芯片制造中沾污控制课件

1、第四章芯片制造中的沾污控制12这是谁？为什么穿成这样？3本章的学习目标理解为什么要控制沾污？学习如何控制沾污？学习如何发现沾污。4硅片制造的极端要求硅片的纯度（99.99999%）硅片的关键尺寸（1010个）硅片的工艺步骤（100，0.99100=0.36）56几类典型CPU特征比较CPUManufacturing ProcessCoresTransistor CountDie SizeAMD Bulldozer 8C32 nm81.2B315 mm2Intel Ivy Bridge 4C22 nm41.4B160 mm2Intel Sandy Bridge E (6C)32 nm62.27B

2、435 mm2Intel Sandy Bridge E (4C)32 nm41.27B294 mm2Intel Sandy Bridge 4C32 nm41.16B216 mm2Intel Lynnfield 4C45 nm4774M296 mm2Intel Sandy Bridge 2C (GT1)32 nm2504M131 mm2Intel Sandy Bridge 2C (GT2)32 nm2624M149 mm27为什么要实行沾污控制？8 为使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造中的沾污是绝对必要的。随着器件关键尺寸缩小，对沾污的控制要求变得越来越严格。将学习硅片制造中各种类型的重要沾污

3、、它们的来源以及怎样有效控制沾污以制造包含最小沾污诱生缺陷的高性能集成电路。 一个硅片表面具有多个微芯片，每个芯片又差不多有数以亿计的器件和互连线路，它们对沾污都非常敏感。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缩小，控制表面沾污的需求变得越来越关键（见图）。为实现沾污控制，所有的硅片制备都要在沾污控制严格的净化间内完成。 沾污的影响器件工艺良品率器件性能器件可靠性910 现代半导体制造是在称为净化间的成熟设施中进行的。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（ESD）的沾污。一般来讲，那意味着这些沾污在最先进测试仪器的检测水平范围内都检测不到。净化间

4、还意味着遵循广泛的规程和实践，以确保用于半导体制造的硅片生产设施免受沾污。 本章主要内容沾污的类型沾污源的控制（环境与管理）沾污源的去除（清洗）沾污的测量与检查11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。将主要集中于制造工序中引入的各种类型的表面沾污。 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。据估计80的芯片电学失效是由沾污带来的缺陷引起的。电学失效引起成品率损失，导致硅片上的管芯报废以及很高的芯片制造成本。12沾污的类型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）1314

5、沾污的类型-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图所示。PM2.515PM2.516颗粒带来的问题有引起电路开路或短路如图的短路。17半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗糙度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。例如，32nm的特征尺寸不能接触16nm以上尺寸的颗粒。90 um90 um/20 nm = 4500人的头发丝是目前CPU关键尺寸的4500倍。18 硅片加工厂的沾污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碱金属，它们在普通化学品和工艺都很常见。这些

6、金属在所有用于硅片加工的材料中都要严格控制（见表）。碱金属来自周期表中的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。沾污种类-金属杂质 金属杂质导致了半导体杂质中器件成品率的减少，包括氧化物多晶硅栅结构中的结构性缺陷。额外的问题包括pn结上泄露电流的增加以及少数载流子寿命的减少。可动离子沾污（MIC）能迁移到栅结构的氧化硅界面，改变开启晶体管所需的阈值电压（见图）。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。半导体制造的一个主要目标是减少与金属杂质和MIC的接触。19沾污种类-金属杂质 沾

7、污种类-有机沾污有机物沾污是指那些包含炭的物质，几乎总是同炭自身及氢结合在一起，有时也和其他元素结合在一起。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。现在用于硅片加工的设备使用不需要润滑剂的组件来设计，例如，无油润滑泵或轴承等。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。20沾污种类-自然氧化层 如果曝露与室温的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将被氧化。这一薄氧化层称为自然氧化层。硅片上最初的自然氧化层生长始于潮湿。挡硅

