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目前一頁\總數(shù)三十四頁\編于七點優(yōu)選第十一章硅片制造中的沾污控制目前二頁\總數(shù)三十四頁\編于七點現(xiàn)代半導(dǎo)體制造是在稱為凈化間的成熟設(shè)施中進(jìn)行的。這種硅片制造設(shè)備與外部環(huán)境隔離，免受諸如顆粒、金屬、有機(jī)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(jìn)測試儀器的檢測水平范圍內(nèi)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(dǎo)體制造的硅片生產(chǎn)設(shè)施免受沾污。目前三頁\總數(shù)三十四頁\編于七點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)。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(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。據(jù)估計80％的芯片電學(xué)失效是由沾污帶來的缺陷引起的。電學(xué)失效引起成品率損失，導(dǎo)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(zhì)有機(jī)物沾污自然氧化層靜電釋放（ESD）目前四頁\總數(shù)三十四頁\編于七點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(zhì)。從鵝卵石到原子的各種顆粒的相對尺寸分布如圖所示。目前五頁\總數(shù)三十四頁\編于七點顆粒帶來的問題有引起電路開路或短路如圖的短路。目前六頁\總數(shù)三十四頁\編于七點半導(dǎo)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。目前七頁\總數(shù)三十四頁\編于七點金屬雜質(zhì)硅片加工廠的沾污也可能來自金屬化合物。危害半導(dǎo)體工藝的典型金屬雜質(zhì)是堿金屬，它們在普通化學(xué)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(yán)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?nèi)菀资ヒ粋€價電子成為陽離子，與非金屬的陰離子反應(yīng)形成離子化合物。目前八頁\總數(shù)三十四頁\編于七點金屬雜質(zhì)導(dǎo)致了半導(dǎo)體雜質(zhì)中器件成品率的減少，包括氧化物－多晶硅柵結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)性缺陷。額外的問題包括pn結(jié)上泄露電流的增加以及少數(shù)載流子壽命的減少?？蓜与x子沾污（MIC）能遷移到柵結(jié)構(gòu)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(zhì)活潑，金屬離子可以在電學(xué)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(dǎo)體制造的一個主要目標(biāo)是減少與金屬雜質(zhì)和MIC的接觸。目前九頁\總數(shù)三十四頁\編于七點目前十頁\總數(shù)三十四頁\編于七點有機(jī)沾污有機(jī)物沾污是指那些包含炭的物質(zhì)，幾乎總是同炭自身及氫結(jié)合在一起，有時也和其他元素結(jié)合在一起。有機(jī)物沾污的一些來源包括細(xì)菌、潤滑劑、蒸汽、清潔劑、溶劑和潮氣等?，F(xiàn)在用于硅片加工的設(shè)備使用不需要潤滑劑的組件來設(shè)計，例如，無油潤滑泵或軸承等。在特定工藝條件下，微量有機(jī)物沾污能降低柵氧化層材料的致密性。工藝過程中有機(jī)材料給半導(dǎo)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(zhì)之類的沾污在清洗之后仍完整保留在硅片表面。目前十一頁\總數(shù)三十四頁\編于七點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(nèi)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(dǎo)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(zhì)，它們可以向硅中轉(zhuǎn)移并形成電學(xué)缺陷。目前十二頁\總數(shù)三十四頁\編于七點自然氧化層引起的另一個問題在于金屬導(dǎo)體的接觸區(qū)。接觸使得互連與半導(dǎo)體器件的源區(qū)及漏區(qū)保持電學(xué)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）。目前十三頁\總數(shù)三十四頁\編于七點靜電釋放靜電釋放（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(jīng)控制地轉(zhuǎn)移，可能損壞微芯片。ESD產(chǎn)生于兩種不同靜電勢的材料接觸或摩擦。帶過剩負(fù)電荷的原子被相鄰的帶正電荷的原子吸引。這種吸引產(chǎn)生的電流泄放電壓可以高達(dá)幾萬伏。

