1、1/48,集成电路工艺原理,仇志军邯郸校区物理楼435室,2/48,大纲 （2）,第一章 前言第二章 晶体生长第三章 实验室净化及硅片清洗第四章 光刻第五章 热氧化第六章 热扩散第七章 离子注入第八章 薄膜淀积第九章 刻蚀第十章 后端工艺与集成第十一章 未来趋势与挑战,3/48,Modern IC factories employ a three tiered approach to controlling unwanted impurities（现代IC fabs依赖三道防线来控制沾污）,4/48,三道防线:环境净化（clean room）硅片清洗（wafer cleaning）吸杂（get
2、tering）,5/48,1、空气净化,From Intel Museum,6/48,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,7/48,8/48,9/48,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，如果良率为50，则正好保本。若要年赢利$10,000,000，良率增加需要为,良率提高3.8%，将带来
3、年利润1千万美元！,年开支=年产能为1亿3千万100010052$5050%=$130,000,000,10/48,Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions.,11/48,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tox10 nm，QM6.51011 cm-2（10 ppm)时，DVth0.1 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 ms，则N
4、t1012 cm-3 =0.02 ppb !,12/48,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,13/48,在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数目/ml）,14/48,各种可能落在芯片表面的颗粒,15/48,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）,16/48,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
5、的漏电流，减少少数载流子的寿命,Fe, Cu, Ni, Cr, W, TiNa, K, Li,17/48,不同工艺过程引入的金属污染,18/48,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 Mz+ + z e-去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂）,19/48,电负性,20/48,21/48,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,22/48,自然氧化层
6、（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）,23/48,2、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）,24/48,SC-1（APM，Ammonia
7、 Peroxide Mixture）： NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:7 7080C, 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NH4OH对硅有腐蚀作用,RCA标准清洗,RCA clean is “standard process” used to remove organics, heavy metals and alkali ions.,25/48,SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080C, 10min 酸性（pH值7）可以将碱金属离子及
8、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。,26/48,现代CMOS的硅片清洗工艺,27/48,其它先进湿法清洗工艺，如OhmiFrom IMEC (Interuniversity Microelectronic Center),(1) H2O + O3 (18M-cm),28/48,机器人自动清洗机,29/48,清洗容器和载体SC1/SP
9、M/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,30/48,清洗设备,超声清洗,喷雾清洗,31/48,洗刷器,32/48,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,33/48,湿法清洗造成硅片表面粗糙度增加,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。SC-1中，NH4OH含量高，会对硅造成表面腐蚀和损伤。,降低沟道内载流子的迁移率，对热氧化生长的栅氧化物的质量、击穿电压都有破坏性的影响。,降低微粗糙度的方法：减少NH4OH的份额
10、降低清洗温度减少清洗时间,34/48,不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度,35/48,表面粗糙度降低了击穿场强,36/48,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。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，但必须避免对硅片的损伤,HFH2O气相清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2Ar等离子清洗热清洗,37/48,其它方法举例,38/48,3、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、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）,39
11、/48,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,40/48,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,41/48,高扩散系数间隙扩散方式聚集并占据非理想缺陷（陷阱）位置,42/48,AusI AuI 踢出机制Aus AuI 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SiO2的凝结析出,激活 可动，增加扩散速度。替位原子 间隙原子,43/48,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
12、温的条件下，碱金属离子即可扩散进入PSG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：本征吸杂 使硅表面1020mm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SiO2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。,44/48,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,方法：外延或热循环处理,45/48,46/48,净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂,本节课主要内容,The bottom line is chip yi
13、eld. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.,47/48,本节课主要内容,硅片清洗湿法清洗：Piranha，RCA（SC1，SC2），HF:H2O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。,硅片背面高浓度掺杂，淀积多晶硅,48/48,三道防线:净化环境（clean room）硅片清洗（wafer cleaning）吸杂（gettering）,“Dirt is a natural part of life.”,
