微電子10si片制造中的污染控制課件

污染控制

為使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造中的沾污是絕對(duì)必要的。隨著器件關(guān)鍵尺寸縮小，對(duì)沾污的控制要求變得越來(lái)越嚴(yán)格。將學(xué)習(xí)硅片制造中各種類(lèi)型的重要沾污、它們的來(lái)源以及怎樣有效控制沾污以制造包含最小沾污誘生缺陷的高性能集成電路。一個(gè)硅片表面具有多個(gè)微芯片，每個(gè)芯片又差不多有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的器件和互連線路，它們對(duì)沾污都非常敏感。隨著芯片的特征尺寸為適應(yīng)更高性能和更高集成度的要求而縮小，控制表面沾污的需求變得越來(lái)越關(guān)鍵（見(jiàn)圖）。為實(shí)現(xiàn)沾污控制，所有的硅片制備都要在沾污控制嚴(yán)格的凈化間內(nèi)完成。污染控制為使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造現(xiàn)代半導(dǎo)體制造是在稱(chēng)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(lái)講，那意味著這些沾污在最先進(jìn)測(cè)試儀器的檢測(cè)水平范圍內(nèi)都檢測(cè)不到。凈化間還意味著遵循廣泛的規(guī)程和實(shí)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?，F(xiàn)代半導(dǎo)體制造是在稱(chēng)為凈化間的成熟設(shè)施中進(jìn)行的。這種硅片制造沾污的類(lèi)型沾污是指半導(dǎo)體制造過(guò)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(lèi)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(wú)法通過(guò)電學(xué)測(cè)試的原因。據(jù)估計(jì)80％的芯片電學(xué)失效是由沾污帶來(lái)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(bào)廢以及很高的芯片制造成本。凈化間沾污分為五類(lèi)：顆粒金屬雜質(zhì)有機(jī)物沾污自然氧化層靜電釋放（ESD）沾污的類(lèi)型沾污是指半導(dǎo)體制造過(guò)程中引入半導(dǎo)體硅片的任何危害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(chēng)為浮質(zhì)。從鵝卵石到原子的各種顆粒的相對(duì)尺寸分布如圖所示。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顆粒帶來(lái)的問(wèn)題有引起電路開(kāi)路或短路。如圖的短路:顆粒帶來(lái)的問(wèn)題有引起電路開(kāi)路或短路。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(gè)尺寸的顆粒會(huì)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(lèi)頭發(fā)對(duì)0.18um顆粒的相對(duì)尺寸。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,是它金屬雜質(zhì)硅片加工廠的沾污也可能來(lái)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?cè)谄胀ɑ瘜W(xué)品和工藝都很常見(jiàn)。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(jiàn)表）。堿金屬來(lái)自周期表中的IA族，是極端活潑的元素，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀资ヒ粋€(gè)價(jià)電子成為陽(yáng)離子，與非金屬的陰離子反應(yīng)形成離子化合物。金屬雜質(zhì)硅片加工廠的沾污也可能來(lái)自金屬化合物。危害半導(dǎo)體工金屬雜質(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(wèn)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。可動(dòng)離子沾污（MIC）能遷移到柵結(jié)構(gòu)的氧化硅界面，改變開(kāi)啟晶體管所需的閾值電壓（見(jiàn)圖）。由于它們的性質(zhì)活潑，金屬離子可以在電學(xué)測(cè)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。半導(dǎo)體制造的一個(gè)主要目標(biāo)是減少與金屬雜質(zhì)和MIC的接觸。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－多晶微電子10si片制造中的污染控制課件有機(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(shí)也和其他元素結(jié)合在一起。有機(jī)物沾污的一些來(lái)源包括細(xì)菌、潤(rùn)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(rùn)滑劑的組件來(lái)設(shè)計(jì)，例如，無(wú)油潤(rùn)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(guò)程中有機(jī)材料給半導(dǎo)體表面帶來(lái)的另一問(wèn)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(lèi)的沾污在清洗之后仍完整保留在硅片表面。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(chēng)為自然氧化層。硅片上最初的自然氧化層生長(zhǎng)始于潮濕。當(dāng)硅片表面曝露在空氣中時(shí)，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(shí)間的增長(zhǎng)而增加。硅片表面無(wú)自然氧化層對(duì)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(zhǎng)和超薄柵氧化層的生長(zhǎng)。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。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，硅片自然氧化層引起的另一個(gè)問(wèn)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(guò)（見(jiàn)圖）。自然氧化層引起的另一個(gè)問(wèn)題在于金屬導(dǎo)體的接觸區(qū)。接觸使得互連靜電釋放靜電釋放（ESD）也是一種形式的沾污，因?yàn)樗庆o電荷從一個(gè)物體向另一個(gè)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(shì)的材料接觸或摩擦。帶過(guò)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(wàn)伏。

