第4章-半导体制造中的沾污控制.ppt
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1、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。,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),
2、颗粒:所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。,颗粒来源: 空气 人体 设备 化学品,后果:电路开路或短路,薄膜针眼或开裂,引起后续沾污。,各种可能落在芯片表面的颗粒,颗粒的相对尺寸,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。,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: 在界面形成缺陷,影响器件性能,成品率下降
3、增加p-n结的漏电流,减少少数载流子的寿命,Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti Na, K, Li,不同工艺过程引入的金属污染,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 Mz+ + z e- 去除溶液:SC-1, SC-2(H2O2:强氧化剂),电负性,Cu+e,Cu-,Si,Si+e,Cu2-+2e,Cu,作业2,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
4、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。 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,电子导电,+,+,Gate oxide,Polysilicon,+ + + + + + + + + + + + + +,无关杂质的危害性,当tox10 nm,QM6.51011 cm-2(10 ppm)时,DVth0.1 V,例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响,例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求,1015 cm2,vth
5、=107 cm/s 若要求G100 ms,则Nt1012 cm-3 =0.02 ppb !,作业1,三. 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 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:HFH2O(ca. 1: 50),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
6、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。 半导体制造中,硅片加工保持在较低的湿度中,典型条件为4010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) 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
7、. 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。,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0.020.03m。,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
8、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。,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
9、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。,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,Re4000时流体为湍流(onflow),Re2300时为层流(laminar flow),Re介于2300和4000之间是过渡状态。,雷诺数,其中,U是流体流速,是流体密度,L是管道尺寸,是流体粘度。,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
10、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 m颗粒的过滤器。,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0.3m的净化间温度控制的例子是680.5。 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4010。,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
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