學(xué)習(xí)-微電子工藝學(xué)課件

緒現(xiàn)代CMOS工藝晶體生長與襯加工環(huán)境與基光擴散摻離子注入摻薄膜淀刻第十一后段工藝與集1概環(huán)境凈硅吸測量方2概 不對污染進行有效控制，微電子制造就是句空隨著器件尺寸縮小，污染控制的重要性不斷增12%

柵氧化層完整

百??間??3成品率（Yield

硅片上好的硅片上總

百分假如70％假如制造廠總收入是5億多出1.4％的，或是：增加700萬的收益成品率每百分之一的提升都有巨大4影響 器件總成品=系統(tǒng)分量和隨機分量的乘積（YtotalYsystematic=工藝各步驟成品率的乘積（Ytotal系統(tǒng)問題:工藝錯誤、設(shè)備故障、工藝能力局計錯誤等隨機問題：保護膜上的針孔、顆粒在硅片上的粘附、金屬線5器件=工藝各步驟成品率的乘積（Ytotal工藝工藝步驟數(shù)：4GDRAM，500步工藝99Ytotal<每步99.99Ytotal硅片直徑：14.5%不完整（Φ

.. ..........尺寸 尺 成品率

例英寸硅片，缺陷密度加工10mm10mm，可加工數(shù)12，其中4個無缺陷，成品率33％；

. .. .加工5mm5mm，可加工數(shù)57，其中41個無缺陷，成品率72％；

.

... ...61

成品less(ex.less(ex.NegativeBinomial(C=ITRSNegativeBinomial(C=D=1cm-ODefectsarerandomandindependentPredictstoolowYieldsdependondefects(D)densityandchipsize(A)

Y1eAD1eADChip墨Chip

Y

1eSeed模型Y1e因因

ChipArea

2致命缺陷（killerdefect）

金屬缺膜缺膜4~87缺陷ChipChip

面積已知，可計算出不成品率所要 的缺陷密度 面積10cm2，成品率ln1 D Y 硅片上致命缺陷只允許有2個！8缺陷缺陷：問題、制造環(huán)境中的污染物都是缺陷的來源。污染物：制造過程中引入硅片成品率及電學(xué)性能的不希望存在的

金屬離Lifetime

等 9微微粒污染是成品率損失的較大印12印1230100重力最關(guān)心顆粒尺寸：10nm~0.03m的微粒將會損害0.3mVLSIFabs：750.1~0.3μm甚至更小顆粒也會導(dǎo)致失效（eg.，柵氧化層針孔）dpdp最小工藝特征尺寸>dp的顆粒數(shù)目極小顆粒的影響也不為ProbabilityofParticleCausingYieldLoss

Particlesoffeaturesizecause0.1~0.3

ParticleNaNa首要控制目標(biāo)（1010atoms/cm2）Fe,Cu,Ni,Na,Fe,Cu,Ni,Na,K,極少量電性污染物也在器件中移動造成失每10億單位中金屬雜質(zhì)每10億單位中金屬雜質(zhì)IronCopperNickelLead金屬離子的來源：化學(xué)溶液、各制造工序化學(xué) 水汽氧化9

Log

某光刻膠去除劑金屬雜質(zhì)含 附著在硅片上的途徑（很難消除硅片層內(nèi)

例1.MOS閾值電壓受金屬離子2sqNA(2f 形成界面缺陷，影響器件能，成

VthVFB2f

閾值電壓改漏電流增加，少 減

tox＝10nm，QM＝6.5×1011cm-（10ppm）時，Vth＝0.1V

柵氧化層Na+,面密度金屬例2MOSDRAM的刷新時Nt的要漏--襯底PN漏--襯底PN結(jié)反電放電周期性刷 電荷（t~write,G1vth少 >25＝10－15cm2，vth=107cm/s，若G＝100sNt1012cm-30.02ppb

深能級陷阱Fe,Auetc.）趨于積累在SiPN結(jié)區(qū)域化學(xué)來源：化學(xué)試劑和水、環(huán)境中的化學(xué)蒸汽以及容器等危害：細來源：在水的系統(tǒng)中或不定期的表面生成的有機物危害：離子。靜電

