半导体第五讲硅片清洗(4课时).ppt
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1、第五讲,硅片清洗技术,1,2,本节课主要内容,硅片清洗 湿法清洗:Piranha,RCA(SC1,SC2),HF:H2O 物理清洗 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,净化的三个层次:环境、硅片清洗、吸杂,本节课主要内容,The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to bett
2、er profitability in manufacturing chips.,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0.5mm的粒子总数不超过X个。,0.5um,7,8,9,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
3、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 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,例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响,当tox10 nm,QM6.51011 cm-2(10 ppm)时,
4、DVth0.1 V,例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求,1015 cm2,vth=107 cm/s 若要求G100 ms,则Nt1012 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,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
5、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,16,不同工艺过程引入的金属污染,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+ + z e- 去除溶液:SC-1, SC-2(H2O2:强氧化剂),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
6、2SO4-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,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CO2H2O (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 H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1 把光刻胶分解为CO2H2O (适合于
7、几乎所有有机物),21,SC-1(APM,Ammonia Peroxide Mixture): NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7 7080C, 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,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 7
8、080C, 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 2050kHz 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
9、洗,喷雾清洗,26,洗刷器,湿法清洗,传统RCA湿式化学清洗技术(wet chemical clean technology)仍是主导目前深亚微米工艺的清洗过程,只是在SCl和SC2混合溶液方面作了些微小的改变,所有化学品的纯度也比早期提高很多,纯度从10-6提高到10-9,而高纯度的气体及纯水也比以前改进很多,因此在微粒、金属杂质及有机污染的去除效果方面有很大的进展。湿式化学清洗站(wet chemical station ),从早期的手动方式(manual typ)发展到目前全自动电脑控制,供酸、换酸系统也发展 成为自动化控制。,27,湿式清洗程序,湿式清洗程序(wet clean rec
