第4章半导体制造中的沾污控制.ppt

《第4章半导体制造中的沾污控制.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章半导体制造中的沾污控制.ppt（75页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、 沾污（沾污（Contamination）是指半导体制造过程中引入半导体硅片的任何危害芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。沾污经常导致有缺陷的芯片，致命缺陷是导致硅片上的芯片无法通过电学测试的原因。现代现代IC fabs依赖三道防线来控制沾污依赖三道防线来控制沾污三道防线三道防线:1.净化间（净化间（clean room）2.硅片清洗（硅片清洗（wafer cleaning）3.吸杂（吸杂（gettering）颗粒颗粒：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超级净化空气超级净化空气风淋吹扫、防护服、面罩、风淋

2、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 后果后果：电路开路或短路，薄膜针眼或开裂，引起后续沾污。电路开路或短路，薄膜针眼或开裂，引起后续沾污。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毫米毫米110-110-210-310-4 10-610-710-510原子原子物质的单分子物质的单分子雾雾薄烟薄烟云层颗粒云层颗粒大气灰尘大气灰尘雾颗粒雾颗粒沙沙灰尘灰尘鹅卵石鹅卵石二二.金属沾污金属沾污来源：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化学品和传输官道

3、及容器的反应。例如，化学品和传输官道及容器的反应。例如，CO。v量级：量级：1010原子原子/cm2影响：影响：在界面形成缺陷，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,TiNa,K,Li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干法刻蚀离子注入离子注入 去胶去胶水汽氧化水汽氧化910111213Log(concentration/cm2)Fe Ni Cu还原氧化电负性电负性Cu+eCu-SiSi+eCu2-+2eCu反应优先向左反应优先向左作业作业

4、2 金属离子在半导体材料中是高度活动性的，被称为可动离子沾污（可动离子沾污（MICMIC）。当MIC引入到硅片中时，在整个硅片中移动，严重损害器件电学性能和长期可靠性。对于对于MIC沾污,能迁移到栅结构中的氧化硅界面，改变开启晶体管所需的阈值电压。由于它们的性质活泼，金属离子可以在电学测试和运输很久以后沿着器件移动，引起器件在使用期间失效。可动粒子沾污引起的阀值电压改变可动粒子沾污引起的阀值电压改变+SDP-硅衬底G N+N+-Vs+Vd+Vg 离子沾污改变晶体管的电学特性电子导电+Gate oxidePolysilicon+无关杂质的危害性无关杂质的危害性当当tox10 nm，QM6.510

5、11 cm-2（10 ppm)时，时，D DVth0.1 V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影响oxMoxfAsfFBthCqQCqNVV)2(22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 1015 cm2，vth=107 cm/s若要求若要求 G100 m ms，则，则Nt 1012 cm-3 =0.02 ppb!tthGNv1作业作业1三三.有机物的玷污有机物的玷污导致的问题导致的问题:栅氧化层密度降低;清洁不彻底,容易引起后续沾污来源：来源：环境中的有机蒸汽,清洁剂和溶剂 存储容器 光刻胶的残留物去除方法：

6、去除方法：强氧化强氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入纯水 来源来源:在空气、水中迅速生长 导致的问题：导致的问题：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）接触孔底部的自然氧化层在钨和掺杂硅区接触孔底部的自然氧化层在钨和掺杂硅区域引起差的电接触域引起差的电接触在钨淀积前，自然氧化层生长在接触孔钨塞硅上有源区层间介质层间介质层间介质层间介质氧化层隔离接触4.2 4.2 沾污的源与控制沾污的源与控制Photograph courtesy of Advanced Micro Devices,main fa

7、b corridor 净化级别标定了净化间的空气质量级别，它是由净化室空气中的颗粒尺寸和密度表征的。表表6.2 6.2 美国联邦标准美国联邦标准209E209E中各净化间级别对空气漂浮颗粒的限制中各净化间级别对空气漂浮颗粒的限制近来已经开始使用0.1级，这时颗粒尺寸缩小到0.020.03m。净化间人员主要操作规程：净化间人员主要操作规程：u经过风淋和鞋清洁器u只把必需物品带入净化间u缓慢移动u保持所有的头部和面部以及 头发包裹。u保持超净服闭合。ULRe Re4000时流体为湍流(onflow)，Re7）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

8、作用RCA标准清洗标准清洗OHOHOHOHOHOHRCA clean is“standard process”used to remove organics,heavy metals and alkali ions.SC-2:HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080 C,10min 酸性（酸性（pH值值7）可以将碱金属离子及可以将碱金属离子及Al3、Fe3和和Mg2在在SC-1溶溶液中形成的不溶的氢氧化物反应成溶于水的络合物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（如可以进一步去除残留的重金属污染（如Au）RCA与超声波

