第4章 半导体制造中的沾污控制

第四章沾污控制与净化技术本章内容沾污的类型，来源，后果，去除方法硅片清洗，方案，流程，评估要点。先进的干法清洗方案介绍4.1沾污的类型沾污（Contamination）是指半导体制造过程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。沾污经常导致有缺陷的芯片，致命缺陷是导致硅片上的芯片无法通过电学测试的原因。现代ICfabs依赖三道防线来控制沾污三道防线:1.净化间（cleanroom）2.硅片清洗（wafercleaning）3.吸杂（gettering）净化间沾污分为五类颗粒金属杂质有机物沾污自然氧化层静电释放（ESD）颗粒：所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。颗粒来源：空气人体设备化学品超级净化空气风淋吹扫、防护服、面罩、手套等，机器手/人特殊设计及材料定期清洗超纯化学品去离子水后果：电路开路或短路，薄膜针眼或开裂，引起后续沾污。各种可能落在芯片表面的颗粒颗粒的相对尺寸毫米110-110-210-310-410-610-710-510原子物质的单分子雾薄烟云层颗粒大气灰尘雾颗粒沙灰尘鹅卵石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。一道工序引入到硅片中超过某一关键尺寸的颗粒数，用术语表征为每步每片上的颗粒数（PWP）。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约为0.1微米。二.金属沾污来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺化学品和传输官道及容器的反应。例如，CO。量级：1010原子/cm2影响：在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降增加p-n结的漏电流，减少少数载流子的寿命Fe,Cu,Ni,Cr,W,Ti…Na,K,Li…不同工艺过程引入的金属污染干法刻蚀离子注入去胶水汽氧化910111213Log(concentration/cm2)FeNiCu金属杂质沉淀到硅表面的机理通过金属离子和硅表面终端的氢原子之间的电荷交换，和硅结合。（难以去除）氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子MMz++ze-去除溶液：SC-1,SC-2（H2O2：强氧化剂）还原氧化电负性Cu+eCu-SiSi++eCu2-+2eCu反应优先向左作业2金属离子在半导体材料中是高度活动性的，被称为可动离子沾污（MIC）。当MIC引入到硅片中时，在整个硅片中移动，严重损害器件电学性能和长期可靠性。对于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。由于它们的性质活泼，金属离子可以在电学测试和运输很久以后沿着器件移动，引起器件在使用期间失效。可动粒子沾污引起的阀值电压改变++++++++++++++++++SDP-硅衬底GN+N+-Vs+Vd+Vg离子沾污改变晶体管的电学特性电子导电++GateoxidePolysilicon++++++++++++++无关杂质的危害性当tox＝10nm，QM＝6.5×1011cm-2（10ppm)时，DVth＝0.1V例2.MOS阈值电压受碱金属离子的影响oxMoxfAsfFBthCqQCqNVV)2(22例3.MOSDRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求＝10－15cm2，vth=107cm/s若要求G＝100ms，则Nt1012cm-3=0.02ppb!!tthGNv1作业1三.有机物的玷污导致的问题:栅氧化层密度降低;清洁不彻底,容易引起后续沾污来源：•环境中的有机蒸汽,清洁剂和溶剂•存储容器•光刻胶的残留物去除方法：强氧化－臭氧干法－Piranha：H2SO4-H2O2－臭氧注入纯水四.