硅片沾污控制
第六章 硅片制造中的沾污控制.ppt(定稿版)
Michael Quirk & Julian Serda©October 2001 by Prentice HallSemiconductorManufacturing TechnologyMichael Quirk & Julian Serda ©October 2001 by Prentice Hall Chapter 6Contamination Controlin Wafer Fabs目标通过本章的学习，你将能够：1.说明并描述5种不同类型的净化间沾污，并讨论与每种沾污相关的问题。
2.列举净化间的7种沾污源，并描述每一种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空气质量。
4.说明并讨论员工按照合理规程进入净化间的7个正确步骤。
5.描述净化间设备的各个方面，包括空气过滤、静电释放、超纯去离子水和工艺气体等。
6.解释现代工业区设计和微环境怎样有助于沾污控制。
7.说明两种湿法清洗的化学原理，解释每一种分别去除哪种沾污，并讨论湿法清洗的改进和选择余地。
8.描述不同的湿法清洗设备，说明每种清洗工艺怎样有助于硅片的洁净。
Wafer FabCleanroom 硅片制造净化间在近半个世纪前半导体制造刚开始的时候，控制沾污的需要很明显。
早期净化间基于局部净化区域建成，包括操作员穿戴工作服和手套并使用洁净的工作台。
20世纪60年代高效颗粒空气过滤器（HEPA ）的引入是向着硅片制造中大量减少颗粒迈出的第一步。
HEPA 过滤器向工作台输送洁净空气，有效去除了产品中的颗粒。
现代半导体制造是在被成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，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。
6.2 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。
第4章 半导体制造中的沾污控制
10-7
10-6
10-5
10-4 毫米
10-3
10-2
1பைடு நூலகம்-1
1
10
半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗 略法则是它必须小于最小器件特征尺寸的 一半。 一道工序引入到硅片中超过某一关键尺寸 的颗粒数，用术语表征为每步每片上的颗 粒数（PWP）。
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。
五.
工艺用化学品
无论是液态化学品还是气体化学品，都 必须不含沾污。然而，处理和传送系统有可 能引入杂质，所以在靠近使用现场安置过滤 器。 过滤效率是指停留在过滤器中特定尺寸 以上的颗粒的百分比。对于 ULSI 工艺中使用 的液体过滤器，对于 0.2 微米以上颗粒的典型 效率为99.9999999%。
湿法清洗概况
占统治地位的硅片表面清洗方法是湿化学 法。 工业标准湿法清洗工艺称为RCA清洗工 艺。用在湿法清洗中的典型化学品以及它 们去除的沾污列于表4.3。
RCA工艺是由美国无线电公司（RCA）于20 世纪六十年代提出的，首次采用是在1970年。 RCA湿法清洗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）
净化间人员主要操作规程：
经过风淋和鞋清洁器
只把必需物品带入净化间
缓慢移动 保持所有的头部和面部以及 头发包裹。 保持超净服闭合。
工艺线直击——净化间
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美的设计，同时 尽可能减少通过设备、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。
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
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。
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
电信学院 微电子学系 15
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。
第十一章硅片制造中的沾污控制详解演示文稿
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
微电子10-si片制造中的污染控制
工作台设计
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减少净化间 需要的巨大成本。在工作台所处的具体位臵控制沾 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）。这一概念也被称为硅片隔离技术。 微环境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。
工作台设计
工艺用化学品
