第三章硅片制造过程中沾污控制.

器件制造工艺第三章硅片制造中沾污控制器件制造工艺3.1引言一个硅片表面具有多个微芯片，每个芯片又差不多有数以百万计的器件和互连线路，它们对沾污都非常敏感。随着芯片特征尺寸为适应更高性能和更高集成度的要求而缩小，控制表面沾污变得越来越关键。为实现控制沾污，所有的硅片制备都要在沾污严格控制的净化间内完成。10/04器件制造工艺3.2净化间基本情况净化间最早被用于手术室内避免细菌沾污1950年被应用于半导体工业20世纪60年代高效颗粒空气过滤器的引入是向着硅片制造中大量减少颗粒的第一步现代半导体制造是在被称为净化间的成熟设施中进行。这种硅片制造设备与外部环境隔离，免受诸如颗粒、金属、有机分子和静电释放的沾污。沾污越少，投入越高10/04器件制造工艺3.3沾污的类型沾污：是指半导体制造中引入半导体硅片的任何危害芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。净化间沾污分五类：颗粒金属杂质有机物沾污自然氧化层静电释放（ESD)10/04器件制造工艺颗粒：能粘附在硅片表面的小物体颗粒能引起电路开路或短路。它们能在相邻导体间引起短路。半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗略法则是它必须小于最小器件特征尺寸的一半。大于这个尺寸的颗粒会引起致命的缺陷。颗粒的检测：早期，操作员通过显微镜直观地检查硅片表面颗粒。但这种方法在VLSI和ULSI时代不可接受。自从20世纪80年代中期以来，颗粒检测已经广泛采用激光束扫描硅片表面和检测颗粒散射的光强及位置来进行。在当前生产中应用的颗粒检测装置能检测到的最小颗粒直径为0.1微米。10/04器件制造工艺10/04器件制造工艺10/04器件制造工艺金属杂质：危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属碱金属：在普通化学品和工艺中常见，碱金属来自周期表IA族，是极端活泼的元素，因为它们容易失去一个价电子成为阳离子，与非金属的阴离子反应形成离子化合物。金属杂质来源：（1）离子注入（表现出最高的金属沾污，在1012到1013原子/平方厘米级数之间。）（2）化学品同传输管道和容器的反应（如一氧化碳气体，作为改进各种硅片工艺的附加气体，能与不锈钢的鎳、垫圈和气体传输系统中的其它元件反应，通过这一反应，气相的一氧化碳形成鎳的四碳基化合物颗粒分布在硅片表面。10/04器件制造工艺危害：金属离子被称为可动离子沾污（MIC）。当MIC引入硅片中时，在整个硅片中移动，严重损害器件电学性能和长期可靠性。金属杂质导致了半导体制造中器件成品率的减少，如氧化物－多晶硅栅中的结构性缺陷，pn结上泄漏电流的增加及少数载流子寿命的减少。MIC沾污能迁移到栅结构中的氧化硅界面，改变开启晶体管所需的阈值电压。金属杂质：危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属10/04器件制造工艺有机物沾污：指那些包括含碳的物质，几乎总是同碳自身及氢界结合在一起，有时也和其它元素结合在一起。有机物沾污来源：包括细菌、润滑剂、蒸气、清洁剂、溶剂和潮气等。有机物沾污带来的问题：在特定的工艺条件下，微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性。有机材料给半导体表面带来的另一个问题是表面清洗不彻底，这种情况使得诸如金属杂质之类的沾污在清洗之后仍保留在硅片表面。有机物沾污：10/04器件制造工艺自然氧化层自然氧化层：如果暴露于室温下的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将被氧化，这一薄氧化层成为自然氧化层。天然氧化层的厚度随暴露时间的增长而增加。自然氧化层带来的问题：（1）自然氧化层将妨碍其它工艺步骤，如硅片上单晶薄膜的生长和超薄栅氧化层的生长。（2）自然氧化层也包含了某些金属杂质，它们可以向硅中转移并形成电学缺陷。