微电子工艺原理-第5讲清洗工艺
清洗工艺介绍
清洗工艺介绍扩散部陈永南清洗概论半导体对杂质极为敏感，百万分之一甚至十亿分之一的微量杂质，就对半导体的物理性质产生影响，微量的有害杂质可由各种随机的原因进入器件，从而破坏半导体器件的正常性能。
为了清除随机污染建立了特殊的半导体工艺--清洗工艺。
清洗的基本原理讲清洗的基本原理，应当从玷污的来源讲起，只有知道了各种玷污的来源，针对具体的玷污，才能制定具体的清洗方法，各种玷污的来源和相对的影响见表1。
1去除颗粒和玷污的机理颗粒粘附在硅片表面的粒子通常是在工艺中引进的，工艺设备、环境、气体、化学试剂和去离子水均会引入颗粒。
在ULSI级的化学试剂中，粒子玷污的情况如表2所示，其中H2SO4最高，HF最低。
对粒子尺寸的要求是随着工艺技术中最小特征的减小而减小，一般粒子的尺寸只能是器件特征尺寸的十分之一，如0.4um器件要求粒子尺寸小于0.04um。
德堡力；粒子与表面间的化学键，粒子被去除的机理有四种：1.溶解2.氧化分解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SC-1液具有上述2，4项的功能，H2O2在硅的表面有氧化作用，NH4OH中的OH-能提供给硅表面和粒子负电荷。
粒子的淀积强烈地依赖于溶液中的PH值，PH值增加到10时，粒子的淀积数目最低，因此在强酸中，粒子的淀积数目最大，表3对各种清洗工艺作了比较，发现SC-1是最有效的一种。
SC-1 NH4OH ：H2O2：H2O=0.1：1：5，80-90℃10minSC-2 HCL：H2O2：H2O=1：1：6，80-90℃10minPM：H2O2：H2O=：1：5，80-90℃10minPSL：聚苯乙烯橡胶小球有很多报道关于SC-1 改进的清洗工艺，最有效的一种方法是megasonic清洗工艺，SC-1液结合megasonic工艺可以去除有机和无机颗粒，温度可低于40度，清洗的原理是这样的，当硅片浸润SC-1液中，高功率（300W）和高频率（800-900KHZ）的声能平行于硅片表面，首先使颗粒浸润，然后溶液扩散进入界面，最后粒子完全浸润，并成为悬浮的自由粒子而去除颗粒。
半导体工艺基础(清洗)
-----半导体集成电路工艺基础 （清洗）
张正元
集成电路及微机械加工技术
1
重庆大学光电工程学院
提纲
一、 沾污类型 二、 解决方法 三、 清洗设备
集成电路及微机械加工技术
2
重庆大学光电工程学院
沾污类型
沾污经常会造成电路失效，沾污类型主要包括如下： 颗粒 金属
有机物
自然氧化层 静电释放（ESD）
7
重庆大学光电工程学院
金属沾污
途径： 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5000片硅片上淀积 每平方厘米1012个钠离子。
集成电路及微机械加工技术
8
重庆大学光电工程学院
金属沾污
集成电路及微机械加工技术
9
重庆大学光电工程学院
有机沾污
集成电路及微机械加工技术
30
重庆大学光电工程学院
作业
10、一个共发射极偏置电路，其结构 如左图所示，晶体管的输出特性曲线 如右图所示。（1）求出偏置点；（2） 最大输出幅度是多少？（3）如果电阻 采用方块电阻为500Ω/ B和RC在设 ，R 计上最小宽度分别是多少？（4）晶体 管在设计中要考虑那些效应？（5）晶 体管结构采用那些结构？（6）如果采 用梳状结构，晶体管的发射区最小宽 度是多少？发射区周长是多少？
持续监控净化间的颗粒定期反馈信息和维护清洁解决方法集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术1616重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院解决方法集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术1717重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院解决方法集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术1818重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院解决方法大于16m?cm集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术1919重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院解决方法集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2020重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院解决方法集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2121重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院解决方法集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2222重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院解决方法集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2323重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院解决方法集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2424重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院解决方法集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2525重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院清洗设备集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2626重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院清洗设备集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2727重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院清洗设备集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2828重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院清洗设备集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术2929重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院作业1什么是半导体集成电路的沾污
