半导体制造中的化学品省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

半导体制造中化学品半导体制造中化学品 半导体制造在很大程度上是一个与化学相关工艺半导体制造在很大程度上是一个与化学相关工艺过程。高达过程。高达20%工艺步骤是清洗和晶圆表面处理。工艺步骤是清洗和晶圆表面处理。半导体工厂消耗大量酸、碱、溶剂和水，为到达半导体工厂消耗大量酸、碱、溶剂和水，为到达准确和洁净工艺，部分成本是因为化学品需要非准确和洁净工艺，部分成本是因为化学品需要非常高纯度和特殊反应机理。常高纯度和特殊反应机理。在硅片制造中使用化学材料被称为工艺用化学品，在硅片制造中使用化学材料被称为工艺用化学品，有不一样种类化学形态而且要严格控制纯度。有不一样种类化学形态而且要严格控制纯度。第1页3.1物质形态物质形态三种基本形态：固态、液态和气态三种基本形态：固态、液态和气态固体有其自己固定形状，不会随容器形固体有其自己固定形状，不会随容器形状而改变。状而改变。液体会填充容器相当于液体体积大小区液体会填充容器相当于液体体积大小区域，并会形成表面。域，并会形成表面。气体会填充整个容器，不会形成表面。气体会填充整个容器，不会形成表面。第2页活性气体如氢气和氧气，轻易与其它气体或元素活性气体如氢气和氧气，轻易与其它气体或元素反应形成稳定化合物。反应形成稳定化合物。惰性气体如氦气和氩气，极难形成化合物，不与惰性气体如氦气和氩气，极难形成化合物，不与其它化学材料反应，广泛应用于半导体制造业。其它化学材料反应，广泛应用于半导体制造业。等离子体：第四种形态，当有高能电离原等离子体：第四种形态，当有高能电离原子或分子聚集体存在时就会出现等离子体。子或分子聚集体存在时就会出现等离子体。将一定气体暴露在高能电场中就能诱发等将一定气体暴露在高能电场中就能诱发等离子体。离子体。第3页3.2材料属性材料属性经过研究材料属性，了解怎样在半导体制造业中经过研究材料属性，了解怎样在半导体制造业中使用它们。使用它们。有两类：化学属性和物理属性有两类：化学属性和物理属性物理属性：指那些经过物质本身而不需要与物理属性：指那些经过物质本身而不需要与其它物质相互作用而反应出来性质。有熔点、沸其它物质相互作用而反应出来性质。有熔点、沸点、电阻率和密度等点、电阻率和密度等化学属性：指经过与其它物质相互作用或相互转变化学属性：指经过与其它物质相互作用或相互转变而反应出来性质。有可燃性、反应性和腐蚀性。而反应出来性质。有可燃性、反应性和腐蚀性。第4页3.3半导体制造中化学属性半导体制造中化学属性 先进先进IC制造商通常会使用新型材料来改进制造商通常会使用新型材料来改进芯片性能并减小器件特征尺寸。化学品一芯片性能并减小器件特征尺寸。化学品一些属性对于了解新半导体工艺材料存在有些属性对于了解新半导体工艺材料存在有很主要意义。很主要意义。属性有：温度，密度，压强和真空，表面属性有：温度，密度，压强和真空，表面张力，冷凝，热膨胀，蒸气压，应力，升张力，冷凝，热膨胀，蒸气压，应力，升华和凝华华和凝华第5页1.温度：是比较一个物质相对于另一个物质温度：是比较一个物质相对于另一个物质是热还是冷量度标准。是热还是冷量度标准。硅晶圆制造中需要处理很多在高温下情况，硅晶圆制造中需要处理很多在高温下情况，比如需要加热来影响化学反应（如改改变比如需要加热来影响化学反应（如改改变学反应速度）或者对硅单晶结构退火使原学反应速度）或者对硅单晶结构退火使原子重新排列。子重新排列。存在三种温标：华氏温标（存在三种温标：华氏温标（），摄氏温标），摄氏温标（）和绝对温标或开氏温标（）和绝对温标或开氏温标（K）。）。第6页2.压强和真空压强和真空 压强压强=压力压力/面积，在半导体制造中被广泛面积，在半导体制造中被广泛使用属性。化学品和气体都是从高压向低使用属性。化学品和气体都是从高压向低压区域流动。压区域流动。真空，普通来说，压力低于标准大气压就真空，普通来说，压力低于标准大气压就认为是真空。真空条件用压力单位来衡量。认为是真空。真空条件用压力单位来衡量。