01圆片制备与硅片清洗


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第一章 晶圆制备与硅片清洗
晶圆制备 硅片清洗

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晶圆制备

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高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的 晶圆。 晶圆。 大直径的晶圆是由不断降低芯片成本的要 求驱动的。 求驱动的。 由于300mm(12寸)硅片比 由于 ( 寸 硅片比200mm(8寸) ( 寸 硅片的面积大2.25倍,可以大大降低集成电 硅片的面积大 倍 路的成本, 路的成本,相当于每个芯片的成本下降超 过30%,覆盖面可达到 ,覆盖面可达到100%。因此,在市 。因此, 场竞争激烈的领域应用较快, 场竞争激烈的领域应用较快,如DRAM产 产 品和逻辑电路领域。 品和逻辑电路领域。

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全球集成电路产业曾经历过多次向大尺寸 硅片转移的历史, 硅片转移的历史,由50、60mm向100mm(4 、 向 )、125mm(5寸)和150mm(6寸)的 寸)、 ( 寸 ( 寸 转移各花了大约三年时间。 转移各花了大约三年时间。 从150mm到200mm(8寸)的转移花了 年 到 ( 寸 的转移花了5年 时间, 时间,向300mm(12寸)转移的时间更长, ( 寸 转移的时间更长, 用了8年才达到 亿平方英寸硅片的产能。 年才达到1亿平方英寸硅片的产能 用了 年才达到 亿平方英寸硅片的产能。 今后将进一步向400mm,450mm发展。 , 发展。 今后将进一步向 发展

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这些晶圆的杂质含量水平必须非常低, 这些晶圆的杂质含量水平必须非常低,必须 杂质含量水平必须非常低 掺杂到指定的电阻率水平 必须是指定的晶 指定的电阻率水平, 掺杂到指定的电阻率水平,必须是指定的晶 体结构,必须是光学的平面, 体结构,必须是光学的平面,并达到许多机 光学的平面 械及清洁度的规格要求 。

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制造IC级的硅晶圆分四个阶段进行: 制造 级的硅晶圆分四个阶段进行: 级的硅晶圆分四个阶段进行 矿石到冶金级硅的转变 冶金级硅到电子级多晶硅的转变 多晶到单晶、掺杂晶棒的转变 多晶到单晶、 晶棒到晶圆的制备

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在第一阶段,将硅从沙土中提炼并纯化。 硅片制备 在第一阶段,将硅从沙土中提炼并纯化。经过特 殊工艺产生适当直径的硅锭(见图)。然后将硅锭切割成用 殊工艺产生适当直径的硅锭(见图)。然后将硅锭切割成用 )。 于制造微芯片的薄硅片。按照专用的参数规范制备硅片, 于制造微芯片的薄硅片。按照专用的参数规范制备硅片,例 如定位边要求和沾污水平。 如定位边要求和沾污水平。

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SC固+SO ( )? i( )+SO 气+C ( ) i ( ) i 2 固 S 固 i ( ) O气
冶金级硅( 冶金级硅(MGS):~ ):~98%

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S(固+3 C(气? i C 3(气+H (气 i ) H l ) SH l ) 2 )

2 i C 3(气+2 2(气? S(固+6 C(气 SH l ) H ) 2i ) Hl )
电子级硅( 电子级硅(EGS):杂质十亿分之一 )

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直拉( ) 直拉(CZ)法

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区熔( ) 区熔(FZ)法

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圆片准备: 圆片准备:
截断:将单晶棒去掉头尾 截断: 外圆研磨:使直径大小均匀、 外圆研磨:使直径大小均匀、合适 定向指示: 定向指示:沿晶锭纵轴方向研磨出一个或多个平


切片:内圆切片 切片: 去除切片导致的表面损伤(平整度~ 磨片:去除切片导致的表面损伤(平整度~2?m) 边缘轮廓整形(倒角) 边缘轮廓整形(倒角):将大圆片的边缘加工
成圆弧

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外圆研磨

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定向指示

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内圆切片

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边缘轮廓整形

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腐蚀:用硝酸、氢氟酸和醋酸混合液腐蚀, 腐蚀 用硝酸、氢氟酸和醋酸混合液腐蚀,去
除先前机械操作带来的污染和损伤
3 i +4 N 3 +1 H → HSF +4 O 8 2O S HO 8 F 3 2 i6 N +H

