第六章硅片制造中的沾污控制

集成電路工藝第六章硅片制造中的沾污控制2/19/20241集成電路工藝討論：芯片廠贏利還是虧本的取決因素？WaferYield:YW=Wafersgood/WaferstotalDieYield:YD=Diesgood/DiestotalPackagingYield:YC=Chipsgood/ChipstotalOverallYield:YT=YW×YD×YC2/19/20242集成電路工藝2/19/20243集成電路工藝2/19/20244集成電路工藝本章要點(diǎn)6.1沾污的類型6.2沾污的源與控制6.3硅片濕法清洗2/19/20245集成電路工藝6.1沾污的類型沾污是指半導(dǎo)體制造過程中引入半導(dǎo)體硅片的任何危害微芯片成品率及電學(xué)性能的不希望有的物質(zhì)。顆粒金屬雜質(zhì)有機(jī)物沾污自然氧化層靜電釋放（ESD）2/19/20246集成電路工藝顆粒顆粒是能粘附在硅片表面的小物體懸浮在空氣中傳播的顆粒稱為浮質(zhì)(aerosol)顆粒能引起電路開路或短路可以接受的顆粒尺寸必須小于最小器件特征尺寸的一半顆粒檢測(cè)廣泛采用激光束掃描硅片表面和檢測(cè)顆粒散射的光強(qiáng)及位置來進(jìn)行2/19/20247集成電路工藝金屬雜質(zhì)危害半導(dǎo)體工藝的典型金屬雜質(zhì)是堿金屬金屬來源于化學(xué)溶液或者半導(dǎo)體制造中的各種工序（如離子注入工藝）；另一種來源是化學(xué)品同傳輸管道和容器的反應(yīng)。金屬可以通過兩種途徑淀積在硅片表面：金屬離子通過金屬離子與位于硅片表面的氫原子的電荷交換而被束縛在硅表面；當(dāng)硅表面氧化時(shí)金屬雜質(zhì)分布于氧化層內(nèi)。金屬離子在半導(dǎo)體材料中是高度活動(dòng)性的，稱為可動(dòng)離子沾污(MIC)。當(dāng)MIC引入到硅片時(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(zhǎng)期可靠性。2/19/20248集成電路工藝有機(jī)物沾污來源包括細(xì)菌、潤(rùn)滑劑、蒸氣、清潔劑、溶劑和潮氣等。微量有機(jī)物沾污能降低柵氧化層材料的致密性；導(dǎo)致表面的清洗不徹底2/19/20249集成電路工藝自然氧化層如果曝露于室溫下的空氣或溶解氧的去離子水中，硅片的表面將被氧化天然氧化層的厚度隨曝露時(shí)間的增長(zhǎng)而增加自然氧化層會(huì)妨礙其他工藝步驟；增加接觸電阻去除：通過使用含HF酸的混合液的清洗步驟2/19/202410集成電路工藝靜電釋放（ESD）ESD產(chǎn)生于兩種不同靜電勢(shì)的材料接觸或摩擦靜電荷從一個(gè)物體向另一物體未經(jīng)控制地轉(zhuǎn)移，可能損壞微芯片雖然ESD靜電總量很小，但積累區(qū)域也小，可達(dá)1A的峰值電流，可以蒸發(fā)金屬導(dǎo)線和穿透氧化層。放電也可能成為柵氧化層擊穿的誘因。另外，一旦硅片表面有了電荷積累，它產(chǎn)生的電場(chǎng)就能吸引帶電顆?；驑O化并吸引中性顆粒到硅片表面。2/19/202411集成電路工藝6.2沾污的源與控制空氣人廠房水工藝用化學(xué)品工藝氣體生產(chǎn)設(shè)備2/19/202412集成電路工藝凈化間(Cleanroom)顆粒會(huì)降低良率IC加工必須在凈化間低顆粒密度的人工環(huán)境2/19/202413集成電路工藝凈化間級(jí)別美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E1級(jí)凈化間意味著每立方英尺中尺寸≥0.5μm的顆粒最多允許1個(gè)。超細(xì)顆粒(0.1級(jí))，顆粒尺寸縮小到20-30nm，“U”描述符。2/19/202414集成電路工藝2/19/202415集成電路工藝凈化間結(jié)構(gòu)2/19/202416集成電路工藝微環(huán)境更嚴(yán)格控制沾污的需要建設(shè)凈化間需要巨大成本

微環(huán)境2/19/202417集成電路工藝人人是顆粒的產(chǎn)生者，是凈化間沾污的最大來源。顆粒來源于頭發(fā)和頭發(fā)用品（噴霧、發(fā)膠）、衣物纖維屑、皮屑等。2/19/202418集成電路工藝人類活動(dòng)釋放的顆粒顆粒來源每分鐘>0.3μm的平均顆粒數(shù)靜止（坐或站）100000移動(dòng)手、臂、軀干、脖子和頭500000每小時(shí)步行2公里5000000每小時(shí)步行3.5公里7500000最潔凈的皮膚（每平方英尺）100000002/19/202419集成電路工藝超凈服現(xiàn)代超凈服是高技術(shù)膜紡織品或密織的聚酯織物，對(duì)≥

