第3章工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗

微电子工艺

第三章

工艺中的气体、化试、

水、环境和硅片的清洗

第一章引言第二章晶体生长第三章工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗第四章硅的氧化第五章光刻第六章刻蚀第七章扩散第八章离子注入第九章薄膜淀积第十章工艺集成第十一章集成电路制造目标通过学习本章的内容，你将能够：1.描述半导体制造有关的重要化学品性质。2.叙述在硅圆片厂不同的工艺化学品是怎样分类和使用的。3.解释如何在芯片制造使用酸、碱和溶剂。4.描述一种气体是通用气体还是特种气体，并解释每种气体在硅圆片制造中是怎样运送和使用的。5.说明并描述5种不同类型的净化间沾污,并讨论与每种沾污相关的问题。6.列举净化间的7种沾污源,描述每一种怎样影响硅片的洁净。7. 解释并使用净化级别来表征净化间空气质量。讨论员工按照合理的规则进入净化间的7个正确步骤。描述净化间设备的各个方面,包括空气的过滤,静电释放,超纯去离子水和工艺气体等。10.解释现代工作区设计和微环境怎样有助于沾污控制。11.说明两种湿法清洗的化学原理,解释每一种分别去除哪种沾污,并讨论湿法清除的改进和选择余地。12.描述不同的湿法清洗设备,说明每种清洗工艺怎样有助于硅片的清洁。

工艺气体气体通用气体特种气体气体冲洗系统气体输送管道气体管道的连接钢瓶的换气常用的特种气体

通用气体通用气体配送系统典型的特种气体配送系统设计LPI 低压隔离阀LPV 低压排气阀PGI 压缩气体入口PS 压力开关REG 压力表VP 文氏真空泵气体冲洗面板CVVPCVCVPG1PSHPVFEFSESOHPIREGLPIPSPSLPVCVVSVEFV钢瓶文氏管入口至设备气体控制面板至尾气冲洗气体入口引出端CV 检查阀EFS 过流开关EFV 过流阀ESO 紧急关闭阀F 过滤器HPI 高压隔离阀HPV 高压放气阀气体冲洗系统：用来排除工艺腔和输送系统中的残余气体、空气和水蒸气。通过通入惰性气体将残余气体排出，或者通过真空系统将残气吸出。气体输送管道：用316L（不锈钢的一种）电解抛光的不锈钢管道来输送气体。除了气体过滤器的隔膜之外，在气体输送管道系统中没有塑料部件。对于一些危险气体经常用双层管子。双层管子内层管壁经过电镀抛光来减小沾污。电解抛光是一项化学工艺，用以去除内壁大约30um厚度。电解抛光的不锈钢内壁带有一层很薄的铬，因为铬很不活泼,扩散出的颗粒很少。工艺气体真空双层管CGA气体管道连接器气体管道的连接：出于安全方面的考虑，气体管道将会有360度的转弯，使得管道更加灵活。气体管道用连接器接到气体钢瓶的阀门。气体管道要保证气体连续不断的通过管道系统，不能有地方滞留气体，导致化学品不必要的损失。特种气体钢瓶钢瓶换气：当钢瓶空了的时候，需要技术人员进行更换。更换钢瓶时应该注意：一、不正确的清洗气体管道导致残余气体泄露产生雾气和火焰；二、要考虑不恰当的支撑钢瓶，使其颠倒导致气体泄漏。半导体制造业中常用的特种气体工艺中的化学品液体酸碱pH值溶剂化学品的输送

半导体制造过程中常用的酸半导体中常用的碱不同化学物质的pH值腐蚀性}腐蚀性}半导体制造过程中常用的溶剂批量化学品配送设备维护区生产区化学品供应间化学品配送中心垫起和带孔地板化学品圆桶工艺设备控制单元泵过滤器垫起和带孔的地板控制电缆供空气管防泄漏双层套管泵过滤器化学品控制和泄露探测器防泄漏阀门箱尾气管批量化学品配送

为了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。我们将学习硅片制造中的各类沾污，它们的来源以及如何有效的控制沾污。半导体的制造环境，我们叫做“净化间”。净化间把沾污环境与制造芯片的环境隔离开来。成功的净化间除了先进的硬件设备，另一个重要因素是员工的纪律。硅片沾污嵌入的颗粒表面沾污硅片制造净化间沾污的类型颗粒金属杂质有机物沾污自然氧化物静电释放

颗粒相对的尺寸

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颗粒引起的缺陷人类头发相对于0.18微米颗粒的尺寸接触孔线宽间距~90mm集成电路最小特征尺寸=0.18mm90mm0.18mm=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每硅片每通道颗粒数工艺设备硅片放入工艺设备前，初始颗粒数硅片通过工艺设备后的初始颗粒数由工艺设备加在硅片上的颗粒典型金属杂质元素

