半导体制造工艺-02硅的实验室处理工艺

半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗1三道防线:环境净化（cleanroom）硅片清洗（wafercleaning）吸杂（gettering）半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗21、空气净化FromIntelMuseum半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗3净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5mm的粒子总数不超过X个。0.5um半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗4半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗5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C40～46％RH半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗6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%8.35250$1001000101$7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半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗7Contaminantsmayconsistofparticles,organicfilms(photoresist),heavymetalsoralkaliions.半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗8外来杂质的危害性例2.MOS阈值电压受碱金属离子的影响oxMoxfAsfFBthCqQCqNVV)2(22当tox＝10nm，QM＝6.5×1011cm-2（10ppm)时，DVth＝0.1V例3.MOSDRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求＝10－15cm2，vth=107cm/s若要求G＝100ms，则Nt1012cm-3=0.02ppb!!tthGNv1半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗9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半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗10各种可能落在芯片表面的颗粒半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗11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：1234粒子和硅片表面的电排斥•去除方法：SC-1,megasonic（超声清洗）半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗12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：1010原子/cm2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…半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗13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910111213Log(concentration/cm2)FeNiCu半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗14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MMz++ze-去除溶液：SC-1,SC-2（H2O2：强氧化剂）还原氧化半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗15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：H2SO4-H2O2－臭氧注入纯水半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗16自然氧化层（NativeOxide）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＋H2O（ca.1:50）半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗172、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CO2＋H2O（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/peroxidemixtureH2SO4(98％):H2O2(30％)=2:1~4:1把光刻胶分解为CO2＋H2O（适合于几乎所有有机物）半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗18SC-1（APM，AmmoniaPeroxideMixture）：NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:770～80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NH4OH对硅有腐蚀作用RCA——标准清洗OH－OH－OH－OH－OH－OH－RCAcleanis“standardprocess”usedtoremoveorganics,heavymetalsandalkaliions.半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗19SC-2:HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:870～80C,10min酸性（pH值7）可以将碱金属离子及Al3＋、Fe3＋和Mg2＋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。半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗20机器人自动清洗机半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗21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或石英片架半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗22清洗设备超声清洗喷雾清洗半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗23洗刷器半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗24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半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗25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／H2O气相清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2／Ar等离子清洗热清洗半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗26其它方法举例半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗273、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、Si3N4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）半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗28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半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗2990909010~20mm500mmPSG无缺陷区或外延层本征吸杂区非本征吸杂区吸杂三步骤：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半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗30Aus＋IAuI踢出机制AusAuI＋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SiO2的凝结析出激活可动，增加扩散速度。替位原子间隙原子半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗31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＋Si3N4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10－20mm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SiO2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。半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗32bipolar半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗33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，VT改变，IonIoff，栅击穿电压，可靠性电路：产率，电路性能Thebottomlineischipyield.“Bad”diemanufacturedalongside“good”die.Increasingyieldleadstobetterprofitabilityinmanufacturingchips.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:DIH2O本征吸杂和非本征吸杂半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗34本节课主要内容硅片清洗湿法清洗：Piranha，RCA（SC－1，SC－2），HF:H2O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＋Si3N4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SiO2的成核生长。硅片背面高浓度掺杂，淀积多晶硅半导体制造工艺原理第二章实验室净化及硅片清洗35三道防线:净化环境（cleanroom）硅片清洗（wafercleaning）吸杂（gettering）“Dirtisanaturalpartoflife.”