9、振动共同作用，可以有更好的去颗粒作用与超声波振动共同作用，可以有更好的去颗粒作用2050kHz 或或 1MHz左右。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。表表4.3 4.3 硅片湿法清洗化学品硅片湿法清洗化学品现代芯片生产中硅片清洗工艺流程现代芯片生产中硅片清洗工艺流程化学溶剂化学溶剂清洗温度清洗温度清除的污染物清除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120 C,10min有机物和金属有机物和金属2D.I.H2O室温室温洗清洗清3NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5)(SC1)80 C,10min微尘微尘4D.I.H2O室温

10、室温洗清洗清5HCl+H2O2+H2O(1:1:6)(SC2)80 C,10min金属金属6D.I.H2O室温室温洗清洗清7HF+H2O(1:50)室温室温氧化层氧化层8D.I.H2O室温室温洗清洗清9干燥干燥机器人自动清洗机机器人自动清洗机清洗容器和载体清洗容器和载体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（不能用于HF清洗中）常见清洗设备常见清洗设备兆声清洗兆声清洗喷雾清洗喷雾清洗兆声清洗兆声清洗喷雾清洗优点：持续供给新鲜清洗液，高速优点：持续供给新鲜清洗液，高速冲击的液滴和

11、硅片旋转可保证有效冲击的液滴和硅片旋转可保证有效清洗。清洗。缺点：清洗不均匀，中心旋转为缺点：清洗不均匀，中心旋转为零。零。优点：可批处理进行清洗；节省清洗液用优点：可批处理进行清洗；节省清洗液用量。量。缺点：可能造成清洗损伤。缺点：可能造成清洗损伤。洗刷器洗刷器水清洗干燥水清洗干燥溢流清洗溢流清洗排空清洗排空清洗喷射清洗喷射清洗加热去离子水清洗加热去离子水清洗旋转式甩干旋转式甩干IPA异丙醇蒸气干燥异丙醇蒸气干燥缺点：单片操作，效率缺点：单片操作，效率低，难以实现批处理。低，难以实现批处理。湿法清洗的问题（湿法清洗的问题（1）表面粗糙度表面粗糙度：清洗剂、金属清洗剂、金属污染对硅表面造成腐蚀

12、，从污染对硅表面造成腐蚀，从而造成表面微粗糙化。而造成表面微粗糙化。SC-1中，中，NH4OH含量高，会对硅含量高，会对硅造成表面腐蚀和损伤。造成表面腐蚀和损伤。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。Ra(nm)Mixing ratio of NH4OH(A)in NH4OH+H2O2+H2O solution (A:1:5,A1)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Wu et al.,EDL 25,289(2004).Surface roughness(nm)Surface roughness(nm)不同清洗（腐蚀）方法

13、与表面粗糙度不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度Surface roughness(nm)Ebd(MV/cm)表面粗糙度降低了击穿场强表面粗糙度降低了击穿场强颗粒的产生颗粒的产生较难干燥较难干燥价格价格化学废物的处理化学废物的处理和先进集成工艺的不相容和先进集成工艺的不相容湿法清洗的问题（湿法清洗的问题（2）工艺线宽减小工艺线宽减小大量高堆叠式和大量高堆叠式和深沟槽式结构深沟槽式结构先先进进集集成成工工艺艺带带来来的的清清洗洗问问题题 现在已经研究出几种可以取代RCA清洗的清洗技术,像等离子体干法清洗、使用螯合剂、臭氧、低温喷雾清洗等,但在工业生产上还未大量应用。4.4 RCA4.4 RCA湿法清

14、洗的替代方案湿法清洗的替代方案干法清洗工艺干法清洗工艺气相化学，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HFH2O气相清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2Ar等离子清洗热清洗EDTAEDTA螯合剂具有以下几螯合剂具有以下几个优点：个优点：1.1.螯合能力强螯合能力强 除碱金除碱金属以外，能与几乎所有属以外，能与几乎所有的金属离子形成稳定的的金属离子形成稳定的螯合物。螯合物。2.2.与金属离子形成的螯与金属离子形成的螯合物大多带有电荷，因合物大多带有电荷，因此易溶于水此易溶于水3.3.由于由于EDTAEDTA与金属离子与金属离子螯合可形成螯合可形成5 5个五元环，个五元环，故生成的螯合物十分稳故生成的螯合物十分稳定。定。CaY2-的结构的结构