第5章 硅片制造中的沾污控制
硅片沾污控制
为实现净化间中的超净环境，气流种类是关键的。
对于100级或一下的净化间，气流是层流状态，没
有湍流气流模式。
垂直层流对于外界气压具有轻微的正压，充当了屏
蔽，以减少设备或人到暴露着的产品的横向沾污。
雷诺数
UL Re
其中，U是流体流速，ρ是流体密度，L是管道 尺寸，η是流体粘度。 Re>4000时流体为湍流(onflow)，Re<2300时为层流 (laminar flow)，Re介于2300和4000之间是过渡状态。
－ 臭氧干法 － Piranha：H2SO4-H2O2 （7:3） － 臭氧注入纯水
四.
自然氧化层
来源: 在空气、水中迅速生长 导致的问题：
接触电阻增大 难实现选择性的CVD或外延 成为金属杂质源 难以生长金属硅化物
清洗工艺：HF＋H2O（ca. 1: 50）
五. 静电释放
1）对身体产生的，颗粒和浮质的总体抑制；
2）系统颗粒零释放； 3）对ESD静电释放的零静电积累； 4）无化学和生物残余物的释放。
三．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。在净化间布局、气流流动模式、空气过滤系统、 温度和湿度的设定、静电释放等方面都要进行完善 的设计，同时尽可能减少通过设备、生产器具、人 员、净化间供给，引入的颗粒和持续监控净化间的 颗粒，定期反馈信息及维护清洁。
平行于硅片表面的声压波使粒子浸润， 然后溶液扩散入界面，最后粒子完全浸 润，并成为悬浮的自由粒子。
表6.3
硅片湿法清洗化学品
现代芯片生产中硅片清洗工艺流程
化学溶剂
1 2 3
4 5 6 7 8 9
硅片车间污染控制
硅片车间污染源控制介绍水污染：水污染主要是由于人类排放的各种外源性物质（包括自然界中原先没有的），进入水体后，超出了水体本身自净作用所能承受的范围，导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。
公司排放的含硅废水的特性：具有量大、成分复杂、毒性大、不易净化、难处理等特点。
污染物指标介绍：COD化学需氧量，该指标主要反映水体受有机物污染的程度，COD 的含量越高，污染就越严重。
SS总固体悬浮物，包括不溶于水中的无机物，有机物，沉砂，黏土、微生物等。
其数值越高污染就越严重。
车间排放的废水中主要就是含硅砂浆废液、硅片清洗剂、切磨车间排放的含硅废水。
这些废水中含有很高的COD和悬浮物及油类物质。
尤其是废水中含有的大量悬浮液、表面活性剂、油类物质这几种污染物，对于物化处理有很大的影响，容易导致污泥上浮，而且在后续处理中生化降解性差，通常直接导致出水排放指标不合格。
原水有机物浓度含量高的主要有：悬浮液，乳酸，清洗剂。
通过实验室的分析，这3种物质原液的COD分别如下：按每天平均400T废水计算，使水中的COD达到1000 mg/L，所需这3种物质分别为处理方式及在实际运行中遇到的情况：公司污水处理站采用物化处理+两级生化处理的方式去除水中的有机物。
而现阶段真正起到降低废水中COD，也就是分解有机物的阶段在好氧生化阶段，在此阶段通过好氧微生物的新陈代谢作用，将废水中的有机物作为自身繁殖的营养物质，而进行去除，去除效率可到达80%以上。
但是好氧生化阶段，在运行中也存在一定的条件，例如水温、氧气的供给、进水有机物的高低。
如果上面的控制指标超过了一定的范围，将会对好氧生化系统产生严重的影响。
其中就废水中有机物浓度含量超出好氧生化系统的耐受极限，超负荷冲击致使活性污泥微生物大量死亡，排放水就会超标。
系统设计的进水COD为100-2500mg/L，正常运行是的原水COD浓度通常在1000-1500 mg/L,最高也只能短时间处理2500-3000mg/l的有机废水原水，而某些时间段车间排放的废水浓度达到了4000mg/l以上或者更高。
2019年最新-西安交通大学微电子制造技术第六章硅片制造中的沾污控制-精选文档
去除那种污染。
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表面污染 嵌入的颗粒
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Figure 6.1 硅片污染
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污染的类型
沾污经常导致有缺陷的芯片，而致命缺陷又
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。
微芯片制造中特别容易静电释放，因为芯片
加工通常保持在较低的湿度(典型条件为40％±10 ％)中，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荷生成，但也会增 加浸湿带来的污染，因而这种方法并不实用。