微电子工艺流程(PDF 44页)
20、电极多晶硅的淀积
• 利用低压化学气相沉积（LPCVD ） 技 术在晶圆表面沉积多晶硅，以做为连接 导线的电极。
华中科技大学电子科学与技术系
21、电极掩膜的形成
• 涂布光刻胶在晶圆上，再利用光刻技术 将电极的区域定义出来。
华中科技大学电子科学与技术系
22、活性离子刻蚀
晶格排列。退火就是利
用热能来消除晶圆中晶
格缺陷和内应力，以恢
复晶格的完整性。同时
使注入的掺杂原子扩散
到硅原子的替代位置，
使掺杂元素产生电特
性。
华中科技大学电子科学与技术系
11、去除二氧化硅
• 利用湿法刻蚀方法去除晶圆表面的二氧化 硅。
华中科技大学电子科学与技术系
12、前置氧化
• 利用热氧化法在晶圆上形成一层薄的氧 化层，以减轻后续氮化硅沉积工艺所产 生的应力。
• 利用活性离子刻蚀技术刻蚀出多晶硅电 极结构，再将表面的光刻胶去除。
华中科技大学电子科学与技术系
23、热氧化
• 利用氧化技术，在晶圆表面形成一层氧 化层。
华中科技大学电子科学与技术系
24、NMOS源极和漏极形成
• 涂布光刻胶后，利用光刻技术形成NMOS源极与漏极 区域的屏蔽，再利用离子注入技术将砷元素注入源极 与漏极区域，而后将晶圆表面的光刻胶去除。
1. 洁净室和清洗 2. 氧化和化学气相淀积 3. 光刻和腐蚀 4. 扩散和离子注入 5. 金属连接和平面化 三. 标准CMOS工艺流程
华中科技大学电子科学与技术系
1、初始清洗
• 初始清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的 方法将在晶圆表面的尘粒或杂质去除，防止这些杂初始 清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的方法 将在晶圆表面的尘粒或杂质去除，防止这些杂质尘 粒， 对后续的工艺造成影响，使得器件无法正常工作。
微电子工艺清洗技术的应用分析
微电子工艺清洗技术的应用分析作者：张爽来源：《科学与财富》2018年第10期摘要：当前的社会是一个高速发展的社会，其主要依赖的就是科技的进步。
而在当前的科技中，最为高端的就是微电子产业。
其承载的主要作用就是制作一些精密的电子仪器。
尤其是手机，电脑一类，但是在进行微电子产品制作的时候，却存在着很多的问题，其中主要是对于硅片的清洗工作。
因为微电子中使用的硅片一般体积较小，这就让清洗的工作变得非常的困难。
如果更好的进行硅片的清洗就成为了当前最为重要的一个课题。
本文就从当前的微电子清洗情况进行探究，来得出如何更好的在微电子工艺领域进行清洗技术的应用。
关键词：微电子行业；新型湿法清洗工艺；应用在当前来看，微电子工艺主要的用途就是将一些精密仪器变得更加的微型，更加的精密。
但是，在微电子工业的生产中，却常常存在着一个问题，那就是硅片的清洗较为困难。
这主要是因为硅片的清洗在微电子产品的生产中是非常重要的一个部分。
因此就需要强化硅片清洗的能力，才能够保证工厂正常的运行。
一、微电子工艺清洗的必要性众所周知，微电子工艺最核心的部分就是硅片的运用，这些硅片就是微电子核心最基础的组成部分，其主要承载的就是运行和储存的任务。
因此，在进行硅片处理的时候，是一定要小心的。
而且，许多的公司在得到硅片的时候，都是硅片的原始状态，这样原始状态的硅片其实是非常难以进行运用的。
因为其不仅质量参差不齐，更是有着许多的污渍。
这些污渍会严重的影响到硅片的使用，让一些硅片无法发挥作用。
因此就需要对硅片进行清洗，但是这种清洗却不是简单的清洗。
因为硅片是一种较为脆弱的电子元件，如果单纯的使用水流冲洗，那么就会对硅片造成致命的损伤。
所以，就需要采用特殊的办法去清理硅片上的污渍，这样才能够让硅片得以保存完好，并且付诸使用。
因此，如何清洗硅片一直是微电子公司最头疼的问题。
因为硅片上的污渍是分为很多的类型的，不可能都采用同一种方法进行清洗。
因此就需要采用特别多的方法进行清洗，这也极大的耽误了工作的效率。
《集成电路工艺原理》实验一 清洗
实验一清洗一、概述随着硅片关键尺寸的持续缩小，对晶圆表面质量的要求也越来越高；表面的颗粒、金属沾污、有机物和自然氧化层、微粗糙度等都将会严重影响器件的成品率和进入下一步工艺的品质。
在制造过程中，几乎每道工序都涉及到清洗；集成度越高，制造工序越多，所需的清洗工序也越多。
贯穿整个ULSI制造工艺，单个硅晶圆需要清洗上百次，晶圆表面的清洗就成为了半导体生产中至关重要的环节。
清洗领域目前占统治地位的硅片表面清洗方法是湿法工艺，工业标准湿法清洗工艺是RCA清洗工艺，由SC-1和SC-2化学溶液组成。
第一步，标准清洗-1（SC-1）应用水，过氧化氢和氨水的混合溶液的组成，从5:1:1到7:2:1变化，加热温度在75~85℃之间。
SC-1去除有机残余物，并同时建立一种从晶片表面吸附金属的条件。
在工艺过程中，一层氧化膜不断形成又分解。
第二步，标准清洗-2（SC-2）应用水，过氧化氢和盐酸，按照6:1:1到8:2:1的比例混合的溶液，其工作温度为75~85℃之间。
SC-2去除碱金属离子，氢氧根及复杂的残余金属。
它会在晶片表面留下一层保护性的氧化物。
在结合RCA溶液清洗产生了新的湿法工艺，兆声波清洗是其中之一。
兆声清洗采用接近MHz的超声能量，利用气穴现象和声流，在更低的温度下（30℃）实现了更有效的颗粒去除。
兆声清洗可以清除亚微米的污染且不会出现超声清洗诱生的蚀损斑。
随着新材料如高K介质和金属栅电极的引入，以及关键尺寸的紧缩，需要多重选择性刻蚀的化学溶液，在大批量生产的湿法制程中需要对高稀释的多组分清洗化学剂进行实时监控，精确、快速地分析各组分成分和浓度以达到更好的成品率控制。
其中光谱法和电阻分析法多用于单组分解决方案，而滴定法具有高精度和稳定性，但对于实时监控却显得过于缓慢；现在采用了一种近红外光谱法（NIR）进行分析，这种超低噪音的NIR分析法可以探测高稀释溶液光谱变化，采用的多通道技术可吸收多个组分光谱，并解析多个方程式以得到准确的结果，分析仪可同时监控组分浓度和工艺参数。
微电子清洗工艺
深能级金属离子的吸杂：
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
2018-11-27
1
41
激活 可动，增加扩散速度。替位原子 间隙原子 Aus＋I AuI Aus AuI＋ V 踢出机制 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。
HEPA: High Efficiency Particulate Air 恒温，恒湿，恒尘， 恒压，恒震，恒静
2018-11-27 1 3
引言
风 4
引言
净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5mm的粒子 总数少于X个。（1立方英尺=0.283立方米）
