第三章半导体制造中的化学品

半导体制造中的化学品半导体制造在很大程度上是一种与化学有关的工艺过程。高达20%工艺步骤是清洗和晶圆表面的处理。半导体工厂消耗大量的酸、碱、溶剂和水，为达到精确和洁净的工艺，部分成本是由于化学品需要非常高的纯度和特殊反应机理。在硅片制造中使用的化学材料被称为工艺用化学品，有不同种类的化学形态并且要严格控制纯度。3.1物质形态三种基本形态：固态、液态和气态固体有其自己固定的形状，不会随容器的形状而改变。液体会填充容器的相当于液体体积大小的区域，并会形成表面。气体会填充整个容器，不会形成表面。•活性气体如氢气和氧气，容易与其他气体或元素反应形成稳定的化合物。•惰性气体如氦气和氩气，很难形成化合物，不与其他化学材料反应，广泛应用于半导体制造业。等离子体：第四种形态，当有高能电离的原子或分子的聚集体存在时就会出现等离子体。将一定的气体暴露在高能电场中就能诱发等离子体。3.2材料的属性通过研究材料的属性，了解如何在半导体制造业中使用它们。有两类：化学属性和物理属性物理属性：指那些通过物质本身而不需要与其他物质相互作用而反映出来的性质。有熔点、沸点、电阻率和密度等化学属性：指通过与其他物质相互作用或相互转变而反映出来的性质。有可燃性、反应性和腐蚀性。3.3半导体制造中的化学属性先进的IC制造商通常会使用新型材料来改善芯片的性能并减小器件的特征尺寸。化学品的一些属性对于理解新的半导体工艺材料的存在有很重要的意义。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，升华和凝华1.温度：是比较一个物质相对于另一个物质是热还是冷的量度标准。硅晶圆制造中需要处理很多在高温下的情况，比如需要加热来影响化学反应（如改变化学反应速度）或者对硅单晶结构退火使原子重新排列。存在三种温标：华氏温标（℉），摄氏温标（℃）和绝对温标或开氏温标（K）。2.压强和真空压强=压力/面积，在半导体制造中被广泛使用的属性。化学品和气体都是从高压向低压区域流动的。真空，一般来说，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。蒸发和溅射都工作在真空环境。3.冷凝和汽化•冷凝：气体变成液体的过程被称作冷凝•汽化：从液体变成气体的相反过程叫做汽化•吸收：气体或液体进入其他材料的主要方式•吸附：气体或液体被束缚在固体表面，被吸附的分子通过化学束缚或者物理吸引这样的弱束缚黏在物体表面4.蒸汽压在密闭容器中气体分子施加的压力，汽化和冷凝的速率处于动态平衡。5.升华和凝华升华：固体直接变成气体的过程。凝华：气体直接变成固体的过程6.表面张力:当一滴液体在一个平面上，液滴存在着一个接触表面积，液滴的表面张力是增加接触表面积所需的能量。随着表面积的增加，液体分子必须打破分子间的引力，从液体内部运动到液体的表面，因此需要能量。在半导体中这个概念用来衡量液体均匀涂在晶圆表面的粘附能力。7.热膨胀：当一个物体被加热时，由于原子振动加剧，它的体积就会发生膨胀。衡量材料热膨胀大小的参数是热膨胀系数。非晶材料的热膨胀是各向同性的，而所有晶体材料，比如单晶，热膨胀是各向异性的。8.应力：当一个物体受到外力作用时，就会产生应力。在晶圆中有多种原因可导致应力的产生。①硅片表面的物理损伤②位错，多余的空隙和杂质产生的内力③外界材料生长如果两个热膨胀系数相差很大的物体结合在一起，然后加热，由于两种材料以不同的速率膨胀导致它们彼此推拉，产生应力。会使硅片弯曲，在半导体制造过程中，非常重视这种应力。确保材料的最小应力可以改善芯片的可靠性。3.4化学品在半导体制造中的状态三种状态：液态，固态和气态。用途有：用湿法化学溶液和超净的水清洗硅片表面用高能离子对硅片进行掺杂得到P型或N型硅淀积不同的金属导体层以及导体层之间的介质层生长薄的二氧化硅层作为MOS器件的栅极介质材料用等离子体增强刻蚀或湿法试剂有选择的去除材料并在薄膜上形成所需的图形1、液体在半导体制造的湿法工艺步骤中使用了许多种液体。在硅片加工厂减少使用化学品是长期的努力。许多液体化学品都是非常危险，需要特殊处理和销毁手段。另外，化学品的残余不仅会沾污硅片，还会产生蒸气通过空气扩散后沉淀在硅片表面。•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①酸以下是一些在硅片加工中常用的酸及其用途：a.HF刻蚀二氧化硅及清洗石英器皿b.HCL湿法清洗化学品，2号标准液一部分c.H2SO4清洗硅片d.H3PO4刻蚀氮化硅e.HNO3刻蚀PSG②碱在半导体制造中通常使用的碱性物质a.NaOH湿法刻蚀b.NH4OH清洗剂c.KOH正性光刻胶显影剂d.TMAH（氢氧化四甲基铵）同上③溶剂：是一种能够溶解其他物质形成溶液的物质。半导体制造中常用的溶剂：a.去离子水清洗剂b.异丙醇同上c.三氯乙烯同上d.丙酮同上e.二甲苯同上•去离子水它里面没有任何导电的离子，PH值为7，是中性的。能够溶解其他物质，包括许多离子化合物和共价化合物。通过克服离子间离子键使离子分离，然后包围离子，最后扩散到液体中。2、气体在半导体制造过程中，全部大约450道工艺中大概使用了50种不同种类的气体。由于不断有新的材料比如铜金属互连技术被引入到半导体制造过程中，所以气体的种类和数量是不断发生变化的。通常分为两类：通用气体和特种气体•所有气体都要求有极高的纯度：通用气体控制在7个9以上的纯度；特种气体则要控制在4个9以上的纯度。•许多工艺气体都具有剧毒性、腐蚀性、活性和自燃。因此，在硅片厂气体是通过气体配送（BGD）系统以安全、清洁和精确的方式输送到不同的工艺站点。通用气体：对气体供应商来说就是相对简单的气体。被存放在硅片制造厂外面大型存储罐里。常分为惰性、还原性和氧化性三种气体。①惰性N2，Ar，He②还原性H2③氧化性O2特种气体：指供应量相对较少的气体。比通用气体更危险，是制造中所必须的材料来源。大多数是有害的，如HCL和CL2具有腐蚀性，硅烷会发生自燃，砷化氢和磷化氢有毒，WF6具有极高的活性。通常用100磅的金属容器（钢瓶）运送到硅片厂。钢瓶放在专用的储藏室内。特种气体的分类：氢化物、氟化物或酸性气体。常用特种气体有：①氢化物SiH4气相淀积工艺的硅源AsH3掺杂的砷源PH3掺杂的磷源B2H6掺杂的硼源②氟化物NF3,C2F4,CF4等离子刻蚀工艺中的氟离子源WF6金属淀积工艺中的钨源SiF4淀积、注入、刻蚀工艺中的硅和氟离子源③酸性气体ClF3工艺腔体清洁气体BF3，BCl3掺杂的硼源Cl2金属刻蚀中氯的来源④其他HCL工艺腔体清洁气体和去污剂NH3工艺气体CO刻蚀工艺中