半导体第五讲硅片清洗(4课时)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体第五讲硅片清洗(4课时),半导体第五讲硅片清洗(4课时),2,本节课主要内容,硅片清洗,湿法清洗：,Piranha,，,RCA,（,SC,1,，,SC,2,），,HF:H,2,O,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,Si,3,N,4,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,SiO,2,的成核生长。,硅片背面高浓度掺杂，淀积多晶硅,4本节课主要内容硅片清洗吸杂三步骤：激活，扩散，俘获SiO2,净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂,本节课主要内容,净化级别,高效净化,净化的必要性,器件：少子寿命,，,V,T,改变，,I,on, I,off,，栅击穿电压，可靠性,电路：产率,，电路性能,The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside,“good” die.,Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.,杂质种类：颗粒、有机物、金属、天然氧化层,强氧化,天然氧化层,HF:DI H,2,O,本征吸杂和非本征吸杂,净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂本节课主要内容净化级别净,4,三道防线,:,环境净化（,clean room,）,硅片清洗（,wafer cleaning,）,吸杂（,gettering,）,6三道防线:,5,1,、空气净化,From Intel Museum,71、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,0.5,m,m,的粒子总数不超过,X,个。,0.5um,8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,7,9,8,高效过滤,排气除尘,超细玻璃纤维构成的多孔过滤膜：过滤大颗粒，静电吸附小颗粒,泵循环系统,20,22,C,40,46,RH,10高效过滤排气除尘超细玻璃纤维构成的多孔过滤膜：过滤大颗粒,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,产率提高,3.8%,，将带来年利润,1,千万美元！,年开支,=,年产能,为,1,亿,3,千万,1000,10052$5050%,=$130,000,000,11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,10,Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions.,12Contaminants may consist of,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,当,t,ox,10 nm,，,Q,M,6.510,11,cm,-2,（,10 ppm),时，,D,V,th,0.1 V,例,3. MOS DRAM,的刷新时间对重金属离子含量,N,t,的要求,10,15,cm,2,，,v,th,=10,7,cm/s,若要求,G,100,m,s,，则,N,t,10,12,cm,-3,=0.02 ppb,!,13外来杂质的危害性例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响,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,特殊设计及材料,定期清洗,超纯化学品,去离子水,14颗粒粘附颗粒来源：超级净化空气风淋吹扫、防护服、面罩、手,13,各种可能落在芯片表面的颗粒,15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,氧化分解,2,溶解,3,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：,SC-1, megasonic,（超声清洗）,16粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等,15,