微电子工艺学课件-4

第一章绪论第二章现代CMOS工艺技术第三章晶体生长与衬底制备第四章加工环境与基片清洗第五章光刻第六章热氧化第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第九章薄膜淀积第十章刻蚀第十一章后段工艺与集成1微电子工艺学第四章加工环境与基片清洗4.1概述4.2环境净化4.3硅片清洗4.4吸杂4.5测量方法24.1概述随着器件尺寸缩小，污染控制的重要性不断增加3ITRSRoadmap保证90%成品率所必需局部光散射栅氧化层完整性≫≫12硅片上好的芯片数硅片上总的芯片数×100%成品率（Yield）=百分之一成品率的价值是多少？假如整个制造厂的平均成品率是70％假如制造厂芯片总收入是5亿美元成品率70％→71％意味着：多出1.4％的芯片，或是：增加700万美元的收益成品率每百分之一的提升都有巨大价值！4器件总成品率=系统分量和随机分量的乘积（Ytotal=Ysystematic×Yrandom）=工艺各步骤成品率的乘积（Ytotal=∏Yi）系统问题:工艺错误、设备故障、工艺能力局限、起始材料不纯和设计错误等。随机问题：保护膜上的针孔、颗粒在硅片上的粘附、金属线的腐蚀等。YrandomYsystematicYtotal起步阶段20％80％16％上升阶段80％90％72％成熟阶段90％95％86％¾工艺成熟性影响成品率的因素：工艺成熟性、工艺步骤数、硅片直径、芯片尺寸以及晶体缺陷等。5!!!¾硅片直径：14.5%不完整芯片（Φ200mm）10.8%不完整芯片（Φ300mm）¾芯片尺寸：芯片尺寸↓成品率↑例：2英寸硅片，缺陷密度D＝1/cm2加工10mm×10mm芯片，可加工数12，其中4个无缺陷，成品率33％；加工5mm×5mm芯片，可加工数57，其中41个无缺陷，成品率72％；......................................✔？6¾工艺步骤数：4GDRAM，500步工艺每步99%→Ytotal1%每步99.99%→Ytotal≈95%工艺步骤增加成品率下降器件总成品率=工艺各步骤成品率的乘积（Ytotal=∏Yi）金属线晶片缺陷膜层致命缺陷（killerdefect）位于器件关键部位并使器件产生致命性失效的缺陷线宽减半，潜在危害的缺陷数目增加4~8倍0.00010.0010.010.11024681012ChipYeld0.0001ChipArea(cm2)PoissonNegativeBinomial(C=2)NegativeBinomial(C=10)DO=1cm-2泊松模型墨菲模型Seed模型负二项模型成品率模型1ADYe=21ADeYAD−⎡⎤−=⎢⎥⎣⎦1ADYe=•Defectsarerandomandindependent•Predictstoolowyieldslessrandom/independent(ex.Clustering)ITRSneedsYieldsdependondefects(D)densityandchipsize(A)7聚集因子0.010.1105101520ChipYieldChipArea(cm2)199720062012Do=0.01cm-2Do=1cm-2Do=0.1cm-2¾缺陷密度8如芯片面积已知，可计算出不同成品率所要求芯片的缺陷密度。例：芯片面积10cm2，成品率要求99％时，采用泊松模型计算的缺陷密度为：意味着：三个12in（300mm）硅片上致命缺陷只允许有2个！这是非常高的要求。()()211lnln0.990.001/10YDcmA===个ChipYieldC=2999污染物：制造过程中引入硅片的任何危害芯片成品率及电学性能的不希望存在的物质。微粒金属离子化学物质细菌污染物静电缺陷从哪里来？缺陷：可能引起产品失效的任何事物。不完善的工艺控制、可靠性问题、制造环境中的污染物都是缺陷的来源。Lifetimekillers10101.