半导体制造中沾污控制.ppt

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1、关于半导体制造中的沾关于半导体制造中的沾污控制污控制第一张，PPT共七十五页，创作于2022年6月本章内容本章内容n n沾污的类型，来源，后果，去除方法沾污的类型，来源，后果，去除方法n n硅片清洗，方案，流程，评估要点。硅片清洗，方案，流程，评估要点。n n先进的干法清洗方案介绍先进的干法清洗方案介绍第二张，PPT共七十五页，创作于2022年6月4.1 沾污的类型沾污的类型 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。第三张，PPT共七十五

2、页，创作于2022年6月现代现代IC fabs依赖三道防线来控制沾污依赖三道防线来控制沾污第四张，PPT共七十五页，创作于2022年6月三道防线三道防线: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）第五张，PPT共七十五页，创作于2022年6月净化间沾污分为五类n n颗粒n n金属杂质n n有机物沾污n n自然氧化层n n静电释放（ESD）第六张，PPT共七十五页，创作于2022年6月颗粒颗粒：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

3、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。第七张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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第八张，PPT共七十五页，创作于2022年6月颗粒的相对尺寸颗粒的相对尺寸 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

4、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第九张，PPT共七十五页，创作于2022年6月n n半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗略法则是它必须小于最小器件特征尺寸的一半。n n一道工序引入到硅片中超过某一关键尺寸的颗粒数，用术语表征为每步每片上的颗粒数（PWP）。n n在当前生产中应用的颗粒检测装置能检测到的最小颗粒直径约为0.1微米。第十张，PPT共七十五页，创作于2022年6月二二.金属沾污金属沾污n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。n量级：

5、量级：1010原子原子/cm2n影响：影响：n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n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第十一张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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第十二张，PPT共七十五页，创作于2022年6月n n金属杂质沉淀到硅表面的机理n n通过金属离子和硅表面终端的

6、氢原子之间的电荷交换，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）和硅结合。（难以去除）n n氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入n n去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子 M Mz+z e-n n去除溶液：SC-1,SC-2（H2O2：强氧化剂）还原氧化第十三张，PPT共七十五页，创作于2022年6月电负性电负性Cu+eCu-SiSi+eCu2-+2eCu第十四张，PPT共七十五页，创作于2022年6月反反应应优优先先向向左左作业作业2第十五张，PPT共七十五页，创作于2022年6月 金属离子在半导体材料中是高度活动性的，被称为可可

7、动动离离子子沾沾污污（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。对对于于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。第十六张，PPT共七十五页，创作于2022年6月 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+第十七张，PPT共七十五页，创作于2022年6月无关杂质的危害性无关杂质

8、的危害性当当tox10 nm，QM6.51011 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!作业作业1第十八张，PPT共七十五页，创作于2022年6月三三.有机物的玷污有机物的玷污n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n来源：来源：n环境中的有机蒸汽,清洁剂和溶剂n存

9、储容器n光刻胶的残留物n去除方法：去除方法：强氧化强氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入纯水第十九张，PPT共七十五页，创作于2022年6月四四.自然氧化层自然氧化层 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）第二十张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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

10、触第二十一张，PPT共七十五页，创作于2022年6月五五.静电释放静电释放 静电释放（ESDESD）也也是是一一种种形形式式的的污污染染，因因为为它它是是静静电电和和从从一一个个物物体体向向另另一一个个物物体体未未经经控控制制的的转转移移，可可能能损损坏坏芯芯片。片。ESDESD产生于两种不同静电势的材料接触或摩擦。半半导导体体制制造造中中，硅硅片片加加工工保保持持在在较较低低的的湿湿度度中中，典典型型条条件件为为404010的的相相相相对对对对湿湿湿湿度度度度（RH，Relative Relative HumidityHumidity）这这种种条条件件容容易易使使较较高高级级别别的的静静电电

11、荷荷生生成成。增增加加相相对对湿湿度度可可以以减减少少带带电电体体的的电电阻阻率率，有有助助于于静静电电荷荷的的释释放放，但但同同时也会增加侵蚀带来的沾污。时也会增加侵蚀带来的沾污。第二十二张，PPT共七十五页，创作于2022年6月静电释放带来的问题静电释放带来的问题n n静电释放导致金属导线蒸发，氧化层击穿。（总电量小，但是区域集中，放电时间短，导致高电流）n n电荷积累吸引带电颗粒或其他中性颗粒，引起后续沾污。第二十三张，PPT共七十五页，创作于2022年6月4.2 4.2 沾污的源与控制沾污的源与控制 半导体器件制造厂房存在7种沾污源：空气、人、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体和生产设备

