1、 电信学院 微电子学系 1 微电子制造技术微电子制造技术微电子制造技术第第 6 章章 硅片制造中的沾污控制硅片制造中的沾污控制 电信学院 微电子学系 2 微电子制造技术引引 言言 一个硅片表面有多少个芯片，每个芯片差不多有数以千万计的器件和互联线路，它们对沾污非常敏感。随着芯片的特征尺寸为适应更高性能和更高集成度的要求而不断缩小，控制表面沾污变得越来越关键。 本章将介绍硅片制造中各种类型的沾污和它们的来源，以及怎样有效控制沾污等内容，以制造包含最小沾污诱生缺陷的高性能产品 为了控制制造过程中不能接受的沾污，半导体产业开发了净化间。净化间以超净空气把芯片制造与外界的沾污环境隔离开来，包括化学品、
2、人员和常规的工作环境。 电信学院 微电子学系 3 微电子制造技术学学 习习 目目 标标1. 了解5种不同类型的净化间污染，并讨论与每种污染相关的问题；2. 列举净化间的7种沾污源，并描述每一种是怎样影响硅片的洁净；3. 解释并使用净化级别来表征净化间的空气质量；4. 说明两种湿法清洗的化学原理，解释每一种分别去除那种污染。 电信学院 微电子学系 4 微电子制造技术嵌入的颗粒表面污染Figure 6.1 硅片污染 电信学院 微电子学系 5 微电子制造技术污染的类型污染的类型 沾污经常导致有缺陷的芯片，而致命缺陷又是导致硅片上的芯片无法通过电学测试的原因。据估计80的芯片电学失效是由沾污带来的缺陷
3、引起的。 沾污是指半导体制造过程中引入半导体硅片的任何危害微芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。这里将主要集中于芯片制造工序中引入的各种类型的表面沾污。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） 电信学院 微电子学系 6 微电子制造技术颗颗 粒粒 颗粒是指能沾污在硅片表面的小物体。悬浮在空气中传播的颗粒被称为浮质。从鹅卵石到原子的各种颗粒的相对尺寸分布如下图所示。Figure 6.2 颗粒的相对尺寸 毫米110-110-210-310-4 10-610-710-510原子物质的单个分子的尺寸薄雾稀薄烟雾烟云颗粒大气灰尘烟雾颗粒沙灰尘小石子 电信学院 微电
4、子学系 7 微电子制造技术Micrograph courtesy of AMD, particle underneath photoresist patternPhoto 6.2 微粒引起的缺陷 电信学院 微电子学系 8 微电子制造技术接触孔线宽间距90 mm集成电路最小的特征尺寸 = 0.18 mm90 mm0.18 mm= 500人体毛发的相对尺寸大约是集成电路上最小特征尺寸的 500倍较大集成电路的一小部分人体毛发的剖面Figure 6.3 人类头发与 0.18 mm颗粒的相对尺寸 电信学院 微电子学系 9 微电子制造技术 硅片表面的颗粒密度代表了特定面积内的颗粒数，颗粒密度越大，产生致
5、命缺陷的机会就越大。一道工序引入到硅片中超过某一关键尺寸的颗粒数，用术语可表示为每步每片上的颗粒数(PWP)。 颗粒的检测最简单的方法是通过显微镜观察，先进的检查已经被激光束扫描硅片表面所取代。Process Tool硅片进入工艺设备前的初始颗粒数.硅片通过工艺设备后的硅片表面的颗粒数Figure 6.4 每硅片每通道看来数 电信学院 微电子学系 10 微电子制造技术金属杂质金属杂质 硅片加工厂的污染也可能来自金属化合物。危害半导体工艺的典型金属杂质是减金属，它们在普通化学品和工艺中都很常见(如下表所示)。 电信学院 微电子学系 11 微电子制造技术金属杂质带来的问题金属杂质带来的问题Figu
6、re 6.5 可动离子沾污改变阈值电压+ + + + + + + + + + + + + + + +SourceDrainP- silicon substrateGate N+N+-Vs+Vd+Vg 离子沾污改变晶体管的电学特性电子导电+Gate oxidePolysilicon + + + + + + + + + + + + + 电信学院 微电子学系 12 微电子制造技术有机物沾污有机物沾污 有机物沾污是指那些包含碳的物质，几乎总是同碳自身及氢结合在一起，有时也和其它元素结合在一起。有机物沾污的一些来源包括细菌、润滑剂、蒸汽、清洁剂、溶剂和潮气等。为了避免有机物沾污，现在用于硅片加工的设备使
