半導(dǎo)體制造中沾污控制

1、關(guān)于半導(dǎo)體制造中的沾污控制第1頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四本章內(nèi)容沾污的類型，來源，后果，去除方法硅片清洗，方案，流程，評估要點(diǎn)。先進(jìn)的干法清洗方案介紹第2頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.1 沾污的類型 沾污（Contamination）是指半導(dǎo)體制造過程中引入半導(dǎo)體硅片的任何危害芯片成品率及電學(xué)性能的不希望有的物質(zhì)。 沾污經(jīng)常導(dǎo)致有缺陷的芯片，致命缺陷是導(dǎo)致硅片上的芯片無法通過電學(xué)測試的原因。 第3頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四現(xiàn)代IC fabs依賴三道防線來控制沾污第4頁，共75頁，2022年，5月20日，6

2、點(diǎn)46分，星期四三道防線: 1. 凈化間（clean room） 2. 硅片清洗（wafer cleaning） 3. 吸雜（gettering）第5頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四凈化間沾污分為五類顆粒金屬雜質(zhì)有機(jī)物沾污自然氧化層靜電釋放（ESD）第6頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四顆粒：所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。顆粒來源：空氣人體設(shè)備化學(xué)品超級凈化空氣風(fēng)淋吹掃、防護(hù)服、面罩、手套等，機(jī)器手/人特殊設(shè)計(jì)及材料定期清洗超純化學(xué)品去離子水 后果：電路開路或短路，薄膜針眼或開裂，引起后續(xù)沾污。第7頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46

3、分，星期四各種可能落在芯片表面的顆粒第8頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四顆粒的相對尺寸毫米110-110-210-310-4 10-610-710-510原子物質(zhì)的單分子霧薄煙云層顆粒大氣灰塵霧顆粒沙灰塵鵝卵石第9頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四半導(dǎo)體制造中，可以接受的顆粒尺寸的粗略法則是它必須小于最小器件特征尺寸的一半。一道工序引入到硅片中超過某一關(guān)鍵尺寸的顆粒數(shù)，用術(shù)語表征為每步每片上的顆粒數(shù)（PWP）。在當(dāng)前生產(chǎn)中應(yīng)用的顆粒檢測裝置能檢測到的最小顆粒直徑約為0.1微米。第10頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四二.金屬沾

4、污來源：化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工藝 化學(xué)品和傳輸官道及容器的反應(yīng)。例如，CO。量級：1010原子/cm2影響：在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降增加p-n結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命Fe, Cu, Ni, Cr, W, TiNa, K, Li第11頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四不同工藝過程引入的金屬污染干法刻蝕離子注入 去膠水汽氧化910111213Log (concentration/cm2)Fe Ni Cu第12頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機(jī)理通過金屬離子和硅表面終端的氫原子之間的電荷交換，和

5、硅結(jié)合。（難以去除）氧化時(shí)發(fā)生：硅在氧化時(shí)，雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入去除方法：使金屬原子氧化變成可溶性離子 M Mz+ + z e-去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：強(qiáng)氧化劑）還原氧化第13頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四電負(fù)性Cu+eCu-SiSi+eCu2-+2eCu第14頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四反應(yīng)優(yōu)先向左作業(yè)2第15頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四 金屬離子在半導(dǎo)體材料中是高度活動(dòng)性的，被稱為可動(dòng)離子沾污（MIC）。當(dāng)MIC引入到硅片中時(shí)，在整個(gè)硅片中移動(dòng)，嚴(yán)重?fù)p害器件電學(xué)性能和長期可靠性。 對于MIC沾污,能遷

6、移到柵結(jié)構(gòu)中的氧化硅界面，改變開啟晶體管所需的閾值電壓。 由于它們的性質(zhì)活潑，金屬離子可以在電學(xué)測試和運(yùn)輸很久以后沿著器件移動(dòng)，引起器件在使用期間失效。第16頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四 可動(dòng)粒子沾污引起的閥值電壓改變+ + + + + + + + + + + + + + + +SDP- 硅襯底G N+N+-Vs+Vd+Vg 離子沾污改變晶體管的電學(xué)特性電子導(dǎo)電+Gate oxidePolysilicon + + + + + + + + + + + + +第17頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四無關(guān)雜質(zhì)的危害性當(dāng)tox10 nm，QM6.510

