深圳大学集成电路半导体制造期末论文 - 图文

以下为对于不同沾污总的技术归纳：

5.2.1 颗粒:piranha（SPM），SC-1(APM)清洗，兆声清洗，刷洗器和低温喷雾清洗

5.2.1.1 Piranha配料：

piranha清洗的另一个常用名是Caros清洗。Piranha是一种强效的清洗溶液，它联合使用硫酸和过氧化氢去除硅片表面的有机物和金属杂质。Piranha在工艺的不同步骤中使用，有时在SC-1和SC-2清洗步骤之前。通常的清洗方法是把硅片浸入125度的piranha中19分钟，紧接着用去离子水彻底清洗。Caro酸是piranha的变种，他通过混合380份浓缩硫酸，17份30%过氧化氢和一份超纯水制备而成。

5.2.1.2 SC-1(APM)清洗：

⑴ 目的：主要是去除颗粒沾污（粒子）也能去除部分金属杂质。

⑵ 去除颗粒及有机物的原理：硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜（约6nm呈亲水性），该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。由于H2O2的氧化作用，硅片表面的有机物会被分解成CO2和H2O而被除去。并且氢氧根也在硅片表面和颗粒上积累负电荷。表面负电荷的好处防止颗粒的重新淀积。

5.2.1.3 结合SC-1用的最为广泛的：兆声清洗

兆声波清洗技术：兆声波清洗不但保存了超声波清洗的优点，而且克服了它的不足。兆声波清洗的机理是由高能（850kHz）频振效应并结合化学清洗剂的化学反应对硅片进行清洗的。在清洗时，由换能器发出波长为1．5μm频率为0．8兆赫的高能声波。溶液分子在这种声波的推动下作加速运动，最大瞬时速度可达到30cm／s。因此形成不了超声波清洗那样的气泡，而只能以高速的流体波连续冲击晶片表面，使硅片表面附着的污染物和细小颗粒被强制除去并进入到清洗液中。兆声波清洗抛光片可去掉晶片表面上小于0．2μm的粒子，起到超声波起不到的作用。这种方法能同时起到

机械擦片和化学清洗两种方法的作用。目前兆声波清洗方法已成为抛光片清洗的一种有效方法。

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5.2.1.4 刷洗器：

硅片刷洗是去除硅片表面颗粒的一个有效方法。刷洗能去除直径1微米或更小的颗粒。

早期的硅片刷用尼龙制成，由于刚性的尼龙和高压水喷射的协同作用会损伤硅片表面，当前的刷子用聚乙烯醇制成，这是一种柔软的，可压缩的像海绵一样的材料。见图6.30.PVA刷子能有效去除颗粒而不致损伤硅片。刷洗器可以用双面模式实现，与室温的无毒化学剂和去离子水一起使用，向硅片上喷射液体和刷洗同时进行。

5.2.1.5 低温喷雾清洗：

充分冷却气体（氩）直至形成固体冰粒，喷射到硅片表面去除颗粒沾污。当氩氮混合物流进一个喷嘴阵列时，氩的冷却通过真空室内的膨胀冷却（降低气压）完成，氮用来稀释氩并且控制固体氩粒子的直径。研究表明，低温喷雾清洗比湿洗清洗更高级，但并不广泛使用。

5.2.2 有机物沾污：SC-1（APM）清洗（已阐述），喷雾清洗，等离子体基干法清洗

5.2.2.1 喷雾清洗

旋转喷淋法（见图6.29）是指利用机械方法将硅片以较高的速度旋转起来，在旋转过程中通过不断向硅片表面喷液体（高纯去离子水或其它清洗液）而达到清除硅片目的的一种方法。该方法利用所喷液体的溶解（或化学反应）作用来溶解硅片表面的沾污，同时利用高速旋转的离心作用，使溶有杂质的液体及时脱离硅片表面，这样硅片表面的液体总保持非常高的纯度。同时由于所喷液体与旋转的硅片有较高的相对速度，所以会产生较大的冲击力达到清除吸附杂质的目的。

5.2.2.2 等离子体基干法清洗

等离体体基干法清洗必须考虑作为湿法清洗的主要替代。现在，干等离子体技术中，气体和等离子体能量用来产生化学反应，达到去除沾污的目的。

5.2.3 金属杂质：用SC-2(HPM),piranha，DHF洗净，等离子体基干法清洗（已阐述）和蛰合剂 5.2.3.1 SC-2(HPM)清洗：

⑴ 原理：清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中易发生，在酸性溶 液中不易发生，并具有较强的去除晶片表面金属的能力，但经SC-1洗后虽能去除Cu等金属，而晶片表面形成的自然氧化膜的附着（特别是Al）问题还未解决。硅片表面经SC-2液洗后，表面Si大部分以 O 键为终端结构，形成一层自然氧化膜，呈亲水性。由于晶片表面的SiO2和Si不能被腐蚀，因此不能达到去除粒子的效果。