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静电释放带来的问题
尽管ESD发生时转移的静电总量通常很小(钠库 伦级别)，然而放电的能量积累在芯片上很小的一个 区域内。发生在几钠秒内的静电释放能产生超过1A 的峰值电流，从而达到蒸发金属连线和穿透氧化层 ，成为栅氧化层击穿的原因。下图是带电硅片吸引 颗粒的一个例子。
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Photo 6.2 微粒引起的缺陷 电信学院 微电子学系 7
~90 mm 人体毛发的剖面
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
集成电路最小的特征尺寸 = 0.18 mm
接触孔
线 宽
间距
90 mm = 500 0.18 mm
较大集成电 路 的一小部分
Figure 6.3 人类头发与 0.18 mm颗粒的相对尺寸
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自然氧化层 硅片如果暴露在室温下的空气或者含
硅片沾污控制
HF／H2O气相清洗 紫外一臭氧清洗法（UVOC） H2／Ar等离子清洗 热清洗
等离子清洗有物理清洗和化学清洗（表面改性）两 种方式。前者称为PE方式，后者称为RIE方式。将 激发到等离子态的活性粒子与表面分子反应，而产 物分析进一步解析形成气相残余物而脱离表面。
在当前生产中应用的颗粒检测装置能检测到的最小 颗粒直径约为0.1微米。
二.金属沾污
来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺
化学品和传输管道及容器的反应。
量级：1010原子/cm2
Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti… Na, K, Li…
影响： 在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降 增加p-n结的漏电流，减少少数载流子的寿命
相对湿度（RH）很重要，因为它会助长侵蚀，例如 自然氧化层的生长。典型的RH设定为40％±10％。
多数静电释放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： 防静电的净化间材料
ESD接地
空气电离。
四．水
为了制造半导体，需要大量的高质量、超纯去离子水 （DI Water，De-ionized Water）。我们平时使用的
表6.3
பைடு நூலகம்
硅片湿法清洗化学品
现代芯片生产中硅片清洗工艺流程
化学溶剂
清洗温度
清除的污染物
1 H2SO4+H2O2(4:1) 120C,10min 有机物和金属
2 D.I. H2O
室温
洗清
3 NH4OH+H2O2+H2O 80C,10min 微尘 (1:1:5) (SC－1)
4 D.I. H2O
硅片表面污染及清洗机理
在半导体材料的制备过程中，每一道工序都涉及到清洗，而且清洗的好坏直接影响下一道工序，甚至影响器件的成品率和可靠性。
由于ULSI集成度的迅速提高和器件尺寸的减小，对于晶片表面沾污的要求更加严格，ULSI工艺要求在提供的衬底片上吸附物不多于500个/m20.12um，金属污染小于 1010atom/cm2。
晶片生产中每一道工序存在的潜在污染，都可导致缺陷的产生和器件的失效。
因此，硅片的清洗引起了专业人士的重视。
以前很多厂家都用手洗的方法，这种方法人为的因素较多，一方面容易产生碎片，经济效益下降，另一方面手洗的硅片表面洁净度差，污染严重，使下道工序化抛腐蚀过程中的合格率较低。
所以，硅片的清洗技术引起了人们的重视，找到一种简单有效的清洗方法是当务之急。
本文介绍了一种超声波清洗技术，其清洗硅片的效果显著，是一种值得推广的硅片清洗技术。
硅片表面污染的原因：晶片表面层原子因垂直切片方向的化学键被破坏而成为悬空键，形成表面附近的自由力场，尤其磨片是在铸铁磨盘上进行，所以铁离子的污染就更加严重。
同时，由于磨料中的金刚砂粒径较大，造成磨片后的硅片破损层较大，悬挂键数目增多，极易吸附各种杂质，如颗粒、有机杂质、无机杂质、金属离子、硅粉粉尘等，造成磨片后的硅片易发生变花、发蓝、发黑等现象，使磨片不合格。
硅片清洗的目的就是要除去各类污染物，清洗的洁净程度直接决定着ULSI向更高集成度、可靠性、成品率发展，这涉及到高净化的环境、水、化学试剂和相应的设备及配套工艺，难度越来越大，可见半导体行业中清洗工艺的重要性。
实验及结果分析 1.实验设备和试剂实验设备：TE-6000硅片清洗机实验使用的试剂：有机碱、Q325-B清洗剂、活性剂、去离子水、助磨剂 2.实验过程（1）超声波清洗的基本原理利用28KHz以上的电能，经超声波换能器转换成高频机械振荡而传入到清洗液中。
