半導(dǎo)體制造中的沾污控制

關(guān)于半導(dǎo)體制造中的沾污控制第1頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月本章內(nèi)容沾污的類型，來源，后果，去除方法硅片清洗，方案，流程，評估要點(diǎn)。先進(jìn)的干法清洗方案介紹第2頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1

沾污的類型

沾污（Contamination）是指半導(dǎo)體制造過程中引入半導(dǎo)體硅片的任何危害芯片成品率及電學(xué)性能的不希望有的物質(zhì)。沾污經(jīng)常導(dǎo)致有缺陷的芯片，致命缺陷是導(dǎo)致硅片上的芯片無法通過電學(xué)測試的原因。第3頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代ICfabs依賴三道防線來控制沾污第4頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月三道防線:1.凈化間（cleanroom）

2.硅片清洗（wafercleaning）

3.吸雜（gettering）第5頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月凈化間沾污分為五類顆粒金屬雜質(zhì)有機(jī)物沾污自然氧化層靜電釋放（ESD）第6頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒：所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。顆粒來源：空氣人體設(shè)備化學(xué)品超級凈化空氣風(fēng)淋吹掃、防護(hù)服、面罩、手套等，機(jī)器手/人特殊設(shè)計及材料定期清洗超純化學(xué)品去離子水

后果：電路開路或短路，薄膜針眼或開裂，引起后續(xù)沾污。第7頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月各種可能落在芯片表面的顆粒第8頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒的相對尺寸

毫米110-110-210-310-4

10-610-710-510原子物質(zhì)的單分子霧薄煙云層顆粒大氣灰塵霧顆粒沙灰塵鵝卵石第9頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體制造中，可以接受的顆粒尺寸的粗略法則是它必須小于最小器件特征尺寸的一半。一道工序引入到硅片中超過某一關(guān)鍵尺寸的顆粒數(shù)，用術(shù)語表征為每步每片上的顆粒數(shù)（PWP）。在當(dāng)前生產(chǎn)中應(yīng)用的顆粒檢測裝置能檢測到的最小顆粒直徑約為0.1微米。第10頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月二.金屬沾污來源：化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工藝

化學(xué)品和傳輸官道及容器的反應(yīng)。例如，CO。量級：1010原子/cm2影響：在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降增加p-n結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命Fe,Cu,Ni,Cr,W,Ti…Na,K,Li…第11頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月不同工藝過程引入的金屬污染干法刻蝕離子注入

去膠水汽氧化910111213Log(concentration/cm2)FeNiCu第12頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機(jī)理通過金屬離子和硅表面終端的氫原子之間的電荷交換，和硅結(jié)合。（難以去除）氧化時發(fā)生：硅在氧化時，雜質(zhì)會進(jìn)入去除方法：使金屬原子氧化變成可溶性離子

MMz++ze-去除溶液：SC-1,SC-2（H2O2：強(qiáng)氧化劑）還原氧化第13頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月電負(fù)性Cu+eCu-SiSi++eCu2-+2eCu第14頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)優(yōu)先向左作業(yè)2第15頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬離子在半導(dǎo)體材料中是高度活動性的，被稱為可動離子沾污（MIC）。當(dāng)MIC引入到硅片中時，在整個硅片中移動，嚴(yán)重?fù)p害器件電學(xué)性能和長期可靠性。

對于MIC沾污,能遷移到柵結(jié)構(gòu)中的氧化硅界面，改變開啟晶體管所需的閾值電壓。由于它們的性質(zhì)活潑，金屬離子可以在電學(xué)測試和運(yùn)輸很久以后沿著器件移動，引起器件在使用期間失效。第16頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