7、11 cm-2（10 ppm)時(shí)，DVth0.1 V例2. MOS閾值電壓受堿金屬離子的影響例3. MOS DRAM的刷新時(shí)間對重金屬離子含量Nt的要求1015 cm2，vth=107 cm/s若要求G100 ms，則Nt1012 cm-3 =0.02 ppb !作業(yè)1第18頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四三. 有機(jī)物的玷污導(dǎo)致的問題: 柵氧化層密度降低; 清潔不徹底,容易引起后續(xù)沾污來源： 環(huán)境中的有機(jī)蒸汽, 清潔劑和溶劑存儲(chǔ)容器光刻膠的殘留物去除方法：強(qiáng)氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入純水第19頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)

8、46分，星期四四. 自然氧化層 來源: 在空氣、水中迅速生長導(dǎo)致的問題：接觸電阻增大難實(shí)現(xiàn)選擇性的CVD或外延成為金屬雜質(zhì)源難以生長金屬硅化物清洗工藝：HFH2O（ca. 1: 50）第20頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四接觸孔底部的自然氧化層在鎢和摻雜硅區(qū)域引起差的電接觸在鎢淀積前，自然氧化層生長在接觸孔鎢塞硅上有源區(qū)層間介質(zhì)層間介質(zhì)氧化層隔離接觸第21頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四五. 靜電釋放 靜電釋放（ESD）也是一種形式的污染，因?yàn)樗庆o電和從一個(gè)物體向另一個(gè)物體未經(jīng)控制的轉(zhuǎn)移，可能損壞芯片。 ESD產(chǎn)生于兩種不同靜電勢的材料接觸或摩

9、擦。 半導(dǎo)體制造中，硅片加工保持在較低的濕度中，典型條件為4010的相對濕度（RH，Relative Humidity）這種條件容易使較高級別的靜電荷生成。增加相對濕度可以減少帶電體的電阻率，有助于靜電荷的釋放，但同時(shí)也會(huì)增加侵蝕帶來的沾污。第22頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四靜電釋放帶來的問題靜電釋放導(dǎo)致金屬導(dǎo)線蒸發(fā)，氧化層擊穿。（總電量小，但是區(qū)域集中，放電時(shí)間短，導(dǎo)致高電流）電荷積累吸引帶電顆粒或其他中性顆粒，引起后續(xù)沾污。第23頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.2 沾污的源與控制 半導(dǎo)體器件制造廠房存在7種沾污源：空氣、人、廠房、水、

10、工藝用化學(xué)品、工藝氣體和生產(chǎn)設(shè)備。一. 空氣 凈化間最基本的概念是硅片工廠空氣中的顆粒控制。我們通常所呼吸的空氣是不能用于半導(dǎo)體制造的，因?yàn)樗颂嗟钠≌次?。?4頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四硅片生產(chǎn)廠凈化室Photograph courtesy of Advanced Micro Devices, main fab corridor第25頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四 凈化級別標(biāo)定了凈化間的空氣質(zhì)量級別，它是由凈化室空氣中的顆粒尺寸和密度表征的。 表6.2 美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E中各凈化間級別對空氣漂浮顆粒的限制近來已經(jīng)開始使用0.1

11、級，這時(shí)顆粒尺寸縮小到0.020.03m。第26頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四二. 人 人員持續(xù)不斷地進(jìn)出凈化間，是凈化間沾污的最大來源。 第27頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四 現(xiàn)代超凈服是高技術(shù)膜紡織品或密織的聚酯織物。先進(jìn)的材料對于0.1微米及更大尺寸的顆粒具有99.999%的效率級別。超凈服的系統(tǒng)目標(biāo)：1）對身體產(chǎn)生的顆粒和浮質(zhì)的總體抑制；2）系統(tǒng)顆粒零釋放；3）對ESD的零靜電積累；4）無化學(xué)和生物殘余物的釋放。第28頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四凈化間人員主要操作規(guī)程：經(jīng)過風(fēng)淋和鞋清潔器只把必需物品帶入凈化