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：,10,10,原子,/cm,2,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,Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti,Na, K, Li,17金属的玷污来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺F,16,不同工艺过程引入的金属污染,干法刻蚀,离子注入,去胶,水汽氧化,9,10,11,12,13,Log (concentration/cm,2,),Fe Ni Cu,18不同工艺过程引入的金属污染干法刻蚀离子注入 去胶水汽氧化,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,M,M,z+,+ z e,-,去除溶液：,SC-1, SC-2,（,H,2,O,2,：强氧化剂）,还原,氧化,19金属杂质沉淀到硅表面的机理还原氧化,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,：,H,2,SO,4,-H,2,O,2, 臭氧注入纯水,20有机物的玷污来源：,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,H,2,O,（,ca. 1: 50,）,21自然氧化层（Native Oxide）在空气、水中迅速生,20,2,、硅片清洗,有机物,/,光刻胶的两种清除方法：,氧等离子体干法刻蚀：把光刻胶分解为气态,CO,2,H,2,O,（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,SPM,：,sulfuric/peroxide mixture,H,2,SO,4,(98,):H,2,O,2,(30,)=2:14:1,把光刻胶分解为,CO,2,H,2,O,（适合于几乎所有有机物）,222、硅片清洗有机物/光刻胶的两种清除方法：氧等离子体干法,21,SC-1,（,APM,，,Ammonia Peroxide Mixture,）：,NH,4,OH(28%):H,2,O,2,(30%):DIH,2,O=1:1:5,1:2:7,70,80,C, 10min,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,NH,4,OH,对硅有腐蚀作用,RCA,标准清洗,OH,OH,OH,OH,OH,OH,RCA clean is “standard process” used to remove organics,heavy metals and alkali ions.,23SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mi,22,SC-2:,HCl(73%):H,2,O,2,(30%):DIH,2,O=1:1:61:2:8,70,80,C, 10min,酸性（,pH,值,7,）,可以将碱金属离子及,Al,3,、,Fe,3,和,Mg,2,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。,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。,24SC-2: RCA与超声波振动共同作用，可以有更好的去颗,23,机器人自动清洗机,25机器人自动清洗机,24,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,26清洗容器和载体,25,清洗设备,超声清洗,喷雾清洗,27清洗设备超声清洗喷雾清洗,26,洗刷器,28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 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。,27,湿法清洗传统RCA湿式化学清洗技术(wet chemical,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。