超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体流动，并不停地产生数以万计的微小气泡。
第5章 硅片制造中的沾污控制
污染的类型
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。这里将主要集中于芯片制造工序中引入 的各种类型的表面沾污。 沾污经常导致有缺陷的芯片，而致命缺陷又 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。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）
净化间的概念持续不断地被重新评估，主要是 因为更严格控制沾污的需要以及建设净化间需要的 巨大成本。在工作台所处的具体位置控制沾污，采 用微环境来加工硅片，已经引起越来越大的兴趣。 微环境是指在硅片和净化间环境不位于同一工 艺室时，通过一个屏蔽来隔离开它们所创造出来的 局部环境 ( 见图 6.25) 。这一概念也被称为硅片隔离 技术。微环境净化区域可以包括用来支撑硅片的片 架、硅片工艺室、装载通道和储藏区域。 微环境通常被控制到极端洁净的净化级别 (0.1mm 的0.1级)，而净化间本身可以是一个较高的 级别，如10级。
颗粒来源 静止 (sitting or standing) 移动手、臂、躯干、脖子和头 每小时步行 2 公里 每小时步行 3.5 公里 最洁净的皮肤 (per square foot)
Table 5.3
每分钟 > 0.3 mm 的平均颗粒数
100,000 500,000 5,000,000 7,500,000 10,000,000
HEPA filters
Minienvironment chamber Class 1 Process equipmen t SMIF load/unload interface Production Bay Class 1,000
SMIF pod (Class 1 or better)
半导体硅片制造中的沾污及控制
半导体硅片制造中的沾污及控制硅片加工中的简单活动，如开门关门或在工艺设备周围过度活动，都会产生颗粒沾污。
通常的人类活动，如谈话、咳嗽、打喷嚏，对半导体都是有害的。
从以上所列数据，可清楚地看到操作人员地衣着和行动对环境洁净度的影响，所以洁净区要限制人数，而且洁净区工作人员应注意以下事项。
⑴进入洁净区要先穿戴好专用净化工作服、鞋、帽。
⑵进入洁净区前要现在风淋室风淋后方可进入净化车间⑶每周洗工作服，不准用化妆品⑷与工作无关的纸张、书报不得带入车间⑸严禁再净化区做会造成粉末的活，工作中少走动⑹进入净化区的设备、试剂、气瓶等所有物品都要经过严格清洁方可进入⑺每天上班前清扫、擦拭设备，下班前清理好工作现场。
⑻定期检测洁净度，超标要停产整顿。
就在我们身边的异常硅片裸放在设备上记录本随处防置超净服为实现净化间内的超净环境，人员必须遵守某些程序，成为净化间的操作规程，还必须穿上净化服。
超净服由兜帽、连衣裤工作服、靴子、手套组成，完全包裹住了身体。
超净服系统的目标是满足一下职能标准：对身体产生的颗粒和浮质的总体控超净服系统颗粒零释放对ESD的零静电积累无化学和生物残余物的释放要求人员在进入净化间前必须穿戴好净化服方可进入净化间。
防护口罩是防止员工唾液中的颗粒沾污制造区域。
净化手套是防止汗渍沾污硅片造成离子沾污。
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应该做的不应该做的理由只有经过授权的人员方可进入净化间没有接受过净化间应知行为严格培训的人员不得入内，净化间的管理者具有最后的决定权经过授权的人员才熟悉超净室操作中严格且近乎苛求的规定只把必需物品带入净化间进制化妆品、香烟、手帕、卫生纸、食品、饮料、糖果、木制/自动铅笔或钢笔、香水、手表、珠宝、磁带播放机、电话、寻呼机、摄像机、录音机、梳子、纸板或非净化间允许的纸张、设计图、操作手册或指示图表等阻断不想要的沾污员进入在半导体期间中产生缺陷根据公司培训规定的方式着装进入不允许包裹不严的街头服装进入净化间确保超净服免受可能进入净化间的沾污始终确保所有的头部和面部头发被包裹起来不要曝露脸上和头上的头发头发是沾污源遵守进入净化间的程序，如风淋和鞋清洁器不要在所有程序完成之前开启任何一道通往净化间的门所有淋浴都可能有助于去除沾污，许多公司由于空气沾污原因已经停止使用这到程序在净化间中所有时间内都保持超净服的闭合不要把任何街头服装曝露于超净室内，不要让你的皮肤的任何部分接触超净服的外面部分不想要的沾污源缓慢移动不要群聚或者快速移动这会破坏气流模式空气过滤空气进入天花板内的特效颗粒过滤器，以层流模式流向地面，进入到空气再循环系统后与补给的空气一道返回空气过滤器系统。
第五章2硅片的清洗.
