第十一章硅片制造中的沾污控制詳解演示文稿

第十一章硅片制造中的沾污控制詳解演示文稿當前1頁，總共34頁。優(yōu)選第十一章硅片制造中的沾污控制當前2頁，總共34頁?，F代半導體制造是在稱為凈化間的成熟設施中進行的。這種硅片制造設備與外部環(huán)境隔離，免受諸如顆粒、金屬、有機分子和靜電釋放（ESD）的沾污。一般來講，那意味著這些沾污在最先進測試儀器的檢測水平范圍內都檢測不到。凈化間還意味著遵循廣泛的規(guī)程和實踐，以確保用于半導體制造的硅片生產設施免受沾污。當前3頁，總共34頁。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。將主要集中于制造工序中引入的各種類型的表面沾污。制造經常導致有缺陷的芯片。致命缺陷是導致硅片上的芯片無法通過電學測試的原因。據估計80％的芯片電學失效是由沾污帶來的缺陷引起的。電學失效引起成品率損失，導致硅片上的管芯報廢以及很高的芯片制造成本。凈化間沾污分為五類：顆粒金屬雜質有機物沾污自然氧化層靜電釋放（ESD）當前4頁，總共34頁。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被稱為浮質。從鵝卵石到原子的各種顆粒的相對尺寸分布如圖所示。當前5頁，總共34頁。顆粒帶來的問題有引起電路開路或短路如圖的短路。當前6頁，總共34頁。半導體制造中，可以接受的顆粒尺寸的粗糙度尺寸的粗略法則是它必須小于最小器件特征尺寸的一半。大于這個尺寸的顆粒會引起致命的缺陷。例如，0.18um的特征尺寸不能接觸0.09um以上尺寸的顆粒。如下圖的人類頭發(fā)對0.18um顆粒的相對尺寸。當前7頁，總共34頁。金屬雜質硅片加工廠的沾污也可能來自金屬化合物。危害半導體工藝的典型金屬雜質是堿金屬，它們在普通化學品和工藝都很常見。這些金屬在所有用于硅片加工的材料中都要嚴格控制（見表）。堿金屬來自周期表中的IA族，是極端活潑的元素，因為它們容易失去一個價電子成為陽離子，與非金屬的陰離子反應形成離子化合物。當前8頁，總共34頁。金屬雜質導致了半導體雜質中器件成品率的減少，包括氧化物－多晶硅柵結構中的結構性缺陷。額外的問題包括pn結上泄露電流的增加以及少數載流子壽命的減少。可動離子沾污（MIC）能遷移到柵結構的氧化硅界面，改變開啟晶體管所需的閾值電壓（見圖）。由于它們的性質活潑，金屬離子可以在電學測試和運輸很久以后沿著器件移動，引起器件在使用期間失效。半導體制造的一個主要目標是減少與金屬雜質和MIC的接觸。當前9頁，總共34頁。當前10頁，總共34頁。有機沾污有機物沾污是指那些包含炭的物質，幾乎總是同炭自身及氫結合在一起，有時也和其他元素結合在一起。有機物沾污的一些來源包括細菌、潤滑劑、蒸汽、清潔劑、溶劑和潮氣等。現在用于硅片加工的設備使用不需要潤滑劑的組件來設計，例如，無油潤滑泵或軸承等。在特定工藝條件下，微量有機物沾污能降低柵氧化層材料的致密性。工藝過程中有機材料給半導體表面帶來的另一問題是表面的清洗不徹底，這種情況使得諸如金屬雜質之類的沾污在清洗之后仍完整保留在硅片表面。當前11頁，總共34頁。自然氧化層如果曝露與室溫的空氣或含溶解氧的去離子水中，硅片的表面將被氧化。這一薄氧化層稱為自然氧化層。硅片上最初的自然氧化層生長始于潮濕。擋硅片表面曝露在空氣中時，一秒鐘內就有幾十層水分子吸附在硅片上并滲透到硅表面，這引起硅表面甚至在室溫下就發(fā)生氧化。天然氧化層的厚度隨曝露時間的增長而增加。硅片表面無自然氧化層對半導體性能和可靠性是非常重要的。自然氧化層將妨礙其他工藝步驟，如硅片上單晶薄膜的生長和超薄柵氧化層的生長。自然氧化層也包含了某些金屬雜質，它們可以向硅中轉移并形成電學缺陷。當前12頁，總共34頁。自然氧化層引起的另一個問題在于金屬導體的接觸區(qū)。接觸使得互連與半導體器件的源區(qū)及漏區(qū)保持電學連接。如果有自然氧化層存在，將增加接觸電阻，減少甚至可能阻止電流流過（見圖）。當前13頁，總共34頁。靜電釋放靜電釋放（ESD）也是一種形式的沾污，因為它是靜電荷從一個物體向另一個物體未經控制地轉移，可能損壞微芯片。ESD產生于兩種不同靜電勢的材料接觸或摩擦。帶過剩負電荷的原子被相鄰的帶正電荷的原子吸引。這種吸引產生的電流泄放電壓可以高達幾萬伏。