可動粒子沾污引起的閥值電壓改變

++++++++++++++++++SDP-硅襯底G

N+N+-Vs+Vd+Vg

離子沾污改變晶體管的電學(xué)特性電子導(dǎo)電++GateoxidePolysilicon++++++++++++++第17頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月無關(guān)雜質(zhì)的危害性當(dāng)tox＝10nm，QM＝6.5×1011cm-2（10ppm)時，DVth＝0.1V例2.MOS閾值電壓受堿金屬離子的影響例3.MOSDRAM的刷新時間對重金屬離子含量Nt的要求＝10－15cm2，vth=107cm/s若要求G＝100ms，則Nt1012cm-3

=0.02ppb

!!作業(yè)1第18頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月三.有機(jī)物的玷污導(dǎo)致的問題:柵氧化層密度降低;

清潔不徹底,容易引起后續(xù)沾污來源：環(huán)境中的有機(jī)蒸汽,清潔劑和溶劑存儲容器光刻膠的殘留物去除方法：強(qiáng)氧化－臭氧干法－Piranha：H2SO4-H2O2

－臭氧注入純水第19頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月四.自然氧化層

來源:

在空氣、水中迅速生長導(dǎo)致的問題：接觸電阻增大難實(shí)現(xiàn)選擇性的CVD或外延成為金屬雜質(zhì)源難以生長金屬硅化物清洗工藝：HF＋H2O（ca.1:50）第20頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸孔底部的自然氧化層在鎢和摻雜硅區(qū)域引起差的電接觸在鎢淀積前，自然氧化層生長在接觸孔鎢塞硅上有源區(qū)層間介質(zhì)層間介質(zhì)氧化層隔離接觸第21頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月五.靜電釋放

靜電釋放（ESD）也是一種形式的污染，因?yàn)樗庆o電和從一個物體向另一個物體未經(jīng)控制的轉(zhuǎn)移，可能損壞芯片。

ESD產(chǎn)生于兩種不同靜電勢的材料接觸或摩擦。半導(dǎo)體制造中，硅片加工保持在較低的濕度中，典型條件為40％＋10％的相對濕度（RH，RelativeHumidity）這種條件容易使較高級別的靜電荷生成。增加相對濕度可以減少帶電體的電阻率，有助于靜電荷的釋放，但同時也會增加侵蝕帶來的沾污。第22頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月靜電釋放帶來的問題靜電釋放導(dǎo)致金屬導(dǎo)線蒸發(fā)，氧化層擊穿。（總電量小，但是區(qū)域集中，放電時間短，導(dǎo)致高電流）電荷積累吸引帶電顆?；蚱渌行灶w粒，引起后續(xù)沾污。第23頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2沾污的源與控制

半導(dǎo)體器件制造廠房存在7種沾污源：空氣、人、廠房、水、工藝用化學(xué)品、工藝氣體和生產(chǎn)設(shè)備。一.空氣

凈化間最基本的概念是硅片工廠空氣中的顆粒控制。我們通常所呼吸的空氣是不能用于半導(dǎo)體制造的，因?yàn)樗颂嗟钠≌次?。?4頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月硅片生產(chǎn)廠凈化室PhotographcourtesyofAdvancedMicroDevices,mainfabcorridor第25頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

凈化級別標(biāo)定了凈化間的空氣質(zhì)量級別，它是由凈化室空氣中的顆粒尺寸和密度表征的。

表6.2美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E中各凈化間級別對空氣漂浮顆粒的限制近來已經(jīng)開始使用0.1級，這時顆粒尺寸縮小到0.02~0.03μm。第26頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月二.人

人員持續(xù)不斷地進(jìn)出凈化間，是凈化間沾污的最大來源。

第27頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)代超凈服是高技術(shù)膜紡織品或密織的聚酯織物。先進(jìn)的材料對于0.1微米及更大尺寸的顆粒具有99.999%的效率級別。超凈服的系統(tǒng)目標(biāo)：1）對身體產(chǎn)生的顆粒和浮質(zhì)的總體抑制；2）系統(tǒng)顆粒零釋放；3）對ESD的零靜電積累；4）無化學(xué)和生物殘余物的釋放。第28頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月凈化間人員主要操作規(guī)程：經(jīng)過風(fēng)淋和鞋清潔器只把必需物品帶入凈化間緩慢移動保持所有的頭部和面部以及頭發(fā)包裹。保持超凈服閉合。

