第三章半导体制造中的化学品
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• 许多工艺气体都具有剧毒性、腐蚀性、活 性和自燃。因此，在硅片厂气体是通过气 体配送（BGD）系统以安全、清洁和精确 的方式输送到不同的工艺站点。
通用气体：对气体供应商来说就是相对简 单的气体。被存放在硅片制造厂外面大型 存储罐里。
常分为惰性、还原性和氧化性三种气体。
①惰性 N2，Ar，He ②还原性 H2 ③氧化性 O2
真空，一般来说，压力低于标准大气压就 认为是真空。真空条件用压力单位来衡量。
蒸发和溅射都工作在真空环境。
3.冷凝和汽化 • 冷凝：气体变成液体的过程被称作冷凝
• 汽化：从液体变成气体的相反过程叫做汽 化
• 吸收：气体或液体进入其他材料的主要方 式
• 吸附：气体或液体被束缚在固体表面，被 吸附的分子通过化学束缚或者物理吸引这 样的弱束缚黏在物体表面
a.NaOH 湿法刻蚀 b.NH4OH 清洗剂
c.KOH 正性光刻胶显影剂
d.TMAH（氢氧化四甲基铵） 同上
③溶剂：是一种能够溶解其他物质形成溶液的物质。
半导体制造中常用的溶剂：
a.去离子水 清洗剂
b.异丙醇 同上
c.三氯乙烯 同上
d.丙酮
同上
e.二甲苯
同上
源自文库
• 去离子水
它里面没有任何导电的离子，PH值为7， 是中性的。能够溶解其他物质，包括许多 离子化合物和共价化合物。通过克服离子 间离子键使离子分离，然后包围离子，最 后扩散到液体中。
常用特种气体有：
①氢化物
SiH4 气相淀积工艺的硅源 AsH3 掺杂的砷源 PH3 掺杂的磷源 B2H6 掺杂的硼源
②氟化物 NF3,C2F4,CF4 等离子刻蚀工艺中 的氟离子源
WF6 金属淀积工艺中的钨源 SiF4 淀积、注入、刻蚀工艺中
的硅和氟离子源
③酸性气体 ClF3 工艺腔体清洁气体 BF3 ，BCl3 掺杂的硼源 Cl2 金属刻蚀中氯的来源
如果两个热膨胀系数相差很大的物体结合在 一起，然后加热，由于两种材料以不同的 速率膨胀导致它们彼此推拉，产生应力。 会使硅片弯曲，在半导体制造过程中，非 常重视这种应力。确保材料的最小应力可 以改善芯片的可靠性。
3.4化学品在半导体制造中的状态 三种状态：液态，固态和气态。 用途有： ✓ 用湿法化学溶液和超净的水清洗硅片 表面 ✓ 用高能离子对硅片进行掺杂得到P型或N型硅 ✓ 淀积不同的金属导体层以及导体层之间的介
④其他 HCL 工艺腔体清洁气体和去污剂
NH3 工艺气体 CO 刻蚀工艺中
2、气体
在半导体制造过程中，全部大约450道工艺 中大概使用了50种不同种类的气体。由于 不断有新的材料比如铜金属互连技术被引 入到半导体制造过程中，所以气体的种类 和数量是不断发生变化的。
通常分为两类：通用气体和特种气体
• 所有气体都要求有极高的纯度：通用气体 控制在7个9以上的纯度；特种气体则要控 制在4个9以上的纯度。
3.1物质形态 三种基本形态：固态、液态和气态 固体有其自己固定的形状，不会随容器的形 状而改变。 液体会填充容器的相当于液体体积大小的区 域，并会形成表面。 气体会填充整个容器，不会形成表面。
• 活性气体如氢气和氧气，容易与其他气体或元素 反应形成稳定的化合物。
• 惰性气体如氦气和氩气，很难形成化合物，不与 其他化学材料反应，广泛应用于半导体制造业。
• 在硅片加工厂液态工艺用化学品主要有以 下几类：酸、碱、溶剂
①酸
以下是一些在硅片加工中常用的酸及其用 途：
