复旦大学微电子工艺 第三讲实验室净化与硅片清洗.ppt

INFO130024.01,,集成电路工艺原理,第三章,实验室净化及硅片清洗,*,集成电路,工艺,原理,,仇志军,,,zjqiu@,,邯郸校区物理楼,435,室,,1,,硅单晶的制备：,,,,掺杂分布：,有效分凝系数,,,衬底制备：,,,晶体缺陷：,,,本节课主要内容,CZ,直拉法,、,,悬浮区熔法,整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工,,点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷,2,,大纲,,（,2,）,第一章 前言,,第二章,晶体生长,,第,三章,实验室净化及硅片清洗,,第四章 光刻,,第五章 热氧化,,第六章 热扩散,,第七章 离子注入,,第八章 薄膜淀积,,第九章 刻蚀,,第十章 后端工艺与集成,,第十一章,未来趋势与挑战,3,,Modern IC factories employ a three tiered approach to controlling unwanted impurities,（,现代,IC,fa,b,s,依赖三道防线来控制沾污,）,4,,三道防线,:,,环境净化（,clean room,）,,硅片清洗（,wafer cleaning,）,,吸杂（,gettering,）,5,,1,、空气净化,From Intel Museum,6,,净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于,0.5,m,m,的粒子总数不超过,X,个。

0.5um,7,,8,,高效过滤,排气除尘,超细玻璃纤维构成的多孔过滤膜：过滤大颗粒，静电吸附小颗粒,泵循环系统,20,～,22,C,,40,～,46,％,RH,9,,由于集成电路內各元件及连线相当微细，因此制造过程中，如果遭到灰尘、金属的污染，很容易造成芯片内电路功能的损坏，形成短路或断路，导致集成电路的失效！在现代的,VLSI,工厂中，,75%,的产品率下降都来源于硅芯片上的颗粒污染例,1.,一集成电路厂 产量＝,1000,片,/,周,×100,芯片,/,片，芯片价格为,$50/,芯片，如果产率为,50,％，则正好保本若要年赢利,$10,000,000,，产率增加需要为,产率提高,3.8%,，将带来年利润,1,千万美元！,年开支,=,年产能,,为,1,亿,3,千万,,1000,×,100×52×$50×50%,,=$130,000,000,10,,Contaminants may consist of particles, organic films (,photoresist,), heavy metals or alkali ions.,11,,外来杂质的危害性,例,2. MOS,阈值电压受碱金属离子的影响,当,t,ox,＝,10 nm,，,Q,M,＝,6.5×10,11,cm,-2,（,,10,ppm,),时，,D,V,th,＝,0.1 V,例,3. MOS DRAM,的刷新时间对重金属离子含量,N,t,的要求,,＝,10,－,15,cm,2,，,v,th,=10,7,cm/s,,若要求,,G,＝,100,m,s,，则,N,t,10,12,cm,-3,,,=0.02 ppb,,!!,12,,颗粒粘附,,,所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。

颗粒来源：,,空气,,人体,,设备,,化学品,超级净化空气,,风淋吹扫、防护服、面罩、手套等，机器手,/,人,,特殊设计及材料,,定期清洗,,超纯化学品,,去离子水,13,,各种可能落在芯片表面的颗粒,14,,粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等,,去除的机理有四种：,,,1,氧化分解,,,2,溶解,,,3,对硅片表面轻微的腐蚀去除,,,4,粒子和硅片表面的电排斥,,去除方法：,SC-1,,megasonic,（超声清洗）,15,,金属的玷污,来源：,化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺,,量级：,10,10,原子,/cm,2,,,,,影响：,,在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降,,增加,p-n,结的漏电流，减少少数载流子的寿命,Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti…,,Na, K, Li…,16,,不同工艺过程引入的金属污染,干法刻蚀,离子注入,去胶,水汽氧化,9,10,11,12,13,Log (concentration/cm,2,),Fe Ni Cu,17,,金属杂质沉淀到硅表面的机理,,通过金属离子和硅表面终端的氢原子之间的电荷交换，和硅结合。