为保证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。 过滤器应该安臵在适当的地方，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。
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）。
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。
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
第四章 IC制造中的沾污控制
第四章IC制造中的沾污控制一个硅片表面具有多个芯片，每个芯片有差不多数以百万计的器件和互连线路，它们对沾污都非常敏感。
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。
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。
净化间本质上是一个净化过的空间，它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。
4.1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芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。
沾污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。
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。
一. 颗粒颗粒是能粘附在硅片表面的小物体。
在半导体制造过程中，颗粒能引起电路开路或短路。
它们能在相邻导体间引起短路。
颗粒还可以是后续各节讨论的其他类型沾污的来源。
半导体制造中，可以接受的颗粒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0.18微米的特征尺寸不能接触0.09微米以上尺寸的颗粒。
为了有个感性认识，人类头发的直径约为90微米，0.09微米的尺寸则比人类头发尺寸小1000倍之多。
硅片表面的颗粒密度代表了特定面积内的颗粒数。
更高的颗粒密度产生致命缺陷的机会也更大。
颗粒检测已经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。
二. 金属杂质危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属，即周期表中的IA族元素，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。
金属在所有用于硅片加工的材料中都要严格控制。
表4.1列出了一些典型的金属杂质元素。
金属来自于化学溶液或者半导体制造中的各种工序。
另一种金属沾污的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上。
第一种途径，金属通过金属离子与位于硅片表面的氢离子的电荷交换而被束缚在硅表面。
第三章硅片制造过程中沾污控制
10/04
器件制造工艺
▪自然氧化层
自然氧化层：如果暴露于室温下的空气或含溶解氧的去离子水中， 硅片的表面将被氧化，这一薄氧化层成为自然氧化层。天然氧化层 的厚度随暴露时间的增长而增加。
自然氧化层带来的问题：
（1）自然氧化层将妨碍其它工艺步骤，如硅片上单晶薄膜的生长和 超薄栅氧化层的生长。
（2）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。
10/04
器件制造工艺
3.4沾污的源与控制
硅片生产厂房的7种沾污源： ✓空气 ✓人 ✓厂房 ✓水 ✓工艺用化学品、工艺气体 ✓生产设备
10/04
器件制造工艺
▪空气
净化级别：标定了净化间的空气质量级别，是由净化室空气中颗粒 尺寸和密度表征的。
美国联邦标准209E中各级净化间级别对空气漂浮颗粒的限制（表 中数值为不同净化间净化级别每立方英尺可以接受的颗粒数和颗 粒尺寸）
10/04
器件制造工艺
▪工艺用化学品、工艺气体
为保证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——指容器中特定化学物的 百分比。
对于ULSI时代的半导体制造，超纯气体的传输和使用是很关键的。 然而，处理和传送系统有可能引入杂质反过来影响半导体器件的 成品率。气体流经提纯器和气体过滤器以去除杂质和颗粒。
✓初级过滤器：通常采用具有一定孔径的栅网状结构的物质和尼龙纤维 毡等作为过滤材料。
✓中级过滤器：采用泡沫塑料，不同孔径、不同厚度的泡沫塑料可获得 不同的过滤效果。
✓高级过滤器：不仅要达到过滤的目的，而且要产生均匀的层流，过滤 材料通常做成纸片状，过滤纸材料有：玻璃纤维、石棉和纤维素。
初级过滤器一般安装在洁净室回风口，新风入口处，中级过滤器目的可 延长高效过滤器的使用寿命。
第四章 半导体制造中的化学品,沾污控制和硅片清洗
f 自然氧化层：
g 静电释放:
h:人员产生的污染