半導(dǎo)體制造中特別容易產(chǎn)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。目前十四頁\總數(shù)三十四頁\編于七點盡管ESD發(fā)生時轉(zhuǎn)移的靜電總量通常很小（納庫侖級別），然而放電的能量積累在硅片上很小的一個區(qū)域內(nèi)。發(fā)生在幾個納秒的靜電釋放能產(chǎn)生超過1A的峰值電流，簡直可以蒸發(fā)金屬導(dǎo)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(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（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(guān)鍵尺寸的縮小，ESD對更小顆粒的吸引變得重要起來，能產(chǎn)生致命缺陷。為減小顆粒沾污，硅片放電必須得到控制。目前十五頁\總數(shù)三十四頁\編于七點沾污的源與控制加工硅片的凈化間必須嚴(yán)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(chǎn)廠房的7種沾污為：空氣人廠房水工藝用化學(xué)品工藝氣體生產(chǎn)設(shè)備目前十六頁\總數(shù)三十四頁\編于七點空氣凈化級別標(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荷密度表征的。這一數(shù)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(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)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(shù)荷顆粒尺寸。目前十七頁\總數(shù)三十四頁\編于七點人人是顆粒的產(chǎn)生者。人員持續(xù)不斷地進(jìn)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。目前十八頁\總數(shù)三十四頁\編于七點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。目前十九頁\總數(shù)三十四頁\編于七點目前二十頁\總數(shù)三十四頁\編于七點廠房為使半導(dǎo)體制造在一個超潔凈的環(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。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(shè)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(hù)清潔。目前二十一頁\總數(shù)三十四頁\編于七點凈化間布局由早期的舞廳式布局到了現(xiàn)在的間格和夾層布局。早期凈化間的舞廳式布局目前二十二頁\總數(shù)三十四頁\編于七點凈化間間格和夾層的概念目前二十三頁\總數(shù)三十四頁\編于七點氣流原理為了實現(xiàn)凈化間的超凈環(huán)境，氣流種類式關(guān)鍵的。層狀氣流意味著氣流式平滑的，無湍流氣流模式（見圖）。目前二十四頁\總數(shù)三十四頁\編于七點空氣過濾圖是空氣過濾系統(tǒng)的簡化圖。目前二十五頁\總數(shù)三十四頁\編于七點溫度和濕度對硅片加工設(shè)備溫度和濕度的設(shè)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(xiàn)。典型的RH設(shè)定為40％±10％。靜電釋放多數(shù)靜電釋放（ESD）可以通過合理運用設(shè)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接地空氣電離目前二十六頁\總數(shù)三十四頁\編于七點水為了制造半導(dǎo)體，需要大量的高質(zhì)量、超純?nèi)ルx子（DI）水（UPW）。據(jù)估計在1條現(xiàn)代的200mm工藝線中，制造每個硅片的去離子水消耗量達(dá)到2000加侖。超純?nèi)ルx子水中不允許的沾污有：溶解離子有機(jī)材料顆粒細(xì)菌硅土溶解氧目前二十七頁\總數(shù)三十四頁\編于七點圖展示了水中的各種顆粒及其尺寸目前二十八頁\總數(shù)三十四頁\編于七點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）。目前二十九頁\總數(shù)三十四頁\編于七點工藝用化學(xué)品為保證個成功的器件成品率和性能，半導(dǎo)體工藝所用的液態(tài)化學(xué)品必須不含沾污。用檢定數(shù)來鑒別化學(xué)純度，它指的是容器中特定化學(xué)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(xué)純度。過濾器應(yīng)該安置再適當(dāng)?shù)牡胤?，盡可能靠近工藝室使用現(xiàn)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。目前三十頁\總數(shù)三十四頁\編于七點膜過濾使用聚合物薄膜或者帶有細(xì)小滲透孔的陶瓷作為過濾器媒質(zhì)（見圖）。深度型過濾器膜過濾器目前三十一頁\總數(shù)三十四頁\編于七點生產(chǎn)設(shè)備用來制造半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)設(shè)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(fù)地轉(zhuǎn)入設(shè)備中，經(jīng)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(fù)重復(fù)達(dá)450次或更多的次數(shù)，把硅片曝露在不同設(shè)備的許多機(jī)械和化學(xué)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(shè)計考慮以避免沾污。下面是工藝設(shè)備中各種顆粒沾污來源的一些例子。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(jī)械操作，如旋轉(zhuǎn)手柄和開光閥門真空環(huán)境的抽取和排放清洗和維護(hù)過程目前三十二頁\總數(shù)三十四頁\編于七點制造過程中，擋硅片曝露于更多的設(shè)備