搜索
微电子工艺基础第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述微电子工艺基础2第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述本章（3学时）目标：2、掌握晶片的清洗技术3、重点理解一号和二号溶液的使用方法4、鉴别和解释四种基本的芯片生产工艺微电子工艺基础2019年8月3第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源二、洁净室的建设三、硅片清洗四、芯片制造基本工艺概述五、工艺良品率微电子工艺基础2019年8月4第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源1、半导体器件的污染物2、污染来源3、空气的净化微电子工艺基础5第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源1、半导体器件的污染物污染物可归纳为以下四类,分别是：d细菌a微粒b金属离子c化学物质微电子工艺基础6第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源1、半导体器件的污染物a微粒由经验所得出的法则是微粒的大小要小于器件上最小的特征图形尺寸的1/10倍。微电子工艺基础71、半导体器件的污染物b金属离子*少量的掺杂物可实现我们希望的效果,但遗憾的是在晶片中出现的极少量的具有电性的污染物也会改变器件的典型特征，改变它的工作表现和可靠性参数。可以引起上述问题的污染物称为可移动离子污染物（MICs）。它们是在材料中以离子形态存在的金属离子。而且，这些金属离子在半导体材料中具有很强的可移动性。钠是在未经处理的化学品中最常见的可移动离子污染物，同时也是硅中移动性最强的物质。因此，对钠的控制成为硅片生产的首要目标。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源微电子工艺基础8在半导体工艺领域第三大主要的污染物是不需要的化学物质。工艺过程中所用的化学品和水可能会受到对芯片工艺产生影响的痕量物质的污染。它们将导致晶片表面受到不需要的刻蚀，.器件上生成无法除去的化合物，或者引起不均匀的工艺过程。氯就是这样一种污染物，它在工艺过程中用到的化学品中的含量受到严格的控制。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源1、半导体器件的污染物C化学品微电子工艺基础9细菌是第四类的主要污染物。细菌是在水的系统中或不定期清洗的表面生成的有机物。细菌一旦在器件上形成，会成为颗粒状污染物或给器件表面引入不希望见到的金属离子。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源1、半导体器件的污染物d细菌微电子工艺基础10一、芯片制造中的污染源1、半导体器件的污染物2、污染来源3、空气的净化第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源微电子工艺基础112、污染来源（1）空气（2）厂务设备（3）洁净室工作人员（4）工艺使用水（5）工艺化学溶液（6）工艺化学气体（7）静电主要的污染源有：第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源微电子工艺基础12第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源一、芯片制造中的污染源1、半导体器件的污染物2、污染来源3、空气的净化微电子工艺基础133、空气的净化美国联邦标准209E规定空气质量由区域中空气级别数来表示。标准按两种方法设定，一是颗粒大小，二是颗粒密度。区域中空气级别数是指在一立方英尺中所含直径为0.5微米或更大的颗粒总数。联邦标准209E规定最小洁净度可到一级。（1）空气级别表示第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源微电子工艺基础143、空气的净化（1）空气级别表示第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源一般城市的空气中通常包含烟、雾、气。每立方英尺有多达五百万个颗粒，所以是五百万级。微电子工艺基础153、空气的净化（1）空气级别表示第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源微电子工艺基础163、空气的净化（1）空气级别表示因为209E以0.5微米的颗粒定义洁净度，而成功的晶圆加工工艺要求更严格的控制，所以工程技术人员工程师们致力于减少10级和1级环境中0.3微米颗粒的数量。Semetech/Jessi建议：64兆内存加工车间为0.1级，256兆内存为0.01级。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源微电子工艺基础173、空气的净化（1）空气的净化方法洁净工作台隧道型设计完全洁净室微局部环境第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源洁净室的设计是要使生产免污染晶圆的能力更完整化。设计时的主要思路是保持加工车间中空气的洁净。共有四种不同的洁净室设计方法：微电子工艺基础18第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源二、洁净室的建设三、硅片清洗四、芯片制造概述五、工艺良品率微电子工艺基础19第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设1、洁净室要素2、人员产生的污染（**）3、工艺用水（**）4、工艺化学品5、化学气体6、设备7、洁净室的物质和供给微电子工艺基础20第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设1、洁净室要素1.板垫2.更衣区3空气压力4.空气淋浴器5.维修区6.双层门进出通道7.静电控制8.净鞋器9.手套清洗器（3）九种控制外界污染的技术（1）净化空气方法的选择是洁净室设计的首要问题。（2）洁净室的所有建造材料都由不易脱落的材料建造。不锈钢材料就广泛地被用于制造工作台。微电子工艺基础第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础241、洁净室要素第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础25第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设1、洁净室要素2、人员产生的污染（**）3、工艺用水（**）4、工艺化学品5、化学气体6、设备7、洁净室的物质和供给微电子工艺基础262、人员产生的污染（1）洁净室工作人员是最大的污染源之一。