自然氧化层来源:在空气、水中迅速生长导致的问题：接触电阻增大难实现选择性的CVD或外延成为金属杂质源难以生长金属硅化物清洗工艺：HF＋H2O（ca.1:50）接触孔底部的自然氧化层在钨和掺杂硅区域引起差的电接触在钨淀积前，自然氧化层生长在接触孔钨塞硅上有源区层间介质层间介质氧化层隔离接触五.静电释放静电释放（ESD）也是一种形式的污染，因为它是静电和从一个物体向另一个物体未经控制的转移，可能损坏芯片。ESD产生于两种不同静电势的材料接触或摩擦。半导体制造中，硅片加工保持在较低的湿度中，典型条件为40％＋10％的相对湿度（RH，RelativeHumidity）这种条件容易使较高级别的静电荷生成。增加相对湿度可以减少带电体的电阻率，有助于静电荷的释放，但同时也会增加侵蚀带来的沾污。静电释放带来的问题静电释放导致金属导线蒸发，氧化层击穿。（总电量小，但是区域集中，放电时间短，导致高电流）电荷积累吸引带电颗粒或其他中性颗粒，引起后续沾污。4.2沾污的源与控制半导体器件制造厂房存在7种沾污源：空气、人、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体和生产设备。一.空气净化间最基本的概念是硅片工厂空气中的颗粒控制。我们通常所呼吸的空气是不能用于半导体制造的，因为它包含了太多的漂浮沾污。硅片生产厂净化室PhotographcourtesyofAdvancedMicroDevices,mainfabcorridor净化级别标定了净化间的空气质量级别，它是由净化室空气中的颗粒尺寸和密度表征的。表6.2美国联邦标准209E中各净化间级别对空气漂浮颗粒的限制近来已经开始使用0.1级，这时颗粒尺寸缩小到0.02~0.03µm。二.人人员持续不断地进出净化间，是净化间沾污的最大来源。现代超净服是高技术膜纺织品或密织的聚酯织物。先进的材料对于0.1微米及更大尺寸的颗粒具有99.999%的效率级别。超净服的系统目标：1）对身体产生的颗粒和浮质的总体抑制；2）系统颗粒零释放；3）对ESD的零静电积累；4）无化学和生物残余物的释放。净化间人员主要操作规程：经过风淋和鞋清洁器只把必需物品带入净化间缓慢移动保持所有的头部和面部以及头发包裹。保持超净服闭合。工艺线直击——净化间三．厂房为使半导体制造在一个超洁净的环境中进行，有必要采用系统方法来控制净化间区域的输入和输出。在净化间布局、气流流动模式、空气过滤系统、温度和湿度的设定、静电释放等方面都要进行完美的设计，同时尽可能减少通过设备、器具、人员、净化间供给引入的颗粒和持续监控净化间的颗粒，定期反馈信息及维护清洁。气流原理为实现净化间中的超净环境，气流种类是关键的。对于100级或一下的净化间，气流是层流状态，没有湍流气流模式。垂直层流对于外界气压具有轻微的正压，充当了屏蔽以减少设备或人到暴露着的产品的横向沾污。对于流体流动状态的描述——ULReRe4000时流体为湍流(onflow)，Re2300时为层流(laminarflow)，Re介于2300和4000之间是过渡状态。雷诺数其中，U是流体流速，ρ是流体密度，L是管道尺寸，η是流体粘度。雷诺实验装置流体流动形态示意图空气过滤空气进入到天花板内的特效颗粒过滤器，以层流的模式流向地面，进入到空气再循环系统后与补给的空气一道返回空气过滤系统。在现代工艺线上，空气每6秒可以周转1次。特效颗粒过滤器：高效颗粒空气过滤器（HEPA）：用玻璃纤维制成，产生层状气流。超低渗透率空气过滤器（ULPA）：指那些具有99.9995%或更高效率过滤直径超过0.12μm颗粒的过滤器。高效过滤排气除尘超细玻璃纤维构成的多孔过滤膜：过滤大颗粒，静电吸附小颗粒泵循环系统20～22C40～46％RH空气循环系统设备温度和湿度对硅片加工设备温度和湿度的设定有着特别的规定。一个1级0.3μm的净化间温度控制的例子是68±0.5℉。相对湿度（RH）很重要，因为它会助长侵蚀，例如自然氧化层的生长。典型的RH设定为40％±10％。静电释放多数静电释放可以通过合理运用设备和规程得到控制。主要的ESD控制方法有：防静电的净化间材料ESD接地空气电离。四．水为了制造半导体，需要大量的高质量、超纯去离子水（DIwater，de-ionizedwater）。