0.1μm的顆粒具有99.999%的效率級(jí)別。對(duì)身體產(chǎn)生的顆粒和浮質(zhì)的總體抑制超凈服系統(tǒng)顆粒零釋放零靜電積累無化學(xué)和生物殘余物的釋放2/19/202420集成電路工藝廠房分為生產(chǎn)區(qū)（1級(jí)）和服務(wù)區(qū)（1000級(jí)）氣流：垂直層狀氣流，避免了橫向沾污空氣過濾：高效顆?？諝膺^濾器（HEPA）或超低滲透率空氣過濾器（ULPA）溫度和濕度靜電釋放（ESD）控制方法：防靜電的凈化間材料；ESD接地；空氣電離。2/19/202421集成電路工藝水超純?nèi)ルx子水(DI)中不允許的沾污有：溶解離子有機(jī)材料顆粒細(xì)菌硅土溶解氧2/19/202422集成電路工藝去離子水1條200mm工藝線中，制造每個(gè)硅片的去離子水消耗量達(dá)到2000加侖去離子化指的是用特制的離子交換樹脂去除電活性鹽類的離子用于硅片加工的去離子水稱為18兆歐水細(xì)菌控制：超純水系統(tǒng)采用紫外（UV）燈來殺滅細(xì)菌2/19/202423集成電路工藝工藝用化學(xué)品顆粒過濾(particlefiltration):適用于大約1.5微米以上顆粒的過濾微過濾(microfiltration):用于去除液體中0.1到1.5微米范圍顆粒的膜過濾超過濾(ultrafiltration):用于阻擋大約0.005到0.1微米尺寸大分子的加壓膜過濾反滲透(reverseosmosis,RO)/超級(jí)過濾(hyperfiltration):加壓的處理方案，輸送液體通過一層半滲透膜，過濾到小至接近0.005微米的顆粒和金屬離子2/19/202424集成電路工藝工藝氣體超純氣體氣體流經(jīng)提純器和氣體過濾器以去除雜質(zhì)和顆粒腐蝕性氣體過濾器是全金屬的（如鎳）；其他氣體過濾器用聚四氟乙烯。2/19/202425集成電路工藝生產(chǎn)設(shè)備剝落的副產(chǎn)物積累在腔壁上自動(dòng)化的硅片裝卸和傳送機(jī)械操作，如旋轉(zhuǎn)手柄和開關(guān)閥門真空環(huán)境的抽取和排放清洗和維護(hù)過程2/19/202426集成電路工藝硅片表面的顆粒數(shù)與工藝步驟的關(guān)系2/19/202427集成電路工藝6.3硅片濕法清洗沾污名稱化學(xué)配料成分分子式顆粒piranha(SPW)硫酸/過氧化氫/去離子水H2SO4/H2O2/H2OSC-1(APW)氫氧化銨/過氧化氫/去離子水NH4OH/H2O2/H2O有機(jī)物SC-1(APW)氫氧化銨/過氧化氫/去離子水NH4OH/H2O2/H2O金屬（不含銅）SC-2(HPW)鹽酸/過氧化氫/去離子水HCl/H2O2/H2Opiranha(SPW)硫酸/過氧化氫/去離子水H2SO4/H2O2/H2ODHF氫氟酸/水溶液(不能去除銅)HF/H2O自然氧化層DHF氫氟酸/水溶液HF/H2OBHF緩沖氫氟酸NH4F/HF/H2O2/19/202428集成電路工藝RCA清洗美國(guó)無線電公司RCA提出，75－85℃使用，存放時(shí)間10－20分鐘1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)清洗液(SC-1)：氫氧化銨/過氧化氫/去離子水1:1:5~1:2:72號(hào)標(biāo)準(zhǔn)清洗液(SC-2)：鹽酸/過氧化氫/去離子水1:1:6~1:2:8改進(jìn)的RCA清洗：稀釋的清洗化學(xué)劑(dilutecleaningchemistries)，SC-1按NH4OH/H2O2/H2O=1:4:50配比2/19/202429集成電路工藝典型硅片濕法清洗順序piranha去除有機(jī)物和金屬SC-1去除顆粒UPW清洗（超純水）稀HF去除自然氧化層UPW清洗干燥SC-2去除金屬1234562/19/202430集成電路工藝濕法清洗設(shè)備兆聲清洗(megasonics)噴霧清洗刷洗器水清洗（溢流清洗器，排空清洗，噴射清洗，加熱去離子水清洗）硅片甩干（旋轉(zhuǎn)式甩干機(jī)，異丙醇蒸氣干燥）

有氧化物和