金属杂质金属可能来自于化学试剂，还可能来自于制造中的各个工序。1.离子注入工艺表现出最高的金属沾污，1012~1013/cm3。2.化学品与传输管道和容器的反应。

例如：CO与不锈钢中的镍、垫圈发生反应，生成镍的化合物分布在硅片表面。金属可以通过两种途径沉积在硅片表面：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片表面。这种类型的金属杂质很难消除。当表面氧化时金属杂质分布于氧化层内。只有通过去除表面氧化层来去除。可动离子沾污改变阈值电压++++++++++++++++++源漏P-硅衬底栅

N+N+-Vs+Vd+Vg离子沾污改变晶体管的电学特性Conductionofelectrons++GateoxidePolysilicon

++++++++++++++自然氧化层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硅片暴露在空气中，一秒钟内就有几十层水分子吸附在硅片上并渗透到硅片表面，在室温下，引起硅片表面氧化。自然氧化层如何去除？静电释放静电也是一种沾污形式。为了避免侵蚀和粘附性问题，半导体制造在一种相对低湿度的环境中进行，这容易引起静电。静电可能引起的问题：击穿和吸引小颗粒---------------------------------------------------------------沾污的源与控制硅片生产厂房的7种沾污源为:空气人厂房水工艺用化学品工艺气体生产设备美国联邦标准209E中

各净化间级别对空气漂浮颗粒的限制超细颗粒：近来已经开始使用0.1级，这时颗粒尺寸缩小到0.02~0.03um。直径小于0.1um直到颗粒计数器能检测到的最小颗粒，规定为超细颗粒。人类活动释放的颗粒人是净化间最大的污染来源。头发、头屑、衣服纤维屑。人一天释放28.35克的颗粒。穿超净服的技术员超净服系统的目标是满足以下职能标准:超净服系统颗粒零释放。无化学和生物残余物的释放。对身体产生的颗粒和浮质的总体抑制。（0.1um，99.999％，淋浴－风淋－聚酯内衣）。对ESD的零静电积累。合理的净化间操作规程厂房净化间布局气流原理空气过滤温度和湿度静电释放

早期净化间的舞厅式布局主制造通道Class10,000服务通道Class10,000服务通道Class10,000生产区Class10,000生产区Class10,000MainmanufacturingaccesscorridorClass1ServiceaccesscorridorClass10,000服务通道Class10,000服务夹层Class1,000生产区Class1生产区Class1服务夹层Class1,000服务夹层Class1,000服务夹层Class1,000生产区Class1服务夹层Class1,000生产区Class1生产区Class1服务夹层Class1,000服务夹层Class1,000服务夹层Class1,000生产区Class1净化间间格和夹层的概念 硅片工艺线的空气处理系统生产区Class1服务夹层Class1,000服务夹层Class1,000服务夹层Class1,000生产区Class1供应空气返回的空气亚工厂区设施和遥控设备Fan补偿空气HEPA过滤器 由玻璃纤维制成，产生层状气流。层状气流SMT高效颗粒空气过滤器空气紊乱物体干扰正常的空气层流，并产生空气紊乱。这能驱逐并带走小的颗粒.空气层流穿过带孔的地板温度和湿度1级净化间：温度：68±0.5ºF。相对湿度：40％±10％静电释放（ESD）主要静电防护的方法：ESD接地防静电的净化间材料空气电离位于净化间天花板内专用的离子发射器产生高电场使空气电离。当导电性空气接触产品表面，表面的电荷会被空气中的异性电荷中和掉。通过空气电离来中和表面的静电荷++++++++++++带电硅片高压产生离化电晕放电天花板过滤器软X射线辐射空气电离是有限的，因为多数离子在到达硅片表面之前已经复合而消失了，新开发的一种空气中和法是软X射线辐射。

软X射线辐射能产生大量的离子对，将带电的硅片暴露于软X射线所能辐射的范围，两秒钟后，硅片表面的电荷将被中和到“0”。半导体制造中的水去离子水是半导体制造中用得最多的化学品，估计在200mm生成线上，每个硅片的去离子水的消耗量达到2000加仑。

英制一加仑等于4.546升,美制一加仑等于3.785升

超纯去离子水中不允许的沾污溶解离子有机材料颗粒细菌硅土溶解氧

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粘土、残渣水中的各种颗粒溶解离子的来源：矿物质。如K＋、Na＋有机物质：溶解在水中含碳化合物的总和。会对氧化层薄膜生长有破坏性。细菌：可能导致氧化层、多晶硅和金属导体层缺陷。硅土：水中高含量的硅土能淤塞净化设备的过滤装置，并降低热生长氧化物的可靠性。溶解氧：能导致自然氧化层的形成。去离子水的补给和精加工回路 去离子化用特制的离子交换树脂去除电活性盐类离子。把水从导电性媒质变为电阻性媒质。

