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三道防线 : 环境净化( clean room ) 硅片清洗( wafer cleaning ) 吸杂( gettering ). 1 、空气净化. From Intel Museum. 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. 高效过滤. 超细玻璃纤维构成的多孔过滤膜:过滤大颗粒,静电吸附小颗粒. 泵循环系统. 20 ~ 22 C 40 ~ 46 % RH. 排气除尘.
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三道防线: • 环境净化(clean room) • 硅片清洗(wafer cleaning) • 吸杂(gettering)
1、空气净化 From Intel Museum
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。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
高效过滤 超细玻璃纤维构成的多孔过滤膜:过滤大颗粒,静电吸附小颗粒 泵循环系统 20~22C 40~46%RH 排气除尘
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。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 年开支=年产能 为1亿3千万 1000×100×52×$50×50% =$130,000,000 产率提高3.8%,将带来年利润1千万美元!
Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions.
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 =10-15 cm2,vth=107 cm/s 若要求G=100 ms,则Nt1012 cm-3 =0.02 ppb!!
风淋吹扫、防护服、面罩、手套等,机器手/人风淋吹扫、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 颗粒粘附 所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。 超级净化空气 • 颗粒来源: • 空气 • 人体 • 设备 • 化学品
粒子附着的机理:静电力,范德华力,化学键等粒子附着的机理: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)
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结的漏电流,减少少数载流子的寿命 Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti… Na, K, Li…
离子注入 干法刻蚀 去胶 Fe Ni Cu 水汽氧化 9 10 11 12 13 Log (concentration/cm2) 不同工艺过程引入的金属污染
氧化 还原 • 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)
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
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)
2、硅片清洗 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) 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
OH- OH- OH- OH- OH- OH- 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) • 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” used to remove organics, heavy metals and alkali ions.
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。 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。
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
清洗设备 喷雾清洗 超声清洗
湿法清洗的问题 • 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
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 • HF/H2O气相清洗 • 紫外一臭氧清洗法(UVOC) • H2/Ar等离子清洗 • 热清洗
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)
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
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 吸杂三步骤:
激活 可动,增加扩散速度。替位原子 间隙原子 Aus+I 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。 高浓度磷扩散 离子注入损伤 SiO2的凝结析出 方法
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+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10-20mm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。
器件:少子寿命,VT改变,Ion Ioff,栅击穿电压,可靠性 净化的必要性 电路:产率,电路性能 净化级别 高效净化 本征吸杂和非本征吸杂 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 H2O 本节课主要内容 The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die.Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips. 净化的三个层次:环境、硅片清洗、吸杂
本节课主要内容 硅片清洗 湿法清洗:Piranha,RCA(SC-1,SC-2),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
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.”