2）颗粒沾污：
• 颗粒能引起电路的开路或短路。 • 在半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗略法则是它的 尺寸必须小于最小器件特征尺寸的一半。
The relative size of the human hair is approximately 500 times the size of the smallest feature size on an integrated circuit. Minimum IC feature size = 0.18 mm ~90 mm 90 mm = 500 0.18 mm
RCA清洗原理
SC-1清洗原理： ⑴ 目的：主要是去除颗粒沾污（粒子）， 也能去除部分金属杂质。 ⑵ 去除颗粒的原理： 硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化 膜（约6nm，呈亲水性），该氧化膜又被 NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧 化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面 的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。
DI water Drain
排空清洗
Boat with wafers
Spray water in
Trap door
Fill water in
Drain
RCA清洗工序
A. Organic removal: 5 minutes in SC-1 solution of 4:1:1 DI:H2O2:NH4OH solution at 75 C to remove organics and particles. B. Cascade Rinse in DI water. C. Oxide removal: 30 seconds in DHF solution(for dilute hydrofluoric acid) of 50:1 DI:HF solution to remove oxide and metal contamination. D. Cascade Rinse in DI water. E. Metal removal: 5 minutes in SC-2 solution of 4:1:1 DI:H2O2:HCl solution at 75C to remove metals and for a clean thin oxide. F. Cascade Rinse in DI water. G. Blow dry with UHP grade nitrogen gas.
第五章 污染控制
经验告诉我们，微粒的大小要小于器件上最小 特征图形尺寸的1/10。（就是说直径为0.03微米的 微粒将会损坏0.3微米线宽大小的特征图形。）否则 会造成器件功能的致命伤害。
人类毛发的直径
1 微米
1 cm = 10 000 微米
1010
• 金属离子 无论是单晶制造还是工艺过程中人 为掺杂，在引入有用杂质的同时也不可避免地引 入一些其他有害的杂质，特别是金属杂质。并且 是以离子形式出现的而且是移动的。当这些移动 的离子超过一定数量时，同样会引起器件的失效。 因此，这些可移动的离子必须控制在一定范围内。 除此之外，钠也是最常见的可移动离子污染 物，而且移动性最强，因此，对钠的控制也成为 芯片生产的首要目标。 可移动污染物问题特别是对MOS器件影响更为 明显，因为MOS器件是表面电荷控制器件。
• 通常采用反渗透和离子交换系统去除水中的离 子。去除离子后的水通常称为去离子水。去离子 水在25℃时的电阻是18 000 000Ω ·cm，也就 是一般称为18MΩ 。图5.19显示了当水中含有大 量不同的溶解物质时的电阻值。 在VLSI制造中， 溶解固体 电阻 的容量 (ppm) (Ohms · cm 工艺水的目标是 25 û C) 18MΩ 。 18 000 000 0.0277 15 000 000 0.0333 水中的细菌是通 10 000 000 0.0500 过紫外线去除。 1 0地板 200% 200% 5000%
5.4.4 工艺用水 在晶园生产的整个过程中，要经过多次的化学 刻蚀与清洗，每步刻蚀与清洗后都要经过清水冲 洗。由于半导体器件非常容易受到污染，所以所 有工艺用水必须经过处理，达到非常严格洁净度 的要求。 普通城市用的水中包含大量洁净室不能接受的 污染物，主要有： 溶解的矿物 颗粒 菌 溶解氧 二氧化碳 有机物 普通水中的矿物来自盐分，盐分在水中分解为 离子。例如食盐会分解为钠离子和氯离子。每个 离子都是污染物。
半导体工艺及芯片制造复习资料简答题与答案
半导体工艺及芯片制造复习资料简答题与答案第一章、半导体产业介绍1 .什么叫集成电路？写出集成电路发展的五个时代及晶体管的数量？（15分）集成电路：将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能。