12、間緩慢移動(dòng)保持所有的頭部和面部以及 頭發(fā)包裹。保持超凈服閉合。 第29頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四工藝線直擊凈化間第30頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四三廠房 為使半導(dǎo)體制造在一個(gè)超潔凈的環(huán)境中進(jìn)行，有必要采用系統(tǒng)方法來控制凈化間區(qū)域的輸入和輸出。在凈化間布局、氣流流動(dòng)模式、空氣過濾系統(tǒng)、溫度和濕度的設(shè)定、靜電釋放等方面都要進(jìn)行完美的設(shè)計(jì)，同時(shí)盡可能減少通過設(shè)備、器具、人員、凈化間供給引入的顆粒和持續(xù)監(jiān)控凈化間的顆粒，定期反饋信息及維護(hù)清潔。第31頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四氣流原理為實(shí)現(xiàn)凈化間中的超凈環(huán)境，氣流種

13、類是關(guān)鍵的。對于100級或一下的凈化間，氣流是層流狀態(tài)，沒有湍流氣流模式。垂直層流對于外界氣壓具有輕微的正壓，充當(dāng)了屏蔽以減少設(shè)備或人到暴露著的產(chǎn)品的橫向沾污。第32頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四對于流體流動(dòng)狀態(tài)的描述 Re4000時(shí)流體為湍流(onflow)，Re7）可以氧化有機(jī)膜和金屬形成絡(luò)合物緩慢溶解原始氧化層，并再氧化可以去除顆粒NH4OH對硅有腐蝕作用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗OHOHOHOHOHOHRCA clean is “standard process” used to remove organics, heavy metals and alkali ions.

14、第49頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:8 7080C, 10min 酸性（pH值7）可以將堿金屬離子及Al3、Fe3和Mg2在SC-1溶液中形成的不溶的氫氧化物反應(yīng)成溶于水的絡(luò)合物可以進(jìn)一步去除殘留的重金屬污染（如Au）RCA與超聲波振動(dòng)共同作用，可以有更好的去顆粒作用2050kHz 或 1MHz左右。平行于硅片表面的聲壓波使粒子浸潤，然后溶液擴(kuò)散入界面，最后粒子完全浸潤，并成為懸浮的自由粒子。第50頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四 表4.3 硅片濕法清洗化學(xué)品第51

15、頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四現(xiàn)代芯片生產(chǎn)中硅片清洗工藝流程化學(xué)溶劑清洗溫度清除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120C,10min有機(jī)物和金屬2D.I. H2O室溫洗清3NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5) (SC1) 80C,10min微塵4D.I. H2O室溫洗清5HCl+H2O2+H2O(1:1:6) (SC2) 80C,10min金屬6D.I. H2O室溫洗清7HF+H2O (1:50)室溫氧化層8D.I. H2O室溫洗清9干燥第52頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四機(jī)器人自動(dòng)清洗機(jī)第53頁，共75頁，2022年，5月20

16、日，6點(diǎn)46分，星期四清洗容器和載體SC1/SPM/SC2 石英（ Quartz ）或 Teflon容器HF 優(yōu)先使用Teflon，其他無色塑料容器也行。硅片的載體 只能用Teflon 或石英片架（不能用于HF清洗中）第54頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四常見清洗設(shè)備兆聲清洗噴霧清洗兆聲清洗噴霧清洗優(yōu)點(diǎn)：持續(xù)供給新鮮清洗液，高速?zèng)_擊的液滴和硅片旋轉(zhuǎn)可保證有效清洗。缺點(diǎn)：清洗不均勻，中心旋轉(zhuǎn)為零。優(yōu)點(diǎn)：可批處理進(jìn)行清洗；節(jié)省清洗液用量。缺點(diǎn)：可能造成清洗損傷。第55頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四洗刷器水清洗干燥溢流清洗排空清洗噴射清洗加熱去離子水

