第六章硅片制造中的沾污控制

1、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第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝2討論：芯片廠贏利還是虧本的取決因素？討論：芯片廠贏利還是虧本的取決因素？ Wafer Yield: YW=Wafersgood/Waferstotal Die Yield: YD=Diesgood/Diestotal Packaging Yield: YC=Chipsgood/Chipstotal Overall Yield: YT=YWYDYC第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝3第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝4第六章

2、硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝5本章要點 6.1 沾污的類型沾污的類型 6.2 沾污的源與控制沾污的源與控制 6.3 硅片濕法清洗硅片濕法清洗第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝66.1 沾污的類型沾污的類型 沾污是指半導體制造過程中引入半導體硅片的任何危害微芯片成品率及電學性能的不希望有的物質(zhì)。 顆粒 金屬雜質(zhì) 有機物沾污 自然氧化層 靜電釋放（ESD）第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝7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

3、于最小器件特征尺寸的一半 顆粒檢測廣泛采用激光束掃描硅片表面和檢測顆粒散射的光強及位置來進行第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝8金屬雜質(zhì) 危害半導體工藝的典型金屬雜質(zhì)是堿金屬堿金屬 金屬來源于化學溶液或者半導體制造中的各種工序（如離子注入工藝）；另一種來源是化學品同傳輸管道和容器的反應。 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；當硅表面氧化時金屬雜質(zhì)分布于氧化層內(nèi)。 金屬離子在半導體材料中是高度活動性的，稱為可動離子沾污(MIC)。當MIC引入到硅片時在整個硅片中移動，嚴重損害器件電學性能和長期可靠性。第

4、六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝9有機物沾污 來源包括細菌、潤滑劑、蒸氣、清潔劑、溶劑和潮氣等。 微量有機物沾污能降低柵氧化層材料的致密性；導致表面的清洗不徹底第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝10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間的增長而增加 自然氧化層會妨礙其他工藝步驟；增加接觸電阻 去除：通過使用含HF酸的混合液的清洗步驟第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝11靜電釋放（ESD） ESD產(chǎn)生于兩種不同靜電勢的材料接觸或摩擦 靜電荷從一個物體向另一物體未

5、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1A的峰值電流，可以蒸發(fā)金屬導線和穿透氧化層。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)生的電場就能吸引帶電顆粒或極化并吸引中性顆粒到硅片表面。第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝126.2 沾污的源與控制沾污的源與控制 空氣 人 廠房 水 工藝用化學品 工藝氣體 生產(chǎn)設(shè)備第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝13凈化間(Clean room) 顆粒會降低良率 IC加工必須在凈化間 低顆粒密度的人工環(huán)境第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成

6、電路工藝14凈化間級別 美國聯(lián)邦標準209E 1級凈化間意味著每立方英尺中尺寸0.5m的顆粒最多允許1個。 超細顆粒(0.1級)，顆粒尺寸縮小到20-30nm，“U”描述符。第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝15第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝16凈化間結(jié)構(gòu)第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝17微環(huán)境更嚴格控制沾污的需要建設(shè)凈化間需要巨大成本 微 環(huán) 境第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝18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。

7、第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝19人類活動釋放的顆粒顆粒來源顆粒來源每分鐘每分鐘0.3m的平均顆粒數(shù)的平均顆粒數(shù)靜止（坐或站）100 000移動手、臂、軀干、脖子和頭500 000每小時步行2公里5 000 000每小時步行3.5公里7 500 000最潔凈的皮膚（每平方英尺）10 000 000第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝20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 0.1m的顆粒具有99.999%的效率級別。 對身體產(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 無化學和生物殘余物的釋放第六章硅片制造中的沾

8、污控制2021-11-21集成電路工藝21廠房 分為生產(chǎn)區(qū)（1級）和服務區(qū)（1000級） 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。第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝22水 超純?nèi)ルx子水(DI)中不允許的沾污有： 溶解離子 有機材料 顆粒 細菌 硅土 溶解氧第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝23去離子水 1條200mm工藝線中，制造每個硅片的去離子水消耗量達到2000加侖 去離子化指的是用特制的離

9、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 細菌控制：超純水系統(tǒng)采用紫外（UV）燈來殺滅細菌第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝24工藝用化學品 顆粒過濾(particle filtration):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(reverse osmosis, RO) /超級過濾(hyperfiltration): 加壓的處理方案，輸送液體

10、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第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝25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。第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝26生產(chǎn)設(shè)備 剝落的副產(chǎn)物積累在腔壁上 自動化的硅片裝卸和傳送 機械操作，如旋轉(zhuǎn)手柄和開關(guān)閥門 真空環(huán)境的抽取和排放 清洗和維護過程第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝27硅片表面的顆粒數(shù)與工藝步驟的關(guān)系第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝286

11、.3 硅片濕法清洗硅片濕法清洗沾污名稱化學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/H2O第六章硅片制造中的沾污

12、控制2021-11-21集成電路工藝29RCA清洗 美國無線電公司RCA提出，7585使用，存放時間1020分鐘 1號標準清洗液(SC-1)：氫氧化銨/過氧化氫/去離子水 1:1:51:2:7 2號標準清洗液(SC-2)：鹽酸/過氧化氫/去離子水1:1:61:2:8 改進的RCA清洗： 稀釋的清洗化學劑(dilute cleaning chemistries)，SC-1按NH4OH/H2O2/H2O =1:4:50配比第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝30典型硅片濕法清洗順序piranha去除有機物和金屬有機物和金屬SC-1去除顆粒顆粒UPW清洗（超純水）稀HF去除自然氧化層UPW清洗干燥SC-2去除金屬金屬123456第六章硅片制造中的沾污控制2021-11-21集成電路工藝31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，異丙醇蒸氣干燥）