7、用不需要润滑剂的组件来设计。 在特定工艺条件下，微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性。工艺过程中有机材料给半导体表面带来的另一个问题是表面的清洗不彻底，这种情况使得诸如金属杂质之类的沾污在清洗之后仍完整保留在硅片表面。 电信学院 微电子学系 13 微电子制造技术自然氧化层自然氧化层 硅片如果暴露在室温下的空气或者含溶解氧的去离子水中，硅片表面将被氧化。自然氧化层同样是一种沾污，是硅片制造不可接受的。下图给出了自然氧化层的存在，会增加金属导体和器件有源区的接触电阻。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Figure 6.6 电信学院 微电子学系 14
8、微电子制造技术 静电释放静电释放 静电释放(ESD)也是一种形式的沾污，因为它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察。带过剩负电荷的原子被相邻的带正电荷的原子吸引。这种由吸引产生的电流泄放电压可以高达几万伏。 微芯片制造中特别容易静电释放，因为芯片加工通常保持在较低的湿度(典型条件为4010)中，这种条件容易使较高级别的静电荷生成。虽然增加相对湿度可以减少静电荷生成，但也会增加浸湿带来的污染，因而这种方法并不实用。 电信学院 微电子学系 15 微电子制造技术静电释放带来的问题静电释放带来的问题 尽管ESD发生时转移的静电总量通
9、常很小(钠库伦级别)，然而放电的能量积累在芯片上很小的一个区域内。发生在几钠秒内的静电释放能产生超过1A的峰值电流，从而达到蒸发金属连线和穿透氧化层，成为栅氧化层击穿的原因。下图是带电硅片吸引颗粒的一个例子。- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -Figure 6.7 电信学院 微电子学系 16 微电子制造技术污染源与控制污染源与控制硅片生产厂房的7种污染源为:空气人厂房水工艺用的化学品
10、工艺用的气体生产设备Table 6.1 电信学院 微电子学系 17 微电子制造技术空空 气气 净化间最基本的要求是硅片加工厂空气中颗粒的控制。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。这些微小的浮质在空气中漂浮并停留很长时间，淀积在硅片表面引起沾污并带来致命缺陷。 净化级别标定了净化间的空气质量级别，由净化室空气中的颗粒尺寸颗粒尺寸和密度密度来表征。这一数字描绘了要怎样控制颗粒以减小颗粒污染。 净化级别起源于美国联邦标准209，经过多次修改形成了最终的209E版本。表6.2展示了不同净化级别每立方英尺可以接受的颗粒数和颗粒尺寸。 电信学院 微电子学系 18 微电子
11、制造技术美国联邦标准美国联邦标准 209E中各净化间级别中各净化间级别对空气漂浮颗粒的限制对空气漂浮颗粒的限制Table 6.2 电信学院 微电子学系 19 微电子制造技术人类活动释放的颗粒人类活动释放的颗粒Table 6.3 人是颗粒的产生者。人员持续不断地进出净化间，是净化间沾污的最大来源。颗粒主要来自于头发和头发用品、衣物纤微、皮屑等。 电信学院 微电子学系 20 微电子制造技术Photo 6.3 穿超净服的技术人员 超净服超净服 超净服系统的目标是满足以下职能标准：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。 电信学院 微电
12、子学系 21 微电子制造技术硅片制造厂中的水硅片制造厂中的水 在芯片生产整个过程中，要经过多次的化学刻蚀与清洗，每步刻蚀后都要经过清水冲洗。由于半导体器件非常容易受到污染，所以所有工艺用水必须经过严格处理，达到非常严格洁净度的要求。 普通城市用的水中包含大量洁净室不能接受的污染物，主要有： 溶解的矿物溶解的矿物 颗粒颗粒 细菌细菌 溶解氧溶解氧 二氧化碳二氧化碳 有机物有机物 普通水中的矿物来自盐分，盐分在水中分解为离子。例如食盐会分解为钠离子和氯离子。每个离子都是污染物。 电信学院 微电子学系 22 微电子制造技术 通常采用反渗透反渗透和离子交换离子交换系统去除水中的离子。去除离子后的水通常