a.HF 刻蚀二氧化硅及清洗石英器皿 b.HCL 湿法清洗化学品，2号标准液一部分
c.H2SO4 清洗硅片 d.H3PO4 刻蚀氮化硅 e.HNO3 刻蚀PSG ②碱
在半导体制造中通常使用的碱性物质
在半导体中这个概念用来衡量液体均匀涂 在晶圆表面的粘附能力。
7.热膨胀：当一个物体被加热时，由于原子 振动加剧，它的体积就会发生膨胀。
衡量材料热膨胀大小的参数是热膨胀系数。 非晶材料的热膨胀是各向同性的，而所有 晶体材料，比如单晶，热膨胀是各向异性 的。
8.应力：当一个物体受到外力作用时，就会 产生应力。 在晶圆中有多种原因可导致应力的产生。 ①硅片表面的物理损伤 ②位错，多余的空隙和杂质产生的内力 ③外界材料生长
特种气体：指供应量相对较少的气体。比 通用气体更危险，是制造中所必须的材料 来源。
大多数是有害的，如HCL和CL2具有腐蚀性， 硅烷会发生自燃，砷化氢和磷化氢有毒， WF6具有极高的活性。 通常用100磅的金属容器（钢瓶）运送到硅 片厂。钢瓶放在专用的储藏室内。
特种气体的分类：氢化物、氟化物或酸性气 体。
硅晶圆制造中需要处理很多在高温下的情 况，比如需要加热来影响化学反应（如改 变化学反应速度）或者对硅单晶结构退火 使原子重新排列。
存在三种温标：华氏温标（℉），摄氏温 标（℃）和绝对温标或开氏温标（K）。
2.压强和真空
压强=压力/面积，在半导体制造中被广泛使 用的属性。化学品和气体都是从高压向低 压区域流动的。
4.蒸汽压 在密闭容器中气体分子施加的压力，汽化和 冷凝的速率处于动态平衡。 5.升华和凝华 升华：固体直接变成气体的过程。 凝华：气体直接变成固体的过程
6.表面张力:当一滴液体在一个平面上，液滴 存在着一个接触表面积，液滴的表面张力 是增加接触表面积所需的能量。随着表面 积的增加，液体分子必须打破分子间的引 力，从液体内部运动到液体的表面，因此 需要能量。
半导体制造中的化学品
半导体制造在很大程度上是一种与化学有关的工 艺过程。高达20%工艺步骤是清洗和晶圆表面的 处理。 半导体工厂消耗大量的酸、碱、溶剂和水，为达 到精确和洁净的工艺，部分成本是由于化学品需 要非常高的纯度和特殊反应机理。 在硅片制造中使用的化学材料被称为工艺用化学 品，有不同种类的化学形态并且要严格控制纯度。
等离子体：第四种形态，当有高能电离的原
子或分子的聚集体存在时就会出现等离子体。
将一定的气体暴露在高能电场中就能诱发等
离子体。
3.2材料的属性 通过研究材料的属性，了解如何在半导体制造业中 使用它们。 有两类：化学属性和物理属性 物理属性：指那些通过物质本身而不需要与 其他物质相互作用而反映出来的性质。有熔点、沸 点、电阻率和密度等 化学属性：指通过与其他物质相互作用或相互转变 而反映出来的性质。有可燃性、反应性和腐蚀性。
质层 ✓ 生长薄的二氧化硅层作为MOS器件的栅极介质材
料
✓ 用等离子体增强刻蚀或湿法试剂有选择的去除材 料并在薄膜上形成所需的图形
1、液体
在半导体制造的湿法工艺步骤中使用了许 多种液体。在硅片加工厂减少使用化学品 是长期的努力。许多液体化学品都是非常 危险，需要特殊处理和销毁手段。另外， 化学品的残余不仅会沾污硅片，还会产生 蒸气通过空气扩散后沉淀在硅片表面。
3.3半导体制造中的化学属性
先进的IC制造商通常会使用新型材料来改 善芯片的性能并减小器件的特征尺寸。化 学品的一些属性对于理解新的半导体工艺 材料的存在有很重要的意义。