(3)自然氧化层引起的另一个问题在于金属导体的接触区，接触使得互连线与半导体器件的源区及漏区保持电学连接，如果有自然氧化层的存在，将增加接触电阻，减少甚至可能阻止电流通过。自然氧化层的清除：通过使用含HF酸的混合液清洗。10/04器件制造工艺静电释放（ESD）静电释放：是静电荷从一个物体向另一个物体未经控制地转移，可能损坏微芯片。ESD产生于两种不同静电势的材料接触或摩擦。洁净室中存在很多塑料制品，此外洁净室内物体表面本身的洁净也不利于绝缘体上静电对地的释放。因此洁净室内静电荷水平显著高于普通室内，有些物体表面的静电压高达几万伏特。静电是造成灰尘淀积的主要原因。10/04器件制造工艺静电释放（ESD）半导体制造业中的静电释放：硅片加工保持在较低的湿度中，典型条件为40％±10％，这种条件容易使较高级别的静电荷生成。静电释放带来的问题：（1）尽管ESD发生时转移的静电量通常很小，但放电的能量积累在硅片上很小的一个区域内。发生在几个纳秒内的静电释放能产生超过1A的峰值电流，可以蒸发金属导体连线和穿透氧化层。（2）ESD带来的另一个重大问题是，一旦硅片表面有了电荷积累，它产生的电场就能吸引带电颗粒或极化并吸引中性颗粒到硅片表面。颗粒越小，静电对它的吸引作用就越明显。随着器件关键尺寸的缩小，ESD对更小颗粒的尺寸变得重要起来，能产生致命缺陷。为减小颗粒沾污，硅片放电必须得到控制。10/04器件制造工艺静电释放（ESD）静电管理：基本方法对厂内设施接地，正确使用导电和静电耗散材料（放电速度很慢），对局部或工作场所的离子化。接地：人是持续的静电源，走动是自然地静电发生机制。使用腕带（耗散性的带子，与皮肤直接接触带子在连接到工作区域的接地点）、使用ESD安全座椅和工作服保证操作员接地的连续性、足部器具（耗散材料做鞋底或鞋内的脚踝带连到鞋底部）。运输的车辆也应当与地相连，配装配拖链，或使用ESD安全轮。空气离子化：空气离子发生器——通过增加作为电荷载体的离子数量来减少空气的电阻率。离子可以在空气中自然产生，特别在雷暴以后，但是在洁净室，使用过滤器过滤掉了离子。当离子化的空气和带静电的绝缘体表面接触时，带电的表面就会吸引相反极性的离子，绝缘体上的静电被中和。10/04器件制造工艺3.4沾污的源与控制硅片生产厂房的7种沾污源：空气人厂房水工艺用化学品、工艺气体生产设备10/04器件制造工艺空气净化级别：标定了净化间的空气质量级别，是由净化室空气中颗粒尺寸和密度表征的。级别0.1μm0.2μm0.3μm0.5μm5μm0.1113.50×107.703.001.00103.50×1027.50×103.00×101.00×1011007.50×1023.00×1021.00×10210001.00×1037.00100001.00×1047.00×101000001.00×1057.00×102美国联邦标准209E中各级净化间级别对空气漂浮颗粒的限制（表中数值为不同净化间净化级别每立方英尺可以接受的颗粒数和颗粒尺寸）超细颗粒：颗粒尺寸缩小为0.02～0.03μm。10/04器件制造工艺人人体颗粒来源：头发和头发用品（发胶、喷雾）、衣物纤维屑、皮屑等。一个人平均每天释放1盎司（1盎司＝28.35克）颗粒，即每分钟10000000个尺寸等于或大于0.3μm的颗粒。超净服：超净服由兜帽、连衣裤工作服、靴子和手套组成，完全包裹了身体。超净服满足：对身体产生的颗粒和浮质的总体抑制超净服系统颗粒零释放对ESD的零静电积累无化学和生物残余物的释放10/04器件制造工艺厂房10/04器件制造工艺空气过滤：主要将空气流经初级、中级、高级三级过滤器，初级可以将粒径大尘埃清除掉，中级过滤器可除去1～5μm粒径的尘埃，高效过滤器能滤掉0.5μm左右的尘埃。初级过滤器：通常采用具有一定孔径的栅网状结构的物质和尼龙纤维毡等作为过滤材料。中级过滤器：采用泡沫塑料，不同孔径、不同厚度的泡沫塑料可获得不同的过滤效果。高级过滤器：不仅要达到过滤的目的，而且要产生均匀的层流，过滤材料通常做成纸片状，过滤纸材料有：玻璃纤维、石棉和纤维素。