,28,湿式清洗程序湿式清洗程序(wet clean recipe,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:,29,1.RCA清洗程序31,30,常用的,RCA,清洗程序,32常用的RCA清洗程序,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=H,2,SO,4,+H,2,O,2, SOM=H,2,SO,4,+O,3,),这样的清洗程序称为改良式,RCA,清洗。清洗程序如表所示,:,31,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,32,改良式,RCA,清洗程序,34改良式RCA清洗程序,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。,33,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,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:,34,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,35,A,式清洗程序,A,式清洗是早期工艺技术,(3,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。,37A式清洗程序A式清洗是早期工艺技术(3 m以上)中常,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,:,36,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,37,B,式清洗程序,39B式清洗程序,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。,38,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,HF终结B式清洗,当工艺技术精进到0.5 m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:,39,HF终结B式清洗当工艺技术精进到0.5 m以下时，栅极氧化,40,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,42HF终结B式清洗程序为了避免第9步DHF浸蚀时产生 新,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:,41,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,42,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。,44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,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,:B,2,O,3,+3H,2,O2H,3,BO,3,P,2,O,5,+3H,2,O2H,3,PO,4,43,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。,44,同时沉积后的,PSG,或,BPSG,经高温致密化及回流后，也会析出成分为,P,2,O,5,及,B,2,O,3,的一层很薄的透明结晶玻璃，需经硫酸清洗以溶去磷、硼玻璃。 在全面离子注人的过程中，虽然晶片表面没有光刻胶覆盖，但晶片表面在离子注人时也会沉积一层聚合物，因此，需通过硫酸清洗去除这层有机物污染。,SPM,清洗后，晶片表面会有微粒产生，因此常在,SPM,清洗后再加上,SC1,清洗以去除微粒。其清洗程序如上表所示。,46同时沉积后的PSG或BPSG经高温致密化及回流后，也会析,湿式化学清洗工艺技术,在湿式化学清洗工艺技术中，主要有三种不同形式的清洗机台，各种机台有其不同的优缺点及应注意考查的标准，下面对各种清洗设备说明如下，以供参考。,45,湿式化学清洗工艺技术在湿式化学清洗工艺技术中，主要有三种不,浸洗式化学清洗站,这种化学清洗技术已经完全属于自动化控制，操作员只要将欲清洗的晶片连同晶舟放置在清洗站的输入端（,input stage),即可进行清洗。为了增加产量，一般均设计两个晶舟，每个晶舟可装,25,片晶片。如晶片不足，则用伪片补满或平均分配，使两个晶舟装有相同的晶片数，以便两边负重平衡。这样，在旋干时，才不会因负重不平衡导致旋干机振动造成碎片或产生微粒。若用,IPA,干燥法进行干燥可不必考虑到平衡的间题。