属性有：温度，密度，压强和真空，表面 张力，冷凝，热膨胀，蒸气压，应力，升 华和凝华
1.温度：是比较一个物质相对于另一个物质 是热还是冷的量度标准。
通用气体：对气体供应商来说就是相对简 单的气体。被存放在硅片制造厂外面大型 存储罐里。
常分为惰性、还原性和氧化性三种气体。
①惰性 N2，Ar，He ②还原性 H2 ③氧化性 O2
真空，一般来说，压力低于标准大气压就 认为是真空。真空条件用压力单位来衡量。
蒸发和溅射都工作在真空环境。
3.冷凝和汽化 • 冷凝：气体变成液体的过程被称作冷凝
• 汽化：从液体变成气体的相反过程叫做汽 化
• 吸收：气体或液体进入其他材料的主要方 式
• 吸附：气体或液体被束缚在固体表面，被 吸附的分子通过化学束缚或者物理吸引这 样的弱束缚黏在物体表面
a.NaOH 湿法刻蚀 b.NH4OH 清洗剂
c.KOH 正性光刻胶显影剂
d.TMAH（氢氧化四甲基铵） 同上
③溶剂：是一种能够溶解其他物质形成溶液的物质。
半导体制造中常用的溶剂：
a.去离子水 清洗剂
b.异丙醇 同上
c.三氯乙烯 同上
d.丙酮
同上
e.二甲苯
同上
源自文库
• 去离子水
它里面没有任何导电的离子，PH值为7， 是中性的。能够溶解其他物质，包括许多 离子化合物和共价化合物。通过克服离子 间离子键使离子分离，然后包围离子，最 后扩散到液体中。
常用特种气体有：
①氢化物
SiH4 气相淀积工艺的硅源 AsH3 掺杂的砷源 PH3 掺杂的磷源 B2H6 掺杂的硼源
②氟化物 NF3,C2F4,CF4 等离子刻蚀工艺中 的氟离子源
WF6 金属淀积工艺中的钨源 SiF4 淀积、注入、刻蚀工艺中
的硅和氟离子源
③酸性气体 ClF3 工艺腔体清洁气体 BF3 ，BCl3 掺杂的硼源 Cl2 金属刻蚀中氯的来源
如果两个热膨胀系数相差很大的物体结合在 一起，然后加热，由于两种材料以不同的 速率膨胀导致它们彼此推拉，产生应力。 会使硅片弯曲，在半导体制造过程中，非 常重视这种应力。确保材料的最小应力可 以改善芯片的可靠性。
3.4化学品在半导体制造中的状态 三种状态：液态，固态和气态。 用途有： ✓ 用湿法化学溶液和超净的水清洗硅片 表面 ✓ 用高能离子对硅片进行掺杂得到P型或N型硅 ✓ 淀积不同的金属导体层以及导体层之间的介
④其他 HCL 工艺腔体清洁气体和去污剂
NH3 工艺气体 CO 刻蚀工艺中
2、气体
在半导体制造过程中，全部大约450道工艺 中大概使用了50种不同种类的气体。由于 不断有新的材料比如铜金属互连技术被引 入到半导体制造过程中，所以气体的种类 和数量是不断发生变化的。
通常分为两类：通用气体和特种气体
• 所有气体都要求有极高的纯度：通用气体 控制在7个9以上的纯度；特种气体则要控 制在4个9以上的纯度。
3.1物质形态 三种基本形态：固态、液态和气态 固体有其自己固定的形状，不会随容器的形 状而改变。 液体会填充容器的相当于液体体积大小的区 域，并会形成表面。 气体会填充整个容器，不会形成表面。
• 活性气体如氢气和氧气，容易与其他气体或元素 反应形成稳定的化合物。
• 惰性气体如氦气和氩气，很难形成化合物，不与 其他化学材料反应，广泛应用于半导体制造业。
• 在硅片加工厂液态工艺用化学品主要有以 下几类：酸、碱、溶剂
①酸
以下是一些在硅片加工中常用的酸及其用 途：
a.HF 刻蚀二氧化硅及清洗石英器皿 b.HCL 湿法清洗化学品，2号标准液一部分