10、ipes)主要仍以RCA清洗程序为主,对其经过改良以适用于IJLSI工艺及高温炉扩散前清洗,并开发出多种清洗应用程序,如扩散前清洗( pre一diffusion clean ,栅极氧化前清洗(Pre一gate clean)和化学气相沉积前清洗(Pre一CVD clean)等。,28,1.RCA清洗程序 RCA清洗是采用SC 1( APM) + SC2 ( HPM)化学清洗液进行清洗,主要去除微粒、金属杂质及有机污染,但不将晶片浸在HF槽中去除自然氧化物或氧化层。 常用的RCA清洗程序如表所示:,29,30,常用的RCA清洗程序,为了要清除残留在晶片上的光刻胶及有机物,在标准RCA清洗程序中多增
11、加了硫酸清洗,如SPM/SOM(SPM=H2SO4 +H2O2 , SOM=H2SO4 +O3)这样的清洗程序称为改良式RCA清洗。清洗程序如表所示:,31,32,改良式RCA清洗程序,RCA清洗常被用来作为CVD沉积前清洗和不必去除自然氧化物的清洗工艺,若需去除氧化层上的金属杂质则使用改良式RCA清洗程序,将晶片短暂浸蚀在DHF中,刻蚀氧化层的表层,以去除氧化层上的金属杂质。,33,A式清洗程序,A式清洗也是一种改良式的RCA清洗,与前面清洗程序的差别为在SC1和SC2清洗之间再加一个步骤:将晶片在SC1清洗后短暂浸人DHF( 1%一5%HF),以去除自然氧化物及沉积在氧化层上的金属杂质,其
12、清洗程序如表所示:,34,35,A式清洗程序,A式清洗是早期工艺技术(3 m以上)中常用的清洗程序, 由于晶片经SC1清洗去除微粒后,要再浸人DHF, 这会产生新的微粒污染,所以在ULSI 工艺中, 不再使用A式清洗,而由B式清洗所取代。,B式清洗程序,B式清洗也是一种改良的RCA清洗,主要是在SPM清洗后,将晶片浸人DHF槽以去除氧化层或自然氧化物,然后再进行标准的RCA清洗。清洗程序如表所示:,36,37,B式清洗程序,B式清洗程序的微粒、金属杂质去除效果比A式清洗好,已取代A式清洗程序成为主要的湿式化学清洗程序。DHF中的浸蚀时间根据去除氧化层的厚度而定,并需考虑氧化层刻蚀的均匀度。 B
13、式清洗常被用来作为栅极氧化层前清洗,因此需特别注意清洗后有源区(active Area)的洁净度、微粒、金属杂质、有机污染、自然氧化物和表面微粗糙度等。这种清洗程序也常被用来作为垫层氧化(pad oxide)及场区氧化(field oxide)前清洗和离子注人后清洗。,38,HF终结B式清洗,当工艺技术精进到0.5 m以下时,栅极氧化层的厚度已降低到10 nm以下,在B式清洗后化学氧化形成的一层薄氧化物会影响栅极氧化层的品质。为了避免薄氧化物的产生,发展了HF终结B式清洗,其程序如表所示:,39,40,HF终结B式清洗程序,为了避免第9步DHF浸蚀时产生 新的微粒,有许多清洗工艺将这一步的改为
14、FPM ( HF+H2O2)或HF + IPA ,以去除微粒及金属杂质、改良表面微粗糙度,金属前清洗,溅射金属前清洗的目的,主要是将接触孔刻蚀后残留在接触孔侧壁(sidewall的聚合物polymer)及接触孔底层的自然氧化物去除干净,以利于金属溅镀时形成良好的接触,使接触电阻降低。晶片经SPM清洗可去除附在接触孔侧壁的聚合物等有机污染,为了使BHF容易润湿接触孔的小洞,有效地将自然氧化物去除干净,通常在BHF中加人表面活性剂。其清洗程序如表所示:,41,42,清洗后的晶片应避免暴露在空气中,以免接触孔底层又产生自然氧化物而影响金属与接触孔的接触电阻,所以应立即放人金属溅射机内,快速完成金属溅
15、镀。在如需等待金属溅镀,清洗后的晶片需存放在N2气柜内,若等待时间超过4小时,则晶片需要重新清洗。重洗不得超过两次,否则,接触孔的小洞受BHF浸蚀将变大或变形而造成接触孔破裂,从而影响线路,造成接触孔桥接短路,影响器件的可靠性。,SPM清洗,在前面已经讨论硫酸清洗去除光刻胶及其清洗配方。这里主要讨论PSG、BFSG或全面离子注入(blanket implant)后的清洗。在磷硅玻璃或硼磷硅玻璃沉积后,SPM清洗的主要目的是将玻璃沉积后析出表面的磷玻璃及硼玻璃溶于硫酸,以消除表面的磷斑点或硼斑点。因为磷、硼玻璃的吸水性较强,沉积后的磷硅玻璃或硼磷硅玻璃放置在空气中,硼斑点或磷斑点将吸收空气中的水
16、气形成磷酸或硼酸,使沉积后的晶片表面形成斑点的污染源,其反应式如下:B2O3+3H2O2H3BO3 P2O5+3H2O2H3PO4,43,44,同时沉积后的PSG或BPSG经高温致密化及回流后,也会析出成分为P2O5及B2O3的一层很薄的透明结晶玻璃,需经硫酸清洗以溶去磷、硼玻璃。 在全面离子注人的过程中,虽然晶片表面没有光刻胶覆盖,但晶片表面在离子注人时也会沉积一层聚合物,因此,需通过硫酸清洗去除这层有机物污染。 SPM清洗后,晶片表面会有微粒产生,因此常在SPM清洗后再加上SC1清洗以去除微粒。其清洗程序如上表所示。,湿式化学清洗工艺技术,在湿式化学清洗工艺技术中,主要有三种不同形式的清洗