集成电路芯片/元件数 无集成1 小规模（SSI ）2到50 中规模（MSI ）50到5000 大规模（LSI ）5000到10万 超大规模（VLSI ） 10万至U100万 甚大规模（ULSI ） 大于100万 产业周期1960年前 20世纪60年代前期 20世纪60年代到70年代前期 20世纪70年代前期到后期 20世纪70年代后期到80年代后期 20世纪90年代后期到现在2 .写出IC 制造的5个步骤？（15分）Wafer preparation （硅片准备）Wafer fabrication （硅片制造）Wafer test/sort （硅片测试和拣选）Assembly and packaging （装配和封装）Final test （终测）3 .写出半导体产业发展方向？什么是摩尔定律？（15分）发展方向：提高芯片性能一提升速度（关键尺寸降低，集成度提高，研发采用新材料），降低功耗。
提高芯片可靠性一严格控制污染。
降低成本——线宽降低、晶片直径增加。
摩尔定律指：IC 的集成度将每隔一年翻一番。
1975年被修改为：IC 的集成度将每隔一年半翻一番。
4 .什么是特征尺寸CD ？ （10分）最小特征尺寸，称为关键尺寸（Critical Dimension, CD ） CD 常用于衡量工艺难易的标志。
5.什么是 More moore 定律和 More than Moore 定律？（10 分）“More Moore”指的是芯片特征尺寸的不断缩小。
从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和垂直方向上的特征尺寸的继续缩小。
与此关联的3D结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影响晶圆的电性能。
硅片制造中的沾污控制
1号标准清洗液（SC-1）
化学配料NH4OH/H2O2/H2O，按1:1:5到1:1:7配比配合。
能去除颗粒和有机物质。SC-1主要通过氧化颗粒或电学排
斥起作用。
颗粒在SC-1中 的氧化和溶解
颗粒通过负电 荷排斥而去除
2号标准清洗液（SC-2）
• 化学配料：HCL/H2O2/H2O，按1:1:6到1:2:8配比配合
硅片清洗设备
兆声清洗（megasonics clean）
兆声频段：800-1200kHz 优点：减少了所需化学品用量，提高了硅片清洗效率。
喷雾清洗
利用机械方法使硅片悬转，在旋转过程 中不断向硅片表面喷液体（高纯去离子 水或其他清洗液）达到清洗硅片的目的。
化学机械平 坦化后使用
刷洗器
水清洗：
溢流清洗器
有机物
金属(不含铜)
SC-1(APW)
SC-2(HPW）
氢氧化铵/过氧化氢/去离子
盐酸/过氧化氢/去离子水
NH4OH/H2O2/H2O
HCL/H2O2/H2O H2SO4/H2O2/H2O HF/H2O HF/H2O NH4F/HF/H2O
piranha（SPW） 硫酸/过氧化氢/去离子水 DHF 自然氧化层 DHF BHF 氢氟酸/水溶液（不能去除铜） 氢氟酸/水溶液（不能去除铜） 缓冲氢氟酸溶液
HF步骤：
清洗方法的最后一步将硅片表面暴露于氢氟酸（HF）， 以去除硅片表面的自然氧化层。
硅片清洗的一般顺序
典型的硅片湿法清洗顺序 清洗步骤 H2SO4/H2O2（piranha） UPW清洗（超纯水） HF/H2O（稀HF） UPW清洗 NH4OH/H2O2/H2O（SC-1） UPW清洗 HF/H2O UPW清洗 HCL/H2O2/H2O（SC-2） UPW清洗 HF/H2O UPW清洗 干燥 目的 有机物和金属 清洗 自然氧化层 清洗 颗粒 清洗 自然氧化层 清洗 金属 清洗 自然氧化层 清洗 干燥
半导体第五讲硅片清洗(4课时)
32
改良式RCA清洗程序
33
• RCA清洗常被用来作为CVD沉积前清洗和 不必去除自然氧化物的清洗工艺，若需去 除氧化层上的金属杂质则使用改良式RCA 清洗程序，将晶片短暂浸蚀在DHF中，刻 蚀氧化层的表层，以去除氧化层上的金属 杂质。
A式清洗程序
34
• A式清洗也是一种改良式的RCA清洗，与前 面清洗程序的差别为在SC1和SC2清洗之间 再加一个步骤:将晶片在SC1清洗后短暂浸 人DHF( 1%一5%HF),以去除自然氧化物及
的可靠性。
SPM清洗
43
• 在前面已经讨论硫酸清洗去除光刻胶及其清洗配
方。这里主要讨论PSG、BFSG或全面离子注入 (blanket implant)后的清洗。在磷硅玻璃或硼磷硅 玻璃沉积后，SPM清洗的主要目的是将玻璃沉积 后析出表面的磷玻璃及硼玻璃溶于硫酸，以消除 表面的磷斑点或硼斑点。因为磷、硼玻璃的吸水 性较强，沉积后的磷硅玻璃或硼磷硅玻璃放置在 空气中，硼斑点或磷斑点将吸收空气中的水气形 成磷酸或硼酸，使沉积后的晶片表面形成斑点的 污染源，其反应式如下:B2O3+3H2O→2H3BO3
1 2 3 4 粒子和硅片表面的电排斥
• 去除方法：SC-1, megasonic（超声清洗）
15
金属的玷污
➢ 来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺
❖量级：1010原子/cm2
Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti… Na, K, Li…
➢ 影响：
✓在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降
SiO2的成核 生长。
硅片背面高浓 度掺杂，淀积 多晶硅
本节课主要内容
净化的必要性
器件：少子寿命，VT改变，Ion Ioff，栅击穿电压，可靠性 电路：产率，电路性能
西安交通大学微电子制造技术第六章硅片制造中的沾污控制
Clean
颗粒数
工艺步骤数
Figure 6.21 硅片表面的颗粒数与工艺步骤数之间的函数关系
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微环境
