半導(dǎo)體制造工藝_02硅的實(shí)驗(yàn)室處理工藝

1、半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗1三道防線三道防線:環(huán)境凈化（環(huán)境凈化（clean room）硅片清洗（硅片清洗（wafer cleaning）吸雜（吸雜（gettering）半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗21、空氣凈化、空氣凈化From Intel Museum半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗3凈化級(jí)別：每立方英尺空氣中含有尺度大于凈化級(jí)別：每立方英尺空氣中含有尺度大于0.5m mm的粒子的粒子總數(shù)不超過(guò)總數(shù)不超過(guò)X個(gè)。個(gè)。0.5um半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室

2、凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗4半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗5高效過(guò)濾高效過(guò)濾排氣除塵排氣除塵超細(xì)玻璃纖超細(xì)玻璃纖維構(gòu)成的多維構(gòu)成的多孔過(guò)濾膜：孔過(guò)濾膜：過(guò)濾大顆粒，過(guò)濾大顆粒，靜電吸附小靜電吸附小顆粒顆粒泵循環(huán)系統(tǒng)泵循環(huán)系統(tǒng)2022 C4046RH半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗6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(guò)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(lái)源于硅芯片上的顆粒污染。例例1. 一

3、集成電路廠一集成電路廠 產(chǎn)量產(chǎn)量1000片片/周周100芯片芯片/片，芯片，芯片價(jià)格為片價(jià)格為$50/芯片，如果產(chǎn)率為芯片，如果產(chǎn)率為50，則正好保本。若，則正好保本。若要年贏利要年贏利$10,000,000，產(chǎn)率增加需要為，產(chǎn)率增加需要為%8 . 35250$1001000101$7產(chǎn)率提高產(chǎn)率提高3.8%，將帶來(lái)年利潤(rùn)，將帶來(lái)年利潤(rùn)1千萬(wàn)美元！千萬(wàn)美元！年開支年開支=年產(chǎn)能年產(chǎn)能為為1億億3千萬(wàn)千萬(wàn)100010052$5050%=$130,000,000半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗7Contaminants may consist of part

4、icles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions.半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗8外來(lái)雜質(zhì)的危害性外來(lái)雜質(zhì)的危害性例例2. MOS閾值電壓受堿金屬離子的影響閾值電壓受堿金屬離子的影響oxMoxfAsfFBthCqQCqNVV)2(22當(dāng)當(dāng)tox10 nm，QM6.51011 cm-2（ 10 ppm)時(shí)，時(shí)，D DVth0.1 V例例3. MOS DRAM的刷新時(shí)間對(duì)重金屬離子含量的刷新時(shí)間對(duì)重金屬離子含量Nt的要求的要求 1015 cm2，vth=107 cm/s若要求若要

5、求 G100 m ms，則，則Nt 1012 cm-3 =0.02 ppb !tthGNv1半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗9顆粒粘附顆粒粘附所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。顆粒來(lái)源：顆粒來(lái)源：空氣空氣人體人體設(shè)備設(shè)備化學(xué)品化學(xué)品超級(jí)凈化空氣超級(jí)凈化空氣風(fēng)淋吹掃、防護(hù)服、面罩、風(fēng)淋吹掃、防護(hù)服、面罩、手套等，機(jī)器手手套等，機(jī)器手/人人特殊設(shè)計(jì)及材料特殊設(shè)計(jì)及材料定期清洗定期清洗超純化學(xué)品超純化學(xué)品去離子水去離子水半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗10各種可能落在芯片表面的顆粒各種可

6、能落在芯片表面的顆粒半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗11v粒子附著的機(jī)理：靜電力，范德華力，化學(xué)鍵等v去除的機(jī)理有四種： 1氧化分解 2溶解 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：SC-1, megasonic（超聲清洗）半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗12金屬的玷污來(lái)源：化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工來(lái)源：化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工藝藝v量級(jí)：量級(jí)：1010原子原子/cm2影響：影響：在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降增加增

