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现代半导体器件物理与工艺
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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。
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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。
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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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。
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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，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。
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。
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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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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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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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颗粒带来的问题有引起电路开路或短路如图的短路。
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。
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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。