净化间的概念持续不断地被重新评估，主要是 因为更严格控制沾污的需要以及建设净化间需要的 巨大成本。在工作台所处的具体位置控制沾污，采 用微环境来加工硅片，已经引起越来越大的兴趣。
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HEPA filters
Minienvironment chamber Class 1
微电子制造技术
Process equipmen
t
SMIF load/unload interface
Production Bay Class 1,000
SMIF pod (Class 1 or better)
0.1 mm
3.50 x 10 3.50 x 102
0.2 mm
7.70 7.50 x 10 7.50 x 102
颗粒/立方英尺 0.3 mm
3.00 3.00 x 10 3.00 x 102
0.5 mm
1.00 1.00 x 101 1.00 x 102 1.00 x 103 1.00 x 104
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硅片表面的颗粒密度代表了特定面积内的颗粒 数，颗粒密度越大，产生致命缺陷的机会就越大。 一道工序引入到硅片中超过某一关键尺寸的颗粒数 ，用术语可表示为每步每片上的颗粒数(PWP)。
颗粒的检测最简单的方法是通过显微镜观察， 先进的检查已经被激光束扫描硅片表面所取代。
Heavy Metals Iron (Fe)
Copper (Cu) Aluminum (Al) Chromium (Cr) Tungsten (W) Titanium (Ti)
西安交通大学微电子制造技术第六章硅片制造中的沾污控制
-- -- ----------------------------- -- -- --------------
-----------
微电子制造技术
Figure 6.7
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污染源与控制
硅片生产厂房的7种污染源为: 空气 人 厂房 水 工艺用的化学品 工艺用的气体 生产设备
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
10-7
10-6
微电子制造技术
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
10
毫米
Figure 6.2 颗粒的相对尺寸 电信学院 微电子学系 6
Micrograph courtesy of AMD, particle underneath photoresist pattern
有机物沾污 有机物沾污是指那些包含碳的物 质，几乎总是同碳自身及氢结合在一起，有时也 和其它元素结合在一起。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。为了避免有机物沾污，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。
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个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。
微环境是指在硅片和净化间环境不位于同一工 艺室时，通过一个屏蔽来隔离开它们所创造出来的 局部环境(见图6.25)。这一概念也被称为硅片隔离 技术。微环境净化区域可以包括用来支撑硅片的片 架、硅片工艺室、装载通道和储藏区域。
微环境通常被控制到极端洁净的净化级别 (0.1mm的0.1级)，而净化间本身可以是一个较高的 级别，如10级。
半导体硅片制造中的沾污及控制
一、引言
❖ 半导体器件极易受到多种沾污的损害，随 着半导体制造业的发展，颗粒污染对成品率 的影响越来越大，因此需要对生产过程中影 响成品率的颗粒污染进行有效控制。
氧化层沾污
沾污导致工艺异常
沾污经常导致有缺陷的芯片，致命的
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 的成品率损失，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和密度表征 的。
净化级别是指每立方英尺可以接
受的颗粒数。如下：
级别
0.1微米 0.2微米
0.3微米
0.5微米
5微米
1
35
7.7
3
1
10
350
75
30
10
100
750
300
100
1000
1000
7
10000
10 000
70
100000
操作人员本身
使周围尘埃增加 操作人员的运动 使周围尘埃增加
倍数
倍数
搅动衣服袖 1.5-3
无衣帽
10-50
正常呼吸
无
吸烟20分钟后 2－5
几个人聚集在一 1.5-3 起
正常步行
1.2-2
有衣帽
1.5-20
从口袋取手帕 3-10
喷嚏
5－20
摩擦手或皮肤 0-2
快步行走 平稳坐着
5－10 0-2
硅片加工中的简单活动，如开门关门或在工艺设 备周围过度活动，都会产生颗粒沾污。通常的人类活 动，如谈话、咳嗽、打喷嚏，对半导体都是有害的。
半导体工艺设备污染控制
半导体工艺设备污染控制摘要：半导体被称为制造业皇冠上的明珠，半导体产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一。
半导体设备的沾污的控制，直接影响到半导体前道制程的先进性，基于此方向，分享一下半导体设备沾污的来源及控制的方法。