ns1A靜電荷在兩物體間控制地傳遞，可能損 中性三三個層次的方法環(huán)境凈化（clean硅吸雜如何控制污染、降成就，都將成為浮云環(huán)境：微電子產(chǎn)品在加工過程中接觸的除單晶材料、能源及加工技術(shù)之外的一切物質(zhì)，加工人員等。在高于在高于ISO2級潔凈操作者本人引起的污潔凈室引起的污品接觸的物質(zhì)都是潛在污染源FactoryenvironmentiscleanedHepafiltersandrecirculationforthe―unnyFiltrationofchemicalsandHighefficiencyparticulateair 一、空普通空氣中含有許多污染物，必空氣潔凈度：潔凈環(huán)境中空氣含懸浮粒子量的多少程度,米空氣中的最大允許粒子數(shù)潔凈度等級：a.以單位體積空氣中大于等于規(guī)定粒徑的粒b.以單位體積空氣中大于等于規(guī)定粒徑的粒 D式中：Cn－空氣含懸浮粒子最大允許濃度N－分級序數(shù)，90.1；D－被考慮粒徑，m 基于≥0.5um粒徑的各國潔凈度等個14644-120231134245356467C578D68潔凈室及潔凈區(qū)空氣中懸浮粒子潔凈度等GB50073-大于或等于表中粒徑的最大濃度限值122（光刻、制版43（擴散、84（封裝、測試5（單晶6789潔凈室（cleanroom）:器件制造的空間。具有控制的空氣潔凈度，使器制造過程中受到的污染盡局部凈化局部凈化亂流式排放口收集口空氣過濾、驅(qū)趕、收潔凈室（clean1、屋頂：復(fù)雜的封閉式結(jié)構(gòu)，有兩種類型；軋制鋁支架加現(xiàn)場制作的靜壓箱／風(fēng)；2、墻：其表面涂覆陽極化拋光層或環(huán)氧樹脂層。初始投資額較大。3、地板：開孔混凝土＋網(wǎng)格高架地板＋側(cè)回風(fēng)格柵＋ESD級環(huán)氧樹脂涂層。4、空調(diào)：排風(fēng)、新風(fēng)，溫度、濕度64GIC，成品率90％：每400mm64GIC，成品率90％：每400mm0.1m空氣粒子只允許有1個！技術(shù)：已很難進一步滿足制造工藝的“零污染”環(huán)境要成本：高昂的造價和運行費用對成本影響非常Start-upCostsStart-upCostsfor傳統(tǒng)潔凈廠房的投資費用般不少于總投資的二、潔凈室人超凈服對ESD無化學(xué)和生物殘余物的釋放

FromIn硅

―y每分鐘大于每分鐘大于0.3m靜止（坐或站每小時步行2每小時步行3.5公里簡單化妝品、香煙、手帕、衛(wèi)生紙、食品飲料、糖果、木質(zhì)/自動鉛筆或鋼筆、香水、持超凈服閉合硅片技加工過程中使片與廠房環(huán)境和操作人員實行徹底的根降的問題。微環(huán)境系統(tǒng)：與污染源開來

微環(huán)境系統(tǒng)與傳統(tǒng)潔凈室的比境置求級ISO1境置求級高成品高成品工藝三、設(shè)生產(chǎn)設(shè)備是微電子制造過程中最大的顆粒來源。剝落的反應(yīng)副產(chǎn)物積累在腔壁自動機械操作，如旋轉(zhuǎn)手柄和開關(guān)閥真空環(huán)境的抽取和排和解決綜合連續(xù)加工（ISP：IntegratedSequential/組合設(shè)備（Cluster設(shè)備本身控制污超純?nèi)ルx子水（UD/D/U）：低的，要及試配。超純?nèi)ルx子水不允許有的污染物包溶解離子：Na、K有機物質(zhì)：稱為有機碳總量（TOC）。有污對細菌：帶來自然氧化層、多晶硅缺陷。某些含磷細菌能引起不受控硅土：細碎的懸浮顆粒，可能淤200mm工藝線中制造每200mm工藝線中制造每超過2000加侖溶解氧：導(dǎo)致自然氧化層或引全濕潤1英國加侖=4.546升1加侖=3.785升有害雜質(zhì)含量&10-10-于深冷儲罐，通過BGD系統(tǒng)輸/金屬前驅(qū)體等MOS電性雜質(zhì)含量≤10-9自動化化學(xué)品配送（BCD）安全（人＆產(chǎn)品）、純度（靜態(tài)的＆經(jīng)過濾的）、可重復(fù)性、費用（材料＆人工，廢物處理典型氨氣l擴散，氟里昂g氟里昂l氪／氖g溴化氫l三氟化氮g一氧化二氮g硅烷g六氟化鎢腐蝕，lLPCVD材料及化學(xué)品材料及化學(xué)品清H2SO4/H2O2,洗H2SO4/H2O2,光刻膠（G線、I線、深紫外刻蝕HF,HF/NH4N(BHF)Si，非晶硅H3PO4/HNO3/CH3COOHTEOS,TMPI,TMB,TDEAT,TAETO,DMAH,TDMAT,Ba1-xSrxO3Cu、Al、Ti的前驅(qū)體SiO2Slurry,PUPad,carrierAl2O3Slurry,PUPad,carrier微電硅由于不佳引起的器件失已超過總損失的一半多達30%的步驟為硅片