难以去除）,,氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入,,去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子,,,,M,M,z,+,+ z e,-,,,去除溶液：,SC-1, SC-2,（,H,2,O,2,：,强氧化剂）,还原,,氧化,,18,,有机物的玷污,来源：,,,环境中的有机蒸汽,,存储容器,,光刻胶的残留物,,去除方法：强氧化,,－ 臭氧干法,,,－,Piranha,：,H,2,SO,4,-H,2,O,2,,,－ 臭氧注入纯水,19,,自然氧化层（,Native Oxide,）,在空气、水中迅速生长,,带来的问题：,,接触电阻增大,,难实现选择性的,CVD,或外延,,成为金属杂质源,,难以生长金属硅化物,,清洗工艺：,HF,＋,H,2,O,（,ca. 1: 50,）,20,,2,、硅片清洗,有机物,/,光刻胶的两种清除方法：,氧等离子体干法刻蚀：把光刻胶分解为气态,CO,2,＋,H,2,O,,（适用于大多数高分子膜）,注意：高温工艺过程会使污染物扩散进入硅片或薄膜,前端工艺（,FEOL,）的清洗尤为重要,SPM,：,sulfuric/peroxide mixture,,,H,2,SO,4,(98,％,):H,2,O,2,(30,％,)=2:1~4:1,,把光刻胶分解为,CO,2,＋,H,2,O,,（适合于几乎所有有机物）,21,,SC-1,（,APM,，,Ammonia Peroxide Mixture,）：,,NH,4,OH(28%):H,2,O,2,(30%):DIH,2,O=1:1:5,～,1:2:7,,,70,～,80,,C, 10min,碱性（,pH,值,>7,）,,,可以氧化有机膜,,和金属形成络合物,,缓慢溶解原始氧化层，并再氧化,——,可以去除颗粒,,NH,4,OH,对硅有腐蚀作用,RCA——,标准清洗,OH,－,OH,－,OH,－,OH,－,OH,－,OH,－,RCA clean is “standard process” used to remove organics,,,heavy metals and alkali ions.,22,,SC-2:,,HCl(73%):H,2,O,2,(30%):DIH,2,O=1:1:6~1:2:8,,,70,～,80,,C, 10min,酸性（,pH,值,<7,）,,,可以将碱金属离子及,Al,3,＋,、,Fe,3,＋,和,Mg,2,＋,在,SC-1,溶液中形成的不溶的氢氧化物反应成溶于水的络合物,,可以进一步去除残留的重金属污染（如,Au,）,RCA,与超声波振动共同作用，可以有更好的去颗粒作用,,20,～,50kHz,或,1MHz,左右。

平行于硅片表面的声压波使粒子浸润，然后溶液扩散入界面，最后粒子完全浸润，并成为悬浮的自由粒子23,,机器人自动清洗机,24,,清洗容器和载体,,,SC1/SPM/SC2,,–,石英（,Quartz,）或,,Teflon,容器,,HF,,–,优先使用,Teflon,，其他无色塑料容器也行硅片的载体,,–,只能用,Teflon,或石英片架,25,,清洗设备,超声清洗,喷雾清洗,26,,洗刷器,27,,对硅造成表面腐蚀,,较难干燥,,价格,,化学废物的处理,,和先进集成工艺的不相容,湿法清洗的问题,28,,干法清洗工艺,,气相化学，通常需激活能在低温下加强化学反应所需加入的能量，可以来自于等离子体，离子束，短波长辐射和加热，这些能量用以清洁表面，但必须避免对硅片的损伤,HF,／,H,2,O,气相清洗,,紫外一臭氧清洗法（,UVOC,）,,H,2,／,Ar,等离子清洗,,热清洗,29,,其它方法举例,30,,3,、吸杂,把重金属离子和碱金属离子从有源区引导到不重要的区域器件正面的碱金属离子被吸杂到介质层（钝化层），如,PSG,、,Si,3,N,4,,硅片中的金属离子则被俘获到体硅中（本征吸杂）或硅片背面（非本征吸杂）,31,,硅中深能级杂质（,SRH,中心）,扩散系数大,,容易被各种机械缺陷和化学陷阱区域俘获,32,,吸杂三步骤：,杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可动原子,,杂质元素扩散到吸杂中心,,杂质元素被吸杂中心俘获,33,,Au,s,＋,I,,Au,I,,踢出机制,,Au,s,,,Au,I,＋,V,分离机制,引入大量的硅间隙原子，可以使金,Au,和铂,Pt,等替位杂质转变为间隙杂质，扩散速度可以大大提高。

方法,高浓度磷扩散,,离子注入损伤,,SiO,2,的凝结析出,激活,,可动，增加扩散速度替位原子,,间隙原子,34,,碱金属离子的吸杂：,,PSG——,可以束缚碱金属离子成为稳定的化合物,,超过室温的条件下，碱金属离子即可扩散进入,PSG,,超净工艺＋,Si,3,N,4,钝化保护,——,抵挡碱金属离子的进入,其他金属离子的吸杂：,,本征吸杂,——,使硅表面,10,－,20,m,m,范围内氧原子扩散到体硅内，而硅表面的氧原子浓度降低至,10ppm,以下利用体硅中的,SiO,2,的凝结成为吸杂中心非本征吸杂,——,利用在硅片背面形成损伤或生长一层多晶硅，制造缺陷成为吸杂中心在器件制作过程中的一些高温处理步骤，吸杂自动完成35,,bipolar,36,,净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂,本节课主要内容,净化级别,,高效净化,净化的必要性,器件：少子寿命,,，,V,T,改变，,I,on,,I,off,,，栅击穿电压，可靠性,电路：产率,,，电路性能,,The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside,,“good” die.,,Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.,杂质种类：颗粒、有机物、金属、天然氧化层,强氧化,天然氧化层,HF:DI H,2,O,本征吸杂和非本征吸杂,37,,本节课主要内容,硅片清洗,,湿法清洗：,Piranha,，,RCA,（,SC,－,1,，,SC,－,2,），,HF:H,2,O,,干法清洗：气相化学,吸杂三步骤：,激活,，扩散，俘获,,碱金属：,PSG,，超净化＋,Si,3,N,4,钝化保护,,其他金属：本征吸杂和非本征吸杂,,——,大密度硅间隙原子＋体缺陷,SiO,2,的成核生长。

硅片背面高浓度掺杂，淀积多晶硅,38,,三道防线,:,,净化环境（,clean room,）,,硅片清洗（,wafer cleaning,）,,吸杂（,gettering,）,“Dirt is a natural part of life.”,39,,。