我们平时使用的来自于自来水厂的生活用水含有大量的沾污而不能用于硅片生产。经过处理之后，DI中不允许有的沾污是：溶解离子、有机材料、颗粒、细菌、硅土和溶解氧。同时在25℃下，DI的电阻率要达到18MΩ-cm。一个水净化系统见图4.1。五.工艺用化学品无论是液态化学品还是气体化学品，都必须不含沾污。然而，处理和传送系统有可能引入杂质，所以在靠近使用现场安置过滤器。过滤效率是指停留在过滤器中特定尺寸以上的颗粒的百分比。对于ULSI工艺中使用的液体过滤器，对于0.2微米以上颗粒的典型效率为99.9999999%。六.生产设备用来制造半导体硅片的生产设备是硅片工厂中最大的颗粒来源。在硅片制造过程中，硅片从片架重复地转入设备中，经过多台装置的操作，卸下返回到片架中，又被送交下一工作台。这就需要特殊的设计考虑以避免沾污。有用输送带系统和升降机来传送硅片、用封闭洁净的片架装硅片、建立一个微环境来加工硅片等等。图4.3放置硅片的lot盒工艺线直击——硅片传输系统4.3硅片湿法清洗硅片表面在经受工艺之前必须是洁净的。一旦硅片表面被沾污,沾污物必须通过清洗而排除。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。在当今ULSI制造工艺中，据估计单个硅片的表面要湿法清洗上百次。4.3.1湿法清洗概况占统治地位的硅片表面清洗方法是湿化学法。工业标准湿法清洗工艺称为RCA清洗工艺。用在湿法清洗中的典型化学品以及它们去除的沾污列于表4.3。RCA工艺是由美国无线电公司（RCA）于20世纪六十年代提出的，首次采用是在1970年。RCA湿法清洗由一系列有序的浸入两种不同的化学溶液组成：1号标准清洗液（SC-1）2号标准清洗液（SC-2）SC-1（APM，AmmoniaPeroxideMixture）：NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:770～80C,10min碱性（pH值7）可以氧化有机膜和金属形成络合物缓慢溶解原始氧化层，并再氧化——可以去除颗粒NH4OH对硅有腐蚀作用RCA——标准清洗OH－OH－OH－OH－OH－OH－RCAcleanis“standardprocess”usedtoremoveorganics,heavymetalsandalkaliions.SC-2:HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:870～80C,10min酸性（pH值7）可以将碱金属离子及Al3＋、Fe3＋和Mg2＋在SC-1溶液中形成的不溶的氢氧化物反应成溶于水的络合物可以进一步去除残留的重金属污染（如Au）RCA与超声波振动共同作用，可以有更好的去颗粒作用20～50kHz或1MHz左右。平行于硅片表面的声压波使粒子浸润，然后溶液扩散入界面，最后粒子完全浸润，并成为悬浮的自由粒子。表4.3硅片湿法清洗化学品现代芯片生产中硅片清洗工艺流程化学溶剂清洗温度清除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120C,10min有机物和金属2D.I.H2O室温洗清3NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5)(SC－1)80C,10min微尘4D.I.H2O室温洗清5HCl+H2O2+H2O(1:1:6)(SC－2)80C,10min金属6D.I.H2O室温洗清7HF+H2O(1:50)室温氧化层8D.I.H2O室温洗清9干燥机器人自动清洗机清洗容器和载体SC1/SPM/SC2–石英（Quartz）或Teflon容器HF–优先使用Teflon，其他无色塑料容器也行。硅片的载体–只能用Teflon或石英片架（不能用于HF清洗中）常见清洗设备兆声清洗喷雾清洗兆声清洗喷雾清洗优点：持续供给新鲜清洗液，高速冲击的液滴和硅片旋转可保证有效清洗。缺点：清洗不均匀，中心旋转为零。优点：可批处理进行清洗；节省清洗液用量。缺点：可能造成清洗损伤。洗刷器水清洗＋干燥•溢流清洗•排空清洗•喷射清洗•加热去离子水清洗•旋转式甩干•IPA异丙醇蒸气干燥缺点：单