Residualcontaminants,layerskineticsofSurfaceeffectsareveryimportant(MORE)inscaleddowndevices.如如最重要、最嚴(yán)謹硅 的目

前端工藝（FEOL） 尤為重清除此外 過程中造成的硅片表面化學(xué)態(tài)、氧化膜厚度、表粗糙度等也是同樣重要的參數(shù)金屬線橋接；針孔；可靠性容器、油漆涂料揮發(fā)氧化物濕法化學(xué)&干法化學(xué)&物理 大部分微粒通過在濕法化學(xué)過程中增加超聲波或兆頻超聲波震蕩去除有機物（如光刻膠殘留）通過O2等離子體或H2SO4/H2O2金屬和剩余有機物通常由“RCA”去除

過程中可過程中可能涉及的氧化-還原原電池中電流為0Si2H2OSiO24HMMzze 一、濕法化學(xué)技去除顆粒、金屬等污，同溶去除顆粒、金屬等污，同溶氧化去除表有機 遮蓋部分表面，使氧化

RCASPM（H2SO4/H2O2，120~150℃）：高氧化能力，去除重機沾污（尤其是光刻膠）和部分金HF（DHF，20~25℃）：去除自然氧化膜，附著其上的金（Al、Fe、Zn、Ni等）溶解于液APM（SC1，NH4OH/H2O2/H2O，30~80℃）：用于去除粒和HPM（SC2，HCl/H2O2/H2O，65~85℃）：去除硅片表面&溶解SC1：堿性（pH&溶解并再氧化可以去除顆NH4OHSC2酸性（pH值可以將堿金屬離子及Al3、Fe3和Mg2在SC1溶液中形成的不溶物反可以進一步去除殘留的重金屬污染（如

濕法的問較難價廢水與先進集成工藝不相16MB16MBDRAM一個4in硅片需4.5103kg純水10kg濕法化學(xué)工藝的發(fā)擴散應(yīng)用程 柵級氧化化學(xué)方式：供酸、換酸系 自動化控（chemicalsupply早期

自動化濕法化學(xué)（wetchemical未來的濕法化學(xué)工藝將求盡在溫條件反以3為氧化劑）達到想的效達環(huán)硅和經(jīng)濟效益的需求。二、干法技須避免對硅片的損傷

蒸

HF／H2O前紫外臭氧法前后H2／Ar等離后熱一般情況下，片在法學(xué)后用干法去除表面碳氫化合物等有機雜質(zhì)及自然氧化三、物理技物理：原，。常用方法：刷、超聲波蕩高噴、壓體洗主要設(shè)備：刷洗機冷凍噴霧（cryogenicaerosol物理技術(shù)主要應(yīng)用于去DNS公司生四、未來 技 龐大、復(fù)雜且昂貴 設(shè)化學(xué)品、超純水等造成 成 光廢水廢氣對環(huán)境的污目前無污染的集 技術(shù)是非常明確的目標(biāo)設(shè)備簡結(jié)高純度、低雜質(zhì)、無污工藝快速、簡潔 程

光子

工藝技吸子被吸雜到介質(zhì)、（鈍化層），如、（非本征吸雜）

移動性強：對器件危害大&易引堿/硅中深能級雜質(zhì)（SRH中心解決辦法：P百分比（<堿堿金PSG束縛堿金屬離子成為穩(wěn)定的化合物，避免其由外部穿越進入柵氧超凈工藝Si3N4頂層鈍化保護—阻擋外部堿金屬離子進入其他深能級金屬離子的吸

本征吸雜—先使硅表面10~20m的氧原子濃度降低至10ppm以下。利用體硅中的氧原子析出成為吸雜中心非本征吸雜—在硅片背面制造缺陷成為吸雜中心（砂紙研磨、激光熱熔、離子注入、淀積非晶/多晶硅或高濃度P擴散）。經(jīng)器件制作過程中的一些高溫處理步驟，吸

P,B,As,Al,Ga,Sb,O,Au,Fe,Cu,Ni,Zn,深能級金屬離子的基本特在Si中擴散系數(shù)大（主要填隙方式擴散積極面：易于從有源區(qū)吸消極面：一旦污染迅速擴 Au、Cu、Fe等重金屬原子半徑較大，不易進入晶格向于藏身于各類（遠離有源的）缺陷處本征