操作员根据流程卡上记录的所需清洗程序，在电脑上选定要清洗的程序后，按下启动，机械手即开始按照设定的清洗程序执行清洗的工艺，逐槽清洗到脱水于燥。清洗完成后，机械手自动将清洗后的晶片传送到输出端,(output stage,），然后发出信号告诉操作员将货卸下。一般化学酸槽非常庞大，在某些比较复杂的设计中，全套,RCA,或,B,式清洗,.,工艺共有,5,个化学槽，,6,个去离子纯水洗涤槽，长度超过,30,英尺。它的最大缺点为占用面积大。这种自动化学清洗站一般都设计有小型号及独立的排气系统，而机械手为后置式,(rear mount),的，机械手在传送晶片从,1,站开始按照清洗程序逐槽清洗，到第,12,站清洗干燥后会自动更换晶舟。清洗程序可简述如下,:,46,浸洗式化学清洗站这种化学清洗技术已经完全属于自动化控制，操作,中央控制系统及晶片输人端,:,操作员将欲清洗的晶片及晶舟放在晶舟自动转换器上，将晶片从塑料晶舟转换到耐酸的特氟龙或石英晶舟后，操作员在电脑控制系统选定清洗程序并按下启动键。机械手即开始将晶舟提吊到程序设定的酸槽，徐徐浸人第,2,站酸槽。,每一站均有两个槽，一个为化学酸槽（,chemical tank ),，另一个为纯水洗涤槽。在化学酸槽清洗后，机械手将晶片传送到洗涤槽将化学残酸洗除干净后，再传送到第,3,、,4,、,5,、,6,、,12,站等。,安装前置式的机械手，即机械手如装置在前面并与操作员同向时，容易造成机器手臂伤人的意外事件，为安全考虑，机械手常为后置式的。,酸槽化学浓度的校准,:,所有的酸槽都是开放式的，在酸槽内的化学酸会因加热蒸发、分解而影响到酸的浓度及各成分的混合比例，因此，需要用滴定法来检验酸浓度的变化，并添加新的化学品，以保持酸槽内浓度及比例的稳定。,47,中央控制系统及晶片输人端:操作员将欲清洗的晶片及晶舟放在晶,浸洗式化学清洗站的功能和优缺点,(1),软件功能,( software capability),在整座自动化酸槽系统中，各种清洗参数均能利用软件设定程序，以达到自动控制，如,;,换酸时间,(chemical change,混合溶液比例,(chemical ratio ,酸槽温度,(tank ternperatuive ),清洗时间,cleaning process time),酸槽浓度,(chemical concentration),洗涤时间,(rinse time),清洗阻值,(rinse resislivity),机械手操作,(robot operation ),预警系统,(alarm system ),48,浸洗式化学清洗站的功能和优缺点(1)软件功能( softw,(2),清洗功能,(recipe capabilities),可设定多种清洗程序避免晶片间的“交互污染”，即将有,掺杂,(doped),及无掺杂,(nondoped),的晶片分开在不同的酸槽系统内清洗，主要清洗程序有以下几种,:,RCA,清洗程序。,B,式清洗程序。,栅极氧化前清洗程序。,HF,终结,B,式清洗程序。,无,HF,酸,B,式清洗程序。,SPM,清洗程序,金属前清洗程序。,49,(2)清洗功能(recipe capabilities)51,(3),优点,节省化学品用量,:,每一个化学槽换酸后，约可清洗,12,一,24 h,或以清洗的晶片批数作为换酸的依据。若连续清洗，则每片晶片清洗化学品的费用和成本较低。,连续清洗，提高了设备的利用率,:,换酸完毕，酸槽需预热约,1h,才可进行清洗，连续清洗时每,10,一,15 min,可放入两个晶舟,(50,片晶片,),进行清洗。,50,(3)优点52,(4),缺点,这种清洗系统酸槽内的化学品的洁净度，随着清洗晶片数的增加逐渐脏污且金属和有机杂质易沉积在槽内而造成污染。另外，晶片是通过机械手移动来实现逐槽清洗的，机械手的移动会产生很多微粒。同时，机械手暴露在化学蒸气环境中，易受腐蚀而影响到机械手的可信度，机械手的异常会造成晶片报废及产生生产不安全因素，如机器手臂伤人、撞破石英槽、手臂断裂、破片等。微粒的控制及氧化的刻蚀率不稳定、不均匀。如将,8,英寸的晶片浸在,DHF,酸槽中去除氧化层时，下端先人后出，而上端后人先出，且晶片拉出液面时,DHF,由上往下流，将造成刻蚀的不均匀。随着晶片尺寸的变大，这些问题更为突出。该清洗系统的缺点为,:,51,(4)缺点53,体积庞大，占用昂贵的净化室。,换酸后的准备时间长，影响产能。,价格昂贵，系统复杂，维修困难。,酸槽溶液越洗越脏。,洗涤槽的用水量多。,开放式加热酸槽使酸槽内的溶液浓度、比例随时在变。,清洗工艺不稳定。,机械手易造成意外事件。