第29頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月工藝線直擊——凈化間第30頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月三．廠房為使半導(dǎo)體制造在一個超潔凈的環(huán)境中進(jìn)行，有必要采用系統(tǒng)方法來控制凈化間區(qū)域的輸入和輸出。在凈化間布局、氣流流動模式、空氣過濾系統(tǒng)、溫度和濕度的設(shè)定、靜電釋放等方面都要進(jìn)行完美的設(shè)計，同時盡可能減少通過設(shè)備、器具、人員、凈化間供給引入的顆粒和持續(xù)監(jiān)控凈化間的顆粒，定期反饋信息及維護(hù)清潔。第31頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月氣流原理為實(shí)現(xiàn)凈化間中的超凈環(huán)境，氣流種類是關(guān)鍵的。對于100級或一下的凈化間，氣流是層流狀態(tài)，沒有湍流氣流模式。垂直層流對于外界氣壓具有輕微的正壓，充當(dāng)了屏蔽以減少設(shè)備或人到暴露著的產(chǎn)品的橫向沾污。第32頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月對于流體流動狀態(tài)的描述——Re>4000時流體為湍流(onflow)，Re<2300時為層流(laminarflow)，Re介于2300和4000之間是過渡狀態(tài)。雷諾數(shù)其中，U是流體流速，ρ是流體密度，L是管道尺寸，η是流體粘度。第33頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

雷諾實(shí)驗(yàn)裝置流體流動形態(tài)示意圖第34頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月空氣過濾

空氣進(jìn)入到天花板內(nèi)的特效顆粒過濾器，以層流的模式流向地面，進(jìn)入到空氣再循環(huán)系統(tǒng)后與補(bǔ)給的空氣一道返回空氣過濾系統(tǒng)。在現(xiàn)代工藝線上，空氣每6秒可以周轉(zhuǎn)1次。特效顆粒過濾器：高效顆?？諝膺^濾器（HEPA）：用玻璃纖維制成，產(chǎn)生層狀氣流。超低滲透率空氣過濾器（ULPA）：指那些具有99.9995%或更高效率過濾直徑超過0.12μm顆粒的過濾器。第35頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月高效過濾排氣除塵超細(xì)玻璃纖維構(gòu)成的多孔過濾膜：過濾大顆粒，靜電吸附小顆粒泵循環(huán)系統(tǒng)20～22C40～46％RH第36頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月空氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備第37頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度和濕度

對硅片加工設(shè)備溫度和濕度的設(shè)定有著特別的規(guī)定。一個1級0.3μm的凈化間溫度控制的例子是68±0.5℉。相對濕度（RH）很重要，因?yàn)樗鼤L侵蝕，例如自然氧化層的生長。典型的RH設(shè)定為40％±10％。第38頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月靜電釋放多數(shù)靜電釋放可以通過合理運(yùn)用設(shè)備和規(guī)程得到控制。主要的ESD控制方法有：防靜電的凈化間材料ESD接地空氣電離。第39頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月四．水

為了制造半導(dǎo)體，需要大量的高質(zhì)量、超純?nèi)ルx子水（DIwater，de-ionizedwater）。我們平時使用的來自于自來水廠的生活用水含有大量的沾污而不能用于硅片生產(chǎn)。經(jīng)過處理之后，DI中不允許有的沾污是：溶解離子、有機(jī)材料、顆粒、細(xì)菌、硅土和溶解氧。同時在25℃下，DI的電阻率要達(dá)到18MΩ-cm。一個水凈化系統(tǒng)見圖4.1。第40頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月五.工藝用化學(xué)品