7、加p-n結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗13不同工藝過(guò)程引入的金屬污染不同工藝過(guò)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)Fe Ni Cu半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗14金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機(jī)理 通過(guò)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 M Mz+ + z e-去除溶液：SC-

8、1, SC-2（H2O2：強(qiáng)氧化劑）還原氧化半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗15有機(jī)物的玷污有機(jī)物的玷污來(lái)源：來(lái)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)氧化去除方法：強(qiáng)氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入純水半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗16自然氧化層（Native Oxide） 在空氣、水中迅速生長(zhǎng) 帶來(lái)的問(wèn)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(zhǎng)金屬硅化物 清洗工藝：HFH2O（ca. 1: 50）半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化

9、及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗172、硅片清洗、硅片清洗有機(jī)物有機(jī)物/光刻光刻膠的兩種清膠的兩種清除方法：除方法：氧等離子體干法刻蝕：把光刻膠分解氧等離子體干法刻蝕：把光刻膠分解為氣態(tài)為氣態(tài)CO2H2O（適用于大多數(shù)高分子膜）（適用于大多數(shù)高分子膜）注意：高溫工藝過(guò)程會(huì)使污染物擴(kuò)散進(jìn)入硅片或薄膜注意：高溫工藝過(guò)程會(huì)使污染物擴(kuò)散進(jìn)入硅片或薄膜前端工藝（前端工藝（FEOL）的清洗尤為重要）的清洗尤為重要SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1把光刻膠分解為把光刻膠分解為CO2H2O（適合于幾乎所有有機(jī)物）（適合于幾乎所有有機(jī)物）

10、半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗18SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7 7080 C, 10min 堿性（堿性（pH值值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)清洗標(biāo)準(zhǔn)清洗OHOHOHOHOHOHRCA clean is “standard process” used to remove organics, heavy metals and alkali ions.半導(dǎo)體制

11、造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗19SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080 C, 10min 酸性（酸性（pH值值7）可以將堿金屬離子及可以將堿金屬離子及Al3、Fe3和和Mg2在在SC-1溶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與超聲波振動(dòng)共同作用，可以有更好的去顆粒作用2050kHz 或或 1MHz左右。左右。平行于硅片表面的聲壓波

12、使粒子浸潤(rùn)，然后溶液擴(kuò)散入界面，最后粒子完全浸潤(rùn)，并成為懸浮的自由粒子。半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗20機(jī)器人自動(dòng)清洗機(jī)機(jī)器人自動(dòng)清洗機(jī)半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗21清洗容器和載體清洗容器和載體SC1/SPM/SC2 石英（ Quartz ）或 Teflon容器HF 優(yōu)先使用Teflon，其他無(wú)色塑料容器也行。硅片的載體 只能用Teflon 或石英片架半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗22清洗設(shè)備清洗設(shè)備超聲清洗超聲清洗噴霧清洗噴霧清洗半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章

13、實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗23洗刷器洗刷器半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗24對(duì)硅造成表面腐蝕對(duì)硅造成表面腐蝕較難干燥較難干燥價(jià)格價(jià)格化學(xué)廢物的處理化學(xué)廢物的處理和先進(jìn)集成工藝的不相容和先進(jìn)集成工藝的不相容濕法清洗的問(wèn)題濕法清洗的問(wèn)題半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗25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(lái)自于等離子體，離子束，短波長(zhǎng)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HFH2O氣相清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2Ar等離子清洗熱清洗半導(dǎo)

14、體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗26其它方法舉例其它方法舉例半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗273、吸雜、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。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）背面（非本征吸雜）半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈

15、化及硅片清洗28硅中深能級(jí)雜質(zhì)（硅中深能級(jí)雜質(zhì)（SRH中心）中心）擴(kuò)散系數(shù)大擴(kuò)散系數(shù)大容易被各種機(jī)械缺陷和化學(xué)陷阱區(qū)域俘獲容易被各種機(jī)械缺陷和化學(xué)陷阱區(qū)域俘獲半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗29吸雜三步驟：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?cái)U(kuò)散到吸雜中心雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗30AusI AuI 踢出機(jī)制踢出機(jī)制Aus AuI V 分離機(jī)制分離機(jī)制引入大量的硅間隙原子，可以使

16、金引入大量的硅間隙原子，可以使金Au和鉑和鉑Pt等替位等替位雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙雜質(zhì)，擴(kuò)散速度可以大大提高。雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙雜質(zhì)，擴(kuò)散速度可以大大提高。方法方法高濃度磷擴(kuò)散高濃度磷擴(kuò)散離子注入損傷離子注入損傷SiO2的凝結(jié)析出的凝結(jié)析出激活激活 可動(dòng)，增加擴(kuò)散速度。替位原子可動(dòng)，增加擴(kuò)散速度。替位原子 間隙原子間隙原子半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗31堿金屬離子的吸雜：堿金屬離子的吸雜：PSG可以束縛堿金屬離子成為穩(wěn)定的化合物可以束縛堿金屬離子成為穩(wěn)定的化合物 超過(guò)室溫的條件下，堿金屬離子即可擴(kuò)散進(jìn)入超過(guò)室溫的條件下，堿金屬離子即可擴(kuò)散進(jìn)入PSG超凈工藝超凈工

17、藝Si3N4鈍化保護(hù)鈍化保護(hù)抵擋堿金屬離子的進(jìn)入抵擋堿金屬離子的進(jìn)入其他金屬離子的吸雜：其他金屬離子的吸雜：本征吸雜本征吸雜 使硅表面使硅表面1020m mm范圍內(nèi)氧原子擴(kuò)散到體硅范圍內(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內(nèi)，而硅表面的氧原子濃度降低至10ppm以下。利用體硅中的以下。利用體硅中的SiO2的凝結(jié)成為吸雜中心。的凝結(jié)成為吸雜中心。非本征吸雜非本征吸雜利用在硅片背面形成損傷或生長(zhǎng)一層多晶硅，利用在硅片背面形成損傷或生長(zhǎng)一層多晶硅，制造缺陷成為吸雜中心。在器件制作過(guò)程中的一些高溫處理制造缺陷成為吸雜中心。在器件制作過(guò)程中的一些高溫處理步驟，吸雜自動(dòng)完成。步驟，吸雜自動(dòng)完成。

18、半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗32bipolar半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗33凈化的三個(gè)層次：環(huán)境、硅片清洗、吸雜凈化的三個(gè)層次：環(huán)境、硅片清洗、吸雜本節(jié)課主要內(nèi)容本節(jié)課主要內(nèi)容凈化級(jí)別凈化級(jí)別高效凈化高效凈化凈化的必要性凈化的必要性器件：少子壽命器件：少子壽命 ，VT改變，改變，Ion Ioff ，柵擊穿電壓，柵擊穿電壓 ，可靠性，可靠性 電路：產(chǎn)率電路：產(chǎn)率 ，電路性能，電路性能 The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.雜質(zhì)種類：顆粒、有機(jī)雜質(zhì)種類：顆粒、有機(jī)物、金屬、天然氧化層物、金屬、天然氧化層強(qiáng)氧化強(qiáng)氧化天然氧化層天然氧化層HF:DI H2O本征吸雜和非本本征吸雜和非本征吸雜征吸雜半導(dǎo)體制造工藝原理第二章第二章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗34本節(jié)課主要內(nèi)容本節(jié)課主要內(nèi)容硅片清洗硅片清洗濕法清洗：濕法清洗：Piranha，RCA（SC1，SC2），），HF:H2O干法清洗：氣相化學(xué)干法清洗：氣相化學(xué)吸