即使一个经过风淋的洁净室操作员，当他坐着时，每分钟也可释放十万到一百万个颗粒。见教材图5.18。（2）人类的呼吸也包含着大量的污染，每次呼气向空气中排出大量的水汽和微粒。而一个吸烟者的呼吸在吸烟后在很长时间里仍能带有上百万的微粒。（3）而体液，例如含钠的唾液也是半导体器件的主要杀手。解决办法：全封闭、穿衣顺序、详见教材。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础27第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设1、洁净室要素2、人员产生的污染（**）3、工艺用水（**）4、工艺化学品5、化学气体6、设备7、洁净室的物质和供给微电子工艺基础283、工艺用水（1）工艺用水的重要性在晶圆制造的整个过程中，晶圆要经过多次的化学刻蚀与清洗，每步刻蚀与清洗后都要经过清水冲刷。在整个的制造过程中，晶圆总共要在冲洗的系统中待上好几个小时，一个现代的晶圆制造厂每天要使用多达几百万加仑的水，这样实际上产生了一个投资项目，包括水的加工处理、向各个加工工艺区的水的传输、废水的处理与排放。由于半导体器件容易受到污染，所以所有工艺用水，必须经过处理，达到非常严格的洁净度要求。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础293、工艺用水（2）城市用水中含有的主要污染物①溶解的矿物②颗粒③细菌④有机物⑤溶解的氧气⑥二氧化碳第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础303、工艺用水（3）工艺用水的获得①反渗透（RO）和离子交换系统去除离子（盐分、矿物）在制造区域的许多地方都监测工艺用水的电阻，在VLSI制造中，工艺水的目标与规格是18兆欧姆，但其他一些制造厂也使用15兆欧姆的工艺水。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础2019年8月313、工艺用水（3）工艺用水的获得②固态杂质（颗粒）通过沙石过滤器、泥土过滤器与次微米级薄膜从水中去除。③细菌和真菌可由消毒器去除。这种消毒器使用紫外线杀菌，并通过水流中的过滤器滤除。④有机污染物（植物与排泄物）可通过碳类过滤器去除。⑤溶解的氧气与二氧化碳可用碳酸去除剂和真空消除毒剂去除。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础323、工艺用水（3）工艺用水的获得在系统中存贮的水用氮气覆盖以防止二氧化碳溶于水中，水中的二氧化碳会干扰电阻值的测量引起错误读数。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础33第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设1、洁净室要素2、人员产生的污染（**）3、工艺用水（**）4、工艺化学品5、化学气体6、设备7、洁净室的物质和供给微电子工艺基础344、工艺化学品（液体）（1）工艺化学品的级别一般溶剂、化学试剂、电子级、半导体级（3）要求其纯度由成分来表示在制造工厂中，用于刻蚀和清洗晶圆和设备的酸、碱、溶剂必需是最高纯度的。化学品的主要污染是移动的金属离子，通常须限制为百万分之一（PPM）级或更低。（2）工艺化学品的污染涉及的污染物有金属离子微粒和其它化学品。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础35第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设1、洁净室要素2、人员产生的污染（****）3、工艺用水（****）4、工艺化学品5、化学气体6、设备7、洁净室的物质和供给微电子工艺基础365、化学气体（1）化学气体的必要性除了许多湿（液体）化学品工艺制程，半导体晶圆还要使用许多气体来加工。这些气体有从空气中分离出来的如氧气、氮气和氢气，还有特制的气体如砷烷和四氯化碳。①纯度（使用成分数）②水汽含量（当有氧气和水分存在时很容易氧化，上限3-5ppm）③微粒④金属离子第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设（2）气体质量的4项指标微电子工艺基础37第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设1、洁净室要素2、人员产生的污染（**）3、工艺用水（**）4、工艺化学品5、化学气体6、设备7、洁净室的物质和供给微电子工艺基础386、设备到二十世纪九十年代为止，设备引发的微粒升至所有污染源的75%至90%，但这并不意味机械设备变得越来越脏。由于对空气、化学品与生产人员污染的控制越来越先进，使得设备变为污染控制的焦点。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述二、洁净室的建设微电子工艺基础39第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述一、芯片制造中的污染源二、洁净室的建设三、硅片清洗（*****）四、芯片制造基本工艺概述五、工艺良品率微电子工艺基础40第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述三、硅片清洗1、概述2、清洗工艺设计3、清洗策略4、其它清洗方式5、硅片烘干微电子工艺基础41第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述1、概述A颗粒B有机残余物C无机残余物D需要去除的氧化层（2）硅片表面的污染物类型（1）简介洁净的晶片是芯片生产全过程中的基本要求，但并不是在每个高温下的操作前都必须进行。一般说来，全部工艺过程中的高达20%的步骤为晶片清洗。三、硅片清洗微电子工艺基础421、概述（3）硅片清洗的前提要求通常来说，一个晶片清洗的工艺或一系列的工艺，必须在去除晶片表面全部污染物（上述类型）的同时，不会刻蚀或损害晶片表面。它在生产配制上是安全的、经济的，是为业内可接受的。第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述三、硅片清洗微电子工艺基础431、概述2、清洗工艺设计3、清洗策略4、其它清洗方式5、硅片烘干第3章污染控制、芯片制造基本工艺概述三、硅片清洗微电子工艺基础442、清洗工艺设计（1）前线（FEOL）清洗—特指那些形成有源电性部件之前的生产步骤（2）后线（BEOL）清洗关键问题：①表面粗糙度（0.07nm）②硅片表面的电性条件（例如器件表面的金属离子污染物改变电性特征）③不要破坏栅区域（栅区暴露在外，栅氧很薄易受破坏应保持栅氧的完整性）除了颗粒问题和金属离子的问题，通常的问题是阴离子、多晶硅栅的完整性、接触电阻、过孔的清洁程度等。关键问题