12、。一一.空气空气 净化间最基本的概念是硅片工厂空气中的颗粒控制。我们通常所呼吸的空气是不能用于半导体制造的，因为它包含了太多的漂浮沾污。第二十四张，PPT共七十五页，创作于2022年6月硅片生产厂净化室硅片生产厂净化室Photograph courtesy of Advanced Micro Devices,main fab corridor第二十五张，PPT共七十五页，创作于2022年6月 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

13、制近来已经开始使用0.1级，这时颗粒尺寸缩小到0.020.03m。第二十六张，PPT共七十五页，创作于2022年6月二二.人人 人人员员持持续续不不断断地地进进出出净净化化间间，是是净净化化间间沾沾污污的的最最大大来源。来源。第二十七张，PPT共七十五页，创作于2022年6月 现代超净服是高技术膜纺织品或密织的聚酯织物。先进的材料对于0.1微米及更大尺寸的颗粒具有99.999%的效率级别。超净服的系统目标：n n1）对身体产生的颗粒和浮质的总体抑制；n n2）系统颗粒零释放；n n3）对ESD的零静电积累；n n4）无化学和生物残余物的释放。第二十八张，PPT共七十五页，创作于2022年6月净

14、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。第二十九张，PPT共七十五页，创作于2022年6月工艺线直击工艺线直击净化间净化间第三十张，PPT共七十五页，创作于2022年6月三厂房三厂房 为使半导体制造在一个超洁净的环境中进行，有必要采用系统方法来控制净化间区域的输入和输出。在净化间布局、气流流动模式、空气过滤系统、温度和湿度的设定、静电释放等方面都要进行完美的设计，同时尽可能减少通过设备、器具、人员、净化间供给引入的颗粒和持续监控净化间的颗粒，定期反馈信息及维护清洁。第三十一张，P

15、PT共七十五页，创作于2022年6月气流原理气流原理n n为实现净化间中的超净环境，气流种类是关键的。对于100级或一下的净化间，气流是层流层流状态，没有湍流湍流气流模式。n n垂直层流对于外界气压具有轻微的正压，充当了屏蔽以减少设备或人到暴露着的产品的横向沾污。第三十二张，PPT共七十五页，创作于2022年6月对于流体流动状态的描述对于流体流动状态的描述 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对硅有腐蚀作用RCA标准清洗标准清洗OHOHOHOHOHOHRCA clean is“standard pro

16、cess”used to remove organics,heavy metals and alkali ions.第四十九张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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溶液中溶液中形成的不溶的氢氧化物反应成溶于水的络合物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与超声波振动共同作用，可以有更好的去颗粒作用与超声波振动共

17、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。第五十张，PPT共七十五页，创作于2022年6月 表表4.3 4.3 硅片湿法清洗化学品硅片湿法清洗化学品第五十一张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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

18、)80 C,10min微尘微尘4D.I.H2O室温室温洗清洗清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干燥干燥第五十二张，PPT共七十五页，创作于2022年6月机器人自动清洗机机器人自动清洗机第五十三张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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）第

19、五十四张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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，高速冲击的优点：持续供给新鲜清洗液，高速冲击的液滴和硅片旋转可保证有效清洗。液滴和硅片旋转可保证有效清洗。缺点：清洗不均匀，中心旋转为零。缺点：清洗不均匀，中心旋转为零。优点：可批处理进行清洗；节省清洗液用量。优点：可批处理进行清洗；节省清洗液用量。缺点：可能造成清洗损伤。缺点：可能造成清洗损伤。第五十五张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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

20、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，效率低，缺点：单片操作，效率低，难以实现批处理。难以实现批处理。第五十六张，PPT共七十五页，创作于2022年6月Intelligen dispense systemIntelligen dispense system第五十七张，PPT共七十五页，创作于2022年6月n n硅片甩干硅片甩干：硅片对水的响应程度称为它的可湿性。水可浸润亲水性的洁净硅片上，而在疏水性表面上因为表面张力收缩为水珠，即反浸润。这样的水珠在干燥后会在硅片表面形成斑点。n n经过氢氟酸腐蚀的无氧化物表面由于氢终结了表面原经过氢氟酸腐蚀的无氧

21、化物表面由于氢终结了表面原子层因而是疏水性的。必须彻底干燥硅片表面。子层因而是疏水性的。必须彻底干燥硅片表面。n n旋转式甩干机：难以除去孔穴中的水分；高速旋转引起电荷积累吸引颗粒n n异丙醇蒸气干燥：异丙醇蒸气干燥：IPAIPA的纯度级别必须加以控制的纯度级别必须加以控制第五十八张，PPT共七十五页，创作于2022年6月工艺线直击工艺线直击硅片湿法清洗硅片湿法清洗第五十九张，PPT共七十五页，创作于2022年6月硅片清洗技术评价的主要指标硅片清洗技术评价的主要指标（1）微粗糙度（RMS）；（2）自然氧化物清除率；（3）金属沾污、表面颗粒度以及有机物沾污；（4）芯片的破损率；（5）清洗中的再沾

