半導(dǎo)體制造工藝_02硅實(shí)驗(yàn)室處理工藝第一頁，共36頁。1、空氣凈化FromIntelMuseum2第二頁，共36頁。凈化級(jí)別：每立方英尺空氣中含有尺度大于0.5mm的粒子總數(shù)不超過X個(gè)。0.5um3第三頁，共36頁。4第四頁，共36頁。高效過濾排氣除塵超細(xì)玻璃纖維構(gòu)成的多孔過濾膜：過濾大顆粒，靜電吸附小顆粒泵循環(huán)系統(tǒng)20～22C40～46％RH5第五頁，共36頁。由于集成電路內(nèi)各元件及連線相當(dāng)微細(xì)，因此制造過程中，如果遭到灰塵、金屬的污染，很容易造成芯片內(nèi)電路功能的損壞，形成短路或斷路，導(dǎo)致集成電路的失效！在現(xiàn)代的VLSI工廠中，75%的產(chǎn)品率下降都來源于硅芯片上的顆粒污染。例1.一集成電路廠產(chǎn)量＝1000片/周×100芯片/片，芯片價(jià)格為$50/芯片，如果產(chǎn)率為50％，則正好保本。若要年贏利$10,000,000，產(chǎn)率增加需要為產(chǎn)率提高3.8%，將帶來年利潤(rùn)1千萬美元！年開支=年產(chǎn)能為1億3千萬1000×100×52×$50×50%=$130,000,0006第六頁，共36頁。Contaminantsmayconsistofparticles,organicfilms(photoresist),heavymetalsoralkaliions.7第七頁，共36頁。外來雜質(zhì)的危害性例2.MOS閾值電壓受堿金屬離子的影響當(dāng)tox＝10nm，QM＝6.5×1011cm-2（10ppm)時(shí)，DVth＝0.1V例3.MOSDRAM的刷新時(shí)間對(duì)重金屬離子含量Nt的要求＝10－15cm2，vth=107cm/s若要求G＝100ms，則Nt1012cm-3

=0.02ppb

!!8第八頁，共36頁。顆粒粘附所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。顆粒來源：空氣人體設(shè)備化學(xué)品超級(jí)凈化空氣風(fēng)淋吹掃、防護(hù)服、面罩、手套等，機(jī)器手/人特殊設(shè)計(jì)及材料定期清洗超純化學(xué)品去離子水9第九頁，共36頁。各種可能落在芯片表面的顆粒10第十頁，共36頁。粒子附著的機(jī)理：靜電力，范德華力，化學(xué)鍵等去除的機(jī)理有四種：1氧化分解2溶解3對(duì)硅片表面輕微的腐蝕去除4粒子和硅片表面的電排斥去除方法：SC-1,megasonic（超聲清洗）11第十一頁，共36頁。金屬的玷污來源：化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工藝量級(jí)：1010原子/cm2影響：在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降增加p-n結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命Fe,Cu,Ni,Cr,W,Ti…Na,K,Li…12第十二頁，共36頁。不同工藝過程引入的金屬污染干法刻蝕離子注入去膠水汽氧化910111213Log(concentration/cm2)FeNiCu13第十三頁，共36頁。金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機(jī)理通過金屬離子和硅表面終端的氫原子之間的電荷交換，和硅結(jié)合。（難以去除）氧化時(shí)發(fā)生：硅在氧化時(shí)，雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入去除方法：使金屬原子氧化變成可溶性離子MMz++ze-去除溶液：SC-1,SC-2（H2O2：強(qiáng)氧化劑）還原氧化14第十四頁，共36頁。有機(jī)物的玷污來源：環(huán)境中的有機(jī)蒸汽存儲(chǔ)容器光刻膠的殘留物去除方法：強(qiáng)氧化－臭氧干法－Piranha：H2SO4-H2O2－臭氧注入純水15第十五頁，共36頁。自然氧化層（NativeOxide）在空氣、水中迅速生長(zhǎng)帶來的問題：接觸電阻增大難實(shí)現(xiàn)選擇性的CVD或外延成為金屬雜質(zhì)源難以生長(zhǎng)金屬硅化物清洗工藝：HF＋H2O（ca.1:50）16第十六頁，共36頁。2、硅片清洗有機(jī)物/光刻膠的兩種清除方法：氧等離子體干法刻蝕：把光刻膠分解為氣態(tài)CO2＋H2O（適用于大多數(shù)高分子膜）注意：高溫工藝過程會(huì)使污染物擴(kuò)散進(jìn)入硅片或薄膜前端工藝（FEOL）的清洗尤為重要SPM：sulfuric/peroxidemixtureH2SO4(98％):H2O2(30％)=2:1~4:1把光刻膠分解為CO2＋H2O（適合于幾乎所有有機(jī)物）17第十七頁，共36頁。SC-1（APM，AmmoniaPeroxideMixture）：NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7

