半导体衬底—集成电路工艺技术课件.pptx

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1、,集成电路工艺技术,集成电路工艺技术,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,第一章 半导体衬底 第二章 氧化第三章 扩散第四章 离子注入 第五章 光刻第六章 刻蚀第七章 化学气相沉积 第八章 化学机械化平坦 第九章 金属化工艺第十章 CMOS工艺流程,集成电路工艺第一章 半导体衬底 第二章 氧化,集成电路工艺,教材：1、半导体制造技术，作者 Michael Quirk，电子工业出版社。参考 2、微电子制造科学原理与工程技术，作者 Stephen A. Campbell，电子,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,工业出版社。,集成电路工艺

2、教材：INTEGRATED CIRCUIT,晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性Crystal Growth, Wafer Fabrication and Basic Properties of Silicon Wafers集成电路工艺,第一章 半导体衬底,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性第一章 半导体衬底I,1、集成电路发展历程回顾2、描述天然硅原料如何加工提炼成半导体级硅 (semiconductor-grade silicon, SGS)。3、解释晶体结构与单晶硅的生长技术。4、讨论硅晶体的主要缺陷。5、简单敘述由硅

3、晶锭加工成为硅晶圆的基本步 骤。6、说明并讨论晶圆供应商所需进行的7项品质测量 项目。,7、外延层及其重要性。,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,课程内容,1、集成电路发展历程回顾7、外延层及其重要性。集成电路工艺课,集成电路发展历程回顾,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,1、1906年2、1925年3、1948年4、1950年5、1958年6、1960年,第一只三极管“Audion” 场效应晶体管的提出 点接触晶体管面接触晶体管 第一块集成电路MOS场效应晶体管,集成电路发展历程回顾集成电路工艺1、1906年第一只三

4、极管“,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,18000个电子管，占地150m2，重30吨，计算速度每秒5000次，存储容量千位。,集成电路工艺18000个电子管，占地150m2，重30吨，计,集成电路工艺,第一台计算机中 使用的晶体管。,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,集成电路工艺第一台计算机中 使用的晶体管。INTEGRATE,集成电路工艺,集成电路的划分,LSIVLSI,MSI,SSI,小规模，100个晶体管,中规模，100 1000个晶体管,1000 100000个晶体管,100000个晶体管,INTEGRATED CIRC

5、UIT TECHNOLOGY,集成电路工艺集成电路的划分LSIMSISSI小规模，100,1971年Intel公司推出的 微处理器芯片上只有2300个 晶体管;1982年Intel80286微处理 器上有13万4千个晶体管;1 MHz, 5V5k Components,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,1959年开始了集成电路时代,1971年Intel公司推出的 微处理器芯片上只有2300个,Intel Pentium (III) Microprocessor,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,1994100 MHz,

6、 3.3V3M Components,Intel Pentium (III) Microproce,Intel Pentium (IV) Microprocessor,19991.2 GHz, 1.8V 42M Components,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,Intel Pentium (IV) Microproces,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,Lilienfeld FET Transistor (1930),Julius Edgar Lilienfeld ， 利 林 费 尔 德 (1882-1963)

7、 ：德国人，曾在莱比锡大学任 教，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式 而移居美国，是公司的电容工程师。他于1925 年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930 年获得专利。1935 年, 德国物理学家海尔（ Oskar Heil）描述了一种类似于结型场效应晶 体 管 的 结 构 (O.Heil, British Patent 439,457,1935). 然而，由于材料的困难实际 制备晶体管在 1960 年以前是不可能的。 Shockley最初的场效应晶体管的专利申请被完 全驳回； Bardeen，巴丁(美国物理学家, 1956,1972两度获诺贝尔物理学奖)的点接触晶 体管的专利也因为有

8、Lilienfeld的专利在前， 而有超过半数的人认为不能通过。,集成电路工艺Lilienfeld FET Transisto,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,John Bardeen and Walter Brattain(沃尔特 布拉顿) at Bell Laboratories constructed the first solid-state transistor. This PNP point-contact germanium transistor operated with a power gain of 18 on Dec. 23, 19