蒸发和溅射都工作在真空环境。蒸发和溅射都工作在真空环境。第7页3.冷凝和汽化冷凝和汽化冷凝：气体变成液体过程被称作冷凝冷凝：气体变成液体过程被称作冷凝汽化：从液体变成气体相反过程叫做汽化汽化：从液体变成气体相反过程叫做汽化吸收：气体或液体进入其它材料主要方式吸收：气体或液体进入其它材料主要方式吸附：气体或液体被束缚在固体表面，被吸附：气体或液体被束缚在固体表面，被吸附分子经过化学束缚或者物理吸引这么吸附分子经过化学束缚或者物理吸引这么弱束缚黏在物体表面弱束缚黏在物体表面第8页4.蒸汽压蒸汽压在密闭容器中气体分子施加压力，汽化和在密闭容器中气体分子施加压力，汽化和冷凝速率处于动态平衡。冷凝速率处于动态平衡。5.升华和凝华升华和凝华升华：固体直接变成气体过程。升华：固体直接变成气体过程。凝华：气体直接变成固体过程凝华：气体直接变成固体过程第9页6.表面张力表面张力:当一滴液体在一个平面上，液滴当一滴液体在一个平面上，液滴存在着一个接触表面积，液滴表面张力是存在着一个接触表面积，液滴表面张力是增加接触表面积所需能量。伴随表面积增增加接触表面积所需能量。伴随表面积增加，液体分子必须打破分子间引力，从液加，液体分子必须打破分子间引力，从液体内部运动到液体表面，所以需要能量。体内部运动到液体表面，所以需要能量。在半导体中这个概念用来衡量液体均匀涂在半导体中这个概念用来衡量液体均匀涂在晶圆表面粘附能力。在晶圆表面粘附能力。第10页7.热膨胀：当一个物体被加热时，因为原子热膨胀：当一个物体被加热时，因为原子振动加剧，它体积就会发生膨胀。振动加剧，它体积就会发生膨胀。衡量材料热膨胀大小参数是热膨胀系数。衡量材料热膨胀大小参数是热膨胀系数。非晶材料热膨胀是各向同性，而全部晶体非晶材料热膨胀是各向同性，而全部晶体材料，比如单晶，热膨胀是各向异性。材料，比如单晶，热膨胀是各向异性。第11页8.应力：当一个物体受到外力作用时，就会应力：当一个物体受到外力作用时，就会产生应力。产生应力。在晶圆中有各种原因可造成应力产生。在晶圆中有各种原因可造成应力产生。硅片表面物理损伤硅片表面物理损伤 位错，多出空隙和杂质产生内力位错，多出空隙和杂质产生内力 外界材料生长外界材料生长第12页 假如两个热膨胀系数相差很大物体结合在一假如两个热膨胀系数相差很大物体结合在一起，然后加热，因为两种材料以不一样速起，然后加热，因为两种材料以不一样速率膨胀造成它们彼此推拉，产生应力。会率膨胀造成它们彼此推拉，产生应力。会使硅片弯曲，在半导体制造过程中，非常使硅片弯曲，在半导体制造过程中，非常重视这种应力。确保材料最小应力能够改重视这种应力。确保材料最小应力能够改进芯片可靠性。进芯片可靠性。第13页3.4化学品在半导体制造中状态化学品在半导体制造中状态三种状态：液态，固态和气态。三种状态：液态，固态和气态。用途有：用途有：用湿法化学溶液和超净水清洗硅片用湿法化学溶液和超净水清洗硅片 表面表面用高能离子对硅片进行掺杂得到用高能离子对硅片进行掺杂得到P型或型或N型硅型硅淀积不一样金属导体层以及导体层之间介淀积不一样金属导体层以及导体层之间介 质层质层生长薄二氧化硅层作为生长薄二氧化硅层作为MOS器件栅极介质材料器件栅极介质材料用等离子体增强刻蚀或湿法试剂有选择去除材料用等离子体增强刻蚀或湿法试剂有选择去除材料并在薄膜上形成所需图形并在薄膜上形成所需图形第14页1、液体、液体 在半导体制造湿法工艺步骤中使用了许各在半导体制造湿法工艺步骤中使用了许各种液体。在硅片加工厂降低使用化学品是种液体。在硅片加工厂降低使用化学品是长久努力。许多液体化学品都是非常危险，长久努力。许多液体化学品都是非常危险，需要特殊处理和销毁伎俩。另外，化学品需要特殊处理和销毁伎俩。另外，化学品残余不但会沾污硅片，还会产生蒸气经过残余不但会沾污硅片，还会产生蒸气经过空气扩散后沉淀在硅片表面。空气扩散后沉淀在硅片表面。