17、清洗旋轉(zhuǎn)式甩干IPA異丙醇蒸氣干燥缺點(diǎn)：單片操作，效率低，難以實(shí)現(xiàn)批處理。第56頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四Intelligen dispense system第57頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四硅片甩干：硅片對水的響應(yīng)程度稱為它的可濕性。水可浸潤親水性的潔凈硅片上，而在疏水性表面上因?yàn)楸砻鎻埩κ湛s為水珠，即反浸潤。這樣的水珠在干燥后會(huì)在硅片表面形成斑點(diǎn)。經(jīng)過氫氟酸腐蝕的無氧化物表面由于氫終結(jié)了表面原子層因而是疏水性的。必須徹底干燥硅片表面。旋轉(zhuǎn)式甩干機(jī)：難以除去孔穴中的水分；高速旋轉(zhuǎn)引起電荷積累吸引顆粒異丙醇蒸氣干燥：IPA的純度級別必須

18、加以控制第58頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四工藝線直擊硅片濕法清洗第59頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四硅片清洗技術(shù)評價(jià)的主要指標(biāo)（1）微粗糙度（RMS）；（2）自然氧化物清除率；（3）金屬沾污、表面顆粒度以及有機(jī)物沾污；（4）芯片的破損率；（5）清洗中的再沾污；（6）對環(huán)境的污染；（7）經(jīng)濟(jì)的可接受性（包括設(shè)備與運(yùn)行成本、 清洗效率）等。第60頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四濕法清洗的問題（1）表面粗糙度：清洗劑、金屬污染對硅表面造成腐蝕，從而造成表面微粗糙化。SC-1中，NH4OH含量高，會(huì)對硅造成表面腐蝕和損傷。降

19、低溝道內(nèi)載流子的遷移率，對熱氧化生長的柵氧化物的質(zhì)量、擊穿電壓都有破壞性的影響。Ra(nm)Mixing ratio of NH4OH(A) in NH4OH+H2O2+H2O solution (A:1:5, A1)降低微粗糙度的方法：減少NH4OH的份額降低清洗溫度減少清洗時(shí)間第61頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四Wu et al., EDL 25, 289 (2004).SiGe-gate/high-k/SiGe pMOSFETs第62頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四Surface roughness (nm)Surface roughne

20、ss (nm)不同清洗（腐蝕）方法與表面粗糙度第63頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四Surface roughness (nm)Ebd (MV/cm)表面粗糙度降低了擊穿場強(qiáng)第64頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四顆粒的產(chǎn)生較難干燥價(jià)格化學(xué)廢物的處理和先進(jìn)集成工藝的不相容濕法清洗的問題（2）第65頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四結(jié)構(gòu)損傷程度加劇 清洗液難以進(jìn)入深溝槽清洗后干燥困難顆粒去除有效率低容易腐蝕銅導(dǎo)線改變低k電介質(zhì)的介電常數(shù)變低k電介質(zhì)的電介常數(shù)工藝線寬減小大量高堆疊式和深溝槽式結(jié)構(gòu)先進(jìn)集成工藝帶來的清洗問題第66頁

21、，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四 現(xiàn)在已經(jīng)研究出幾種可以取代RCA清洗的清洗技術(shù),像等離子體干法清洗、使用螯合劑、臭氧、低溫噴霧清洗等,但在工業(yè)生產(chǎn)上還未大量應(yīng)用。 4.4 RCA濕法清洗的替代方案第67頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四干法清洗工藝氣相化學(xué)，通常需激活能在低溫下加強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)。所需加入的能量，可以來自于等離子體，離子束，短波長輻射和加熱，這些能量用以清潔表面，但必須避免對硅片的損傷HFH2O氣相清洗紫外一臭氧清洗法（UVOC）H2Ar等離子清洗熱清洗第68頁，共75頁，2022年，5月20日，6點(diǎn)46分，星期四4.4.1 等離子體基干法清洗等離子清洗有物理清洗和化學(xué)清洗（表面改性）兩種方式。前者稱為PE方式，后者