微粒¾所有可以落在硅片表面的微小颗粒¾微粒污染是成品率损失的较大贡献者：引起图形缺陷、器件失效等问题1μm2μm30μm100μm烟尘尘埃指纹印人类毛发沉积途径布朗运动重力沉降最关心颗粒尺寸：10nm~10µm可在空气中长时间悬浮附着机理静电力范德华力化学键……ParticleDiameterParticleDensity?0.1-0.3祄ProbabilityofParticleCausingYieldLoss0.20.40.60.810.1~0.3μmN(dp)=k(dp)-3dp≥最小工艺特征尺寸¾VLSIFabs：75%的成品率损失来源于颗粒污染；¾0.1~0.3µm的颗粒危害最大：较大颗粒易沉降，较小颗粒易凝聚为大颗粒；¾甚至更小颗粒也会导致失效（eg.，栅氧化层针孔）。Particlesoffeaturesizecausedefects110.03μm的微粒将会损害0.3μm线宽的特征图形12122.金属离子可移动离子污染物（MIC）：材料中以离子形态存在的金属离子，在半导体材料中有很强的可移动性。金属离子的来源：化学溶液、各制造工序、化学品与传输管道和容器的反应Na最常见、移动性最强－首要控制目标（≤1010atoms/cm2）Fe,Cu,Ni,Cr,W,Ti…Na,K,Li…Fe,Cu,Ni,Cr,W,Ti…Na,K,Li…每10亿单位中金属杂质Sodium（Na）50Potassium（K）50Iron（Fe）50Copper（Cu）60Nickel（Ni）60Aluminium（Al）60Magnesium（Mg）60Lead（Pb）60Zinc（Zn）60干法刻蚀离子注入去胶水汽氧化910111213Log(concentration/cm2)FeNiCu某光刻胶去除剂金属杂质含量金属离子的危害：¾形成界面缺陷，影响器件性能，成品率下降¾阈值电压改变¾漏电流增加，少子寿命减少例1.MOS阈值电压受金属离子的影响2(2)2sAfMthFBfoxoxqNqQVVttεΦ=+Φ++当tox＝10nm，QM＝6.5×1011cm-2（≅10ppm）时，ΔVth＝0.1V×Na+,Ka+面密度附着在硅片上的途径：¾与氢原子发生电荷交换，和硅结合而被束缚在其表面。（很难消除）¾硅片表面氧化时，进入氧化层内。13例2.MOSDRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求σ＝10－15cm2，vth=107cm/s，若要求τG＝100μs，则Nt≅1012cm-3=0.02ppb!!1GthtvNτσ=write,read寿命~25µs•深能级陷阱（Cu,Fe,Auetc.）密度•趋于积累在Si表面及器件PN结区域漏--衬底PN结反向漏电流使存储电容放电→周期性刷新存储电荷（t~ms）少子热运动速度陷阱俘获截面积金属离子的危害143.化学物质¾来源：化学试剂和水、环境中的化学蒸汽以及存储容器等；¾危害：导致硅片表面受到不需要的刻蚀，在器件表面生成无法去除的化合物，或者引起不均匀的工艺过程。4.细菌¾来源：在水的系统中或不定期清洗的表面生成的有机物；¾危害：成为颗粒状污染物或给器件表面引入不希望见到的金属离子。5.静电（ESD）¾静电荷在两物体间未经控制地传递，可能损坏芯片；¾电荷积累产生的电场会吸引带电颗粒或极化并吸引中性颗粒到硅片表面。15几个ns内产生超过1A的峰值电流三个层次的方法:9环境净化（cleanroom）9硅片清洗（wafercleaning）9吸杂（gettering）如何控制污染、降低缺陷密度？如果不能有效控制缺陷密度，过去几十年在器件尺寸缩小及复杂芯片设计等方面取得的一切成就，都将成为浮云！161717174.2环境净化环境：微电子产品在加工过程中接触的除单晶材料、能源及加工技术之外的一切物质，如空气、水、化学试剂、工艺气体、加工设备以及加工人员等。实际上，工艺过程中任何与产品接触的物质都是潜在污染源。每种污染源产生特殊类型和级别的污染，需要对其进行特殊控制以满足工艺要求。