化学机械抛光( 化学机械抛光(CMP):得到平整的镜面表面 ) 刻写追踪标记

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硅片清洗

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硅片清洗的基本概念
颗粒 金属杂质 有机物 自然氧化层

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所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。 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 人体 设备 化学品

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/人 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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高效过滤 超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜: 孔过滤膜: 过滤大颗粒, 过滤大颗粒, 静电吸附小 颗粒

泵 循 环 系 统

20 40 排气除尘

22°C ° 46 RH

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净化级别:每立方英尺空气中含有尺度大于 ? 的粒子 净化级别:每立方英尺空气中含有尺度大于0.5?m的粒子 总数少于X个 总数少于 个。

0.5um

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From Intel Museum

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在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度(数目/ml) ULSI级化学试剂中的颗粒浓度 数目/ml) 级化学试剂中的颗粒浓度( >0.2?m NH4OH H2O2 HF HCl H2SO4 130-240 20-100 0-1 2-7 180-1150 >0.5?m 15-30 5-20 0 1-2 10-80

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粒子附着的机理:静电力,范德华力, 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: 去除的机理有四种:
1?溶解? ?溶解? 2?氧化分解? ?氧化分解? 3?对硅片表面轻微的腐蚀去除? ?对硅片表面轻微的腐蚀去除? 4 粒子和硅片表面的电排斥

去除方法: 去除方法:SC-1, megasonic(超声清洗) (超声清洗)

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金属的玷污
来源:化学试剂,离子注入、 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 量级: 原子
Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti… Na, K, Li…

影响: 影响: 在界面形成缺陷,影响器件性能, 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 结的漏电流, 增加 结的漏电流,减少少数载流子的寿命

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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 9 Fe Ni Cu 10 11 12 Log (concentration/cm2) 13

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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) 。(难以去除 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 氧化时发生:硅在氧化时,

去除方法: 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: 强氧化剂) 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: 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: 去除方法:强氧化 - 臭氧干法 - Piranha:H2SO4-H2O2 : - 臭氧注入纯水

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自然氧化层(Native Oxide)
在空气、 在空气、水中迅速生长 带来的问题: 带来的问题:
接触电阻增大 难实现选择性的CVD或外延 难实现选择性的 或外延 成为金属杂质源 难以生长金属硅化物

清洗工艺: + 清洗工艺:HF+H2O (DHF ca. 1: 50)

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硅片清洗
Piranha(SPM:sulfuric/peroxide mixture) ( : ) H2SO4(98%):H2O2(30%)=2:1~4:1 % % 把光刻胶分解为CO2+H2O 把光刻胶分解为 金属 适合于几乎所有有机物) (适合于几乎所有有机物) 氧等离子体干法刻蚀: 氧等离子体干法刻蚀:把光刻胶分解 为气态CO2+H2O 为气态 适用于大多数高分子膜) (适用于大多数高分子膜) 注意: 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( 前端工艺(FEOL)的清洗尤为重要 )

有机物/光刻 有机物 光刻 胶的两种清 除方法: 除方法:

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RCA——标准清洗 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( 值 ) ~ ° 碱性(pH值>7) 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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SC-2(HPM, Hydrochloric Peroxide Mixture ): HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8 70~80°C, 10min 酸性( 值 ) ~ ° 酸性(pH值<7)
+ + 可以将碱金属离子及Al + 可以将碱金属离子及 3+、Fe3+和Mg2+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 可以进一步去除残留的重金属污染( 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 与超声波振动共同作用, 与超声波振动共同作用 20~50kHz 或 1MHz左右。 左右。 ~ 左右
平行于硅片表面的声压波使粒子浸润, 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, 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。 并成为悬浮的自由粒子。

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现代RCA的硅片清洗工艺 的硅片清洗工艺 现代
化学溶剂
1 2 3 4 5 6 7 8 9

清洗温度
120°C,10min °

清除的污染物 有机污染物 洗清 微尘 洗清 金属离子 洗清 氧化层 洗清 干燥

H2SO4+H2O2(4:1) D.I. H2O NH4OH+H2O2+H2O (1:1:5) (SC-1) - D.I. H2O HCl+H2O2+H2O (1:1:6) (SC-2) - D.I. H2O HF+H2O (1:50) D.I. H2O

室温 80°C,10min ° 室温 80°C,10min ° 室温 室温 室温

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其它先进湿法清洗工艺,如Ohmi
From IMEC (Interuniversity Microelectronic Center) (1) H2O + O3 (<1 ppb) 去除有机物 (2) NH4OH +H2O2 +H2O (0.05:1:5) 去除颗粒、 去除颗粒、有机物和金属 (3) HF (0.5%) +H2O2 (10%) 天然氧化层和金属 (4) DI H2O清洗(>18M?-cm) 清洗( 清洗 ?