半導(dǎo)體制造中特別容易產(chǎn)生靜電釋放，因?yàn)楣杵庸け３衷谳^低的濕度中，典型條件為40％±10％相對(duì)濕度（RH）。這種條件容易使較高級(jí)別的靜電荷生成。雖然增加相對(duì)濕度可以減少靜電生成，但是也會(huì)增加侵蝕帶來(lái)的沾污，因而這種方法并不實(shí)用。靜電釋放靜電釋放（ESD）也是一種形式的沾污，因?yàn)樗庆o電盡管ESD發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)移的靜電總量通常很?。{庫(kù)侖級(jí)別），然而放電的能量積累在硅片上很小的一個(gè)區(qū)域內(nèi)。發(fā)生在幾個(gè)納秒的靜電釋放能產(chǎn)生超過(guò)1A的峰值電流，簡(jiǎn)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(lái)的另一個(gè)重大問(wèn)題在于，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（見(jiàn)圖所示）。電視屏幕能吸引灰塵就是一個(gè)例子。此外，顆粒越小，靜電對(duì)它的吸引作用就越明顯。隨著器件關(guān)鍵尺寸的縮小，ESD對(duì)更小顆粒的吸引變得重要起來(lái)，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。盡管ESD發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)移的靜電總量通常很小（納庫(kù)侖級(jí)別），然而放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(lái)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空氣凈化級(jí)別標(biāo)定了凈化間的空氣質(zhì)量級(jí)別，它是由凈化室空氣中的顆粒尺寸和密度表征的。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(jí)別起源于美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209。表展示了不同凈化間凈化級(jí)別每立方英尺可以接受的顆粒數(shù)和顆粒尺寸?？諝鈨艋?jí)別標(biāo)定了凈化間的空氣質(zhì)量級(jí)別，它是由凈化室空氣中人人是顆粒的產(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(lái)源。人類(lèi)顆粒來(lái)源如表所示。人人是顆粒的產(chǎn)生者。人員持續(xù)不斷地進(jìn)入凈化間，是凈化間沾污為了減少人類(lèi)帶來(lái)的沾污，使用了超凈服，制定了凈化間操作規(guī)程。為了減少人類(lèi)帶來(lái)的沾污，使用了超凈服，制定了凈化間操作規(guī)程。微電子10si片制造中的污染控制課件廠房為使半導(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(lái)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(kāi)始。2.盡可能減少通過(guò)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。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)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。早期凈化間間格和夾層的概念凈化間間格和夾層的概念氣流原理為了實(shí)現(xiàn)凈化間的超凈環(huán)境，氣流種類(lèi)是關(guān)鍵的。層狀氣流意味著氣流是平滑的，無(wú)湍流氣流模式（見(jiàn)圖）。氣流原理為了實(shí)現(xiàn)凈化間的超凈環(huán)境，氣流種類(lèi)是關(guān)鍵的。層狀氣空氣過(guò)濾圖是空氣過(guò)濾系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。

