【半导体清洗】半导体第五讲硅片清洗(4课时)
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0.5um
7
排气除尘
8
高效过滤
超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜： 过滤大颗粒， 静电吸附小 泵 颗粒 循 环 系 统
20～22 C 40～46％RH
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＝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
$1107
3.8%
1000100 $50 52
年开支=年产能 为1亿3千万
1000×100×52×$50×50%
=$130,000,000
产率提高3.8%，将带来年利润1千万美元！
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
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 clean is
OH－
OH－
OH－
OH－OH－
OH－
“standard process” used to remove organics,
heavy metals and
alkali ions.
22
SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8 70～80 C, 10min 酸性（pH值<7）
干法刻蚀 去胶 水汽氧化
9
Fe Ni Cu
10
11
12
13
Log (concentration/cm2)
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
氧化
➢ M 还原 Mz+ + z e-
=0
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
风淋吹扫、防护服、面罩、 手套等，机器手/人
超纯化学品 去离子水
特殊设计及材料 定期清洗
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 ❖2 ❖3 ❖ 4 粒子和硅片表面的电排斥 ❖去除方法：SC-1, megasonic（超声清洗）
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 20～50kHz 或 1MHz左右。
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
21
RCA——标准清洗
SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：
NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7
70～80 C, 10min
碱性（pH值>7）
可以氧化有机膜
净化级别 高效净化
杂质种类：颗粒、有机 物、金属、天然氧化层
本征吸杂和非本 征吸杂
强氧化
HF:DI H2O
三道防线: 环境净化（clean room） 硅片清洗（wafer cleaning） 吸杂（gettering）
4
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。
➢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：H2SO4-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：HF＋H2O（ca. 1: 50）
15
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
金属的玷污
➢ 来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺
➢ 量级：1010原子/cm2
Fe, Cu, Ni,
Cr, W, Ti…
Na, K, Li…
➢ 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
16
不同工艺过程引入的金属污染
离子注入
Vth VFB 2 f
2 sqNA (2 f ) qQM
Cox
Cox
当tox＝10 nm，QM＝6.5×1011 cm-2（ 10 ppm)时，DVth＝0.1 V
例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求
G
1
vth Nt
＝10－15 cm2，vth=107 cm/s 若要求G＝100 ms，则Nt1012 cm-
硅片背面高浓 度掺杂，淀积 多晶硅
本节课主要内容
净化的必要性
器件：少子寿命 ，VT改变， Ion Ioff ，栅击穿电压 ，可 靠性 电路：产率 ，电路性能
净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂
The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.
硅片清洗技术
第五讲
1
2
本节课主要内容
硅片清洗 湿法清洗：Piranha，RCA（SC－1，SC－2），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。
2、硅片清洗
有机物/光刻 胶的两种清 除方法：
20
SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98％):H2O2(30％)=2:1~4:1 把光刻胶分解为CO2＋H2O （适合于几乎所有有机物）
氧等离子体干法刻蚀：把光刻胶分解 为气态CO2＋H2O （适用于大多数高分子膜）
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排气除尘
8
高效过滤
超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜： 过滤大颗粒， 静电吸附小 泵 颗粒 循 环 系 统
20～22 C 40～46％RH
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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＝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
$1107
3.8%
1000100 $50 52
年开支=年产能 为1亿3千万
1000×100×52×$50×50%
=$130,000,000
产率提高3.8%，将带来年利润1千万美元！
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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
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 clean is
OH－
OH－
OH－
OH－OH－
OH－
“standard process” used to remove organics,
heavy metals and
alkali ions.
22
SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8 70～80 C, 10min 酸性（pH值<7）
干法刻蚀 去胶 水汽氧化
9
Fe Ni Cu
10
11
12
13
Log (concentration/cm2)
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➢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
氧化
➢ M 还原 Mz+ + z e-
=0
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
风淋吹扫、防护服、面罩、 手套等，机器手/人
超纯化学品 去离子水
特殊设计及材料 定期清洗
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 ❖2 ❖3 ❖ 4 粒子和硅片表面的电排斥 ❖去除方法：SC-1, megasonic（超声清洗）
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 20～50kHz 或 1MHz左右。
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
21
RCA——标准清洗
SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：
NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7
70～80 C, 10min
碱性（pH值>7）
可以氧化有机膜
净化级别 高效净化
杂质种类：颗粒、有机 物、金属、天然氧化层
本征吸杂和非本 征吸杂
强氧化
HF:DI H2O
三道防线: 环境净化（clean room） 硅片清洗（wafer cleaning） 吸杂（gettering）
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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。
➢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：H2SO4-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：HF＋H2O（ca. 1: 50）
15
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
金属的玷污
➢ 来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺
➢ 量级：1010原子/cm2
Fe, Cu, Ni,
Cr, W, Ti…
Na, K, Li…
➢ 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
16
不同工艺过程引入的金属污染
离子注入
Vth VFB 2 f
2 sqNA (2 f ) qQM
Cox
Cox
当tox＝10 nm，QM＝6.5×1011 cm-2（ 10 ppm)时，DVth＝0.1 V
例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求
G
1
vth Nt
＝10－15 cm2，vth=107 cm/s 若要求G＝100 ms，则Nt1012 cm-
硅片背面高浓 度掺杂，淀积 多晶硅
本节课主要内容
净化的必要性
器件：少子寿命 ，VT改变， Ion Ioff ，栅击穿电压 ，可 靠性 电路：产率 ，电路性能
净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂
The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.
硅片清洗技术
第五讲
1
2
本节课主要内容
硅片清洗 湿法清洗：Piranha，RCA（SC－1，SC－2），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。
2、硅片清洗
有机物/光刻 胶的两种清 除方法：
20
SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98％):H2O2(30％)=2:1~4:1 把光刻胶分解为CO2＋H2O （适合于几乎所有有机物）
氧等离子体干法刻蚀：把光刻胶分解 为气态CO2＋H2O （适用于大多数高分子膜）