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。这些典型的金属杂质很难消除。第二种途径，当表面氧化时金属杂质分布于氧化层内。在氧化层中的金属杂质只有通过去除硅片表面的氧化层来去除。

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。未经处理过的化学品中的钠是典型的、最为普遍的MIC之一，人充当了它的运送者。人体以液态形式包含了高浓度的钠（例如唾液、眼泪、汗液等）。钠沾污在硅片加工中被严格控制。

金属杂质导致了半导体制造中器件成品率的减少，引起氧化物-多晶硅栅结构中的结构性缺陷、pn结上泄漏电流的增加以及少数载流子寿命的减少。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。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。 三. 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、蒸气、清洁剂、溶剂和潮气等。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。

四. 自然氧化层

如果曝露于室温下的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将会被氧化。这一薄氧化层称为自然氧化层。

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。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。在金属导体的接触区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。 五. 静电释放

静电释放（ESD）也是一种形式的污染，因为它是静电荷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。带过剩负电荷的原子被相邻的带正电荷的原子吸引，这种由吸引产生的电流泄放电压可以高达几万伏。

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，这种条件容易使静电荷生成。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。发生在几个纳秒内的ESD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。放电也可以成为栅氧化层击穿的诱因。ESD带来的另一个重大问题是，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。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。

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。这些微小的浮质在空气中漂浮并停留很长时间，淀积在硅片表面引起沾污并带来致命缺陷。

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。这一数字描绘了要怎样控制颗粒以减少颗粒沾污。表4.2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和颗粒尺寸。例如10级0.2µm，即≥0.2µm的颗粒最多允许有75个。

近来已经开始使用0.1级，这时颗粒尺寸缩小到0.02~0.03µm。最新的净化空气标准对每立方米空气中的超细颗粒数也做了规定，称为“U”描述符。U描述符把直径小于0.1µm的颗粒规定为超细颗粒。在没有特别说明具体颗粒尺寸的情况下，U描述符把洁净度定义为U（x），其中x是每立方米空气中可容许的超细颗粒的最大数。我国目前的净化标准有新的表示法，100级对应五级，1万级对应七级。 二． 人

人是颗粒的产生者。人员持续不断地进出净化间，是净化间沾污的最大来源。颗粒来自于头发和头发用品、衣物纤维屑、皮屑等。一个人平均每分钟释放一千万个尺寸等于或大于0.3µm的颗粒。通常的人类活动，如谈话、咳嗽、打喷嚏，对半导体都是有害的。人类活动释放的颗粒：静止状态10万个，移动手头等50万个，走动2公里/小时500万个，3.5公里/小时750万个，最洁净的皮肤上有颗粒1千万个。

为实现净化间内的超净环境，人员必须穿上超净服。超净服由兜帽、连衣裤工作服、靴子和手套组成，完全包裹住了身体。超净服的作用有：1）对身体产生的颗粒和浮质的总体抑制；2）超净服系统颗粒零释放；3）对ESD的零静电积累；4）无化学和生物残余物的释放。

对于要进入净化间的人员必须遵循净化间操作规程。主要有：首先必须经过培训，经过风淋和鞋清洁器才能进入净化间；只把必需物品带入净化间；缓慢移动；始终确保所有的头部和面部头发被包裹起来；始终都保持超净服闭合。只有与工艺设备有关的人员才能进入净化间。 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。 四．水

为了制造半导体，需要大量的高质量、超纯去离子水（DJ）。比如一个8英寸硅片，在一个流程中大约需用24加仑的DJ水。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，DJ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，DJ的电阻率要达到18MΩ-cm。一个水净化系统见图4.1。

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。一个优秀的过滤器应该不对所需的流量产生显著的压力衰减，不引入二次沾污并与化学品相容。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

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。为了制造一个硅片，这一序列重复达450次或更多的次数，把硅片曝露在不同设备的许许多多机械和化学加工过程中。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。设备自动化意味着人与产品更少的接触。

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 颗粒 硅片表面被沾污,沾污物必须通过清洗而排除。硅片 清洗 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。每一工步骤都是硅片上器件潜在 的沾污源。对于整个ULSI制造工艺,单个硅片表面

要湿法清洗大约上百次。 工艺步骤数

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。

从表中可以看到,颗粒和有机物通过SC-1去除,金属通过SC-2去除,而自然氧化层通过DHF去除。在湿法清洗时还可加入一些辅助方法以增强清洗效果,例如兆声清洗（振荡频率接近1兆赫的超声能量）,喷雾清洗,刷洗器等等。

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。