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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 石英( 容器 HF – 优先使用 优先使用Teflon,其他无色塑料容器也行。 ,其他无色塑料容器也行。 硅片的载体 – 只能用Teflon 或石英片架 只能用

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清洗设备
超声清洗 喷雾清洗

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洗刷器

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湿法清洗的问题( ) 湿法清洗的问题(1)
表面粗糙度:清洗剂、 表面粗糙度:清洗剂、金属污染对硅表 面造成腐蚀,从而造成表面微粗糙化。 面造成腐蚀,从而造成表面微粗糙化。 SC-1中,NH4OH含量高,会对硅造成 含量高, 中 含量高 表面腐蚀和损伤。 表面腐蚀和损伤。

降低沟道内载流子的迁 移率, 移率,对热氧化生长的 栅氧化物的质量、 栅氧化物的质量、击穿 电压都有破坏性的影响。 电压都有破坏性的影响。

降低微粗糙度的方法: 降低微粗糙度的方法: ?减少 4OH的份额 减少NH 减少 的份额 ?降低清洗温度 降低清洗温度 ?减少清洗时间 减少清洗时间

Surface roughness (nm)

不同清洗(腐蚀) 不同清洗(腐蚀)方法与表面粗糙度

Surface roughness (nm)

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Ebd (MV/cm)

Surface roughness (nm)

表面粗糙度降低了击穿场强

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湿法清洗的问题(2) 湿法清洗的问题( )
颗粒的产生 较难干燥 价格 化学废物的处理 和先进集成工艺的不相容

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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。 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, 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, 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 HF/H2O气相清洗 / 气相清洗 紫外一臭氧清洗法 (UVOC) ) H2/Ar等离子清洗 等离子清洗 热清洗

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吸杂 把重金属离子和碱金属离子从有源区引导到不重要 的区域。 的区域。 吸杂三步骤: 吸杂三步骤 杂质元素从原有陷阱中被释放, 杂质元素从原有陷阱中被释放,成为可动原子 杂质元素扩散到吸杂中心 杂质元素被吸杂中心俘获

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硅中深能级杂质( 中心) 硅中深能级杂质(SRH中心) 中心

扩散系数大 容易被各种机械缺陷和化学陷阱区域俘获

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碱金属离子的吸杂: 碱金属离子的吸杂: PSG——可以束缚碱金属离子成为稳定的化合物 可以束缚碱金属离子成为稳定的化合物 超过室温的条件下,碱金属离子即可扩散进入PSG 超过室温的条件下,碱金属离子即可扩散进入 超净工艺+ 钝化保护——抵挡碱金属离子的进入 超净工艺+Si3N4钝化保护 抵挡碱金属离子的进入

其他金属离子的吸杂: 其他金属离子的吸杂: 本征吸杂—— 使硅表面 -20?m范围内氧原子扩 使硅表面10- ? 范围内氧原子扩 本征吸杂 散到体硅内,而硅表面的氧原子浓度降低至10ppm以 散到体硅内,而硅表面的氧原子浓度降低至10ppm以 的凝结成为吸杂中心。 利用体硅中的SiO2的凝结成为吸杂中心。 下。利用体硅中的 非本征吸杂——利用在硅片背面形成损伤或生长一 利用在硅片背面形成损伤或生长一 非本征吸杂 层多晶硅,制造缺陷成为吸杂中心。 层多晶硅,制造缺陷成为吸杂中心。在器件制作过程 中的一些高温处理步骤,吸杂自动完成。 中的一些高温处理步骤,吸杂自动完成。

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本征吸杂工艺更易控制 造成的损伤范围大 距有源区更近 缺陷热稳定性好
1300 温度(C) 1100 900 700 500 时间(h)

方法: 方法:外延或热循环处理

外扩散 沉淀析出

凝结成核

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