第4章-半导体制造中的沾污控制

M
Mz+ + z e-
还原
➢ 去Байду номын сангаас溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂）
Cu+e Si
Cu2-+2e
电负性 CuSi++e
Cu
作业2 反 应 优 先 向 左
金属离子在半导体材料中是高度活动性的，被称 为可动离子沾污（MIC）。当MIC引入到硅片中时， 在整个硅片中移动，严重损害器件电学性能和长期可 靠性。 对于MIC沾污,能迁移到栅结构中的氧化硅界面， 改变开启晶体管所需的阈值电压。
二.金属沾污
➢ 来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺
化学品和传输官道及容器的反应。例如，CO。
❖量级：1010原子/cm2 ➢ 影响：
Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti… Na, K, Li…
✓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
不同工艺过程引入的金属污染
雷诺实验装置
流体流动形态示意图
空气过滤
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。
接触孔底部的自然氧化层在钨和掺杂硅区 域引起差的电接触
层间介质
层间介质
在钨淀积前，自然氧化层 生长在接触孔
硅上有源区
钨塞
氧化层隔离接触
五. 静电释放
静电释放（ESD）也是一种形式的污染，因为 它是静电和从一个物体向另一个物体未经控制的转 移，可能损坏芯片。
ESD产生于两种不同静电势的材料接触或摩擦。
第四章 沾污控制与净化技术
本章内容
沾污的类型，来源，后果，去除方法 硅片清洗，方案，流程，评估要点。 先进的干法清洗方案介绍
4.1 沾污的类型
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。
气流原理
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。
对于流体流动状态的描述——
雷诺数
Re UL
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。
✓可以将碱金属离子及Al3＋、Fe3＋和Mg2＋在SC-1溶 液中形成的不溶的氢氧化物反应成溶于水的络合物 ✓可以进一步去除残留的重金属污染（如Au）
RCA与超声波振动共同作用，可以有更好的去颗粒作用 20～50kHz 或 1MHz左右。
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。
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、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
颗粒的相对尺寸
原子 物质的单分子
雾 薄烟
云层颗粒 大气灰尘
雾颗粒 沙
灰尘
鹅卵石
G
1
vth Nt
＝10－15 cm2，vth=107 cm/s 若要求G＝100 ms，则Nt1012 cm-3
=0.02 ppb !!
三. 有机物的玷污
➢ 导致的问题: 栅氧化层密度降低; 清洁不彻底,容易引起后续沾污
➢ 来源： • 环境中的有机蒸汽, 清洁剂和溶剂 • 存储容器 • 光刻胶的残留物
离子注入 干法刻蚀 去胶 水汽氧化
9
Fe Ni Cu
10
11
12
13
Log (concentration/cm2)
➢ 金属杂质沉淀到硅表面的机理
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
氧化
排气除尘
高效过滤
超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜： 过滤大颗粒， 静电吸附小 泵 颗粒 循 环 系 统
20～22C 40～46％RH
空气循环系统设备
温度和湿度
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68±0.5℉。 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％。
+Vd D
N+
P- 硅衬底
无关杂质的危害性
例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响
作业1
Vth VFB 2 f
2 sqNA (2 f ) qQM
Cox
Cox
当tox＝10 nm，QM＝6.5×1011 cm-2（10 ppm)时，DVth＝0.1 V
例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
10
毫米
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。
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。
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）这种条件容易使较高级别的静电荷生成 。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。
静电释放带来的问题
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）
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。
可动粒子沾污引起的阀值电压改变
离子沾污改变晶体管的电学特性
+++ +++++
Polysilicon
++++++
Gate oxide +
+
电子导电 -Vs
S
N+
+Vg G
+++ +++ +++ +++ +++ +++
硅片生产厂净化室
Photograph courtesy of Advanced Micro Devices, main fab corridor
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。
表6.2 美国联邦标准209E中各净化间级别对空气漂浮颗粒的限制
近来已经开始使用0.1级，这时颗粒尺寸缩小到0.02~0.03µm。
RCA clean is
OH－
OH－
OH－
OH－ OH－
OH－
“standard process” used to remove organics,
heavy metals and
alkali ions.
SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8 70～80C, 10min 酸性（pH值<7）
二. 人
人员持续不断地进出净化间，是净化间沾污的 最大来源。
现代超净服是高技术膜纺织品或密织的聚酯 织物。先进的材料对于0.1微米及更大尺寸 的颗粒具有99.999%的效率级别。
超净服的系统目标：
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的零静电积累； 4）无化学和生物残余物的释放。
RCA——标准清洗
SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：
NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7
70～80C, 10min
碱性（pH值>7）
✓可以氧化有机膜
✓和金属形成络合物
✓缓慢溶解原始氧化层，并再氧化——可以去除颗粒
✓NH4OH对硅有腐蚀作用
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%。
六. 生产设备
现代IC fabs依赖三道防线来控制沾污
三道防线:
1. 净化间（clean room） 2. 硅片清洗（wafer cleaning） 3. 吸杂（gettering）
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）
颗粒：所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。
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）
用来制造半导体硅片的生产设备是硅片工 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。这就需要特殊 的设计考虑以避免沾污。有用输送带系统和升 降机来传送硅片、用封闭洁净的片架装硅片、 建立一个微环境来加工硅片等等。
图4.3 放置硅片的lot盒
➢ 去除方法：强氧化
－ 臭氧干法 － Piranha：H2SO4-H2O2 － 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）
工艺线直击——硅片传输系统
4.3 硅片湿法清洗
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。
4.3.1 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。
表4.3
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
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
室温
洗清
5 HCl+H2O2+H2O (1:1:6) (SC－2)
电荷积累吸引带电颗粒或其他中性颗粒， 引起后续沾污。
4.2 沾污的源与控制
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。
静电释放
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 的 电 阻 率 要 达 到 18MΩ-cm。一个水净化系统见图4.1。