关键词：半导体；硅片；沾污；集成电路；晶圆；缺陷；掩模板；1、引言一片硅片表面有多个微芯片，每个微芯片又有数以百万计的器件和互联线路，他们对沾污物都非常敏感。
一直以来，芯片的关键尺寸为适应更高性能和更高集成度的要求而缩小，控制晶圆表面沾污的需求变得越来越关键。
这些沾污的来源主要是由于空气和设备中存在的微粒、金属离子、化学物质、静电等，在半导体工艺制造的过程中，这些沾污会落到半导体晶片和掩模板上，不但影响器件关键尺寸的缩小，还会导致集成电路中的器件产生缺陷，影响器件工艺良率、器件性能以及可靠性，进而导致集成电路失效。
比如，尘埃粒子进入栅氧化层会增加其电导率，降低击穿电压，导致器件失效。
在光刻工艺领域，尤其是前道制程的光刻领域，如果尘埃粒子粘附在光掩模板表面，如同在掩模板上增加了不透光的图形，尘埃的形状和掩模板上的电路图形，会被一起转移到要被光刻的晶圆上，导致电路失效。
2、污染的种类半导体器件，尤其是高密度的集成电路，容易受到各种污染的损害，器件对污染的敏感度，取决于较小的特征图形尺寸和晶片表面沉积层的厚度。
在净化间内的污染大致可分为颗粒、金属离子、有机物沾污、自然氧化层以及静电释放。
颗粒污染，在半导体芯片的制造过程中，可以接收的颗粒尺寸的粗略计算法则是它必须小于最小器件特征尺寸的一半。
如果将颗粒细分，还可以分为粉尘、固态雾、烟、微生物、液态雾等。
其中粉尘来源广泛，大多是固态有机或无机物。
固态雾是固态物质经过熔融之后，在蒸发和凝结之后而形成的颗粒，与粉尘区别在于凝聚力强。
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学习目 标
1. 说明 5 种不同类型的净化间污染，并讨论与每种 污染相关的问题； 2. 列举净化间的 7 种沾污源，并描述每一种是怎样 影响硅片的洁净； 3. 解释并使用净化级别来表征净化间的空气质量； 4. 说明两种湿法清洗的化学原理，解释每一种分别 去除那种污染。
表面污染
嵌入的颗粒
Figure 5.1 硅片污染
净化间的概念持续不断地被重新评估，主要是 因为更严格控制沾污的需要以及建设净化间需要的 巨大成本。在工作台所处的具体位置控制沾污，采 用微环境来加工硅片，已经引起越来越大的兴趣。 微环境是指在硅片和净化间环境不位于同一工 艺室时，通过一个屏蔽来隔离开它们所创造出来的 局部环境 ( 见图 6.25) 。这一概念也被称为硅片隔离 技术。微环境净化区域可以包括用来支撑硅片的片 架、硅片工艺室、装载通道和储藏区域。 微环境通常被控制到极端洁净的净化级别 (0.1mm 的0.1级)，而净化间本身可以是一个较高的 级别，如10级。
硅上有源区
Figure 5.6
钨塞
氧化层隔离 接触
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 察。带过剩负电荷的原子被相邻的带正电荷的原子 吸引。这种由吸引产生的电流泄放电压可以高达几 万伏。 微芯片制造中特别容易静电释放，因为芯片 加工通常保持在较低的湿度(典型条件为40％±10 ％)中，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荷生成，但也会增 加浸湿带来的污染，因而这种方法并不实用。
通常采用反渗透和离子交换系统去除水 中的离子。去除离子后的水通常称为去离子水。 去离子水在 25℃时的电阻是 18 000 000Ω·cm， 也就是一般称为 18MΩ。在 VLSI 制造中，工艺 水的目标是 18MΩ。水中的细菌是通过紫外线 去除。超纯去离子水中不允许的沾污有：
溶解离子 有机材料 细菌 硅土
污染源与控制
硅片生产厂房地7种污染源为: 空气 人 厂房 水 工艺用的化学品 工艺用的气体 生产设备
Table 6.1
空
气
净化间最基本的概念是硅片加工厂空气中颗粒的 控制。我们通常所呼吸的空气是不能用于半导体 制造的，因为它包含了太多的漂浮沾污。这些微 小的浮质在空气中漂浮并停留很长时间，淀积在 硅片表面引起沾污并带来致命缺陷。 净化级别标定了净化间的空气质量级别，由净化 室空气中的颗粒尺寸和密度来表征。这一数字描 绘了要怎样控制颗粒以减小颗粒污染。 净化级别起源于美国联邦标准209，经过多次修改 形成了最终的209E版本。表6.2展示了不同净化级 别每立方英尺可以接受的颗粒数和颗粒尺寸。
Process Tool 硅片进入工艺设备前 的初始颗粒数. 硅片通过工艺设备侯 的，硅片表面的颗粒数
Figure 5.4 每硅片每通道看来数
金属杂质
硅片加工厂的污染也可能来 自金属化合物。危害半导体工艺的典型金 属杂质是减金属，它们在普通化学品和工 艺中都很常见(如下表所示)。
Heavy Metals Iron (Fe) Copper (Cu) Aluminum (Al) Chromium (Cr) Tungsten (W) Titanium (Ti) Alkali Metals Sodium (Na) Potassium (K) Lithium (Li)
90 mm = 500 0.18 mm 较大集成电 路 的一小部分
人体毛发的剖面
Figure 5.3 人类头发对 0.18 mm颗粒的相对尺寸
硅片表面的颗粒密度代表了特定面积内的颗粒 数，颗粒密度越大，产生致命缺陷的机会就越大。 一道工序引入到硅片中超过某一关键尺寸的颗粒数， 用术语可表示为每步每片上的颗粒数(PWP)。 颗粒的检测最简单的方法是通过显微镜观察， 先进的检查已经被激光束扫描硅片表面所取代。
静电释放带来的问题
