半导体第五讲硅片清洗(4课时)

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:
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.
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外来杂质的危害性 例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响
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 clean is “standard process” OH－ － OH － used to remove OH OH－ OH－ organics, OH－ heavy metals and alkali ions.
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清洗设备
超声清洗 喷雾清洗
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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
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）
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
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RCA——标准清洗 SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7 70～80C, 10min 碱性（pH值>7）
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A式清洗程序
A式清洗是早期工艺技术(3 μ 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:
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）
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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
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 净化级别 高效净化 杂质种类：颗粒、有机 天然氧化层 物、金属、天然氧化层
The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.
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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）
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2、硅片清洗
有机物/光刻 胶的两种清 除方法：
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）
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
$1 10 3. 8% 1000 100 $50 52
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年开支=年产能 为1亿3千万 1000×100×52×$50×50% =$130,000,000
去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子
M
氧化 还原
Mz+ + z e-
去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂）
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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
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不同工艺过程引入的金属污染
离子注入 干法刻蚀 去胶 水汽氧化 Fe Ni Cu
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10 11 12 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
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+3H2O→2H3BO3 • P2O5+3H2O→2H3PO4
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• 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:
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常用的RCA清洗程序
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• 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:
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改良式RCA清洗程序
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• 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。
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，其清洗程序 如表所示:
2 s qNA (2 f ) qQM Vth VFB 2 f 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
1 G vth Nt
＝10－15 cm2，vth=107 cm/s 若要求G＝100 ms，则Nt1012 cm-3
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SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8 70～80C, 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 20～50kHz 或 1MHz左右。
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B式清洗程序
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•
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。
本征吸杂和非本 征吸杂 强氧化
HF:DI H2O
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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
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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
HF终结B式清洗
• 当工艺技术精进到0.5 μm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:
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பைடு நூலகம்0
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FPM ( HF+H2O2)或HF + IPA ,以去除微粒及 金属杂质、改良表面微粗糙度
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硅片清洗技术
第五讲
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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。
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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
20～22C 40～46％RH 排气除尘
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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。
=0.02 ppb !!
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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 特殊设计及材料 定期清洗 超纯化学品 去离子水
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各种可能落在芯片表面的颗粒
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粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等
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。
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机器人自动清洗机
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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
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。
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湿式清洗程序
• 湿式清洗程序(wet clean recipes)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。
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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。