9、47. With their manager, William Shockley, they won the Nobel Prize in 1956.,第一个晶体管,集成电路工艺John Bardeen and Walter,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,这个有世以来的第一个晶体管是将一片金箔带用刀划开 一条约为50微米间隔的小缝，用一块三角形的石英晶体 将其压到n型半导体锗材料上作为发射极和集电极，形成 点接触PNP晶体管。当一个接触正偏另一个反偏时，可以 观测到把输入信号放大的晶体管效应。,集成电路工艺这个有世以来的第一个晶体管是将一片金箔带用刀划

10、开,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,肖克莱在点接触 晶体管发明后，提出 了可以利用两个p型 层中间夹一n型层作,为半导体放大结构的 构想。并与M.Sparks 和G. K.Teal一起发明 了单晶锗NPN 结型 晶体管。集成电路工艺,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY肖,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,1958 年， 德州仪器 公司（TI）的杰克基尔比（ Jack Kilby），研制出 了世界上第一块集成电 路。该电路是在锗衬底上 制作的相移振荡器和触发 器，共有12个器件。器件 之间是介质隔离，器件间

11、 互连线采用的是引线焊接 方法。,集成电路的诞生,集成电路工艺1958 年， 德州仪器 公司（TI）的杰克基,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,罗伯特诺伊斯（Robert Noyce）,杰克.基尔比和罗伯特诺伊斯,两个集成电路的独立发明人,集成电路工艺罗伯特诺伊斯（Robert Noyce）杰克,ITY,JILIN UNIVERS,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,人类智力的一次飞跃,瑞典皇家科学院将2000年诺贝 尔物理奖授予俄罗斯圣彼得堡约飞 物理技术研究所的阿尔弗洛夫博士, 美国加州大学圣巴巴拉分校的克罗 默教授

12、和美国TI公司的基尔比教授,他 们是因为高速晶体管,激光二极管 和集成电路而荣获此项奖励的.其 中,阿尔弗洛夫和克罗默将分享奖 金的1/2,而基尔比教授则独得奖金 的另一半.,ITYJILIN UNIVERS集成电路工艺人类智力的一次飞,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,半导体级硅,集成电路工艺制备半导体级硅 (SGS) 的过程步骤过程描述反,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,用来做芯片高纯硅称为半导体级硅（ semiconductor-grade silicon)，或SGS。,得到SGS的第一步是在还原气体环境中，通

13、过加热含碳的硅石（SiO2)，一种纯沙，来生产冶金级硅。在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98。由于冶金级硅的 沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。通常将冶金 级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯 度为99.9999999 的半导体级硅。这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。三氯硅烷和氢气被注入到 西门子反应器中，然后在加热的超纯硅棒上进行化学反应。几天后 工艺过程结束，将淀积的SGS棒切成用于硅晶体生长的小片。,集成电路工艺用来做芯片高纯硅称为半导体级硅（ semicon,集成电路工艺INTEGRATED CIR

14、CUIT TECHNOLOGY,Condense SiO,SiO+COSiO,2,+C,1500,Form SiCFrom SiO and C Melt SiO2,SiO+2CSiC+CO,1780,SIO2+CSiO+CO SiC+SiO2Si+SiO+CO,Liquid Si,Discharge Si,Quartzite,Coke (焦炭) Wood chip,CO, SiO, H2O,Effluent,input,MGS一般杂质种类与浓度,埋弧电炉生产冶金级硅,集成电路工艺Condense SiOSiO+COSiO2+,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOG

15、Y,靠近炉子底部，在电极的电弧区，此处的温度超过2000，按下式产生硅：,SiC+SiO2Si+SiO+CO在此部位的上方，温度稍低一些，达17001500，上升的副产品气体发生反应形成中间产物碳化硅，如下式：SiO+CSiC+CO靠近顶部，这里的温度低于1500，根据热力学，预计逆向反应占主导地 位：SiO+COSiO2+C炉料是从炉顶加入炉内的，而液态硅从炉底周期性的放出，铸成锭 条。如果铸锭是定向的，符合被称为正常凝固的条件，其杂质再分 布可利用来进行一定提纯：Cs=keffC0(1-g)keff-1，为了使电弧炉反应 进行得顺利，要保持炉料的多孔性，使得SiO和CO能有均匀的气 流，并

16、能使CO，SiO和H2O能散出到炉顶，为此，加入一些木块在 炉料中，而硅石的状态必须是在炉上部加热时不易碎化，否则会过 早熔融，结壳，导致炉内气压过高有爆炸的危险。,集成电路工艺靠近炉子底部，在电极的电弧区，此处的温度超过2,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,废气回收,废弃物 分离处 理,蒸馏/ 冷凝 纯化,收集,反 应 器,金属氯化废弃物,三氯硅烷，TCS,纯度高于99.9999999,盐酸萃取纯化,Si+3HClSiHCl3+H2三氯硅烷, TCS,300,集成电路工艺废气回收废弃物 分离处 理蒸馏/ 冷凝 纯化收集,集成电路工艺INTEGRATED

17、CIRCUIT TECHNOLOGY,加热体,电极,9001100 SiHCl3+H2Si(SGS)+3HCl石英钟罩反应腔,含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原 制备出纯度为99.9999999 的半导体级硅。,集成电路工艺加热体电极9001100 含硅的三氯硅烷气,为什么生产集成电路必须使用单晶硅？,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,这是因为器件的许多电学和机械性质都 与它的原子级结构有关。这就要求原子具有 重复性结构，从而使得芯片与芯片之间的性 能具有重复性。,为什么生产集成电路必须使用单晶硅？集成电路工艺这是因为器件的,Why Sili

18、con?,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,Abundant, cheapSilicon dioxide is very stable, strong dielectric, and it is easy to grow in thermal process.Large band gap, wide operation temperature range.,Why Silicon?集成电路工艺Abundant, ch,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,集成电路工艺,沙子 SiO2,硅单晶制造流程,三氯硅烷 SiHCl,

19、电弧炉，焦炭还原冶金级多晶硅 MGSHCl溶解纯化,块状多晶硅制造 粒状多晶硅制造,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,硅单晶,电子级多晶硅 EGSCz法与区熔法,硅单晶制造流程三氯硅烷 SiHCl电弧炉，焦炭还原块状多晶硅,单晶硅生长,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,CZ 方法CZ 晶体拉升器掺杂杂质控制区熔法发展大直径晶锭的理由,单晶硅生长集成电路工艺CZ 方法,公共邮箱：,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,密码：ictechnology 康 博 南 ： 13756553011

20、,公共邮箱：集成电路工艺密码：ictechnology 康,CZ法定义,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,Czochralski(CZ)查克洛斯基法生长 单晶硅，把熔化了的半导体级硅液体 变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p 型的固体硅锭。85以上的单晶硅是 采用CZ法生长出来的。,CZ法定义集成电路工艺Czochralski(CZ)查克洛,CZ法特点：,硅片含氧量高。,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,低功率IC的主要原料。占有80的市场。制备成本较低。,CZ法特点：硅片含氧量高。集成电路工艺低功率IC的主要原料,籽晶

21、,熔融多晶 硅,热屏蔽,水套,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,单晶硅,石英坩锅,碳加热部件,晶体拉伸与转 动机械,CZ拉单晶炉,籽晶熔融多晶 硅热屏蔽水套集成电路工艺单晶硅石英坩锅碳加热部,用CZ方法生长的硅锭,Photograph courtesy of Kayex Corp., 300 mm Si ingot,集成电路工艺,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,用CZ方法生长的硅锭Photograph courtesy,CZ法主要工艺工程:籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一,伸。颈一般要长于20mm。,集成电路工