,52,体积庞大，占用昂贵的净化室。54,2.,喷洗式单箱化学清洗机,(spraychemical cleaning processor),这种清洗方式是将晶片放在清洗槽内的转盘上，新鲜的清洗用化学溶液经,N2,加压、通过喷洗柱,(spray post),均匀喷淋在晶片上作为化学清洗及超纯水洗涤，转盘按照清洗程序所设定的转速转动，根据不同的清洗循环,(cycle),自动变化，以达到最佳的清洗效果。每一循环结束后，喷洗后的化学酸立即排出，所以每次清洗时都是用新鲜、洁净的化学酸喷洗，不像浸洗式化学酸槽中的酸易受污染。以美国,FSI,公司设计的多座式喷洗机为例，清洗过程中首先用加压,N:,将化学罐,( chemical canister),内的清洗用化学溶液压出并经由清洗腔中央的喷洗柱与超纯水均匀棍合到配方的比例，然后喷洗旋转中转盘上的晶片，如图所示。按照程序设定的顺序，不同的化学清洗溶液依序喷洗晶片。在改换化学溶液前，化学管路,(elremical tubing ,喷洗柱和清洗槽需用超纯水洗涤干净，以避免“交互污染”,53,2.喷洗式单箱化学清洗机(spraychemical cl,54,FSI,公司生产的化学喷洗机剖面图,56FSI公司生产的化学喷洗机剖面图,清洗槽需用超纯水洗涤干净，以避免“交互污染”。下图,1,所示为,FSI,公司生产的化学喷洗机的化学溶液管路图。在最后纯水洗涤,( final rinse),后，转盘高速旋转，利用高速离心力、伯努利原理及顶盖上的加热,.,器,( blanket heater),，将清洗后的晶片烘干。为了彻底清洗晶片边缘靠近清洗槽侧壁的化学残留物，装在侧壁上的纯水洗涤喷洗柱从侧壁喷洗晶片，如图,2,所示。一次清洗循环,(cleaningcycle),约为,20,一,30 min ,清洗的晶片片数根据晶片的大小及清洗程序的不同而不同。这种清洗设备面积很小，不像整座化学清洗站要占用庞大昂贵的净化室面积，以下为喷洗式化学清洗机的优点,:,设备占用的净化室面积较小。,清洗产能高。,清洗循环时间短。,使用新鲜、纯净的清洗用化学品。,清洗后晶片表面的微粒少，小于,0.1/cm,2,金属杂质含量低，小于,1010atoms/cm,3,工艺省水、省化学品。,55,清洗槽需用超纯水洗涤干净，以避免“交互污染”。下图1所示为F,56,图,1 FSI,公司生产的化学喷洗机化学溶液管路图,58图1 FSI公司生产的化学喷洗机化学溶液管路图,57,图,2,化学喷洗机中央及侧壁喷洗柱,(spray-post),透视图,59图2 化学喷洗机中央及侧壁喷洗柱(spray-post,这种单槽喷洗式的化学清洗机也有多种清洗功能，可设定很多清洗程序，可应用在以下工艺中,:,(1),清洗,扩散前清洗。,栅极氧化前清洗。,外延前清洗,(pre EPI clean),。,化学气相沉积前清洗。,氧化前清洗,(pry axidation clean),2),清除,(stripping),光刻胶的清除。,钛,/,氮化铁金属的清除,(Ti/TiN stripping),。,多晶硅的清除,(pnlysilicon stripping ),(3),刻蚀,.,WSi,的刻蚀,(wsi etching),。,Si3N4,的刻蚀,(nitride etching),SiO2,的刻蚀,(oxide etching),。,(4),特殊,化学机械研磨后清洗,(Post CMP clean),晶片的回收,(wafer reclaim ),58,这种单槽喷洗式的化学清洗机也有多种清洗功能，可设定很多清洗程,3,，密闭容器化学清洗系统,这种化学清洗技术是将晶片放在密闭单容器,( single enclosed vessel),的清洗腔内，按照设定的清洗程序，通人不同的清洗用化学溶液清洗晶片，超纯水清洗残留的化学酸液后，通人,IPA,使晶片脱水干燥。整个清洗工艺均在“标准态”的密闭容器内进行，不同于浸洗式化学清洗站和喷洗式的化学清洗机，晶片的清洗过程在半真空状态下进行，晶片表面不接触空气，所以能减少微粒污染、提高晶片表面的洁净度。,清洗前，品片经自动晶舟转换器放入有沟槽,( slotted),的密闭容器内，操作员选定清洗程序并将程序下载到系统的电脑控制站,(computer controller,），按下启动键。系统开始按照设定的清洗程序，依次将不同的清洗用化学溶液通人密闭容器清洗品片，随后通人超纯水洗涤晶片和容器。当达到设定的阻值后再通人第二种化学溶液进行清洗和排出。再通人超纯水洗涤，按照程序设定的顺序来完成清洗。在切换不同的清洗用化学溶液时，用超纯水冲洗晶片及容器洗涤残留的化学品，以避免不同化学溶液间交互污染。