8、片表面曝露在空气中时，一秒钟内就有几十层水分子吸附在硅片上并渗透到硅表面，这引起硅表面甚至在室温下就发生氧化。天然氧化层的厚度随曝露时间的增长而增加。硅片表面无自然氧化层对半导体性能和可靠性是非常重要的。自然氧化层将妨碍其他工艺步骤，如硅片上单晶薄膜的生长和超薄栅氧化层的生长。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。21沾污种类-自然氧化层 22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。如果有自然氧化层存在，将增加接触电阻，减少甚至可能阻止电流流过（见图）。沾污种类-静电释放静电释放（ESD）也是一种形式的沾污，

9、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擦。带过剩负电荷的原子被相邻的带正电荷的原子吸引。这种吸引产生的电流泄放电压可以高达几万伏。半导体制造中特别容易产生静电释放，因为硅片加工保持在较低的湿度中，典型条件为4010相对湿度（RH）。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生成，但是也会增加侵蚀带来的沾污，因而这种方法并不实用。2324尽管ESD发生时转移的静电总量通常很小（纳库仑级别），然而放电的能量积累在硅片上很小的一个区域内。发生在几个纳秒的静电释放能产生超过1A的峰值电流，简直可以蒸发金属导体连

10、线和穿透氧化层。放电也可能成为栅氧化层击穿的诱因。ESD带来的另一个重大问题在于，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（见图所示）。电视屏幕能吸引灰尘就是一个例子。此外，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对更小颗粒的吸引变得重要起来，能产生致命缺陷。为减小颗粒沾污，硅片放电必须得到控制。沾污的源与控制25加工硅片的净化间必须严格控制沾污以减小危害微芯片性能的致命缺陷。几乎每一接触硅片的物体都是潜在的沾污来源。硅片生产厂房的7种沾污为：空气（超净空气）人（超净服）厂房（超净间）水（超纯水-DI water）工艺用化

11、学品（超纯试剂）工艺气体（超纯气体）生产设备（高端设备）沾污源-空气26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荷密度表征的。这一数字描述了要怎样控制颗粒以减少颗粒沾污。净化级别起源于美国联邦标准209。表展示了不同净化间净化级别每立方英尺可以接受的颗粒数荷颗粒尺寸。HEPA （高效微粒空气净化）；ULPA（超低颗粒空气净化）27空气净化各类滤网沾污源-人28人是颗粒的产生者。人员持续不断地进入净化间，是净化间沾污的最大来源。人类颗粒来源如表所示。29为了减少人类带来的沾污，使用了超净服，制定了净化间操作规程，例如风琳、少开门、少走动、少说话、少触摸。30沾污控制-厂房

12、31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（从建筑材料控制开始）。此外，有三种基本的策略用于消除净化间颗粒：1.从未受颗粒沾污的净化间着手开始。2.尽可能减少通过设备、器具、人员和净化间供给引入的颗粒。3.持续监控净化间的颗粒，定期反馈信息和维护清洁。沾污控制-洁净厂房洁净室的设计和操作过程都必须防止外界污染的侵入。有9种控制外界沾污的技术：（1）黏性地板垫（2）更衣区（3）空气压力（4）风淋间（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3233净化间布局 由早期的舞厅式布局到了现在的间格和夹层布局。早期净化间的舞厅

13、式布局34净化间间格和夹层的概念35气流原理 为了实现净化间的超净环境，气流种类式关键的。层状气流意味着气流式平滑的，无湍流气流模式（见图）。36空气过滤 图是空气过滤系统的简化图。 37温度和湿度 对硅片加工设备温度和湿度的设定有特别的规定。一个1级0.3um净化间温度控制的例子是680.5F。相对湿度（RH）很重要，因为它对侵蚀有贡献。典型的RH设定为4010。静电释放 多数静电释放（ESD）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：静电消耗性的净化间材料ESD接地空气电离沾污源与控制-水38为了制造半导体，需要大量的高质量、超纯去离子（DI）水（UPW）。据估计在1条现

14、代的200mm工艺线中，制造每个硅片的去离子水消耗量达到2000加仑。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39图展示了水中的各种颗粒及其尺寸40去离子水装置 去离子水装置包含两个净化水的主要部分，称为补偿循环和精加工回路（见图所示）。 超纯水41从自来水到去离子水一般要经过几步处理 ：1、先通过石英砂过滤颗粒较粗的杂质2、然后高压通过反渗透膜3、最后一般还要经过一步紫外杀菌以去除水中的微生物4、假如此时电阻率还没有达到要求的话，可以再进行一次离子交换过程最高电阻率可达到18兆。相对而言，蒸馏水只是先气化再冷凝，其纯度如电阻率一般不如纯度高的去离子水，半导体工业中用的