17、机台,各种机台有其不同的优缺点及应注意考查的标准,下面对各种清洗设备说明如下,以供参考。,45,浸洗式化学清洗站,这种化学清洗技术已经完全属于自动化控制,操作员只要将欲清洗的晶片连同晶舟放置在清洗站的输入端(input stage)即可进行清洗。为了增加产量,一般均设计两个晶舟,每个晶舟可装25片晶片。如晶片不足,则用伪片补满或平均分配,使两个晶舟装有相同的晶片数,以便两边负重平衡。这样,在旋干时,才不会因负重不平衡导致旋干机振动造成碎片或产生微粒。若用IPA干燥法进行干燥可不必考虑到平衡的间题。操作员根据流程卡上记录的所需清洗程序,在电脑上选定要清洗的程序后,按下启动,机械手即开始按照设定的
18、清洗程序执行清洗的工艺,逐槽清洗到脱水于燥。清洗完成后,机械手自动将清洗后的晶片传送到输出端(output stage),然后发出信号告诉操作员将货卸下。一般化学酸槽非常庞大,在某些比较复杂的设计中,全套RCA或B式清洗.工艺共有5个化学槽,6个去离子纯水洗涤槽,长度超过30英尺。它的最大缺点为占用面积大。这种自动化学清洗站一般都设计有小型号及独立的排气系统,而机械手为后置式(rear mount)的,机械手在传送晶片从1站开始按照清洗程序逐槽清洗,到第12站清洗干燥后会自动更换晶舟。清洗程序可简述如下:,46,中央控制系统及晶片输人端:操作员将欲清洗的晶片及晶舟放在晶舟自动转换器上,将晶片从
19、塑料晶舟转换到耐酸的特氟龙或石英晶舟后,操作员在电脑控制系统选定清洗程序并按下启动键。机械手即开始将晶舟提吊到程序设定的酸槽,徐徐浸人第2站酸槽。 每一站均有两个槽,一个为化学酸槽(chemical tank ),另一个为纯水洗涤槽。在化学酸槽清洗后,机械手将晶片传送到洗涤槽将化学残酸洗除干净后,再传送到第3、4、5、6、12站等。 安装前置式的机械手,即机械手如装置在前面并与操作员同向时,容易造成机器手臂伤人的意外事件,为安全考虑,机械手常为后置式的。 酸槽化学浓度的校准:所有的酸槽都是开放式的,在酸槽内的化学酸会因加热蒸发、分解而影响到酸的浓度及各成分的混合比例,因此,需要用滴定法来检验酸
20、浓度的变化,并添加新的化学品,以保持酸槽内浓度及比例的稳定。,47,浸洗式化学清洗站的功能和优缺点,(1)软件功能( software capability) 在整座自动化酸槽系统中,各种清洗参数均能利用软件设定程序,以达到自动控制,如; 换酸时间(chemical change 混合溶液比例(chemical ratio 酸槽温度(tank ternperatuive ) 清洗时间cleaning process time) 酸槽浓度(chemical concentration) 洗涤时间(rinse time) 清洗阻值(rinse resislivity) 机械手操作(robot op
21、eration ) 预警系统(alarm system ),48,(2)清洗功能(recipe capabilities) 可设定多种清洗程序避免晶片间的“交互污染”,即将有 掺杂(doped)及无掺杂(nondoped)的晶片分开在不同的酸槽系统内清洗,主要清洗程序有以下几种: RCA清洗程序。 B式清洗程序。 栅极氧化前清洗程序。 HF终结B式清洗程序。 无HF酸B式清洗程序。 SPM清洗程序 金属前清洗程序。,49,(3)优点 节省化学品用量:每一个化学槽换酸后,约可清洗12一24 h或以清洗的晶片批数作为换酸的依据。若连续清洗,则每片晶片清洗化学品的费用和成本较低。 连续清洗,提高了设
22、备的利用率:换酸完毕,酸槽需预热约1h才可进行清洗,连续清洗时每10一15 min可放入两个晶舟(50片晶片)进行清洗。,50,(4)缺点 这种清洗系统酸槽内的化学品的洁净度,随着清洗晶片数的增加逐渐脏污且金属和有机杂质易沉积在槽内而造成污染。另外,晶片是通过机械手移动来实现逐槽清洗的,机械手的移动会产生很多微粒。同时,机械手暴露在化学蒸气环境中,易受腐蚀而影响到机械手的可信度,机械手的异常会造成晶片报废及产生生产不安全因素,如机器手臂伤人、撞破石英槽、手臂断裂、破片等。微粒的控制及氧化的刻蚀率不稳定、不均匀。如将8英寸的晶片浸在DHF酸槽中去除氧化层时,下端先人后出,而上端后人先出,且晶片拉
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