⑵相关化学反应方程式: SC-2是H2O2和HCL的酸性溶液，它具有极强的氧化性和络合性，能与氧以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。

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5.2.3.2 DHF洗净：

HF(DHF) 20～25℃ DHF可以去除硅片表面的自然氧化膜，因此，附着在自然氧化膜上的金属将被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。因此可以很容易地去除硅片表面的Al，Fe，Zn，Ni等金属，DHF也可以去除附着在自然氧化膜上的金属氢氧化物。用DHF清洗时，在自然氧化膜被腐蚀掉时，硅片表面的硅几乎不被腐蚀。

5.2.3.3 蛰合剂

蛰合剂用来结合并用来去除金属离子。加入清洗剂中，就能减少溶液中金属的再淀积。它通过改变这类金属的氧化还原势以达此目的。一个例子是向SC-1的氢氧化铵中加入蛰合剂，作为隔离金属与粘附在硅片表面的化学杂质的手段。

5.2.4 自然氧化层：用DHF和BHF洗净技术

5.2.4.1 DHF前面已阐述。 5.2.4.2 BHF:缓冲氢氟酸

5.2.5静电释放：多数静电释放（ESD)可以通过合理运用设备和规程得到控制。 主要的三种方法有：静电消耗性的净化间材料，ESD接地和空气电离

5.2.5.1 静电消耗性的净化间材料

净化间材料，如手推车，过滤片，设备等，必须是静电消耗性的。这个术语意味着这种材料的电阻率通过使用导电性附加材料而降低，允许可动的静电荷流进该材料。 5.2.5.2 ESD接地

净化间的人员和物体都必须持续接地。通过这种方式，静电释放通过硅片接触的人体和所有净化间材料传导，无妨害地通过产品流向地。 5.2.5.3 空气电离

位于净化间天花板内专用的离子发射器产生高电压场事空气分子电离，通过失去或得到电子变得导电。当导电性空气接触到带电表面时，表面能吸引另一极性的离子来中和掉表面静电荷。

6) Intel基于HKMG技术实现了45nm及其以后的处理器的生产。请通过查阅资料，阐述你对前栅极(gate-first)和后栅极(gate-last)两种新一代栅极堆栈工艺方法的理解。 【15分】 答：

6.1 两种工艺的区别和原理：前栅极(gate-first)和后栅极(gate-last)作为两种新一代栅极堆栈方法，其中前栅极是在对硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的退火工步完成之前便生成金属栅极，而后栅极则正好相反，它是在对硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的退火工步完成之后才生成金属栅极的。

6.2 关键是使用high-k技术：尽管这两种堆栈方法工艺相反，但不管使用前栅极还是后栅极，制造出来的high-k绝缘层对提升晶体管的性能均有重大的意义。high-k技术不仅能够大幅减小栅极的漏电量，而且由于high-k绝缘层的等效氧化物厚度(EOT:equivalentoxidethickness)较薄，因此还能有效降低栅极电容。这样晶体管的关键尺寸便能得到进一步的缩小，而管子的驱动能力也能得到

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有效的改善。

6.3 两种工艺的实现难点：

前栅极工艺实现HKMG的难点在于如何去控制Vt门限电压，但前栅极工艺制成的产品在管芯密度方面较有优势；目前主要通过在high-k层的上下位置沉积氧化物薄层，设置一定厚度的high-k绝缘体上覆层(cap layer)，从而达到控制Vt的目的。

后栅极工艺实现HKMG的难点是其工艺较复杂，芯片的管芯密度同等条件下要比前栅极工艺低，需要设计方积极配合修改电路设计才可以达到与前栅极工艺相同的管芯密度级别，但是它可以很好地控制栅极材料的功函数，非常适合低功耗，高性能产品使用。目前，采用前栅极技术的主要代表有IBM、英飞凌、NEC、GlobalFoundries、三星、意法半导体以及东芝，而采用后栅极技术的主要代表有Intel和台积电.

7) 等离子体是现代集成电路工艺中不可或缺的加工手段和材料，根据你的理解和对查阅到的资料

的学习，请就在集成电路工艺中等离子体的发生方法以及有哪些工艺用到它，进行详细的阐述。 【15分】 答：

等离子体的发生方法：直流放电和交流放电

7.1直流放电：直流辉光放电，空心阴阴放电 ，直流脉冲放电，电弧放电和磁控管放电

7.1.1 直流辉光放电

7.1.1.1 冷热阴极放电的区别：

冷阴极放电依靠阴极的二次电子发射来维持放电，热阴极依靠阴极本身的热电子发射来维持放电；热阴极放电需要较高的阴极温度（1000－3000°C），但在低气压（如0.1Pa）下仍能维持放电； 冷阴极放电需要较高的着火电压与放电维持电压（用于加速离子），而热阴极放电的放电维持电压较低；冷阴极放电器件不需要加热灯丝有较长的寿命，且节能，热阴极放电器件有较高的功率；

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