22、艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟， 俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。 引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时 要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可 开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步 骤叫“引晶”，又称“下种”。“缩颈”是指在引晶后略为降低 温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是 排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延,CZ法主要工艺工程:伸。颈一般要长于20mm。集成电路工艺定,放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到

23、所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是 否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特 征棱的出现可帮助我们判别，方向应有对称三条 棱，方向有对称的四条棱。,体直径逐渐变小，此过程称为收尾。,集成电路工艺,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶 体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变， 就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。收尾： 随着晶体生长结束，采用稍升温，降拉速，使晶,放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到 所需的直,Czochralski (CZ) Crystal Gr

24、owth,1. Polysilicon charge in silica crucible.,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,3. Shoulder growth, after neck is complete.,5. Body growth.,2. Start of neck. Seed is dipped to 1400 C melt.,4. Start of body, after completion of shoulder.,5. Conical tail growth after completion of body.,Czochralski

25、 (CZ) Crystal Growt,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,CZ拉单晶炉,Photograph courtesy of Kayex Corp., 300 mm Si crystal puller,影响直拉法的两个主要 参数是拉伸速率和晶体 旋转速率。,集成电路工艺CZ拉单晶炉Photograph courtes,硅掺杂浓度术语,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,硅掺杂浓度术语集成电路工艺浓度(原子数/cm3)杂质材料 类,区熔法晶体生长,RF,气体入口 (惰性),熔融区,可移动 RF线图,多晶棒 (硅),

26、籽晶,惰性气体出口,卡盘,卡盘,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,区熔法晶体生长RF气体入口 (惰性)熔融区可移动 RF线图,区熔法（Floating Zone method）特点：,集成电路工艺,低阻值硅晶棒、掺杂均匀度较差。INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,硅片含氧量低、纯度高。主要用于高功率IC。制备成本比CZ法高。难生长大直径硅晶棒。,区熔法（Floating Zone method）特点：集成,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,单晶生长(Crystal growth),切断(Crop

27、ping),外径磨削(Gringing),平边或V槽磨削(Flat or V-notch),切片(Slicing),磨圆边(Edge Profiling),研磨(Lapping),刻蚀(Etching),抛光(Polishing),清洗(Cleaning),品质检验(Inspection),包装(packaging),硅片制造流程,集成电路工艺单晶生长切断外径磨削平边或V槽磨削切片磨圆边研,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,Cropping切断目的：取样测量电阻值及确定结晶方向， 并切割出符合阻值规格的长度范围。Grinding外径磨削目的：磨削至客户所需

28、的硅片尺寸大小。Flat or V-notch平边或V槽磨削目的：定位硅片结晶方向（平边或V 型槽）,硅单晶棒磨削加工,集成电路工艺硅单晶棒磨削加工,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,锯刃,Slicing切片,目的：硅单晶棒切片,Edge profiling磨圆边目的：将硅片边缘锐角或微缺陷去除，以减少制造过程中产生微粒、防止晶 片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加外延层及光刻胶层的平坦度。,集成电路工艺锯刃Slicing切片目的：硅单晶棒切片Edg,集成电路工艺,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,Lapping研磨,目的：通过研磨能除

29、去 切片和轮磨所造的锯痕 及表面损伤层，有效改 善单晶硅片的曲度、平 坦度与平行度，达到一 个抛光过程可以处理的 规格。,研磨浆 料入口,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,打气泡,酸刻蚀槽,清洗水槽1,清洗水槽2,Etching刻蚀,目的 :经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的 损伤层，通常采用化学腐蚀去除。Step I: Si + 2HNO3SiO2 + 2HNO2 2HNO2 NO+ NO2 + H2OStep II: SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O,集成电