在最后超纯水洗涤后，通人,IPA,将残留的水分排除，然后通人,N2,，利用,IPA,蒸发、表面张力及分子力原理，将晶片及容器脱水干燥。下图为全流式密闭容器的清洗工艺图,59,3，密闭容器化学清洗系统这种化学清洗技术是将晶片放在密闭单容,60,全流式密闭容器清洗工艺图,62全流式密闭容器清洗工艺图,这种全流式密闭单容器化学清洗系统的设计非常简单和新颖，清洗腔的体积较小，以,50,片,8,英寸晶片的容器为例，体积约为浸洗式化学清洗槽的,1/5,因此，清洗用化学品和纯水的用量和成本比化学清洗酸槽要低很多，而且清洗用化学溶液可密闭到清洗容器内，不易挥发和分解，溶液浓度及比例均可以保持稳定不变，每批晶片的清洗条件均相同。此外，每批晶片均用新鲜和洁净的化学溶液清洗，金属和有机杂质较低。全流式密闭单容器化学清洗系统有以下优点,;,化学溶液用量少。,可减少超纯水的用量，全流设计使洗涤效率较高。,减少了废气、废水排放量。,系统简单、价格低、维修容易。,使用的均为新鲜和纯净的化学溶液。,晶片表面微粒少且无水痕，而且刻蚀均匀度较高。,清洗用化学溶液的浓度、纯度、比例稳定，每批晶片的清洗条件均相同。,清洗准备时间短，不必等待换酸。,清洗程序功能多。,程序设定简易，转换较快。,61,这种全流式密闭单容器化学清洗系统的设计非常简单和新颖，清洗腔,物理清洗技术,物理清洗技术主要是利用物理原理来清洗晶片，而不使用任何化学品进行处理。这种清洗技术主要是去除微粒的污染，最常用的清洗方法是通过刷洗、超声波振荡,高压喷洗及高压气体喷洗将附着在晶片表面的微粒去除于净，减少因微粒污染而造成的缺陷，提高成品率及器件的品质和可靠性。目前，根据以上的物理作用所设计的清洗设备有刷洗机,(scrubber),和冷冻喷雾清洗机两种。物理清洗技术主要应用在去除工艺诱发的微粒污染，如刻蚀、离子注人、化学气相沉积或物理气相沉积工艺后附着在晶片表面的微粒。,62,物理清洗技术 物理清洗技术主要是利用物理原理来清洗晶片，而不,刷洗机,这种刷洗机的设计主要是利用特殊有弹性和低污染的特氟龙刷,),在高速旋转的晶片表面来回刷洗，同时用超纯水洗涤晶片表面将微粒冲洗干净，刷洗程序可设定为单面或双面刷洗,.,下图所示为,DSN,公司生产的,SS,一,W629,一,B,刷洗机。这种设备有多功能的设计，为了提高微粒的去除效果，有自动刷洗、高压刷洗,超声波刷洗三种选择配合刷洗程序进行清洗。,63,刷洗机 这种刷洗机的设计主要是利用特殊有弹性和低污染的特氟,64,刷洗机对微粒的去除效果与,Mll,洗系统的机械结构有很大的关系，刷子的材料、结构和形状也会影响微粒的去除效果。晶片经过刷洗去除晶片表面及背面的微粒污染，在工艺上有很多优点,:,提升产品合格率。,降低散焦不合格率。,提高生产线的洁净度,防止微粒的再沉积。,纯水刷洗没有化学反应的影响。,66 刷洗机对微粒的去除效果与Mll洗系统的机械结构有很大的,冷冻喷雾清洗机,这种冷冻,l,喷洗技术是将惰性气体,(,主要是,Ar,）低温冷冻后喷射出来，由于膨胀吸热形成,Ar,粒子，可通过与,N2,的混合比来控制,Ar,粒了的大小，高速,Ar,粒子喷洗、撞击晶片表面，可将附着在晶片表面的微粒去除干净。这种冷冻喷雾清洗技术应用在反应离户刻蚀后晶片的清洗，对工艺诱发的残留微粒和杂质的去除效果非常好。尤其当金属连线刻蚀后，,Al,金属侧壁所残留的聚合物,金属线或金属屑及侧壁聚合物吸附的刻蚀气体残留的,Cl2,或氯化物,(chlorides,）等很难用有机溶剂去除于净，采用这种物理清洗技术可有效去除这些污染物。避免形成金属桥接短路及残留氯化物水解而造成金属腐蚀等不良缺陷，提高产品的成品率、品质及可靠性。,在冷冻喷雾的物理清洁技术中，高速的冷冻,Ar,粒子喷射在晶片表面,l,时具有很高的动能和动量。将撞击附着在晶片表面的各种污染物。同时，高速粒子撞击时会产生热效应，可利用不同材质热膨胀系数的差异使附着在侧壁卜的残留物剥落并脱离表,rfil,减少金属腐蚀的缺陷。提高产品的成品率,:,如图,3,所示可以看到，金属刻蚀后，侧壁残留有大量的不纯物,l,如图,3,（,a),所示，清洗后侧壁及表面非常洁净,L,如图,3,（,b),所示。这说明经冷冻喷雾清洗后，侧壁残留物可以被完全清除干净,.,65,冷冻喷雾清洗机 这种冷冻l喷洗技术是将惰性气体(主要是Ar,金属腐蚀实验表明冷冻喷雾清洗对抑制、减少金属腐蚀的效果比湿式清洗有明显的改善，图,4,所示比较了冷冻喷雾清洗和湿式清洗对金属腐蚀的影响“，冷冻喷雾清洗的个属腐蚀约为湿式清洗的十分之一。