~1018cm-3（15~20Oi>20ppm強度，翹曲度&缺陷Oi<10ppm：無析出 denudedzone=denudedzone=oxygenthicknessseveraltensof更靠近有源區(qū)，吸雜效率1-3nm1-3nmsizeof≈1011cm-D0.13exp2.53cm2sec1>>

Slow50-100Slow50-100in

10

沉淀析出沉淀析出8~48SiO2precipitates(whitedots)inbulkof

750C,6~24Temperaturecyclingatthestartofthe 形成SiO2凝結(jié)晶（low晶核長大、沉淀析（high晶核析出物密度越高，尺寸越Thelargest&themostdensethemostefficient基本原理－吸雜釋放，成為可動雜質(zhì)元素擴散雜質(zhì)元素被吸雜中心使金屬原子自由移所有AuSI 踢出（AuSI 踢出（kick-out）Aus 思路：→硅間隙原子濃度，硅間隙原子濃度，吸雜；空位濃度，吸雜MI<<MS(Au,方法：高濃度磷擴散、離子注入損傷&SiO2方法：高濃度磷擴散、離子注入損傷&SiO2ExceptofTi,Mo,etc.50Si-IAuiAui的擴散速度

金屬原子濃度急背面向內(nèi)部推移Long

Back

AuS+IBack

AudiffusestothewaferbacksideandistrappedSilvacoSSUPSEM-

DMetals>>DSi-I>>速率限制因素：Si-I在背面產(chǎn)生并向內(nèi)擴散Aui形成、擴散&獲AthighTSi-I濃度需背面額外提供，吸雜更TrappedTrappedby:ionimplantation,Pdiffusion,laserdamage,poly-Simechanicaldamage,,But 處理技術(shù)不同，吸雜機理不同物理損傷－金屬原子獲在缺陷中心附近，低溫捕獲高溫掙脫，束縛百分比1K1exp(Eg/kT)TEg，束縛百分比。分凝模型－固溶度 分凝k0=(CAu,G+CAu,Si)/CAu,Si=1+K2expEA1EA2)/kT]P givesfractionofAuboundingetteredNG（提高P濃度）、T，捕獲效果最佳（變化特性與物理損傷相同其它金屬原子在重摻雜硅中固溶度增大（“n‖Au=acceptor,―‖[Au-]/[Au]n=[Au-]/[Au]nor[Au-]/[Au-]= Auacceptorin―+‖Si(100ifni(1000C)=7.1410181021cm-3do離子對模型－ less庫侖力模型Au+PAu-與點Vin―+‖Aui+V-Ausatthetrapepd平衡應(yīng)力－沉淀析出周圍形成的位錯和SF成為捕獲中心，位錯可能周圍區(qū)域帶來張應(yīng)力和壓應(yīng)力捕獲測量環(huán)境環(huán)境=！1μm&激光掃描系統(tǒng)≈0.2μm，散射微粒分布圖（withinseveralsec.） knowngoodreference將光學(xué)掃描系統(tǒng)圖像與“確認完好的參考圖像（相鄰圖像、圖像處理和圖形識別軟件甄別缺陷（SEM）效率測試結(jié)構(gòu)監(jiān)測缺陷密度，浪費面積新技術(shù)開發(fā)而非量產(chǎn)階各種缺陷/陷阱捕獲參與導(dǎo)電的電子/空穴，引起電荷積累效應(yīng)，造成異常擊穿每各種缺陷/陷阱捕獲參與導(dǎo)電的電子/空穴，引起電荷積累效應(yīng)，造成異常擊穿進入前顆粒

絕緣介質(zhì)層缺陷的電學(xué)測微粒QTVTHtttt2sqNA(2fVthVFB2f

膜層

H2OH++水－測量電阻率→去離子水（DeionizedWater）R=18.5ρ= MonitoringtheWaferCleaningEfficiency后雜質(zhì)、污染物濃析技術(shù)測量和表

X-電子能譜

workswithX-ray電子頻電子微探針

X-熒

He+1~3

O+orCs+激發(fā)（表面原子識別（特征譜信息濃度計

and入入發(fā)e，X-ray，(AES,較好的深度分辨率和表面分析靈敏度（靠近表面X-rayXES,XRF)較差的深度分辨率和表面分析靈敏度（較深處發(fā)射ions(ions(探測靈敏度最高，極好的深度分辨率（濺射，破壞性較好的深度分辨率和可接受的靈敏度0.1atomic(asin

AugerEl.，重元素AugerEl.，重元素X-Ray

與靶電子非彈性碰撞,使之發(fā)射出來

X-RayX-rayX-RayX-ray光電子頻譜（XPS）X-ray發(fā)射=X-ray熒光（XRF）XPS通常對輕元素占優(yōu),XRF則相反。攜帶特定能級