c.H2SO4 清洗硅片 d.H3PO4 刻蚀氮化硅 e.HNO3 刻蚀PSG ②碱
在半导体制造中通常使用的碱性物质
在半导体中这个概念用来衡量液体均匀涂 在晶圆表面的粘附能力。
7.热膨胀：当一个物体被加热时，由于原子 振动加剧，它的体积就会发生膨胀。
衡量材料热膨胀大小的参数是热膨胀系数。 非晶材料的热膨胀是各向同性的，而所有 晶体材料，比如单晶，热膨胀是各向异性 的。
8.应力：当一个物体受到外力作用时，就会 产生应力。 在晶圆中有多种原因可导致应力的产生。 ①硅片表面的物理损伤 ②位错，多余的空隙和杂质产生的内力 ③外界材料生长
特种气体：指供应量相对较少的气体。比 通用气体更危险，是制造中所必须的材料 来源。
大多数是有害的，如HCL和CL2具有腐蚀性， 硅烷会发生自燃，砷化氢和磷化氢有毒， WF6具有极高的活性。 通常用100磅的金属容器（钢瓶）运送到硅 片厂。钢瓶放在专用的储藏室内。
特种气体的分类：氢化物、氟化物或酸性气 体。
硅晶圆制造中需要处理很多在高温下的情 况，比如需要加热来影响化学反应（如改 变化学反应速度）或者对硅单晶结构退火 使原子重新排列。
存在三种温标：华氏温标（℉），摄氏温 标（℃）和绝对温标或开氏温标（K）。
2.压强和真空
压强=压力/面积，在半导体制造中被广泛使 用的属性。化学品和气体都是从高压向低 压区域流动的。
4.蒸汽压 在密闭容器中气体分子施加的压力，汽化和 冷凝的速率处于动态平衡。 5.升华和凝华 升华：固体直接变成气体的过程。 凝华：气体直接变成固体的过程
6.表面张力:当一滴液体在一个平面上，液滴 存在着一个接触表面积，液滴的表面张力 是增加接触表面积所需的能量。随着表面 积的增加，液体分子必须打破分子间的引 力，从液体内部运动到液体的表面，因此 需要能量。
半导体制造中的化学品
半导体制造在很大程度上是一种与化学有关的工 艺过程。高达20%工艺步骤是清洗和晶圆表面的 处理。 半导体工厂消耗大量的酸、碱、溶剂和水，为达 到精确和洁净的工艺，部分成本是由于化学品需 要非常高的纯度和特殊反应机理。 在硅片制造中使用的化学材料被称为工艺用化学 品，有不同种类的化学形态并且要严格控制纯度。
等离子体：第四种形态，当有高能电离的原
子或分子的聚集体存在时就会出现等离子体。
将一定的气体暴露在高能电场中就能诱发等
离子体。
3.2材料的属性 通过研究材料的属性，了解如何在半导体制造业中 使用它们。 有两类：化学属性和物理属性 物理属性：指那些通过物质本身而不需要与 其他物质相互作用而反映出来的性质。有熔点、沸 点、电阻率和密度等 化学属性：指通过与其他物质相互作用或相互转变 而反映出来的性质。有可燃性、反应性和腐蚀性。
质层 ✓ 生长薄的二氧化硅层作为MOS器件的栅极介质材
料
✓ 用等离子体增强刻蚀或湿法试剂有选择的去除材 料并在薄膜上形成所需的图形
1、液体
在半导体制造的湿法工艺步骤中使用了许 多种液体。在硅片加工厂减少使用化学品 是长期的努力。许多液体化学品都是非常 危险，需要特殊处理和销毁手段。另外， 化学品的残余不仅会沾污硅片，还会产生 蒸气通过空气扩散后沉淀在硅片表面。
3.3半导体制造中的化学属性
先进的IC制造商通常会使用新型材料来改 善芯片的性能并减小器件的特征尺寸。化 学品的一些属性对于理解新的半导体工艺 材料的存在有很重要的意义。
属性有：温度，密度，压强和真空，表面 张力，冷凝，热膨胀，蒸气压，应力，升 华和凝华
1.温度：是比较一个物质相对于另一个物质 是热还是冷的量度标准。