30、路工艺打气泡酸刻蚀槽清洗水槽1清洗水槽2Etching,集成电路工艺,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,Polishing抛光,目的：单晶硅片表面需要改善 微缺陷，从而获得高平坦度晶 片的抛光。粗抛：主要作用去除损伤层， 一般去除量约在1020m；精抛：主要作用改善晶片表面 的微粗糙程度，一般去除量 1m以下主要原料：抛光液由具有,SiO2的微细悬硅酸胶及NaOH（或KOH或NH4OH）组成，分为粗抛浆和精抛浆。,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,Cleaning清洗,

31、目的：去除硅片表面的污染物，微、屬离子、有机物、原生 氧化层等。SC1: NH4OH+H2O2+H2O (1:1:5 1:2:7)SC2: HCl+H2O2+H2O (1:1:6 1:2:8),集成电路工艺Cleaning清洗目的：去除硅片表面的污染物,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,After Edge Rounding (边缘圆滑化）After Lapping (粗磨）After Etch (刻蚀）After CMP(化学机械研磨）,After Wafer Sawing (切片）,集成电路工艺After Edge Rounding (边缘,集成电路工

32、艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,控制污染有三道防线:环境净化（clean room）硅片清洗（wafer cleaning）吸杂（gettering）,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺控制污染有三道防线:实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,1、空气净化,From Intel Museum,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5m的粒子总数不超过

33、X个。,0.5um,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5um,集成电路工艺,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,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,2022C4046RH,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺高效过滤排气除尘超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜,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

34、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。 成品率提高3.8，年利率增加1000万美 元。集成电路工艺,实验室净化及硅片清洗,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,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,集成电路工艺,实验室净化及硅片清洗,Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions

35、.,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,集成电路工艺实验室净化及硅片清洗Contaminants m,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,外来杂质的危害性例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响,M,oxox,qQ,CC,Vth VFB 2 f,2 sqNA (2 f ),当tox10 nm，QM6.51011 cm-2（10 ppm)时，Vth0.1 V例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求,1015 cm2，vth=107 cm/s若要求G100 s，则Nt1012 cm-3=0.02 ppb !,G,vth

36、 Nt,1,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺外来杂质的危害性MoxoxqQCCVth,集成电路工艺,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,实验室净化及硅片清洗,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,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,实验室净化及硅片清洗,在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数目/ml）,集成电路工艺实验室净化及硅片

37、清洗0.2m0.5mNH,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,各种可能落在芯片表面的颗粒集成电路工艺,实验室净化及硅片清洗,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY各,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,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：,氧化分解溶解对硅片表面轻微的腐蚀去除粒子和硅片表面的电排斥去除方法：SC-1, megasonic（超声清洗）,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等氧化分,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN

38、OLOGY,实验室净化及硅片清洗,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/cm2FFee,CCuu,NNii,CCrr,WW,TTii NNaa,KK,LLii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,集成电路工艺实验室净化及硅片清洗金属的玷污来源：化学试剂，离,集成电路工艺,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,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/cm2),Fe,Ni,Cu,实验室净化及硅片清

39、洗,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,实验室净化及硅片清洗,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,MMz+ + z e-还原去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂）,氧化,集成电路工艺实验室净化及硅片清洗金属杂质沉淀到硅表面的机理M,电路工艺,集成INTEGRATED CIR,CUIT TECHNOLOGY,电负性,实验室净化及硅片清洗,电路工艺集成C

40、UIT TECHNOLOGY电负性实验室净化及,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,实验室净化及硅片清洗,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,集成电路工艺实验室净化及硅片清洗有机物的玷污来源：,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,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：HFH2O（ca. 1: 50）,实验室净化及硅片清

41、洗,集成电路工艺自然氧化层（Native Oxide）实验室净化,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,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CO2H2O（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 H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1把光刻胶分解为CO2H2O（适合于几乎所有有机物）,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺2、硅片清洗有机物/光刻 胶的两种清除 方法：氧,集成电

42、路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,NH4OH对硅有腐蚀作用,RCA标准清洗SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:77080C, 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,OH,OH,OH,OH,OH,OH,RCA clean is “standard process” used to remove organics,heavy metals and alkali ions.,实验室净化及硅片清洗,集成电