15、大多数是高纯度的去离子水。沾污源-工艺用化学品 为保证个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，它指的是容器中特定化学物的百分比。过滤器用来防止传送时分解或再循环时用来保持化学纯度。过滤器应该安置再适当的地方，尽可能靠近工艺室使用现场过滤。不同过滤器分类如下： 颗粒过滤：适用于大约1.5um以上颗粒的深度型过滤。 微过滤：用于去除液态中0.1到0.5um的范围颗粒的膜过滤。 超过滤：用于阻挡大约0.005到0.1um尺寸大分子的加压膜过滤。 反渗透：也被称为超级过滤。它是一个加压的处理方案，输送液体通过一层半渗透膜，过滤掉小至0.005um的颗粒

16、和金属离子。4243膜过滤使用聚合物薄膜或者带有细小渗透孔的陶瓷作为过滤器媒质（见图）。深度型过滤器膜过滤器沾污源-化学气体气体也是工艺制程中最重要的元素，从干燥，到等离子体清洗和刻蚀，到气相沉积，都需要不同种类的气体。主要取决于四项指标：（1）纯度（2）水汽含量（3）微粒（4）金属离子取决于气源、管道、阀门、密封等众多因素。44沾污源-生产设备用来制造半导体硅片的生产设备是硅片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。为了制造一个硅片，这一序列反复重复达450次或更多的次数，把硅片曝露在不同设备的许多机械和化学

17、加工过程中。生产设备污染在现在的生产中占据80%以上。许多硅片制造过程发生在真空中，需要特殊的设计考虑以避免沾污。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，如旋转手柄和开光阀门真空环境的抽取和排放清洗和维护过程4546制造过程中，挡硅片曝露于更多的设备操作时，硅片表面的颗粒数将增加（见图所示）。工作台设计在工艺设备中，采用适当的材料来设计工作台是获得超洁净的净化室所必需的。所有的材料都释放一些颗粒，目标是把释放降低在可以接受的水平上。光滑、高度抛光的表面是减少颗粒沾污最好的方法。不锈钢是广泛采用的工作台面和净化间的设备材料。经过适当加工

18、，不锈钢具有相对较低的颗粒释放率。电解抛光是最后的关键步骤。（材料非常关键）4748穿壁式装置 在这种处理中，设备的主要部分位于生产区后面的服务夹层中（见图）。只有用户界面操作平台和硅片架位于生产线内。这种配置隔离开了设备与夹层中的服务区，这是一种低级别沾污的典型。 49控制 从半导体制造早期到20世纪70年代，硅片通过镊子或真空棒手工控制。随着器件尺寸缩小，手工控制引起颗粒沾污并产生致命缺陷。最终制造商使用片架在设备间传送硅片，用输送带系统和升降机来拾起并在设备间送入、送出硅片（见图）。片架被设计成产生颗粒最少、具有静电耗散性和最小的化学物释放。 微环境 净化间的概念持续不断地被重新评估，主

19、要是因为更严格控制沾污的需要以及减少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）。这一概念也被称为硅片隔离技术。微环境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。50工作台设计-微环境51硅片清洗52清洗贯穿整个工艺流程53每一步都需要清洗，单个硅片表面要湿法清洗上百次。硅片湿法清洗-RCA清洗工艺54SC-155SC-256Piranha工艺和HF工艺57Piranha（食人鱼）58典型的硅片湿法清洗顺序59清洗设备-超声清洗60清洗设备-超声清洗61清洗设备-超声清洗62替代方案63新的清洗方案-干法清洗 所谓干法清洗是相对湿法化学清洗而言的，一般指不采用溶液的清洗技术。根据彻底采用溶液的程度，分为“全干法”和“半干法”清洗。目前常用的干法清洗方法有等离子体清洗、气相清洗技术等。等离子体清洗属于全干法清