段辉高-3-芯片制造中沾污控制

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。
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沾污种类-金属杂质
Intel Sandy Bridge 2C (GT1)
32 nm
2
Intel Sandy Bridge 2C (GT2)
32 nm
2
504M 624M
131 mm2 149 mm6 2
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为什么要实行沾污控制？
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亿计的器件和互 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。
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沾污的影响
器件工艺良品率 器件性能 器件可靠性
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沾污的类型
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）
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沾污的类型-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。
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PM2.5
15
PM2.5
颗粒带来的问题有引 起电路开路或短路如 图的短路。
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沾污种类-自然氧化层
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）。
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本章主要内容
• 沾污的类型 • 沾污源的控制（环境与管理） • 沾污源的去除（清洗） • 沾污的测量与检查
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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。
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。 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。
32 nm
6
Intel Sandy Bridge E (4C)
32 nm
4
Intel Sandy Bridge 4C
32 nm
4
1.4B 2.27B 1.27B 1.16B
160 mm2 435 mm2 294 mm2 216 mm2
Intel Lynnfield 4C
mm2
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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。
第四章 芯片制造中的沾污控制
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为这 什是 么谁 穿？ 成 这 样 ？
2
3
本章的学习目标
• 理解为什么要控制沾污？ • 学习如何控制沾污？ • 学习如何发现沾污。
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硅片制造的极端要求
• 硅片的纯度（>99.99999%） • 硅片的关键尺寸（< 20 nm） • 晶体管的数目（>1010个） • 硅片的工艺步骤（>100，0.99100=0.36）
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沾污种类-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。
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沾污种类-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。
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几类典型CPU特征比较
CPU
Manufacturing Process
Cores
Transistor Count
AMD Bulldozer 8C
32 nm
8
1.2B
Die Size 315 mm2
Intel Ivy Bridge 4C
22 nm
4
Intel Sandy Bridge E (6C)
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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，32nm的特征尺寸不能接触16nm以 上尺寸的颗粒。
90 um
人的头发丝是目前CPU关键尺寸 的4500倍。
90 um/20 nm = 4500
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沾污种类-金属杂质