43、路工艺NH4OH对硅有腐蚀作用RCA标准清洗OH,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,实验室净化及硅片清洗,SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:87080C, 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 2050kHz 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。,集成电路工

44、艺实验室净化及硅片清洗SC-2: HCl(73%,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,现代CMOS的硅片清洗工艺,清洗温度,化学溶剂清除的污染物,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺现代CMOS的硅片清洗工艺清洗温度化学溶剂清除,集成电路工艺,其它先进湿法清洗工艺，如OhmiFrom 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、有机物和金属(3) HF (0.5%) +H2O2 (10%)天然氧

45、化层和金属,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,(4) DI H2O清洗（18M-cm),实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺其它先进湿法清洗工艺，如OhmiINTEGRAT,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、Si3N4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）集成电路工艺,3、吸杂,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,实验室净化及硅片清洗,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。3、吸,INTE,集成电路工艺GRATED CIR

46、CUIT TECHNOLOGY,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,实验室净化及硅片清洗,集成电路工艺硅中深能级杂质（SRH中心）扩散系数大实验室净化,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,实验室净化及硅片清洗,杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可动原子 吸杂三步骤：杂质元素扩散到吸杂中心杂质元素被吸杂中心俘获,集成电路工艺实验室净化及硅片清洗杂质元素从原有陷阱中被释放，,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,通过金属离子与硅片表面的氢离子交换而被束 缚在硅片表面。被淀积到硅片表面。一粒食盐足以在5

47、000片硅片上淀积每平方厘米1012个钠离子。集成电路工艺,金属沾污途径：,INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY通,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,清洗设备,兆声清洗采用接近 1MHz的 超声能量， 这种工艺能在更低 的溶液温度下实现 更 有 效 的 颗 粒 去 除。,集成电路工艺清洗设备兆声清洗采用接近 1MHz的 超声能量,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,清洗设备,在喷雾清洗技术中，湿法 清洗化学品被喷射到置于 旋转密封腔内片架的硅片 上，每隔清洗步骤后，去 离子水清洗液喷射到硅片 上，并

48、对去离子水的电阻 率进行监测，以确定何时 所有的化学物都被去除。,集成电路工艺清洗设备在喷雾清洗技术中，湿法 清洗化学品被喷射,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,清洗设备,刷子用聚乙烯醇(PVA) 制成，PVA柔软、像海 绵一样可压缩。 PVA刷 子能有效的去除颗粒而 不损伤硅片表面。,集成电路工艺清洗设备刷子用聚乙烯醇(PVA) 制成，PVA,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,清洗设备,传统上绝大多数的去离子水清洗都使用溢流清洗器。去 离子水被送入清洗系统流经并环绕硅片。溢流清洗器的 流体运动用来去除从硅片表面扩散到

49、水流中的沾污。,集成电路工艺清洗设备传统上绝大多数的去离子水清洗都使用溢流清,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,300 mm,200 mm150 mm125 mm100 mm75 mm,34,5,6,8,12,硅片直径趋势,集成电路工艺300 mm200 mm345681,300mm硅片比200mm硅片面积大2.25 倍，这样就会在一块硅片上生产更多的芯 片。每块芯片加工和处理时间都减少了， 设备生产效率提高了。使用300mm直径的 硅片可以把每块芯片的成本减少30。节 省成本是驱使半导体业转向使用更大直径 硅片的主要原因。,集成电路工艺INTEGRATE

50、D CIRCUIT TECHNOLOGY,300mm硅片比200mm硅片面积大2.25 倍，这样就会,硅片尺寸和参数,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,硅片尺寸和参数集成电路工艺直径厚度面积重量25 块硅片重 (,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,88块芯片200mm晶圆,232块芯片300mm晶圆,更大直径硅片上芯片数的增长,集成电路工艺88块芯片232块芯片更大直径硅片上芯片数的增长,集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY,300mm硅片尺寸和晶向要求的发展说明,From H. Hu