半導體制造中特別容易產生靜電釋放，因為硅片加工保持在較低的濕度中，典型條件為40％±10％相對濕度（RH）。這種條件容易使較高級別的靜電荷生成。雖然增加相對濕度可以減少靜電生成，但是也會增加侵蝕帶來的沾污，因而這種方法并不實用。當前14頁，總共34頁。盡管ESD發(fā)生時轉移的靜電總量通常很?。{庫侖級別），然而放電的能量積累在硅片上很小的一個區(qū)域內。發(fā)生在幾個納秒的靜電釋放能產生超過1A的峰值電流，簡直可以蒸發(fā)金屬導體連線和穿透氧化層。放電也可能成為柵氧化層擊穿的誘因。ESD帶來的另一個重大問題在于，一旦硅片表面有了電荷積累，它產生的電場就能吸引帶電顆?；驑O化并吸引中性顆粒到硅片表面（見圖所示）。電視屏幕能吸引灰塵就是一個例子。此外，顆粒越小，靜電對它的吸引作用就越明顯。隨著器件關鍵尺寸的縮小，ESD對更小顆粒的吸引變得重要起來，能產生致命缺陷。為減小顆粒沾污，硅片放電必須得到控制。當前15頁，總共34頁。沾污的源與控制加工硅片的凈化間必須嚴格控制沾污以減小危害微芯片性能的致命缺陷。幾乎每一接觸硅片的物體都是潛在的沾污來源。硅片生產廠房的7種沾污為：空氣人廠房水工藝用化學品工藝氣體生產設備當前16頁，總共34頁?？諝鈨艋墑e標定了凈化間的空氣質量級別，它是由凈化室空氣中的顆粒尺寸荷密度表征的。這一數字描述了要怎樣控制顆粒以減少顆粒沾污。凈化級別起源于美國聯邦標準209。表展示了不同凈化間凈化級別每立方英尺可以接受的顆粒數荷顆粒尺寸。當前17頁，總共34頁。人人是顆粒的產生者。人員持續(xù)不斷地進入凈化間，是凈化間沾污的最大來源。人類顆粒來源如表所示。當前18頁，總共34頁。為了減少人類帶來的沾污，使用了超凈服，制定了凈化間操作規(guī)程。當前19頁，總共34頁。當前20頁，總共34頁。廠房為使半導體制造在一個超潔凈的環(huán)境中進行，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。有三種基本的策略用于消除凈化間顆粒：1.從未受顆粒沾污的凈化間著手開始。2.盡可能減少通過設備、器具、人員和凈化間供給引入的顆粒。3.持續(xù)監(jiān)控凈化間的顆粒，定期反饋信息和維護清潔。當前21頁，總共34頁。凈化間布局由早期的舞廳式布局到了現在的間格和夾層布局。早期凈化間的舞廳式布局當前22頁，總共34頁。凈化間間格和夾層的概念當前23頁，總共34頁。氣流原理為了實現凈化間的超凈環(huán)境，氣流種類式關鍵的。層狀氣流意味著氣流式平滑的，無湍流氣流模式（見圖）。當前24頁，總共34頁?？諝膺^濾圖是空氣過濾系統(tǒng)的簡化圖。當前25頁，總共34頁。溫度和濕度對硅片加工設備溫度和濕度的設定有特別的規(guī)定。一個1級0.3um凈化間溫度控制的例子是68％±0.5°F。相對濕度（RH）很重要，因為它對侵蝕有貢獻。典型的RH設定為40％±10％。靜電釋放多數靜電釋放（ESD）可以通過合理運用設備和規(guī)程得到控制。主要的ESD控制方法有：靜電消耗性的凈化間材料ESD接地空氣電離當前26頁，總共34頁。水為了制造半導體，需要大量的高質量、超純去離子（DI）水（UPW）。據估計在1條現代的200mm工藝線中，制造每個硅片的去離子水消耗量達到2000加侖。超純去離子水中不允許的沾污有：溶解離子有機材料顆粒細菌硅土溶解氧當前27頁，總共34頁。圖展示了水中的各種顆粒及其尺寸當前28頁，總共34頁。去離子水裝置去離子水裝置包含兩個凈化水的主要部分，稱為補償循環(huán)和精加工回路（見圖所示）。當前29頁，總共34頁。工藝用化學品為保證個成功的器件成品率和性能，半導體工藝所用的液態(tài)化學品必須不含沾污。用檢定數來鑒別化學純度，它指的是容器中特定化學物的百分比。過濾器用來防止傳送時分解或再循環(huán)時用來保持化學純度。過濾器應該安置再適當的地方，盡可能靠近工藝室使用現場過濾。不同過濾器分類如下：顆粒過濾：適用于大約1.5um以上顆粒的深度型過濾（見圖16）。微過濾：用于去除液態(tài)中0.1到0.5um的范圍顆粒的膜過濾。超過濾：用于阻擋大約0.005到0.1um尺寸大分子的加壓膜過濾。反滲透：也被稱為超級過濾。它是一個加壓的處理方案，輸送液體通過一層半滲透膜，過濾掉小至0.005um的顆粒和金屬離子。當前30頁，總共34頁。膜過濾使用聚合物薄膜或者帶有細小滲透孔的陶瓷作為過濾器媒質（見圖）。深度型過濾器膜過濾器當前31頁，總共34頁。生產設備用來制造半導體硅片的生產設備是硅片廠中最大的顆粒來源。在硅片制造過程中，硅片從片架重復地轉入設備中，經過多臺裝置的操作，卸下返回到片架中，又被送交下一工作臺。為了制造一個硅片，這一序列反復重復達450次或更多的次數，把硅片曝露在不同設備的許多機械和化學加工過程中。許多硅片制造過程發(fā)生在真空中，需要特殊的設計考慮以避免沾污。下面是工藝設備中各種顆粒沾污來源的一些例子。剝落的副產物積累在腔壁上自動化的硅片裝卸和傳送機械操作，如旋轉手柄和開光閥門真空環(huán)境的抽取和排放清洗和維護過程當前32頁，總共34頁。制造過程中，擋硅片曝露于更多