1、第五讲第五讲 硅片清洗技术硅片清洗技术 1 2 本节课主要内容本节课主要内容 硅片清洗硅片清洗 湿法清洗：湿法清洗：Piranha，RCA（SC1，SC2），），HF:H2O 物理清洗物理清洗 干法清洗：气相化学干法清洗：气相化学 吸杂三步骤：吸杂三步骤：激活激活，扩散，俘获，扩散，俘获 碱金属：碱金属：PSG，超净化，超净化Si3N4钝化保护钝化保护 其他金属：本征吸杂和非本征吸杂其他金属：本征吸杂和非本征吸杂 大密度硅间隙原子体缺陷大密度硅间隙原子体缺陷 SiO2的成核的成核 生长。生长。 硅片背面高浓硅片背面高浓 度掺杂，淀积度掺杂，淀积 多晶硅多晶硅 净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸
2、杂净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂 本节课主要内容本节课主要内容 净化级别净化级别 高效净化高效净化 净化的必要性净化的必要性 器件：少子寿命器件：少子寿命 ，VT改变，改变，Ion Ioff ，栅击穿电压，栅击穿电压 ，可靠性，可靠性 电路：产率电路：产率 ，电路性能，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
3、杂质种类：颗粒、有机 物、金属、天然氧化层物、金属、天然氧化层 强氧化强氧化 天然氧化层天然氧化层 HF:DI H2O 本征吸杂和非本本征吸杂和非本 征吸杂征吸杂 4 三道防线三道防线: 环境净化（环境净化（clean room） 硅片清洗（硅片清洗（wafer cleaning） 吸杂（吸杂（gettering） 5 1、空气净化、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净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5m mm的粒子的粒子 总数不超过总数不超过X个。个。 0.5um 7 8 高效过滤高效过滤 排气除尘排气除尘 超细玻璃纤超细玻璃纤
4、维构成的多维构成的多 孔过滤膜：孔过滤膜： 过滤大颗粒，过滤大颗粒， 静电吸附小静电吸附小 颗粒颗粒 泵 循 环 系 统 泵 循 环 系 统 2022 C 4046RH 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。 例例1. 一集成电路厂一集成电路厂 产量产量1000片片/周周100芯片芯片/片，芯片，芯 片价格为片价格为$50/芯片，如果产率为芯片，如果产率为50，则正好保本。若，则正好保本。若 要年赢利要年赢利
5、$10,000,000，产率增加需要为，产率增加需要为 %8 . 3 5250$1001000 101$ 7 产率提高产率提高3.8%，将带来年利润，将带来年利润1千万美元！千万美元！ 年开支年开支=年产能年产能 为为1亿亿3千万千万 100010052$5050% =$130,000,000 10 Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions. 11 外来杂质的危害性外来杂质的危害性 例例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响阈值电压受碱金属离子的
6、影响 ox M ox fAs fFBth C qQ C qN VV )2(2 2 当当tox10 nm，QM6.51011 cm-2（ 10 ppm)时，时，D DVth0.1 V 例例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求的要求 10 15 cm2， ，vth=107 cm/s 若要求若要求 G100 m ms，则，则Nt 1012 cm-3 =0.02 ppb ! tth G Nv 1 12 颗粒粘附颗粒粘附 所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。 颗粒来源：颗粒来源： 空气空气 人体人体 设备设备 化学品化学品
7、超级净化空气超级净化空气 风淋吹扫、防护服、面罩、风淋吹扫、防护服、面罩、 手套等，机器手手套等，机器手/人人 特殊设计及材料特殊设计及材料 定期清洗定期清洗 超纯化学品超纯化学品 去离子水去离子水 13 各种可能落在芯片表面的颗粒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 2 3 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：来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺 量级：量级：1010原子原子/cm2 影响：影响： 在界面形成缺陷，
8、影响器件性能，成品率下降在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降 增加增加p-n结的漏电流，减少少数载流子的寿命结的漏电流，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/cm2) 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 Mz+ +
9、z e- 去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂） 还原 氧化 18 有机物的玷污有机物的玷污 来源：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：强氧化去除方法：强氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 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：HFH2O（ca. 1: 50） 20 2、硅片清洗、硅片清洗 有机物有机物/光刻光刻 胶的两种清胶的两种清 除方法：除方法： 氧等离子体干法刻蚀：把光刻胶分解氧等离子