13、称为去离子水去离子水。去离子水在25时的电阻是18 000 000cm，简称18M。在VLSI制造中，工艺水的目标是18M。水中的细菌是通过紫外线去除。超纯去离子水中不允许的沾污有： 溶解离子 有机材料 颗粒 细菌 硅土 溶解氧 电信学院 微电子学系 23 微电子制造技术微米1001010.10.010.00010.001胶体热原悬浮物泡沫细菌胶状硅土离子颗粒病毒黏土、残渣Figure 6.14 水中的各种颗粒的相对尺寸 电信学院 微电子学系 24 微电子制造技术CleanClean清洗Clean 工艺步骤数 颗粒数Figure 6.21 硅片表面的颗粒数与工艺步骤数之间的函数关系 电信学院
14、微电子学系 25 微电子制造技术微微 环环 境境 净化间的概念持续不断地被重新评估，主要是因为更严格控制沾污的需要以及建设净化间需要的巨大成本。在工作台所处的具体位置控制沾污，采用微环境来加工硅片，已经引起越来越大的兴趣。 微环境是指在硅片和净化间环境不位于同一工艺室时，通过一个屏蔽来隔离开它们所创造出来的局部环境(见图6.25)。这一概念也被称为硅片隔离技术。微环境净化区域可以包括用来支撑硅片的片架、硅片工艺室、装载通道和储藏区域。 微环境通常被控制到极端洁净的净化级别(0.1mm的0.1级)，而净化间本身可以是一个较高的级别，如10级。 电信学院 微电子学系 26 微电子制造技术Minie
15、nvironment chamber Class 1 Production BayClass 1,000Process equipment SMIF load/unload interface HEPA filters SMIF pod (Class 1 or better) 电信学院 微电子学系 27 微电子制造技术硅片湿法清洗硅片湿法清洗 尽管整个工艺过程严格控制硅片的沾污，但沾污总是不可避免的。一旦硅片表面被沾污，沾污物就必须通过清洗而去除。 硅片清洗的目标是去除所有表面沾污：包括颗粒、有机物、金属和自然氧化层。因为每一个工艺步骤都会在硅片上造成新的沾污，所以通过清洗去除沾污是非常必要的
16、。 占统治地位的硅片清洗方法是湿法化学清洗，尽管20世纪80年代出现了干法清洗，但它仍然没有完全取代湿法清洗，湿法清洗正在改进以期获得更有效的表面清洗。 电信学院 微电子学系 28 微电子制造技术硅片湿法清洗化学品硅片湿法清洗化学品Table 6.5 电信学院 微电子学系 29 微电子制造技术RCA清洗清洗 RCA 清洗(工业标准湿法清洗工艺，由美国无线电公司“RCA”于20世纪60年代提出)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清洗液是碱性溶液，通过氧化或电学排斥起作用去除颗粒和有机物质。 SC-2清洗液用于去除硅片表面的
17、金属，去除机理是用高氧化能力和低PH值的溶液。在这种溶液中金属成为离子并容于具有强氧化效应的酸液中。清洗液就能从金属和有机沾污中俘获电子并氧化它们。电离的金属溶于溶液中，而有机杂质被分解。 电信学院 微电子学系 30 微电子制造技术 (1) 颗粒吸附 在硅片上 (2) 通过 H2O2 将硅氧化帮助消散颗粒 (3) 颗粒溶解在 SC-1 溶液中H2O2 SC-1Figure 6.26 颗粒在SC-1中的氧化和溶解 电信学院 微电子学系 31 微电子制造技术 (1) 颗粒吸附 到硅片上 (2)通过 NH4OH 中的OH-腐蚀表面 (3) HO- 在表面组成负电荷将颗粒排斥开OH-Figure 6.27 颗粒通过负电荷排斥而去除 电信学院 微电子学系 32 微电子制造技术典型的硅片湿法清洗顺序典型的硅片湿法清洗顺序Table 6.6 电信学院 微电子学系 33 微电子制造技术小小 结结 硅片制造在净化间进行。净化间控制5类沾污（颗粒、金属杂质、有机沾污、自然氧化层和静电释放）。它们都能影响器件的性能。颗粒必须小于关键尺寸的一半，否则就是致命缺陷。 净化间的空气通过过虑来控制，净化级别表示了净化间残余颗粒的尺寸和密度。 超纯去离子水通过反渗透、超过虑和细菌控制来实现。 占统制地位的硅片清洗方法是使用SC-1和SC-2的湿法工艺。颗粒和有机物通过SC-1去除，而金属通过SC-2去除。