無論是液態(tài)化學(xué)品還是氣體化學(xué)品，都必須不含沾污。然而，處理和傳送系統(tǒng)有可能引入雜質(zhì)，所以在靠近使用現(xiàn)場安置過濾器。過濾效率是指停留在過濾器中特定尺寸以上的顆粒的百分比。對于ULSI工藝中使用的液體過濾器，對于0.2微米以上顆粒的典型效率為99.9999999%。第42頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月六.生產(chǎn)設(shè)備

用來制造半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)設(shè)備是硅片工廠中最大的顆粒來源。在硅片制造過程中，硅片從片架重復(fù)地轉(zhuǎn)入設(shè)備中，經(jīng)過多臺裝置的操作，卸下返回到片架中，又被送交下一工作臺。這就需要特殊的設(shè)計考慮以避免沾污。有用輸送帶系統(tǒng)和升降機(jī)來傳送硅片、用封閉潔凈的片架裝硅片、建立一個微環(huán)境來加工硅片等等。第43頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖4.3放置硅片的lot盒第44頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

工藝線直擊——硅片傳輸系統(tǒng)第45頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3硅片濕法清洗

硅片表面在經(jīng)受工藝之前必須是潔凈的。一旦硅片表面被沾污,沾污物必須通過清洗而排除。硅片清洗的目標(biāo)是去除所有表面沾污:顆粒、有機(jī)物、金屬和自然氧化層。在當(dāng)今ULSI制造工藝中，據(jù)估計單個硅片的表面要濕法清洗上百次。

第46頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.1濕法清洗概況

占統(tǒng)治地位的硅片表面清洗方法是濕化學(xué)法。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)濕法清洗工藝稱為RCA清洗工藝。用在濕法清洗中的典型化學(xué)品以及它們?nèi)コ恼次哿杏诒?.3。第47頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

RCA工藝是由美國無線電公司（RCA）于20世紀(jì)六十年代提出的，首次采用是在1970年。

RCA濕法清洗由一系列有序的浸入兩種不同的化學(xué)溶液組成：

1號標(biāo)準(zhǔn)清洗液（SC-1）

2號標(biāo)準(zhǔn)清洗液（SC-2）第48頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月SC-1（APM，AmmoniaPeroxideMixture）：NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7

70～80C,10min堿性（pH值>7）可以氧化有機(jī)膜和金屬形成絡(luò)合物緩慢溶解原始氧化層，并再氧化——可以去除顆粒NH4OH對硅有腐蝕作用RCA——標(biāo)準(zhǔn)清洗OH－OH－OH－OH－OH－OH－RCAcleanis“standardprocess”usedtoremoveorganics,heavymetalsandalkaliions.第49頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月SC-2:HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8

70～80C,10min酸性（pH值<7）可以將堿金屬離子及Al3＋、Fe3＋和Mg2＋在SC-1溶液中形成的不溶的氫氧化物反應(yīng)成溶于水的絡(luò)合物可以進(jìn)一步去除殘留的重金屬污染（如Au）RCA與超聲波振動共同作用，可以有更好的去顆粒作用20～50kHz或1MHz左右。平行于硅片表面的聲壓波使粒子浸潤，然后溶液擴(kuò)散入界面，最后粒子完全浸潤，并成為懸浮的自由粒子。第50頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

表4.3硅片濕法清洗化學(xué)品第51頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代芯片生產(chǎn)中硅片清洗工藝流程化學(xué)溶劑清洗溫度清除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120C,10min有機(jī)物和金屬2D.I.H2O室溫洗清3NH4OH+H2O2+H2O

(1:1:5)(SC－1)

80C,10min微塵4D.I.H2O室溫洗清5HCl+H2O2+H2O

(1:1:6)(SC－2)