（1）洁净室工作人员是最大的污染源之一。即使一 个经过风淋的洁净室操作员，当他坐着时，每分钟也 可释放十万到一百万个颗粒。 （2）人类的呼吸也包含着大量的污染，每次呼气向 空气中排出大量的水汽和微粒。而一个吸烟者的呼吸 在吸烟后在很长时间里仍能带有上百万的微粒。 （3）而体液，例如含钠的唾液也是半导体器件的主 要杀手。
超级净化空气
风淋吹扫、防护服、面罩、 手套等，机器手/人
超纯化学品 去离子水
特殊设计及材料 定期清洗
各种可能落在芯片表面的颗粒
b 金属离子
➢ 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…
➢ 影响：
Na, K, Li…
✓在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降
0.5um
一般城市的空气中通常包含烟、雾、气。每立方英 尺有多达五百万个颗粒，所以是五百万级。
因为 209E 以 0.5 微米的颗 粒定义洁净度，而成功的晶 圆加工工艺要求更严格的控 制，所以工程技术人员工程 师们致力于减少10级和1级环 境中0.3 微米颗粒的数量。 Semetech/Jessi 建议： 64 兆内存加工车间为 0.1 级， 256 兆内存为 0.01 级。
70～80C, 10min
碱性（pH值>7）
✓可以氧化有机膜 ✓和金属形成络合物 ✓NH4OH对硅有腐蚀作用 ✓缓慢溶解原始氧化层，并再氧化——可以去除颗粒
硅表面与粒子间的相互作用力：范德华力和电偶层相互作用力 硅的表面电位为负 大部分离子在碱性条件下为负 同极性：粒子必须越过位垒才能向表面附着
硅片制造中的沾污控制
2 硅片制造中的沾污控制 2
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
Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices
硅片制造中的沾污控制
2021/4/6
现代半导体器件物理与工艺
1
硅片制造中的沾污控制 1
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。
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
2021/4/6
现代半导体器件物理与工艺
27 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
2021/4/6
现代半导体器件物理与工艺
28 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
2021/4/6
现代半导体器件物理与工艺
硅片制造中的沾污控制
一、硅片清洗的重要性二、硅片沾污类型三、硅片清洗四、硅片沾污的源与控制大规模集成电路的发展，对硅片的质量要求提高在硅晶体管和集成电路的生产中，几乎每道工序都涉及硅片清洗。
硅片清洗是半导体器件制造中最重要最频繁的步骤其效率将直接影响到器件的成品率、性能和可靠性所以国内外对清洗工艺的研究一直在不断地进行。
常见的清洗工艺有：湿法化学清洗、超声清洗法、兆声清洗法、鼓泡清洗法、擦洗法、高压喷射法、离心喷射法、RCA 标准清洗、等离子体清洗等。
在硅片加工及器件制造过程中所有与硅片接触的外部媒介都是硅片沾污杂质的可能来源。
这主要包括以下几方面: 硅片加工成型过程中的污染环境污染水造成的污染试剂带来的污染工业气体造成的污染工艺本身造成的污染?颂逶斐傻奈廴镜取?硅片表面沾污杂质的分类分类依据沾污类别沾污杂质的形态微粒型沾污、膜层污染质吸附力的存在形态物理吸附型污染质、化学吸附型杂质被吸附物质的存在形态分子型、原子型、离子型吸附杂质物化性质有机沾污、无机盐、金属离子（原子）和机械微粒颗粒：引起电路开路或短路。
半导体制造中，可接受的颗粒尺寸的粗略法则是它必须小于器件特征尺寸的一半。
金属杂质：导致器件成品率下降。
典型金属杂质是碱金属。
主要来源是离子注入和化学品与传输管道/容器的反应。
钠是最普遍的可动离子沾污，人是主要的传送者。
有机物沾污：使硅片表面清洗不彻底，降低栅氧层的致密性自然氧化层：暴露于室温下空气中或含溶解氧的去离子水中硅片表面将被氧化。
自然氧化层的存在将增加接触电阻，还将阻碍其它工艺步骤如硅片上单晶薄膜、超薄栅氧化层生长的进行。
静电释放：两种不同静电势的材料接触或摩擦会产生静电释放。
静电释放可能成为栅氧层击穿的诱因；其次电荷积累产生电场会吸引带点颗粒或极化并吸引中性颗粒到硅片。
具体的沾污类型沾污名称化学配料描述（所有清洗后伴随去离子水清洗）分子式颗粒piranha（SPW）硫酸/过氧化氢/去离子水H 2 SO 4 /H 2 O 2 /H 2 O SC-1APW 氢氧化铵/过氧化氢/去离子水NH 4 OH/H 2 O 2 /H 2 O 有机物SC-1APW 氢氧化铵/过氧化氢/去离子NH 4 OH/H 2 O 2 /H 2 O 金属不含铜SC-2HPW）盐酸/过氧化氢/去离子水HCL/H 2 O 2 /H 2 O piranha（SPW）硫酸/过氧化氢/去离子水H 2 SO 4 /H 2 O 2 /H 2 O DHF 氢氟酸/水溶液（不能去除铜）HF/H 2 O 自然氧化层DHF 氢氟酸/水溶液（不能去除铜）HF/H2O BHF 缓冲氢氟酸溶液NH 4 F/HF/H 2 O 硅片湿法清洗化学品目标去除所有的表面沾污：颗粒、有机物、金属和自然氧化层1号标准清洗液（SC-1）化学配料NH 4 OH/H 2 O 2 /H 2 O，按1:1:5到1:1:7配比配合。