初级过滤器一般安装在洁净室回风口，新风入口处，中级过滤器目的可延长高效过滤器的使用寿命。10/04器件制造工艺HEPA（高效空气过虑器）——采用玻璃纤维制作成型，产生层状气流。ULPA（超低渗透率空气过虑器）——具有99.9995％或更高效率过虑直径超过0.12μm颗粒的过滤器。洁净室：按气流方式有水平层流式洁净室——高效过滤器装在墙壁的一侧，垂直层流式洁净室——高效过滤器装在天花板上，是洁净度最高的一种形式，气流由天棚大面积垂直向下吹出，其中一部分空气经空调设备进行处理，一部分空气则直接进行在循环。垂直层流式自净能力强，当室内受到污染洁净度被破坏后，十分钟即可排除污染，恢复洁净度。斜流式洁净室——顶部安装单排或几排高效过滤器，气流由顶部喷出，在侧墙底部排出室外。造价便宜，结构简单，但易造成紊乱气流，使洁净度受影响。10/04器件制造工艺水半导体制造用水：高质量、超纯去离子水。主要用于硅片清洗。估计一条现代200mm工艺线，制造每个硅片的去离子水消耗达2000加仑。超纯去离子水中不允许的沾污有：溶解离子：如钠、钾容易形成离子的矿物质。有机物质：称为有机碳总量，指溶解在水中的含碳化合物的总和。颗粒：细菌：细菌是活的，在水中产生有机物，会带来氧化层、多晶硅和金属导体层的缺陷。硅土：城市用水中的硅土是细碎的悬浮颗粒，颗粒尺寸从10埃到10微米。会降低热生长氧化物的可靠性。溶解氧：导致自然氧化层的形成。10/04器件制造工艺水超纯水也称UDI或UPW。电阻率18.2Mcm制造UPW的步骤：预处理：使初始给水能够在初级处理步骤时使用。化学加成：调节水的pH值，增加或降低溶解固体的溶解能力，及生物活性。生化处理：降低悬浮固体负载，如水中的微生物和有机物。澄清：减少悬浮固体、有机物和可氧化金属的工艺，利用凝结与絮聚工艺，长大的悬浮固体有和水不同的特殊重力。介质过滤：利用过滤器除去水中的悬浮固体。活性碳：吸附，有机物及氯气和其它氧化剂。离子交换：选择吸收阳离子和阴离子。表面过滤：利用具有一定表面积的表面或多层过滤材料的多孔性去除颗粒。10/04器件制造工艺水初级处理：反渗透：去除99%的离子、有机物、颗粒双道反渗透：去离子化，二道反渗透系统持续电去离子化：利用树脂床发生标准离子交换反应，去除离子。真空脱气：溶解氧、二氧化碳和其它气体，它们会增加电导率。臭氧或UV杀菌处理：处理有机碳和微生物最终处理：抛光和配送一旦产生了符合标准的UPW，就必须进行循环，配送到整个半导体制造车间并进行持续处理以保持UPW。因为UPW是一个很强的溶剂，很容易受到离子和有机物的污染，因此持续不断地抛光处理是必要的。UV杀菌及微过滤。10/04器件制造工艺水半导体制造用水量很大，大部分水用来冲洗晶圆，制造1000加仑UPW通常需要1400~1600加仑的市政用水，制造一片8英才晶圆需消耗2000加仑UPW，如一个200mm晶圆制造车间每月生产40000片晶圆，需使用300万加仑的UPW，相当于一个30000人口的城市用水。（1加仑=3.78升）10/04器件制造工艺工艺用化学品、工艺气体为保证成功的器件成品率和性能，半导体工艺所用的液态化学品必须不含沾污。用检定数来鉴别化学纯度——指容器中特定化学物的百分比。对于ULSI时代的半导体制造，超纯气体的传输和使用是很关键的。然而，处理和传送系统有可能引入杂质反过来影响半导体器件的成品率。气体流经提纯器和气体过滤器以去除杂质和颗粒。10/04器件制造工艺生产设备：硅片工厂最大的颗粒来源下面是工艺设备中各种颗粒沾污来源的一些例子：剥落的副产物积累在腔壁上自动化的硅片装卸和传送机械操作，如旋转手柄和开关阀门真空环境的抽取和排放清洗和维护过程10/04器件制造工艺3.5硅片湿法清洗硅片清洗的目标是去除所有表面沾污：颗粒、有机物、金属和自然氧化层沾污名称化学配料描述（所有清洗随后伴随去离子水清洗）颗粒SPW硫酸/过氧化氢/去离子水SC-1氢氧化铵/过氧化氢/去离子水有机物SC-1氢氧化铵/过氧化氢/去离子水金属SC-2盐酸/过氧化氢/去离子水SPW硫酸/过氧化氢/去离子水DHF氢氟酸/水溶液（不能去铜)自然氧化层DHF氢