第五讲之 Si片的清洗工艺
1、清洗的概念及超净室环境介绍 2、污染的类别及清除过程
2018-11-27
1
1
引言
三道防线: 净化环境（clean room） 硅片清洗（wafer cleaning） 吸杂（gettering）
2018-11-27
1
2
引言
1、净化环境 芯片代加工工厂的环境通过以下措施进行:
1
13
15
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
氧化
Mz+ + z e-
还原
去除溶液：H2O2：强氧化剂
1 16
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电负性 Cu+e Si Cu2-+2e CuSi++e Cu
微电子工艺中的清洗技术现状与展望论文
微电子工艺中的清洗技术现状与展望论文随着社会主义经济制度改革进程不断推进，我国市场经济程度越来越高，在这一时代背景下，微电子工艺的研究就被众多行业的企业家们提上了战略的日程。
但是，由于微电子技术的产物具有质量轻、体积小、与其他部件切合紧密等特征，从而致使对微电子的清洗工作越来越复杂。
微电子是科技产品的必备组成部分，其清洁度将直接影响到产品的散热功能、使用性能。
因此，对于微电子清洗技术的研究就变得愈发重要。
1微电子工艺清洗技术的理论研究在微电子元器件的制造过程当中，由于其体积小、制造过程复杂等众多客观原因存在，将会很有可能导致微电子元器件在其步骤繁琐的制造过程当中受到污染。
这些污染物质通常会物理吸附或者是化学吸附等多种方式在电子元器件生产过程当中吸附在其表面。
比如说，硅胶材质的硅片在其制造过程中污染物质通常会以离子或者是以粒子形式吸附在硅片的表面。
这些污染物质还有可能存在于硅片自身的氧化膜当中。
产生这一现象的原因并不奇怪，这是由于这些污染物质破坏掉了硅片表面的化学键，从而导致了在其表面形成了自然的力场，让众多污染物质轻松吸附或者直接进入到硅片的氧化膜当中。
在产生这种现象之后，要清洗硅片就非常困难了。
在清洗过程中，既要保持不能去破坏硅片的结构，又要保持能够对污染物质进行彻底的清洗，以便其对产品结构当中的其他元器件产生污染，这一问题就变得非常棘手，愈发困难了。
在当前微电子行业的大多企业或是研究所讲微电子的清洗技术两类：一种叫做湿法清洗；另一种叫做干法清洗。
这两种技术都能够保持比较高的清洗度，并且能够在不破坏电子元器件的化学键的基础上祛除电子元器件表面或是氧化膜内存在的污染物和杂质。
2微电子工艺清洗技术的现状研究由于我国行业的发展更重视对服务业的发展和我国微电子行业的起步和发展较晚，从而致使当前我国微电子工艺的清洗技术比较落后，并且存在诸多的问题。
2.1湿法清洗技术研究湿法清洗这一技术，是由上个世纪六十年代的一名美国科学家所研究发明出来的。
微电子工艺原理第5讲 清洗工艺
2019-02-14
1
12
在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数目/ml）
2019-02-14
1
13
2、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 Fe, Cu, Ni, Cr, W,
Ti… Na, K, Li…
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
方法：外延或热循环处理
外扩散
沉淀析出
温度（C）
凝结成核
时间（h）
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bipolar
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本节课主要内容小结1
净化的必要性
器件：少子寿命，VT改变，Ion Ioff，栅击穿电压，可靠性
电路：产率，电路性能
净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂 净化级别 高效净化 本征吸杂和非本征吸杂 强氧化
深能级金属离子的吸杂：
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
2019-02-14
1
41
激活 可动，增加扩散速度。替位原子 间隙原子 Aus＋I AuI Aus AuI＋ V 踢出机制 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。
0.5um
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引言
2019-02-14
1
6
超净室的构造
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 泵 颗粒 循 环 系 统
20～22C 40～46％RH
2019-02-14
排气除尘
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06.03.2021
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Log (concentration/cm2)
整理ppt
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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）
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
氧化
M
Mz+ + z e-
1 溶解 2 氧化分解 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：湿法刻蚀, megasonic（超声清洗）
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整理ppt
12
在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数目/ml）
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整理ppt
13
2、金属的玷污
➢ 来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺
（适合于几乎所有有机物）
金属
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
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RCA——标准清洗
标准清洗液-SC1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：
第五讲之 Si片的清洗工艺
1、清洗的概念及超净室环境介绍 2、污染的类别及清除过程
