能量。隨著表面是增加接觸表面積所需的能量。隨著表面積的增加，液體分子必須打破分子間的引積的增加，液體分子必須打破分子間的引力，從液體內(nèi)部運(yùn)動到液體的表面，因此力，從液體內(nèi)部運(yùn)動到液體的表面，因此需要能量。需要能量。 在半導(dǎo)體中這個概念用來衡量液體均勻涂在半導(dǎo)體中這個概念用來衡量液體均勻涂在晶圓表面的粘附能力。在晶圓表面的粘附能力。7.熱膨脹：當(dāng)一個物體被加熱時，由于原子熱膨脹：當(dāng)一個物體被加熱時，由于原子振動加劇，它的體積就會發(fā)生膨脹。振動加劇，它的體

9、積就會發(fā)生膨脹。 衡量材料熱膨脹大小的參數(shù)是熱膨脹系數(shù)。衡量材料熱膨脹大小的參數(shù)是熱膨脹系數(shù)。非晶材料的熱膨脹是各向同性的，而所有非晶材料的熱膨脹是各向同性的，而所有晶體材料，比如單晶，熱膨脹是各向異性晶體材料，比如單晶，熱膨脹是各向異性的。的。8.應(yīng)力：當(dāng)一個物體受到外力作用時，就會應(yīng)力：當(dāng)一個物體受到外力作用時，就會產(chǎn)生應(yīng)力。產(chǎn)生應(yīng)力。 在晶圓中有多種原因可導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生。在晶圓中有多種原因可導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生。 硅片表面的物理損傷硅片表面的物理損傷 位錯，多余的空隙和雜質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)力位錯，多余的空隙和雜質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)力 外界材料生長外界材料生長 如果兩個熱膨脹系數(shù)相差很大的物體結(jié)合在如果兩個熱膨脹

10、系數(shù)相差很大的物體結(jié)合在一起，然后加熱，由于兩種材料以不同的一起，然后加熱，由于兩種材料以不同的速率膨脹導(dǎo)致它們彼此推拉，產(chǎn)生應(yīng)力。速率膨脹導(dǎo)致它們彼此推拉，產(chǎn)生應(yīng)力。會使硅片彎曲，在半導(dǎo)體制造過程中，非會使硅片彎曲，在半導(dǎo)體制造過程中，非常重視這種應(yīng)力。確保材料的最小應(yīng)力可常重視這種應(yīng)力。確保材料的最小應(yīng)力可以改善芯片的可靠性。以改善芯片的可靠性。3.4化學(xué)品在半導(dǎo)體制造中的狀態(tài)化學(xué)品在半導(dǎo)體制造中的狀態(tài)三種狀態(tài)：液態(tài)，固態(tài)和氣態(tài)。三種狀態(tài)：液態(tài)，固態(tài)和氣態(tài)。用途有：用途有：用濕法化學(xué)溶液和超凈的水清洗硅片用濕法化學(xué)溶液和超凈的水清洗硅片 表面表面用高能離子對硅片進(jìn)行摻雜得到用高能離子對硅片

11、進(jìn)行摻雜得到P型或型或N型硅型硅淀積不同的金屬導(dǎo)體層以及導(dǎo)體層之間的介淀積不同的金屬導(dǎo)體層以及導(dǎo)體層之間的介 質(zhì)層質(zhì)層生長薄的二氧化硅層作為生長薄的二氧化硅層作為MOS器件的柵極介質(zhì)材器件的柵極介質(zhì)材料料用等離子體增強(qiáng)刻蝕或濕法試劑有選擇的去除材用等離子體增強(qiáng)刻蝕或濕法試劑有選擇的去除材料并在薄膜上形成所需的圖形料并在薄膜上形成所需的圖形1、液體、液體 在半導(dǎo)體制造的濕法工藝步驟中使用了許在半導(dǎo)體制造的濕法工藝步驟中使用了許多種液體。在硅片加工廠減少使用化學(xué)品多種液體。在硅片加工廠減少使用化學(xué)品是長期的努力。許多液體化學(xué)品都是非常是長期的努力。許多液體化學(xué)品都是非常危險(xiǎn)，需要特殊處理和銷毀手段

12、。另外，危險(xiǎn)，需要特殊處理和銷毀手段。另外，化學(xué)品的殘余不僅會沾污硅片，還會產(chǎn)生化學(xué)品的殘余不僅會沾污硅片，還會產(chǎn)生蒸氣通過空氣擴(kuò)散后沉淀在硅片表面。蒸氣通過空氣擴(kuò)散后沉淀在硅片表面。 在硅片加工廠液態(tài)工藝用化學(xué)品主要有以在硅片加工廠液態(tài)工藝用化學(xué)品主要有以下幾類：酸、堿、溶劑下幾類：酸、堿、溶劑酸酸 以下是一些在硅片加工中常用的酸及其用以下是一些在硅片加工中常用的酸及其用途：途： a.HF 刻蝕二氧化硅及清洗石英器皿刻蝕二氧化硅及清洗石英器皿 b.HCL 濕法清洗化學(xué)品，濕法清洗化學(xué)品，2號標(biāo)準(zhǔn)液一部分號標(biāo)準(zhǔn)液一部分c.H2SO4 清洗硅片清洗硅片d.H3PO4 刻蝕氮化硅刻蝕氮化硅e.HN