70～80C,10min堿性（pH值>7）可以氧化有機(jī)膜和金屬形成絡(luò)合物緩慢溶解原始氧化層，并再氧化——可以去除顆粒NH4OH對(duì)硅有腐蝕作用RCA——標(biāo)準(zhǔn)清洗OH－OH－OH－OH－OH－OH－RCAcleanis“standardprocess”usedtoremoveorganics,heavymetalsandalkaliions.18第十八頁，共36頁。SC-2:HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:870～80C,10min酸性（pH值<7）可以將堿金屬離子及Al3＋、Fe3＋和Mg2＋在SC-1溶液中形成的不溶的氫氧化物反應(yīng)成溶于水的絡(luò)合物可以進(jìn)一步去除殘留的重金屬污染（如Au）RCA與超聲波振動(dòng)共同作用，可以有更好的去顆粒作用20～50kHz或1MHz左右。平行于硅片表面的聲壓波使粒子浸潤(rùn)，然后溶液擴(kuò)散入界面，最后粒子完全浸潤(rùn)，并成為懸浮的自由粒子。19第十九頁，共36頁。機(jī)器人自動(dòng)清洗機(jī)20第二十頁，共36頁。清洗容器和載體SC1/SPM/SC2–石英（Quartz）或Teflon容器HF–優(yōu)先使用Teflon，其他無色塑料容器也行。硅片的載體–只能用Teflon或石英片架21第二十一頁，共36頁。清洗設(shè)備超聲清洗噴霧清洗22第二十二頁，共36頁。洗刷器23第二十三頁，共36頁。對(duì)硅造成表面腐蝕較難干燥價(jià)格化學(xué)廢物的處理和先進(jìn)集成工藝的不相容濕法清洗的問題24第二十四頁，共36頁。干法清洗工藝氣相化學(xué)，通常需激活能在低溫下加強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)。所需加入的能量，可以來自于等離子體，離子束，短波長(zhǎng)輻射和加熱，這些能量用以清潔表面，但必須避免對(duì)硅片的損傷HF／H2O氣相清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2／Ar等離子清洗熱清洗25第二十五頁，共36頁。其它方法舉例26第二十六頁，共36頁。3、吸雜把重金屬離子和堿金屬離子從有源區(qū)引導(dǎo)到不重要的區(qū)域。器件正面的堿金屬離子被吸雜到介質(zhì)層（鈍化層），如PSG、Si3N4硅片中的金屬離子則被俘獲到體硅中（本征吸雜）或硅片背面（非本征吸雜）27第二十七頁，共36頁。硅中深能級(jí)雜質(zhì)（SRH中心）擴(kuò)散系數(shù)大容易被各種機(jī)械缺陷和化學(xué)陷阱區(qū)域俘獲28第二十八頁，共36頁。吸雜三步驟：雜質(zhì)元素從原有陷阱中被釋放，成為可動(dòng)原子雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散到吸雜中心雜質(zhì)元素被吸雜中心俘獲29第二十九頁，共36頁。Aus＋I(xiàn)AuI踢出機(jī)制Aus

AuI＋V分離機(jī)制引入大量的硅間隙原子，可以使金Au和鉑Pt等替位雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙雜質(zhì)，擴(kuò)散速度可以大大提高。方法高濃度磷擴(kuò)散離子注入損傷SiO2的凝結(jié)析出激活可動(dòng)，增加擴(kuò)散速度。替位原子間隙原子30第三十頁，共36頁。堿金屬離子的吸雜：PSG——可以束縛堿金屬離子成為穩(wěn)定的化合物超過室溫的條件下，堿金屬離子即可擴(kuò)散進(jìn)入PSG超凈工藝＋Si3N4鈍化保護(hù)——抵擋堿金屬離子的進(jìn)入其他金屬離子的吸雜：本征吸雜——使硅表面10－20mm范圍內(nèi)氧原子擴(kuò)散到體硅內(nèi)，而硅表面的氧原子濃度降低至10ppm以下。利用體硅中的SiO2的凝結(jié)成為吸雜中心。非本征吸雜——利用在硅片背面形成損傷或生長(zhǎng)一層多晶硅，制造缺陷成為吸雜中心。在器件制作過程中的一些高溫處理步驟，吸雜自動(dòng)完成。31第三十一頁，共36頁。bipolar32第三十二頁，共36頁。凈化的三個(gè)層次：環(huán)境、硅片清洗、吸雜本節(jié)課主要內(nèi)容凈化級(jí)別高效凈化凈化的必要性器件：少子壽命，VT改變，IonIoff，柵擊穿電壓，可靠性電路：產(chǎn)率，電路性能Thebottomlineischipyield.“Bad”diemanufacturedalongside“good”die.

Increasingyieldleadstobetterprofitabilityinmanufacturingchips.雜質(zhì)種類：顆粒、有機(jī)物、金屬、天然氧化層強(qiáng)氧化天然氧化層HF:DIH2O本征吸雜和非本征吸雜33第三十三頁，共36頁。本節(jié)課主要內(nèi)容硅片清洗濕法清洗：Piranha，RCA（SC－1，SC－2），HF:H2O干法清洗：氣相化學(xué)吸雜三步驟：激活，擴(kuò)散，俘獲堿金屬：PSG