22、污；（6）对环境的污染；（7）经济的可接受性（包括设备与运行成本、清洗效率）等。第六十张，PPT共七十五页，创作于2022年6月湿法清洗的问题（湿法清洗的问题（1）表面粗糙度表面粗糙度：清洗剂、金属污清洗剂、金属污染对硅表面造成腐蚀，从而造染对硅表面造成腐蚀，从而造成表面微粗糙化。成表面微粗糙化。SC-1中，中，NH4OH含量高，会对硅造成表面含量高，会对硅造成表面腐蚀和损伤。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

23、,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第六十一张，PPT共七十五页，创作于2022年6月Wu et al.,EDL 25,289(2004).SiGe-gate/high-k/SiGe pMOSFETs第六十二张，PPT共七十五页，创作于2022年6月Surface roughness(nm)Surface roughness(nm)不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度第六十三张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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第六十

24、四张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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）第六十五张，PPT共七十五页，创作于2022年6月uu结构损伤程度加剧结构损伤程度加剧 uu清洗液难以进入深沟槽清洗液难以进入深沟槽uu清洗后干燥困难清洗后干燥困难uu颗粒去除有效率低颗粒去除有效率低uu容易腐蚀铜导线uu改变低改变低k k电介质的介电常数电介质的介电常数uu变低变低k电介质的电介常数工艺线宽减小工艺线宽减小大量高堆叠式和深大量高堆叠式和深沟槽式结构沟槽式结构先先进进集集成成工工艺艺带

25、带来来的的清清洗洗问问题题第六十六张，PPT共七十五页，创作于2022年6月 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湿法清洗的替代方案湿法清洗的替代方案第六十七张，PPT共七十五页，创作于2022年6月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等离子清洗热清洗第六十八张，PPT共七十五页，创作

26、于2022年6月4.4.1 4.4.1 等离子体基干法清洗等离子体基干法清洗n n等离子清洗有物理清洗和化学清洗（表面改性）两种方式。前者称为PE方式，后者称为RIE方式。将激发到等离子态的活性粒子与表面分子反应，而产物分析进一步解析形成气相残余物而脱离表面。n n目前等离子体技术已经用来除去有机光刻胶（灰化）和有机物沾污，是替代湿法化学方法的一种绿色手段，是被人们十分关注的根本治理污染的技术。第六十九张，PPT共七十五页，创作于2022年6月4.4.2 4.4.2 螯合剂螯合剂n n螯合剂用来结合并除去金属离子，加入到清洗液中，能够减少溶液中的金属再淀积。n n典型的螯合剂如乙二胺四乙酸（E

27、DTA）。这类螯合剂通常通过配位键与溶液中的金属离子达到非常稳定的结合，以实现金属与硅片表面的隔离。第七十张，PPT共七十五页，创作于2022年6月EDTAEDTA的化学结构式的化学结构式第七十一张，PPT共七十五页，创作于2022年6月EDTAEDTA螯合剂具有以下几个优螯合剂具有以下几个优点：点：1.1.螯合能力强螯合能力强 除碱金属以除碱金属以外，能与几乎所有的金属离外，能与几乎所有的金属离子形成稳定的螯合物。子形成稳定的螯合物。2.2.与金属离子形成的螯合物与金属离子形成的螯合物大多带有电荷，因此易溶于大多带有电荷，因此易溶于水水3.3.由于由于EDTAEDTA与金属离子螯合与金属离子

28、螯合可形成可形成5 5个五元环，故生成的个五元环，故生成的螯合物十分稳定。螯合物十分稳定。CaY2-的结构的结构第七十二张，PPT共七十五页，创作于2022年6月4.4.3 4.4.3 臭氧（臭氧（O O3 3）n n臭氧处理过的纯水结合紧随其后的SC-2清洗步骤能有效除去诸如铜（Cu）和银（Ag）这类金属，同时能去除有机物沾污。第七十三张，PPT共七十五页，创作于2022年6月 原理：充分冷却气体（如氩气Ar），形成固态晶粒，喷射到硅片表面除去颗粒沾污4.4.4 4.4.4 低温喷雾清洗低温喷雾清洗第七十四张，PPT共七十五页，创作于2022年6月感谢大家观看第七十五张，PPT共七十五页，创作于2022年6月