80C,10min金屬6D.I.H2O室溫洗清7HF+H2O(1:50)室溫氧化層8D.I.H2O室溫洗清9干燥第52頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)器人自動清洗機(jī)第53頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月清洗容器和載體SC1/SPM/SC2–石英（Quartz）或Teflon容器HF–優(yōu)先使用Teflon，其他無色塑料容器也行。硅片的載體–只能用Teflon或石英片架（不能用于HF清洗中）第54頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月常見清洗設(shè)備兆聲清洗噴霧清洗兆聲清洗噴霧清洗優(yōu)點(diǎn)：持續(xù)供給新鮮清洗液，高速沖擊的液滴和硅片旋轉(zhuǎn)可保證有效清洗。缺點(diǎn)：清洗不均勻，中心旋轉(zhuǎn)為零。優(yōu)點(diǎn)：可批處理進(jìn)行清洗；節(jié)省清洗液用量。缺點(diǎn)：可能造成清洗損傷。第55頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月洗刷器水清洗＋干燥溢流清洗排空清洗噴射清洗加熱去離子水清洗旋轉(zhuǎn)式甩干IPA異丙醇蒸氣干燥缺點(diǎn)：單片操作，效率低，難以實(shí)現(xiàn)批處理。第56頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月Intelligendispensesystem第57頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月硅片甩干：硅片對水的響應(yīng)程度稱為它的可濕性。水可浸潤親水性的潔凈硅片上，而在疏水性表面上因?yàn)楸砻鎻埩κ湛s為水珠，即反浸潤。這樣的水珠在干燥后會在硅片表面形成斑點(diǎn)。經(jīng)過氫氟酸腐蝕的無氧化物表面由于氫終結(jié)了表面原子層因而是疏水性的。必須徹底干燥硅片表面。旋轉(zhuǎn)式甩干機(jī)：難以除去孔穴中的水分；高速旋轉(zhuǎn)引起電荷積累吸引顆粒異丙醇蒸氣干燥：IPA的純度級別必須加以控制第58頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月工藝線直擊——硅片濕法清洗第59頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月硅片清洗技術(shù)評價的主要指標(biāo)（1）微粗糙度（RMS）；（2）自然氧化物清除率；（3）金屬沾污、表面顆粒度以及有機(jī)物沾污；（4）芯片的破損率；（5）清洗中的再沾污；（6）對環(huán)境的污染；（7）經(jīng)濟(jì)的可接受性（包括設(shè)備與運(yùn)行成本、清洗效率）等。第60頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月濕法清洗的問題（1）表面粗糙度：清洗劑、金屬污染對硅表面造成腐蝕，從而造成表面微粗糙化。SC-1中，NH4OH含量高，會對硅造成表面腐蝕和損傷。降低溝道內(nèi)載流子的遷移率，對熱氧化生長的柵氧化物的質(zhì)量、擊穿電壓都有破壞性的影響。Ra(nm)MixingratioofNH4OH(A)inNH4OH+H2O2+H2Osolution(A:1:5,A<1)降低微粗糙度的方法：減少NH4OH的份額降低清洗溫度減少清洗時間第61頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月Wu

etal.,EDL25,289(2004).SiGe-gate/high-k/SiGepMOSFETs第62頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月Surfaceroughness(nm)Surfaceroughness(nm)不同清洗（腐蝕）方法與表面粗糙度第63頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月Surfaceroughness(nm)Ebd(MV/cm)表面粗糙度降低了擊穿場強(qiáng)第64頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒的產(chǎn)生較難干燥價格化學(xué)廢物的處理和先進(jìn)集成工藝的不相容濕法清洗的問題（2）第65頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)損傷程度加劇清洗液難以進(jìn)入深溝槽清洗后干燥困難顆粒去除有效率低容易腐蝕銅導(dǎo)線改變低k電介質(zhì)的介電常數(shù)變低k電介質(zhì)的電介常數(shù)工藝線寬減小大量高堆疊式和深溝槽式結(jié)構(gòu)先進(jìn)集成工藝帶來的清洗問題第66頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)在已經(jīng)研究出幾種可以取代RCA清洗的清洗技術(shù),像等離子體干法清洗、使用螯