第十一章硅片制造中的沾污控制

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制1硅片制造中的沾污控制现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2019,7,30现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制2污染控制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、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百万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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制3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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制4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。制造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。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）现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制5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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制6颗粒带来的问题有引起电路开路或短路如图的短路。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制7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，0.18um的特征尺寸不能接触0.09um以上尺寸的颗粒。如下图的人类头发对0.18um颗粒的相对尺寸。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制8金属杂质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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制9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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制10现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制11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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制12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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制13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）。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制14静电释放静电释放（ESD）也是一种形式的沾污，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40％±10％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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制15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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制16沾污的源与控制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•人•厂房•水•工艺用化学品•工艺气体•生产设备现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制17空气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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制18人人是颗粒的产生者。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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制19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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制20现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制21厂房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。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。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制22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。早期净化间的舞厅式布局现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制23净化间间格和夹层的概念现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制24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）。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制25空气过滤图是空气过滤系统的简化图。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制26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68％±0.5°F。相对湿度（RH）很重要，因为它对侵蚀有贡献。典型的RH设定为40％±10％。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•空气电离现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制27水为了制造半导体，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•溶解氧现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制28图展示了水中的各种颗粒及其尺寸现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制29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）。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制30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（见图16）。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的颗粒和金属离子。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制31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现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制32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加工过程中。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•清洗和维护过程现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制33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）。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学硅片制造中的沾污控制34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，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。现代半导体