硅片制造中的沾污控制(1)
•静电消耗性的净化间材料 •ESD接地 •空气电离
桂林电子2科02技1大/学4/6
现代半导体器件物理与工艺
27 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。
桂林电子2科02技1大/学4/6
现代半导体器件物理与工艺
17 硅片制造中的沾污控制 17
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。
桂林电子2科02技1大/学4/6
现代半导体器件物理与工艺
18 硅片制造中的沾污控制 18
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。
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。
桂林电子2科02技1大/学4/6
现代半导体器件物理与工艺
12 硅片制造中的沾污控制 12
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）。
桂林电子2科02技1大/学4/6
现代半导体器件物理与工艺
8 硅片制造中的沾污控制 8
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。
硅片制造中的沾污控制幻灯片PPT
硅片制造中的沾污控制 7
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
硅片制造中的沾污控制 34
工作台设计
穿壁式装置 在这种处理中，设备的主要部分位于生产区后面的服务夹层 中（见图）。只有用户界面操作平台和硅片架位于生产线内。这种配置 隔离开了设备与夹层中的服务区，这是一种低级别沾污的典型。
现代半导体器件物理与工艺
硅片制造中的沾污控制 8
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
硅片制造中的沾污控制 13
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。
•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
硅片制造中的沾污控制 26
水
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
清洗温度
120C,10min
清除的污染物
H2SO4+H2O2(4:1) D.I. H2O NH4OH+H2O2+H2O (1:1:5) (SC－1) D.I. H2O
6.4 RCA湿法清洗的替代方案
现在已经研究出几种可以取代RCA清洗 的清洗技术,像等离子体干法清洗、使用螯合 剂、臭氧、低温喷雾清洗等,但在工业生产上
还未大量应用。
干法清洗工艺
气相化学，通常需激活能在低温下加强化学反应。 所需加入的能量，可以来自于等离子体，离子束， 短波长辐射和加热，这些能量用以清洁表面，但必 须避免对硅片的损伤
法清洗中的典型化学品以及它们去除的沾污列于表6.3。
RCA工艺是由美国无线电公司（RCA）于20世纪 六十年代提出的，首次采用是在1970年。
RCA湿法清洗由一系列有序的，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）
RCA——标准清洗
SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：
五.工艺用化学品
无论是液态化学品还是气体化学品，都必须不含 沾污。然而，处理和传送系统有可能引入杂质，所 以在靠近使用现场安置过滤器。 过滤效率是指停留在过滤器中特定尺寸以上的颗 粒的百分比。对于ULSI（超大规模集成电路）工艺 中使用的液体过滤器，对于 0.2微米以上颗粒的典 型效率为99.9999999%。
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。 目前等离子体技术已经用来除去有机光刻胶（灰化） 和有机物沾污，是替代湿法化学方法的一种绿色手 段，是被人们十分关注的根本治理污染的技术。
HCl+H2O2+H2O (1:1:6) (SC－2) D.I. H2O HF+H2O (1:50) D.I. H2O
有机物和金属 洗清 微尘
洗清 金属 洗清 氧化层 洗清
室温 80C,10min
室温 80C,10min 室温 室温 室温
干燥
清洗容器和载体
SC1/SPM/SC2 – 石英（ Quartz ）或 Teflon容器
静电释放导致金属导线蒸发，氧化层击穿。（总电
量小，但是区域集中，放电时间短，导致高电流）
电荷积累吸引，带电颗粒或其他中性颗粒，会引起
后续沾污。
半导体器件制造厂房存在7种沾污源：空气、 人、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体和生产设 备。
一.