第15页在硅片加工厂液态工艺用化学品主要有以在硅片加工厂液态工艺用化学品主要有以下几类：酸、碱、溶剂下几类：酸、碱、溶剂酸酸 以下是一些在硅片加工中惯用酸及其用途：以下是一些在硅片加工中惯用酸及其用途：a.HF 刻蚀二氧化硅及清洗石英器皿刻蚀二氧化硅及清洗石英器皿 b.HCL 湿法清洗化学品，湿法清洗化学品，2号标准液一部分号标准液一部分第16页c.H2SO4 清洗硅片清洗硅片d.H3PO4 刻蚀氮化硅刻蚀氮化硅e.HNO3 刻蚀刻蚀PSG碱碱在半导体制造中通常使用碱性物质在半导体制造中通常使用碱性物质a.NaOH 湿法刻蚀湿法刻蚀b.NH4OH 清洗剂清洗剂第17页c.KOH 正性光刻胶显影剂正性光刻胶显影剂d.TMAH（氢氧化四甲基铵）（氢氧化四甲基铵）同上同上溶剂：是一个能够溶解其它物质形成溶液物质。溶剂：是一个能够溶解其它物质形成溶液物质。半导体制造中惯用溶剂：半导体制造中惯用溶剂：a.去离子水去离子水 清洗剂清洗剂 b.异丙醇异丙醇 同上同上 c.三氯乙烯三氯乙烯 同上同上 d.丙酮丙酮 同上同上 e.二甲苯二甲苯 同上同上第18页去离子水去离子水 它里面没有任何导电离子，它里面没有任何导电离子，PH值为值为7，是中，是中性。能够溶解其它物质，包含许多离子化性。能够溶解其它物质，包含许多离子化合物和共价化合物。经过克服离子间离子合物和共价化合物。经过克服离子间离子键使离子分离，然后包围离子，最终扩散键使离子分离，然后包围离子，最终扩散到液体中。到液体中。第19页2、气体、气体 在半导体制造过程中，全部大约在半导体制造过程中，全部大约450道工艺道工艺中大约使用了中大约使用了50种不一样种类气体。因为种不一样种类气体。因为不停有新材料比如铜金属互连技术被引入不停有新材料比如铜金属互连技术被引入到半导体制造过程中，所以气体种类和数到半导体制造过程中，所以气体种类和数量是不停发生改变。量是不停发生改变。通常分为两类：通用气体和特种气体通常分为两类：通用气体和特种气体第20页全部气体都要求有极高纯度：通用气体控全部气体都要求有极高纯度：通用气体控制在制在7个个9以上纯度；特种气体则要控制在以上纯度；特种气体则要控制在4个个9以上纯度。以上纯度。许多工艺气体都含有剧毒性、腐蚀性、活许多工艺气体都含有剧毒性、腐蚀性、活性和自燃。所以，在硅片厂气体是经过气性和自燃。所以，在硅片厂气体是经过气体配送（体配送（BGD）系统以安全、清洁和准确）系统以安全、清洁和准确方式输送到不一样工艺站点。方式输送到不一样工艺站点。第21页n通用气体：对气体供给商来说就是相对简单通用气体：对气体供给商来说就是相对简单气体。被存放在硅片制造厂外面大型存放气体。被存放在硅片制造厂外面大型存放罐里。罐里。常分为惰性、还原性和氧化性三种气体。常分为惰性、还原性和氧化性三种气体。惰性惰性 N2，Ar，He 还原性还原性 H2 氧化性氧化性 O2第22页n特种气体：指供给量相对较少气体。比通用特种气体：指供给量相对较少气体。比通用气体更危险，是制造中所必须材料起源。气体更危险，是制造中所必须材料起源。大多数是有害，如大多数是有害，如HCL和和CL2含有腐蚀性，含有腐蚀性，硅烷会发生自燃，砷化氢和磷化氢有毒，硅烷会发生自燃，砷化氢和磷化氢有毒，WF6含有极高活性。含有极高活性。通惯用通惯用100磅金属容器（钢瓶）运输到硅片磅金属容器（钢瓶）运输到硅片厂。钢瓶放在专用储备室内。厂。钢瓶放在专用储备室内。第23页特种气体分类：氢化物、氟化物或酸性气体。特种气体分类：氢化物、氟化物或酸性气体。惯用特种气体有：惯用特种气体有：氢化物氢化物 SiH4 气相淀积工艺硅源气相淀积工艺硅源 AsH3 掺杂砷源掺杂砷源 PH3 掺杂磷源掺杂磷源 B2H6 掺杂硼源掺杂硼源第24页氟化物氟化物 NF3,C2F4,CF4 等离子刻蚀工艺中等离子刻蚀工艺中 氟离子源氟离子源 WF6 金属淀积工艺中钨源金属淀积工艺中钨源 SiF4 淀积、注入、刻蚀工艺中淀积、注入、刻蚀工艺中 硅和氟离子源硅和氟离子源酸性气体酸性气体 ClF3 工艺腔体清洁气体工艺腔体清洁气体 BF3，BCl3 掺杂硼源掺杂硼源 Cl2 金属刻蚀中氯起源金属刻蚀中氯起源第25页其它其它 HCL 工艺腔体清洁气体和去污剂工艺腔体清洁气体和去污剂 NH3 工艺气体工艺气体 CO 刻蚀工艺中刻蚀工艺中第26页