冷冻喷雾清洗可应用在任何刻蚀工艺后的清洗，如多,l,晶硅栅极氧化层刻蚀、氧化物刻蚀、接触孔及走线孔刻蚀后的清洗，能有效地去除刻蚀后残留下来的有机和无机副产品及不纯物、抑制刻蚀后的化学反应，使刻蚀后的图形和线路更清晰、洁净，提高产品的成品率。,66,金属腐蚀实验表明冷冻喷雾清洗对抑制、减少金属腐蚀的效果比湿,67,图,3,金属刻蚀后，侧壁残留物冷冻喷洗前后比较,图,4,冷冻喷雾清洗与湿式清洗对,金属腐蚀的影响比较,69图3金属刻蚀后，侧壁残留物冷冻喷洗前后比较图4冷冻喷雾清,68,对硅造成表面腐蚀,较难干燥,价格,化学废物的处理,和先进集成工艺的不相容,湿法清洗的问题,70对硅造成表面腐蚀湿法清洗的问题,为解决这些问题，开发了许多替代的清洗技术，干式清洗技术,(dry clean technology),即是其中之一，但仍无法完全取代湿式化学清洗技术。一般，晶片可在湿式化学清洗后，再利用干式清洗技术去除晶片表面碳氢化合物等有机杂质及自然氧化物以确保晶片表面的洁净度，使后续工艺的薄膜沉积,(,例如多晶走线通孔沉积和外延层沉积,),能达到高品质。干式清洗技术主要是应用气相化学反应进行清洗。在常温或低温下，利用等离子体,(plasma),、射频,(radio frequency),或辐射,(radiation),提升化学反应的活化能,增加对晶片表面的清洗能力。,69,为解决这些问题，开发了许多替代的清洗技术，干式清洗技术(dr,主要清洗技术,HF/H2O,蒸气清洗技术,HF/H2O,蒸气清洗技术是利用,N2,作为载气，将,HF,带人低压的蒸气反应腔内，同时通人水蒸气，,HF/H2O,混合蒸气将与放在反应腔内的硅片表面的氧化层发生反应。,HF,蒸气在水蒸气的催化助长下与,SiO2,反应生成,SiF4,气体，经抽气系统排出，同时用超纯水洗涤，将晶片表面刻蚀后的残留不纯物及金属杂质清洗去除，使硅片表面成为非常洁净的、无微粒和自然氧化层的表面。,70,主要清洗技术HF/H2O蒸气清洗技术72,在这种气相干式清洗系统中，除了,HF,气体外，还可通人其他气体，如,HC1,O2/O3,等作为去除有机物及金属杂质的气体。这种清洗技术最大的优点是在真空下清洗晶片，使晶片表面没有氧化物、水痕、微粒和较低的金属及有机物污染，纯水及化学品的用量少。该技术可用于多晶硅沉积及金属溅射前的接触孔的清洗，可有效地降低接触孔的接触电阻。此外，还可用于去除金属刻蚀后残留的杂质和侧壁聚合物等不纯物，如图所示为金属刻蚀后，干式蒸气清洗前后的比较。,71,在这种气相干式清洗系统中，除了HF气体外，还可通人其他气体，,72,金属刻蚀后，干式蒸气清洗前后的比较,74金属刻蚀后，干式蒸气清洗前后的比较,紫外线,/,臭氧干洗技术,紫外线,/,臭氧干洗技术,(UV/O3 dry clean ),，将,O2,通人真空的蒸气反应室内，紫外线的能量使氧分子分解成具有强氧化能力的初生态,O,和,C,，进而将有机碳氢化合物氧化成具有挥发性的化合物，由抽气系统排出。这种方法可有效地将晶片表面的有机物质去除干净。 另外，也可通人,HF,蒸气将晶片表面的自然氧化物去除干净，或通人,IPA,（,C3H7OH),、,N2,和,Cl2,以去除金属杂质。如图所示为美国,SMS,公司制造的,SP,一,200,蒸气反应室的结构图，反应室内有紫外灯,UV,一,lamp,和红外灯,(IR lamb),以提供光化学反应所需的能源。这种紫外线干式清洗技术可清除有机不纯物、金属杂质及自然氧化物，使晶片表面具有非常高的洁净度，避免后续工艺的薄膜沉积中品片表面微粒和不纯物的污染。,73,紫外线/臭氧干洗技术75,74,SMS,公司生产的,SP,一,200,蒸气反应室结构图,76SMS公司生产的SP一200蒸气反应室结构图,Ar,等离子体干洗技术,Ar,等离了体干洗技术,(Ar plasma dy clean ),是采用氛等离子体溅射和轰击表面以达到清洗口的，主要是应用在金属溅镀前走线孔的清洗，去除走线孔底部的自然氧化物和走线孔刻蚀后残留在侧壁及晶片表面的有机聚合物杂质，以免造成金属腐蚀。因为此时的晶片上已经沉积了第一层金属，所以不能使用湿式化学清洗工艺。一般，金属物理气相沉积系统中都有这种内部溅射清洗的功能，,Ar,等离子体干洗工艺应适当调整,Ar,离子的能量，以免高能量的,Ar,离子轰击使晶片表面受损造成微粒污染。,75,Ar等离子体干洗技术Ar等离了体干洗技术(Ar plasma,76,其它方法举例,78其它方法举例,77,3,、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。