Transcript 第三讲实验室净化与硅片清洗

集成电路工艺原理
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第三章 实验室净化及硅片清洗
集成电路工艺原理
仇志军
[email protected]
邯郸校区物理楼435室
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集成电路工艺原理
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第三章 实验室净化及硅片清洗
大纲 （2）
第一章
第二章
第三章
第四章
第五章
第六章
第七章
第八章
第九章
第十章
第十一章
前言
晶体生长
实验室净化及硅片清洗
光刻
热氧化
热扩散
离子注入
薄膜淀积
刻蚀
后端工艺与集成
未来趋势与挑战
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第三章 实验室净化及硅片清洗
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Modern IC factories employ a three tiered approach to controlling
unwanted impurities（现代IC fabs依赖三道防线来控制沾污）
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第三章 实验室净化及硅片清洗
三道防线:
环境净化（clean room）
硅片清洗（wafer cleaning）
吸杂（gettering）
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1、空气净化
From Intel Museum
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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
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高效过滤
超细玻璃纤
维构成的多
孔过滤膜：
过滤大颗粒，
静电吸附小
泵 颗粒
循
环
系
统
20～22C
40～46％RH
排气除尘
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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，如果良率为50％，则正好保本。若
要年赢利$10,000,000，良率增加需要为
$1 10
 3. 8%
1000 100 $50  52
7
年开支=年产能
为1亿3千万
1000×100×52×$50×50%
=$130,000,000
良率提高3.8%，将带来年利润1千万美元！
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Contaminants may consist of particles,
organic films (photoresist), heavy metals
or alkali ions.
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外来杂质的危害性
例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响
2 s qNA (2 f ) qQM
Vth  VFB  2 f 

Cox
Cox
当tox＝10 nm，QM＝6.5×1011 cm-2（10 ppm)时，DVth＝0.1 V
例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求
1
G 
vth Nt
＝10－15 cm2，vth=107 cm/s
若要求G＝100 ms，则Nt1012 cm-3
=0.02 ppb !!
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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
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在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数目/ml）
>0.2mm
>0.5mm
NH4OH
130-240
15-30
H2O2
20-100
5-20
HF
0-1
0
HCl
2-7
1-2
H2SO4
180-1150
10-80
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各种可能落在芯片表面的颗粒
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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）
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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
Fe, Cu, Ni,
Cr, W, Ti…
Na, K, Li…
 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
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不同工艺过程引入的金属污染
离子注入
干法刻蚀
去胶
Fe Ni Cu
水汽氧化
9
10
11
12
Log (concentration/cm2)
13
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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
氧化
Mz+ + z e-
M
还原
去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂）
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电负性
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反
应
优
先
向
左
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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
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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＋H2O（ca. 1: 50）
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2、硅片清洗
有机物/光刻
胶的两种清
除方法：
SPM：sulfuric/peroxide mixture
H2SO4(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）
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
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RCA——标准清洗
SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：
NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=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
NH4OH对硅有腐蚀作用
RCA clean is
“standard process”
OH－
－
OH
－
used to remove
OH
OH－
OH－
organics,
OH－
heavy metals and
alkali ions.
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SC-2:
HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8
70～80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。
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现代CMOS的硅片清洗工艺
化学溶剂
清除的污染物
清洗温度
1
H2SO4+H2O2(4:1)
120C,10min
有机污染物
2
D.I. H2O
室温
洗清
3
NH4OH+H2O2+H2O
(1:1:5) (SC－1)
D.I. H2O
80C,10min
微尘
室温
洗清
HCl+H2O2+H2O
(1:1:6) (SC－2)
D.I. H2O
80C,10min
金属离子
室温
洗清
7
HF+H2O (1:50)
室温
氧化层
8
D.I. H2O
室温
洗清
4
5
6
9
干燥
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其它先进湿法清洗工艺，如Ohmi
From IMEC (Interuniversity Microelectronic Center)
(1) H2O + O3 (<1 ppb)
去除有机物
(2) NH4OH +H2O2 +H2O (0.05:1:5)
去除颗粒、有机物和金属
(3) HF (0.5%) +H2O2 (10%)
天然氧化层和金属
(4) DI H2O清洗（>18M-cm)
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机器人自动清洗机
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第三章 实验室净化及硅片清洗
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
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清洗设备
超声清洗
喷雾清洗
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洗刷器
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第三章 实验室净化及硅片清洗
湿法清洗的问题
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
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湿法清洗造成硅片表面粗糙度增加
降低微粗糙度的方法：
•减少NH4OH的份额
•降低清洗温度
•减少清洗时间
Ra(nm)
表面粗糙度：清洗剂、金属
污染对硅表面造成腐蚀，从
而造成表面微粗糙化。SC-1
中，NH4OH含量高，会对硅
造成表面腐蚀和损伤。
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降低沟道内载流子的迁移
率，对热氧化生长的栅氧
化物的质量、击穿电压都
有破坏性的影响。
Mixing ratio of NH4OH(A) in NH4OH+H2O2+H2O
solution
(A:1:5, A<1)
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Surface roughness (nm)
Surface roughness (nm)
第三章 实验室净化及硅片清洗
不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度
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Ebd (MV/cm)
Ebd (MV/cm)
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Surface roughness (nm)
Surface roughness (nm)
表面粗糙度降低了击穿场强
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第三章 实验室净化及硅片清洗
 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
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其它方法举例
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第三章 实验室净化及硅片清洗
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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、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）
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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
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PSG
无缺陷
区或外
延层
90
90
90
10~20mm
本征吸
杂区
>500mm
非本征
吸杂区
杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可动原子
吸杂三步骤：杂质元素扩散到吸杂中心
杂质元素被吸杂中心俘获
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第三章 实验室净化及硅片清洗
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高扩散系数＋间隙扩散方式＋聚集并占据非理想缺陷（陷阱）位置
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第三章 实验室净化及硅片清洗
激活  可动，增加扩散速度。替位原子  间隙原子
Aus＋I  AuI
Aus  AuI＋ V
踢出机制
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
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第三章 实验室净化及硅片清洗
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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。
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第三章 实验室净化及硅片清洗
本征吸杂工艺更易控制
方法：外延或热循环处理
造成的损伤范围大
距有源区更近
缺陷热稳定性好
温度（C）
1300
外扩散
1100
沉淀析出
900
700
凝结成核
500
时间（h）
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第三章 实验室净化及硅片清洗
bipolar
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第三章 实验室净化及硅片清洗
本节课主要内容
净化的必要性
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The bottom line is
chip yield. “Bad” die
manufactured
alongside
“good” die.
Increasing yield
leads to better
profitability in
manufacturing chips.
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
净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂
本征吸杂和非本
征吸杂
净化级别
高效净化
杂质种类：颗粒、有机
天然氧化层
物、金属、天然氧化层
强氧化
HF:DI H2O
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第三章 实验室净化及硅片清洗
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
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第三章 实验室净化及硅片清洗
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.”
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