10、体干法刻蚀：把光刻胶分解 为气态为气态CO2H2O （适用于大多数高分子膜）（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（前端工艺（FEOL）的清洗尤为重要）的清洗尤为重要 SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1 把光刻胶分解为把光刻胶分解为CO2H2O （适合于几乎所有有机物）（适合于几乎所有有机物） 21 SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1
11、:1:51:2:7 7080 C, 10min 碱性（碱性（pH值值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 NH4OH对硅有腐蚀作用 RCA标准清洗标准清洗 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%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080 C, 10min 酸性（酸性（pH值值500mm PSG 无缺陷 区或外 延层 本征吸 杂
12、区 非本征 吸杂区 吸杂三步骤：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扩散到吸杂中心 杂质元素被吸杂中心俘获杂质元素被吸杂中心俘获 80 AusI AuI 踢出机制踢出机制 Aus AuI V 分离机制分离机制 引入大量的硅间隙原子，可以使金引入大量的硅间隙原子，可以使金Au和铂和铂Pt等替位等替位 杂质转变为间隙杂质，扩散速度可以大大提高。杂质转变为间隙杂质，扩散速度可以大大提高。 方法方法 高浓度磷扩散高浓度磷扩散 离子注入损伤离子注入损伤 SiO2的凝结析出的凝结析出 激活激活 可动，增加扩散速度。替
13、位原子可动，增加扩散速度。替位原子 间隙原子间隙原子 81 碱金属离子的吸杂：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超过室温的条件下，碱金属离子即可扩散进入PSG 超净工艺超净工艺Si3N4钝化保护钝化保护抵挡碱金属离子的进入抵挡碱金属离子的进入 其他金属离子的吸杂：其他金属离子的吸杂： 本征吸杂本征吸杂 使硅表面使硅表面1020m mm范围内氧原子扩散到体硅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内，而硅表面的氧原子浓度降低至10ppm以下。利用体硅中的以下。利用体硅中的 SiO2
14、的凝结成为吸杂中心。的凝结成为吸杂中心。 非本征吸杂非本征吸杂利用在硅片背面形成损伤或生长一层多晶硅，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。步骤，吸杂自动完成。 82 bipolar 对未来清洗技术的展望 未来ULSI工艺中，单位晶片面积的电子器件趋向高密集 化，工艺技术趋向更精细化，品片直径却越来越大。要在 大的晶片面积上制作超精密、细微的电子器件，需要超洁 净的晶片表面，才能满足工艺上的需求。因此，如何清洗 大的硅片是未来工艺上的一个挑战。庞大、复杂而昂贵的 湿
15、式化学清洗、化学品、纯水、排气、废水处理等清洗成 本和对环境的污染是未来清洗工艺中最大的挑战。目前16 MB的DRAM工艺中，清洗一片4英寸的晶片约需耗用4.5 x 103 kg的纯水和10kg的化学品。因此，节省化学清洗用纯 水和化学品的用量以及对环境的保护是未来发展清洗技术 要考虑的，应开发更有效的省时、省力、省物、省电、无 污染的整合清洗技术。 83 清洗设备精简、多功能化 未来晶片的清洗设备将由复杂多槽式的清洗演变到密闭单槽式的清洗 ，配合大直径晶片的清洗技术，化学酸槽的结构和功能精简化，以大 大缩小清洗设备的占地面积和制造成本，优点如下: 设备精简、小巧，占用面积少。 结构简单、多功
16、能，维修容易、叮靠度高。 清洗槽小，节省纯水和化学品的用量，提高清洗效率。 减少废水、废气的排放和对环境的污染。 准静态清洗无活动机械手传动，可减少微粒、金属杂质的污染。 清洗功能及程序转换较快，互换性高。 密闭式清洗不接触空气，可减少污染。 每批晶片均用新鲜、洁净的化学溶液清洗，溶液的纯度和浓度相同 ，清洗工艺稳定。 84 清洗材料高纯度、低杂质、无污染 高纯度的化学品叮降低微粒和金属杂质的污染。采用无氧 超纯水oxygen free ultrapure water)洗涤可避免自然氧化 物的生成。用臭氧冷冻去离子水取代SPM，可以减少化学 品的用量及化学废液量，降低 清洗成本及保护环境。开发单一清洗配方(Cleaning formular)达到RCA不同化学溶液清洗效果，得到超洁净、 无微粒污染、无金属离子污染，无表面微粗糙的晶片表面 ，如美国的J. T. Baker开发了“Dublin“单一清洗配方，该 配方尚在实验验证阶段，可望将来能取代复杂的RCA清洗 。 85 清洗工艺快速、简洁的清洗程序 开发清洗循环短、清洗效率高、产能大的清洗工艺，如无化学品的 晶片清洗工艺。如图所示为美国RSC公司的光子惰性气体清洗工艺技 术(photon inert gas cleaning)示意图，该技术是一种无化学污染、低成 本、无环境污染的超洁净的无水干式清洗。 86
