1、第六章硅片制造中的沾污控制集成电路工艺第六章 硅片制造中的沾污控制第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺2讨论：芯片厂赢利还是亏本的取决因素？讨论：芯片厂赢利还是亏本的取决因素？Wafer Yield:YW=Wafersgood/Waferstotal Die Yield:YD=Diesgood/Diestotal Packaging Yield:YC=Chipsgood/Chipstotal Overall Yield:YT=YWYDYC第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺3第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺4第六章硅片制造中
2、的沾污控制2022-12-16集成电路工艺5本章要点 6.1 沾污的类型沾污的类型 6.2 沾污的源与控制沾污的源与控制 6.3 硅片湿法清洗硅片湿法清洗第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺66.1 沾污的类型沾污的类型 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。颗粒 金属杂质 有机物沾污 自然氧化层 静电释放（ESD）第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺7颗粒 颗粒是能粘附在硅片表面的小物体 悬浮在空气中传播的颗粒称为浮质(aerosol)颗粒能引起电路开路或短路 可以接受的颗粒尺寸必须小于最小器件特征
3、尺寸的一半 颗粒检测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第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺8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 金属来源于化学溶液或者半导体制造中的各种工序（如离子注入工艺）；另一种来源是化学品同传输管道和容器的反应。金属可以通过两种途径淀积在硅片表面：金属离子通过金属离子与位于硅片表面的氢原子的电荷交换而被束缚在硅表面；当硅表面氧化时金属杂质分布于氧化层内。金属离子在半导体材料中是高度活动性的，称为可动离子沾污(MIC)。当MIC引入到硅片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。第六章硅片制造中的沾
4、污控制2022-12-16集成电路工艺9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。微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性；导致表面的清洗不彻底第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺10自然氧化层 如果曝露于室温下的空气或溶解氧的去离子水中，硅片的表面将被氧化 天然氧化层的厚度随曝露时间的增长而增加 自然氧化层会妨碍其他工艺步骤；增加接触电阻 去除：通过使用含HF酸的混合液的清洗步骤第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺11静电释放（ESD）ESD产生于两种不同静电势的材料接触或摩擦 静电荷从一个物体向另一物体未经控制地转移，可能损坏
5、微芯片 虽然ESD静电总量很小，但积累区域也小，可达1A的峰值电流，可以蒸发金属导线和穿透氧化层。放电也可能成为栅氧化层击穿的诱因。另外，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。第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺126.2 沾污的源与控制沾污的源与控制 空气 人 厂房 水 工艺用化学品 工艺气体 生产设备第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺13净化间(Clean room)颗粒会降低良率 IC加工必须在净化间 低颗粒密度的人工环境第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺14净化间级别
6、美国联邦标准209E 1级净化间意味着每立方英尺中尺寸0.5m的颗粒最多允许1个。超细颗粒(0.1级)，颗粒尺寸缩小到20-30nm，“U”描述符。第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺15第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺16净化间结构第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺17微环境更严格控制沾污的需要建设净化间需要巨大成本 微 环 境第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺18人 人是颗粒的产生者，是净化间沾污的最大来源。颗粒来源于头发和头发用品（喷雾、发胶）、衣物纤维屑、皮屑等。第六章硅片制造中的沾污控制2
7、022-12-16集成电路工艺19人类活动释放的颗粒颗粒来源颗粒来源每分钟每分钟0.3m的平均颗粒数的平均颗粒数静止（坐或站）100 000移动手、臂、躯干、脖子和头500 000每小时步行2公里5 000 000每小时步行3.5公里7 500 000最洁净的皮肤（每平方英尺）10 000 000第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺20超净服现代超净服是高技术膜纺织品或密织的聚酯织物，对 0.1m的颗粒具有99.999%的效率级别。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 零静电积累 无化学和生物残余物的释放第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成
8、电路工艺21厂房 分为生产区（1级）和服务区（1000级）气流：垂直层状气流，避免了横向沾污 空气过滤：高效颗粒空气过滤器（HEPA）或超低渗透率空气过滤器（ULPA）温度和湿度 静电释放（ESD）控制方法：防静电的净化间材料；ESD接地；空气电离。第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺22水 超纯去离子水(DI)中不允许的沾污有：溶解离子 有机材料 颗粒 细菌 硅土 溶解氧第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺23去离子水 1条200mm工艺线中，制造每个硅片的去离子水消耗量达到2000加仑 去离子化指的是用特制的离子交换树脂去除电活性盐类的离子 用于
9、硅片加工的去离子水称为18兆欧水 细菌控制：超纯水系统采用紫外（UV）灯来杀灭细菌第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺24工艺用化学品 颗粒过滤(particle filtration):适用于大约1.5微米以上颗粒的过滤 微过滤(microfiltration):用于去除液体中0.1到1.5微米范围颗粒的膜过滤 超过滤(ultrafiltration):用于阻挡大约0.005到0.1微米尺寸大分子的加压膜过滤 反渗透(reverse osmosis,RO)/超级过滤(hyperfiltration):加压的处理方案，输送液体通过一层半渗透膜，过滤到小至接近0.005微米
10、的颗粒和金属离子第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺25工艺气体 超纯气体 气体流经提纯器和气体过滤器以去除杂质和颗粒 腐蚀性气体过滤器是全金属的（如镍）；其他气体过滤器用聚四氟乙烯。第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺26生产设备 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 清洗和维护过程第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺27硅片表面的颗粒数与工艺步骤的关系第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺286.3 硅片湿法清洗硅片湿法清洗沾污名称化学配料
11、成分分子式颗粒piranha(SPW)硫酸/过氧化氢/去离子水H2SO4/H2O2/H2OSC-1(APW)氢氧化铵/过氧化氢/去离子水NH4OH/H2O2/H2O有机物SC-1(APW)氢氧化铵/过氧化氢/去离子水NH4OH/H2O2/H2O金属（不含铜）SC-2(HPW)盐酸/过氧化氢/去离子水HCl/H2O2/H2Opiranha(SPW)硫酸/过氧化氢/去离子水H2SO4/H2O2/H2ODHF氢氟酸/水溶液(不能去除铜)HF/H2O自然氧化层DHF氢氟酸/水溶液HF/H2OBHF缓冲氢氟酸NH4F/HF/H2O第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺29RCA清洗
12、美国无线电公司RCA提出，7585使用，存放时间1020分钟 1号标准清洗液(SC-1)：氢氧化铵/过氧化氢/去离子水 1:1:51:2:7 2号标准清洗液(SC-2)：盐酸/过氧化氢/去离子水1:1:61:2:8 改进的RCA清洗：稀释的清洗化学剂(dilute cleaning chemistries)，SC-1按NH4OH/H2O2/H2O=1:4:50配比第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺30典型硅片湿法清洗顺序piranha去除有机物和金属有机物和金属SC-1去除颗粒颗粒UPW清洗（超纯水）稀HF去除自然氧化层UPW清洗干燥SC-2去除金属金属123456第六
13、章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺31湿法清洗设备 兆声清洗(megasonics)喷雾清洗 刷洗器 水清洗（溢流清洗器，排空清洗，喷射清洗，加热去离子水清洗）硅片甩干（旋转式甩干机，异丙醇蒸气干燥）有氧化物和RCA清洗的硅片表面是亲水性的；刚经过氢氟酸腐蚀的无氧化物表面由于氢终结了表面是疏水性的。第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺32本章重点 不同沾污类型和沾污源 净化间 湿法清洗第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺33作业 复习题 4、13、53、61 准备报告和PPT第六章硅片制造中的沾污控制2022-12-16集成电路工艺34谢谢