尽管ESD发生时转移的静电总量通常很小(钠库 伦级别)，然而放电的能量积累在芯片上很小的一个 区域内。发生在几钠秒内的静电释放能产生超过 1A 的峰值电流，从而达到蒸发金属连线和穿透氧化层， 成为栅氧化层击穿的原因。下图是带电硅片吸引颗 粒的一个例子。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Figure 5.7
颗粒 溶解氧
离子颗粒
胶体 病毒
悬浮物
细菌
热原
胶状硅土 黏土、残渣
0.0001
泡沫
0.001
0.01
0.1
1
10
100
微米
Figure 5.14
水中的各种颗粒的相对尺寸
Clean Clean Clean 颗粒数 清洗
工艺步骤数
Figure 5.21 硅片表面的颗粒数与工艺步骤数之间的函数关系
微 环 境
HEPA filters
Minienvironment chamber Class 1 Process equipmen t SMIF load/unload interface Production Bay Class 1,000
SMIF pod (Class 1 or better)
硅片湿法清洗
Micrograph courtesy of AMD, particle underneath photoresist pattern
Photo 5.2 微粒引起的缺陷
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 集成电路最小的特征尺寸 = 0.18 mm ~90 mm
线 间距 接触孔 宽
Figure 5.5 可动离子沾污改变阈值电压
有机物沾污 有机物沾污是指那些包含碳的物 质，几乎总是同碳自身及氢结合在一起，有时也 和其它元素结合在一起。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。 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个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。
污染的类型
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。这里将主要集中于芯片制造工序中引入 的各种类型的表面沾污。 沾污经常导致有缺陷的芯片，而致命缺陷又 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。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）
第五章
硅片制造中的沾 污控制
引
言
随着器件关键尺寸越来越小，对沾污的控制要求变 的越来越严格。本章中将介绍硅片制造中各种类型 的沾污、它们的来源以及怎样有效控制沾污等内容， 以制造包含最小沾污诱生缺陷的高性能产品。 为了控制制造过程中不能接受的沾污，半导体产业 开发了净化间。净化间以超净空气把芯片制造与外 界的沾污环境隔离开来，包括化学品、人员和常规 的工作环境。 一个硅片表面有多少个芯片，每个芯片差不多有数 以百万计的器件和互联线路，它们对沾污非常敏感。 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，控制表面沾污变得越来越关键。
尽管整个工艺过程严格控制硅片的沾污，但 沾污总是不可避免的。一旦硅片表面被沾污，沾 污物就必须通过清洗而去除。 硅片清洗的目标是去除所有表面沾污：包括 颗粒、有机物、金属和自然氧化层。因为每一个 工艺步骤都会在硅片上造成沾污，所以通过清洗 去除新的沾污是非常必要的。 占统治地位的硅片清洗方法是湿法化学清洗， 尽管20世纪80年代出现了干法清洗，但它仍然没 有完全取代湿法清洗，湿法清洗正在改进以期获 得更有效的表面清洗。
美国联邦标准 209E中各净化间 级别 对空气漂浮颗粒的限制
颗粒/立方英尺 级别 1 10 100 1,000 10,000 100,000 0.1 mm
3.50 x 10 3.50 x 102
0.2 mm
7.70 7.50 x 10 7.50 x 102
0.3 mm
3.00 3.00 x 10 3.00 x 102
超净服
超净服系统的目标是 满足以下职能标准：
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； 对 ESD的零静电积累； 无化学和生物残余物的释 放。
Photo 5.3 穿超净服的技术人员
硅片制造厂中的水
在芯片生产整个过程中，要经过多次的化学 刻蚀与清洗，每步刻蚀与清洗后都要经过清水冲 洗。由于半导体器件非常容易受到污染，所以所 有工艺用水必须经过严格处理，达到非常严格洁 净度的要求。 普通城市用的水中包含大量洁净室不能接受 的污染物，主要有： 溶解的矿物 颗粒 细菌 溶解氧 二氧化碳 有机物 普通水中的矿物来自盐分，盐分在水中分解 为离子。例如食盐会分解为钠离子和氯离子。每 个离子都是污染物。
有机物
金属 (不含铜)
Table5.5
RCA清洗
RCA 清洗 ( 工业标准湿法清洗工艺，由美国无 线电公司“RCA”于20世纪60年代提出)由一系列有 序的浸入两种不同的化学溶液组成： 1号标准清洗液 (SC-1) 2号标准清洗液 (SC-2) SC-1清洗液是碱性溶液，通过氧化或电学排斥 起作用去除颗粒和有机物质。 SC-2清洗液用于去除硅片表面的金属，去除机 理是用高氧化能力和低 PH 值的溶液。在这种溶液 中金属成为离子并容于具有强氧化效应的酸液中。 清洗液就能从金属和有机沾污中俘获电子并氧化它 们。电离的金属溶于溶液中，而有机杂质被分解。