在高于ISO2级洁净室中装卸片时操作引起的污染30％操作者本人引起的污染30％设备引起的污染25％洁净室引起的污染10％其他引起的污染5％Factoryenvironmentiscleanedby:•Hepafiltersandrecirculationfortheair.•“Bunnysuits”forworkers.•Filtrationofchemicalsandgases.•Manufacturingprotocols.HighefficiencyparticulateairFilter181818普通空气中含有许多污染物，必须经过处理才能进入微电子加工环境。空气洁净度：洁净环境中空气含悬浮粒子量的多少程度,以每立方米空气中的最大允许粒子数来确定。洁净度标准：a.以单位体积空气中大于等于规定粒径的粒子个数直接命名或以符号命名；b.以单位体积空气中大于等于规定粒径的粒子个数的对数值命名。2.080.110NnCD⎡⎤=×⎢⎥⎣⎦式中：Cn－空气含悬浮粒子最大允许浓度，pc/m3；N－分级序数，≤9±0.1；D－被考虑粒径，μm。一、空气191919ISO,FS209E洁净度等级对照个/M3≥0.5umISO14644-1(1999)US209E(1992)US209D(1988)EECGGMP(1989)FRANCEAFNOR(1981)GERMANYVDI2083(1990)JAPANJAOA(1989)13.520210.0M135.33M1.5113100M23534M2.510241,000M33,5305M3.5100A+B4,0003510,000M435,3006M4.51,0001,00046100,000M5353,0007M5.510,000C400,000571,000,000M63,530,0008M6.5100,000D4,000,0006810,000,000M7基于≥0.5um粒径的各国洁净度等级近似对照表洁净室及洁净区空气中悬浮粒子洁净度等级GB50073-2001空气洁净度等级(N)大于或等于表中粒径的最大浓度限值(pc/m3)0.1um0.2um0.3um0.5um1um5um11022（光刻、制版）100241043（扩散、CVD）10002371023584（封装、测试）1000023701020352835（单晶制备）100000237001020035208322961000000237000102000352008320293735200083200293083520000832000293009352000008320000293000212222空气净化方法：过滤、驱赶、收集尘埃空气初级过滤器鼓风机亚高效过滤器高效过滤器排放口收集口出风口洁净环境洁净室局部净化垂直层流式水平层流式乱流式净化工作台净化通道局部微环境垂直层流式水平层流式乱流式净化工作台净化通道局部微环境洁净室（cleanroom）:泛指集成电路和其它微电子器件制造的空间。具有严格控制的空气洁净度，使器件制造过程中受到的污染尽可能降低。231、屋顶：复杂的封闭式结构，有两种类型：a.轧制铝支架加现场制作的静压箱／风道；b.预制的整体式静压箱／风道加支架。终端过滤和照明均安装其上。2、墙：通常为预制模块化设计。由轧制铝框架构件及内部为蜂窝结构的铝板组成，其表面涂覆阳极化抛光层或环氧树脂层。不产生尘埃，具有很低的气体释放特性。初始投资额较大。3、地板：开孔混凝土＋网格高架地板＋侧回风格栅＋ESD级环氧树脂涂层。4、空调：排风、新风，温度、湿度。洁净室（cleanroom）：传统洁净室的问题¾技术：已很难进一步满足制造工艺的“零污染”环境要求¾成本：高昂的造价和运行费用对成本影响非常大24Start-upCostsforWaferfabs传统洁净厂房的投资费用一般不少于总投资的25%64GIC，成品率90％：每四个400mm硅片上0.1μm空气粒子只允许有1个！1.超净服：¾颗粒和浮尘零释放；¾对ESD的零积累；¾