13、O3 刻蝕刻蝕PSG堿堿在半導(dǎo)體制造中通常使用的堿性物質(zhì)在半導(dǎo)體制造中通常使用的堿性物質(zhì)a.NaOH 濕法刻蝕濕法刻蝕b.NH4OH 清洗劑清洗劑c.KOH 正性光刻膠顯影劑正性光刻膠顯影劑d.TMAH（氫氧化四甲基銨）（氫氧化四甲基銨） 同上同上溶劑：是一種能夠溶解其他物質(zhì)形成溶液的物質(zhì)。溶劑：是一種能夠溶解其他物質(zhì)形成溶液的物質(zhì)。 半導(dǎo)體制造中常用的溶劑：半導(dǎo)體制造中常用的溶劑： a.去離子水去離子水 清洗劑清洗劑 b.異丙醇異丙醇 同上同上 c.三氯乙烯三氯乙烯 同上同上 d.丙酮丙酮 同上同上 e.二甲苯二甲苯 同上同上 去離子水去離子水 它里面沒有任何導(dǎo)電的離子，它里面沒有任何導(dǎo)電的

14、離子，PH值為值為7，是中性的。能夠溶解其他物質(zhì)，包括許多是中性的。能夠溶解其他物質(zhì)，包括許多離子化合物和共價(jià)化合物。通過克服離子離子化合物和共價(jià)化合物。通過克服離子間離子鍵使離子分離，然后包圍離子，最間離子鍵使離子分離，然后包圍離子，最后擴(kuò)散到液體中。后擴(kuò)散到液體中。2、氣體、氣體 在半導(dǎo)體制造過程中，全部大約在半導(dǎo)體制造過程中，全部大約450道工藝道工藝中大概使用了中大概使用了50種不同種類的氣體。由于種不同種類的氣體。由于不斷有新的材料比如銅金屬互連技術(shù)被引不斷有新的材料比如銅金屬互連技術(shù)被引入到半導(dǎo)體制造過程中，所以氣體的種類入到半導(dǎo)體制造過程中，所以氣體的種類和數(shù)量是不斷發(fā)生變化的。

15、和數(shù)量是不斷發(fā)生變化的。 通常分為兩類：通用氣體和特種氣體通常分為兩類：通用氣體和特種氣體 所有氣體都要求有極高的純度：通用氣體所有氣體都要求有極高的純度：通用氣體控制在控制在7個個9以上的純度；特種氣體則要控以上的純度；特種氣體則要控制在制在4個個9以上的純度。以上的純度。 許多工藝氣體都具有劇毒性、腐蝕性、活許多工藝氣體都具有劇毒性、腐蝕性、活性和自燃。因此，在硅片廠氣體是通過氣性和自燃。因此，在硅片廠氣體是通過氣體配送（體配送（BGD）系統(tǒng)以安全、清潔和精確）系統(tǒng)以安全、清潔和精確的方式輸送到不同的工藝站點(diǎn)。的方式輸送到不同的工藝站點(diǎn)。n通用氣體：對氣體供應(yīng)商來說就是相對簡通用氣體：對氣

16、體供應(yīng)商來說就是相對簡單的氣體。被存放在硅片制造廠外面大型單的氣體。被存放在硅片制造廠外面大型存儲罐里。存儲罐里。 常分為惰性、還原性和氧化性三種氣體。常分為惰性、還原性和氧化性三種氣體。 惰性惰性 N2，Ar，He 還原性還原性 H2 氧化性氧化性 O2n特種氣體：指供應(yīng)量相對較少的氣體。比特種氣體：指供應(yīng)量相對較少的氣體。比通用氣體更危險(xiǎn)，是制造中所必須的材料通用氣體更危險(xiǎn)，是制造中所必須的材料來源。來源。 大多數(shù)是有害的，如大多數(shù)是有害的，如HCL和和CL2具有腐蝕性，具有腐蝕性，硅烷會發(fā)生自燃，砷化氫和磷化氫有毒，硅烷會發(fā)生自燃，砷化氫和磷化氫有毒，WF6具有極高的活性。具有極高的活性。 通常用通常用100磅的金屬容器（鋼瓶）運(yùn)送到硅磅的金屬容器（鋼瓶）運(yùn)送到硅片廠。鋼瓶放在專用的儲藏室內(nèi)。片廠。鋼瓶放在專用的儲藏室內(nèi)。特種氣體的分類：氫化物、氟化物或酸性氣特種氣體的分類：氫化物、氟化物或酸性氣體。體。 常用特種氣體有：常用特種氣體有： 氫化物氫化物 SiH4 氣相淀積工藝的硅源氣相淀積工藝的硅源 AsH3 摻雜的砷源摻雜的砷源 PH3 摻雜的磷源摻雜的磷源 B2