,器件正面的碱金属离子被吸杂到介质层（钝化层），如,PSG,、,Si,3,N,4,硅片中的金属离子则被俘获到体硅中（本征吸杂）或硅片背面（非本征吸杂）,793、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,78,硅中深能级杂质（,SRH,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,80硅中深能级杂质（SRH中心）扩散系数大,79,吸杂三步骤：,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,81吸杂三步骤：杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可动原子,80,Au,s,I, Au,I,踢出机制,Au,s,Au,I,V,分离机制,引入大量的硅间隙原子，可以使金,Au,和铂,Pt,等替位杂质转变为间隙杂质，扩散速度可以大大提高。,方法,高浓度磷扩散,离子注入损伤,SiO,2,的凝结析出,激活,可动，增加扩散速度。替位原子,间隙原子,82AusI AuI 踢出机,81,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,超过室温的条件下，碱金属离子即可扩散进入,PSG,超净工艺,Si,3,N,4,钝化保护,抵挡碱金属离子的进入,其他金属离子的吸杂：,本征吸杂,使硅表面,10,20,m,m,范围内氧原子扩散到体硅内，而硅表面的氧原子浓度降低至,10ppm,以下。利用体硅中的,SiO,2,的凝结成为吸杂中心。,非本征吸杂,利用在硅片背面形成损伤或生长一层多晶硅，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。,83碱金属离子的吸杂：其他金属离子的吸杂：,82,bipolar,84bipolar,对未来清洗技术的展望,未来,ULSI,工艺中，单位晶片面积的电子器件趋向高密集化，工艺技术趋向更精细化，品片直径却越来越大。要在大的晶片面积上制作超精密、细微的电子器件，需要超洁净的晶片表面，才能满足工艺上的需求。因此，如何清洗大的硅片是未来工艺上的一个挑战。庞大、复杂而昂贵的湿式化学清洗、化学品、纯水、排气、废水处理等清洗成本和对环境的污染是未来清洗工艺中最大的挑战。目前,16 MB,的,DRAM,工艺中，清洗一片,4,英寸的晶片约需耗用,4.5 x 10,3,kg,的纯水和,10kg,的化学品。因此，节省化学清洗用纯水和化学品的用量以及对环境的保护是未来发展清洗技术要考虑的，应开发更有效的省时、省力、省物、省电、无污染的整合清洗技术。,83,对未来清洗技术的展望 未来ULSI工艺中，单位晶片面积的电子,清洗设备,精简、多功能化,未来晶片的清洗设备将由复杂多槽式的清洗演变到密闭单槽式的清洗，配合大直径晶片的清洗技术，化学酸槽的结构和功能精简化，以大大缩小清洗设备的占地面积和制造成本，优点如下,:,设备精简、小巧，占用面积少。,结构简单、多功能，维修容易、叮靠度高。,清洗槽小，节省纯水和化学品的用量，提高清洗效率。,减少废水、废气的排放和对环境的污染。,准静态清洗,无活动机械手传动，可减少微粒、金属杂质的污染。,清洗功能及程序转换较快，互换性高。,密闭式清洗不接触空气，可减少污染。,每批晶片均用新鲜、洁净的化学溶液清洗，溶液的纯度和浓度相同，清洗工艺稳定。,84,清洗设备精简、多功能化 未来晶片的清洗设备将由复杂多槽式的,清洗材料,高纯度、低杂质、无污染,高纯度的化学品叮降低微粒和金属杂质的污染。采用无氧超纯水,oxygen free ultrapure water),洗涤可避免自然氧化物的生成。用臭氧冷冻去离子水取代,SPM,，可以减少化学品的用量及化学废液量，降低,清洗成本及保护环境。开发单一清洗配方,(Cleaning formular),达到,RCA,不同化学溶液清洗效果，得到超洁净、无微粒污染、无金属离子污染，无表面微粗糙的晶片表面，如美国的,J. T. Baker,开发了“,Dublin,单一清洗配方，该配方尚在实验验证阶段，可望将来能取代复杂的,RCA,清洗。,85,清洗材料高纯度、低杂质、无污染高纯度的化学品叮降低微粒和金,清洗工艺,快速、简洁的清洗程序,开发清洗循环短、清洗效率高、产能大的清洗工艺，如无化学品的晶片清洗工艺。如图所示为美国,RSC,公司的光子惰性气体清洗工艺技术,(photon inert gas cleaning),示意图，该技术是一种无化学污染、低成本、无环境污染的超洁净的无水干式清洗。,86,清洗工艺快速、简洁的清洗程序 开发清洗循环短、清洗效率高、,感谢聆听,感谢聆听,