去离子水要经过两次去粒子化。去离子水过滤

去离子水补偿循环中使用了各种过滤器，达到过滤颗粒和胶体的目的。

常用的过滤技术是“反渗透（RO）”。反渗透原理：水在加压下流经一个薄膜过滤器，以隔离电离的盐类、胶体和有机物以及分子量在150以下的物质。反渗透最小能隔离0.005um的杂质，也称为超过滤。RO过滤器原理 中空纤维膜过滤器纯水加压的生水微颗粒或有机物入口废弃物出口外壳脱气器：用来去除水中溶解的气体。膜萃取器：把溶解的气体（主要是氧）去除到10ppb以下的含量。膜萃取器原理：由疏水性聚丙烯多孔空心纤维组成。纤维壁上具有微细的空隙可使溶解气体通过。而疏水性不允许水通过细孔。于是使气体和水分离。膜萃取过滤器纯水加压的水和气疏水性中空纤维微多孔膜阻止水，但允许更小的气体分子通过外壳水入口气体出口气体入口加压的惰性气体水出口ζ势：

ζ势代表胶体（液体中一种很细的悬浮颗粒）积累的正电荷或负电荷。

水中的颗粒，如硅土胶体、细菌和热原通常具有负电荷ζ势，所以可以通过一个带正电的过滤器滤除。利用ζ势的静电过滤 纯水加压的水和颗粒入口在过滤器膜上的负电荷在过滤器膜上的正电荷细菌控制

超纯水采用紫外线（UV）杀灭细菌。紫外线简单又可靠，可以把细菌含量减至1％以下。

进一步杀菌可以向水中通入O3（干燥气体放电产生，紫外线下分解成O2），细菌直径超0.2um，膜滤除。工艺用化学品

为保证芯片的成品率和性能，制造用的去离子水、化学品、气体必须保证不受沾污，在传输过程中用到各种过滤器过滤器。

过滤器分类颗粒过滤（Particlefiltration）:适用于大约1.5微米以上颗粒的深度型过滤。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（ReverseOsmosis）: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，过滤掉小到接近0.005微米的颗粒和金属离子。

深度型过滤器 出口过滤器媒介入口屏蔽适用于大约1.5微米以上颗粒的深度型过滤。膜过滤器 出口膜入口密封膜过滤：聚合物薄膜或带有细小渗透孔的陶瓷作为过滤器媒质。只允许特定尺寸的物质通过。膜过滤可以用在反渗透、微过滤和超过滤中。对过滤器的两点要求不会对流量产生明显的衰减足够的效率在ULSI中的液体过滤器，对于0.2um以上的颗粒典型效率是99.9999999％，称为9个9的效率。

半导体制造设备是颗粒的最大来源。为了制造一个硅片，可能需要450多道工序。工艺设备中各种颗粒沾污来源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

硅片表面的颗粒数

与工艺步骤数之间的函数关系

清洗清洗清洗清洗工艺步骤数颗粒数工作台的设计采用适当的材料设计工作台，获得超洁净的净化室是必要的。颗粒释放率穿壁式装置 生产区Class1工艺设备用户界面硅片真空锁分隔墙服务夹层Class1,000片架自动化可以降低沾污，片架可以实现设备间硅片的传递静电吸盘

真空吸盘使硅片产生变形，静电吸盘可以平坦的支撑硅片-DC偏压硅盖板（接地）+------+++++++++++硅片（＋电荷）在工艺室中的离子和电子介质材料金属吸盘(-电荷)至排气------------------微环境概念微环境室Class1生产区Class1,000工艺设备SMIF装/卸界面

HEPA过滤器SMIF盒(Class1或更好）微环境：硅片和净化间环境不位于同一工艺室，通过隔离，为硅片创造一个局部环境。SMIF：标准机械接口。为了在微环境包围的工艺设备之间转移硅片，使用一个标准化的容器，密封和传递整架的硅片。这个容器与各种设备之间具有一个标准机械接口（SMIF）。

当把容器提交给一台设备时，设备中的机器人自动开启容器门，移走片架。穿壁式装置的SMIF容器硅片湿法清洗湿法清洗概况湿法清洗设备RCA清洗的替代方案

硅片湿法清洗RCA清洗1号标准清洗液(SC-1)2号标准清洗液(SC-2)改进的RCA清洗Piranha配比最后的HF步骤化学蒸气清洗硅片清洗步骤

硅片湿法清洗化学品1号标准清洗液(SC-1)的配比：NH4OH/H2O2/H2O＝1：1：5~1：2：7

2号标准清洗液(SC-2)的配比：

HCl/H2O2/H2O＝1：1：6~1：2：8颗粒在SC-1中的氧化和溶解

(1) 颗粒吸附到硅上

(2) 通过H2O2