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整理ppt
1
引言
三道防线: ✓净化环境（clean room） ✓硅片清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
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整理ppt
2
引言
1、净化环境
芯片代加工工厂的环境通过以下措施进行:
年产能=年开支 为1亿3千万
1000×100×52×$50×50% =$130,000,000
06.03.2021 产率提高3.8%，将带来整理年ppt 利润1千万美元！
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污染物的类别及清洗过程
污染物可能包括：微尘，有机物残余，重 金属，碱离子
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整理ppt
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1、颗粒
颗粒：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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/人
超纯化学品 去离子水
特殊设计及材料 定期清洗
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各种可能落在芯片表面的颗粒
06.03.2021
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清洗的原理
❖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：
0.5um
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引言
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6
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超净室的构造
排气除尘
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 泵 颗粒 循 环 系 统
20～22C 40～46％RH
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污染的危害
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
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
OH－
OH－
OH－
OH－ OH－
OH－
RCA 是标准工艺可 以有效去除重金属、 有机物等.
HEPA: High Efficiency Particulate Air
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恒温，恒湿，恒尘， 恒压，恒震，恒静
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引言
风淋室
From Intel Museum
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4
引言
净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5mm的粒子 总数少于X个。（1立方英尺=0.283立方米）
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典型的湿法化学清洗药品
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有机物/光刻 胶的两种清 除方法：
Si片的清洗工艺
Piranha（SPM：sulfuric/peroxide mixture）
H2SO4(98％):H2O2(30％)=2:1~4:1
把光刻胶分解为CO2＋H2O
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RCA——标准清洗
标准清洗液-SC2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8 70～80C, 10min 酸性（pH值<7）
HEPA(high-efficiency particulate arresting ) filters an
d recirculation for the air.(高效过滤器和空气再循环) ✓“Bunny suits” for workers.(工作人员的超净工作服) ✓Filtration of chemicals and gases.(高纯化学药品和气体) ✓Manufacturing protocols.(严格的制造规程)
还原
➢ 去除溶液：H2O2：强氧化剂
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Cu+e Si
Cu2-+2e
电负性 CuSi++e
Cu
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反 应 优 先 向 左
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3、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
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
➢ 去除方法：强氧化 － 臭氧干法 － Piranha：H2SO4-H2O2 － 臭氧注入纯水
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4、自然氧化层
➢ 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）
❖量级：1010原子/cm2
Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti… Na, K, Li…
➢ 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
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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
Fe Ni Cu