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2/19/20241集成电路工艺讨论：芯片厂赢利还是亏本的取决因素？WaferYield:YW=Wafersgood/WaferstotalDieYield:YD=Diesgood/DiestotalPackagingYield:YC=Chipsgood/ChipstotalOverallYield:YT=YW×YD×YC2/19/20242集成电路工艺2/19/20243集成电路工艺2/19/20244集成电路工艺本章要点6.1沾污的类型6.2沾污的源与控制6.3硅片湿法清洗2/19/20245集成电路工艺6.1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）2/19/20246集成电路工艺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2/19/20247集成电路工艺金属杂质危害半导体工艺的典型金属杂质是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。2/19/20248集成电路工艺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2/19/20249集成电路工艺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2/19/202410集成电路工艺静电释放（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。2/19/202411集成电路工艺6.2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2/19/202412集成电路工艺净化间(Cleanroom)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2/19/202413集成电路工艺净化间级别美国联邦标准209E1级净化间意味着每立方英尺中尺寸≥0.5μm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。2/19/202414集成电路工艺2/19/202415集成电路工艺净化间结构2/19/202416集成电路工艺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2/19/202417集成电路工艺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。2/19/202418集成电路工艺人类活动释放的颗粒颗粒来源每分钟>0.3μm的平均颗粒数静止（坐或站）100000移动手、臂、躯干、脖子和头500000每小时步行2公里5000000每小时步行3.5公里7500000最洁净的皮肤（每平方英尺）100000002/19/202419集成电路工艺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≥

0.1μm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2/19/202420集成电路工艺厂房分为生产区（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。2/19/202421集成电路工艺水超纯去离子水(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2/19/202422集成电路工艺去离子水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2/19/202423集成电路工艺工艺用化学品颗粒过滤(particlefiltration):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(reverseosmosis,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微米的颗粒和金属离子2/19/202424集成电路工艺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。2/19/202425集成电路工艺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2/19/202426集成电路工艺硅片表面的颗粒数与工艺步骤的关系2/19/202427集成电路工艺6.3硅片湿法清洗沾污名称化学配料成分分子式颗粒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/H2O2/19/202428集成电路工艺RCA清洗美国无线电公司RCA提出，75－85℃使用，存放时间10－20分钟1号标准清洗液(SC-1)：氢氧化铵/过氧化氢/去离子水1:1:5~1:2:72号标准清洗液(SC-2)：盐酸/过氧化氢/去离子水1:1:6~1:2:8改进的RCA清洗：稀释的清洗化学剂(dilutecleaningchemistries)，SC-1按NH4OH/H2O2/H2O=1:4:50配比2/19/202429集成电路工艺典型硅片湿法清洗顺序piranha去除有机物和金属SC-1去除颗粒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1234562/19/202430集成电路工艺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