空气
净化间最基本的概念是：对硅片工厂空气中的 颗粒控制。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。
洗刷器
水清洗＋干燥 •溢流清洗 •排空清洗 •喷射清洗 •加热去离子水清洗
•旋转式甩干 •IPA异丙醇蒸气干燥
缺点：单片操作，效率 低，难以实现批处理。
硅片甩干：硅片对水的响应程度称为它的可湿
性。水可浸润亲水性的洁净硅片上，而在疏水性 表面上因为表面张力收缩为水珠，即反浸润。这 样的水珠在干燥后会在硅片表面形成斑点。 经过氢氟酸腐蚀的无氧化物表面由于氢终结了表 面原子层因而是疏水性的。必须彻底干燥硅片表 面。 旋转式甩干机：难以除去孔穴中的水分；高速旋 转引起电荷积累吸引颗粒 异丙醇蒸气干燥：IPA的纯度级别必须加以控制
沾污的类型 沾污的来源与控制 硅片的湿法清洗介绍 干法清洗方案介绍
沾污（Contamination）是指半导体制造
过程中引入半导体硅片的，任何危害芯片成品 率及电学性能的，不希望有的物质。 沾污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。
三道防线:
1. 净化间（clean room） 2. 硅片清洗（wafer cleaning） 3. 吸杂（gettering）
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
金属杂质沉淀到硅表面的机理
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）
一.颗粒沾污
颗粒：所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。 后果：电路开路或短路，薄膜针眼或开裂，引起后续沾污。
颗粒来源： 空气 人体 设备 化学品 超级净化空气 风淋吹扫、无尘服、面罩、 手套等 特殊设计及材料 定期清洗 超纯化学品 ，去离子水
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 来自于自来水厂的生活用水含有大量的沾污而不能用于 硅片生产。经过处理之后，DI Water中不允许有的沾污 是：溶解离子、有机材料、颗粒、细菌、硅土和溶解氧。 同时在25℃下， DI Water的电阻率要达到 18MΩcm（兆欧· 厘米）。
各种可能落在芯片表面的颗粒
半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗略法则是 它必须小于最小器件特征尺寸的一半。 一道工序，引入到硅片中，超过某一关键尺寸的颗 粒数，用术语表征为：每步每片上的颗粒数 （PWP）。 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
对硅片加工设备温度和湿度的设定有着特别的规定。 一个1级0.3μm的净化间温度控制的例子是23±0.5摄 氏度。
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
静电释放（ ESD ）也是一种污染形式，因为它是 静电，从一个物体向另一个物体，未经控制的转移， 可能会损坏芯片。
ESD 产生于，两种不同静电势材料的接触或摩 擦。
半导体制造中，硅片加工保持在较低的湿度中， 典型条件为 40 ％±10 ％的相对湿度（ RH ， Relative Humidity）。增加相对湿度可以减少带电体的电阻率， 有助于静电荷的释放，但同时也会，增加侵蚀带来的 沾污。
硅片表面在经受工艺之前必须是洁净的。一旦硅片 表面被沾污,沾污物必须通过清洗而排除。硅片清 洗的目标是去除所有表面沾污:颗粒、有机物、金 属和自然氧化层。在当今ULSI制造工艺中，据估计
单个硅片的表面要湿法清洗上百次。
占统治地位的硅片表面清洗方法是湿化学法。
工业标准湿法清洗工艺称为RCA清洗工艺。用在湿
空气进入到天花板内的特效颗粒过滤器，以层 流的模式流向地面，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系统。在现代工艺 线上，空气每6秒可以周转1次。 特效颗粒过滤器： 高效颗粒空气过滤器（HEPA）：用玻璃纤维制成， 产生层状气流。 超低渗透率空气过滤器（ULPA）：指那些具有 99.9995%或更高效率过滤直径超过0.12 μ m颗 粒的过滤器。
（1）微粗糙度（RMS）； （2）自然氧化物清除率； （3）金属沾污、表面颗粒度以及有机物沾污； （4）芯片的破损率； （5）清洗中的再沾污； （6）对环境的污染； （7）经济的可接受性（包括设备与运行成本、 清洗效 率）等。
湿法清洗的问题
颗粒的产生 较难干燥 价格
化学废物的处理
和先进集成工艺的不相容
通过金属离子和硅表面终端的氢原子之间的电荷 交换，和硅结合。（难以去除） 氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入
去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子 M