硅片沾污控制ppt课件

颗。粒来源： ✓空气
超级净化空气
✓人体 ✓设备 ✓化学品
风淋吹扫、无尘服、面罩 、手套等
超纯化学品 ，去离子水
特殊设计及材料 定期清洗
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各种可能落在芯片表面的颗粒
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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）。
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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）
电荷积累吸引，带电颗粒或其他中性颗粒，会引起 后续沾污。
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6.2 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。
✓硅片的载体 – 只能用Teflon 或石英片架（不能用于HF 清洗中）
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兆声清洗
兆声清洗
常见清洗设备
喷雾清洗
喷雾清洗
优点：可批处理进行清洗；节省清洗液用 量。
缺点：可能造成清洗损伤。
优点：持续供给新鲜清洗液，高速 冲击的液滴和硅片旋转可保证有效 清洗。
缺点：清洗不均匀，中心旋转为 零。
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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 18MΩ-cm（兆 欧·厘米）。
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表6.3
硅片湿法清洗化学品
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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
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➢ 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
M 氧化
Mz+ + z e-
还原
➢ 去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂）
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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。
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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）
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RCA——标准清洗
SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：
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6.3 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。
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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。 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 6.3。
NH4OH(28%):H2O2(30%):DI=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
OH－
OH－
OH－
OH－ OH－
OH－
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SC-2:
HCl(73%):H2O2(30%):DI=1:1:6~1:2:8
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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%。
第六章 硅片沾污控制
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本章内容
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
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6.1 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。
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。
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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。
馈信息及维护清洁。
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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。
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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。
70～80C, 10min
酸性（pH值<7）
✓可以将碱金属离子及Al3＋、Fe3＋和Mg2＋与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。
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硅片清洗技术评价的主要指标
（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。
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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
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。
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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
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。
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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
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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
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。
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三. 有机物的沾污
➢ 导致的问题: 栅氧化层密度降低;
引起后续沾污
清洁不彻底,容易
➢ 来源：
• 环境中的有机蒸汽, 如清洁剂和溶剂
• 存储容器
• 光刻胶的残留物
➢ 去除方法：强氧化
－ 臭氧干法
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三道防线:
1. 净化间（clean room） 2. 硅片清洗（wafer cleaning） 3. 吸杂（gettering）
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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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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
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。
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。
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净化级别，标定了净化间的空气质量的 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
近些年来业内已经开始使用0.1级，这时颗粒尺寸缩小到0.02~0.03µm。
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六.生产设备
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 至下一工作台。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。
室温
洗清
5 HCl+H2O2+H2O (1:1:6) (SC－2)
80C,10min 金属
6 D.I. H2O
室温
洗清
7 HF+H2O (1:50)
室温
氧化层
8 D.I. H2O
室温
洗清
9
干燥
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清洗容器和载体
✓SC1/SPM/SC2 – 石英（ Quartz ）或 Teflon容器
✓HF – 优先使用Teflon，其他无色塑料容器。
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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。
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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％。
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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。
－ Piranha：H2SO4-H2O2 （7:3
）
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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）
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五. 静电释放
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。
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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。
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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静电释放的零静电积累； 4）无化学和生物残余物的释放。