空氣過(guò)濾圖是空氣過(guò)濾系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。溫度和濕度對(duì)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(gè)1級(jí)0.3um凈化間溫度控制的例子是68％±0.5°F。相對(duì)濕度（RH）很重要，因?yàn)樗鼘?duì)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(guò)合理運(yùn)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接地空氣電離溫度和濕度對(duì)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(gè)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(jì)在1條現(xiàn)代的200nm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。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（圖展示了水中的各種顆粒及其尺寸圖展示了水中的各種顆粒及其尺寸去離子水裝置去離子水裝置包含兩個(gè)凈化水的主要部分，稱(chēng)為補(bǔ)償循環(huán)和精加工回路（見(jiàn)圖所示）。去離子水裝置去離子水裝置包含兩個(gè)凈化水的主要部分，稱(chēng)為補(bǔ)償工藝用化學(xué)品為保證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(lái)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(guò)濾器用來(lái)防止傳送時(shí)分解或再循環(huán)時(shí)用來(lái)保持化學(xué)純度。過(guò)濾器應(yīng)該安置在適當(dāng)?shù)牡胤?，盡可能靠近工藝室使用現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾。不同過(guò)濾器分類(lèi)如下：顆粒過(guò)濾：適用于大約1.5um以上顆粒的深度型過(guò)濾（見(jiàn)圖16）。微過(guò)濾：用于去除液態(tài)中0.1到0.5um的范圍顆粒的膜過(guò)濾。超過(guò)濾：用于阻擋大約0.005到0.1um尺寸大分子的加壓膜過(guò)濾。反滲透：也被稱(chēng)為超級(jí)過(guò)濾。它是一個(gè)加壓的處理方案，輸送液體通過(guò)一層半滲透膜，過(guò)濾掉小至0.005um的顆粒和金屬離子。工藝用化學(xué)品為保證成功的器件成品率和性能，半導(dǎo)體工藝所用的膜過(guò)濾使用聚合物薄膜或者帶有細(xì)小滲透孔的陶瓷作為過(guò)濾器媒質(zhì)（見(jiàn)圖）。深度型過(guò)濾器膜過(guò)濾器膜過(guò)濾使用聚合物薄膜或者帶有細(xì)小滲透孔的陶瓷作為過(guò)濾器媒質(zhì)深生產(chǎn)設(shè)備用來(lái)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(lái)源。在硅片制造過(guò)程中，硅片從片架重復(fù)地轉(zhuǎn)入設(shè)備中，經(jīng)過(guò)多臺(tái)裝置的操作，卸下返回到片架中，又被送交下一工作臺(tái)。為了制造一個(gè)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(guò)程中。許多硅片制造過(guò)程發(fā)生在真空中，需要特殊的設(shè)計(jì)考慮以避免沾污。下面是工藝設(shè)備中各種顆粒沾污來(lái)源的一些例子。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(kāi)光閥門(mén)真空環(huán)境的抽取和排放清洗和維護(hù)過(guò)程生產(chǎn)設(shè)備用來(lái)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(lái)制造過(guò)程中，擋硅片曝露于更多的設(shè)備操作時(shí)，硅片表面的顆粒數(shù)將增加（見(jiàn)圖所示）。制造過(guò)程中，擋硅片曝露于更多的設(shè)備操作時(shí)，硅片表面的顆粒數(shù)將工作臺(tái)設(shè)計(jì)在工藝設(shè)備中，采用適當(dāng)?shù)牟牧蟻?lái)設(shè)計(jì)工作臺(tái)是獲得超潔凈的凈化室所必需的。所有的材料都釋放一些顆粒，目標(biāo)是把釋放降低在可以接受的水平上。光滑、高度拋光的表面是減少顆粒沾污最好的方法。不銹鋼是廣泛采用的工作臺(tái)面和凈化間的設(shè)備材料。經(jīng)過(guò)適當(dāng)加工，不銹鋼具有相對(duì)較低的顆粒釋放率。電解拋光是最后的關(guān)鍵步驟。工作臺(tái)設(shè)計(jì)在工藝設(shè)備中，采用適當(dāng)?shù)牟牧蟻?lái)設(shè)計(jì)工作臺(tái)是獲得超工作臺(tái)設(shè)計(jì)穿壁式裝置－在這種處理中，設(shè)備的主要部分位于生產(chǎn)區(qū)后面的服務(wù)夾層中（見(jiàn)圖）。只有用戶界面操作平臺(tái)和硅片架位于生產(chǎn)線內(nèi)。這種配置隔離開(kāi)了設(shè)備與夾層中的服務(wù)區(qū)，這是一種低級(jí)別沾污的典型。

工作臺(tái)設(shè)計(jì)穿壁式裝置－在這種處理中，設(shè)備的主要部分位于生工作臺(tái)設(shè)計(jì)控制－從半導(dǎo)體制造早期到20世紀(jì)70年代，硅片通過(guò)鑷子或真空棒手工控制。隨著器件尺寸縮小，手工控制引起顆粒沾污并產(chǎn)生致命缺陷。最終制造商使用片架在設(shè)備間傳送硅片，用輸送帶系統(tǒng)和升降機(jī)來(lái)拾起并在設(shè)備間送入、送出硅片（見(jiàn)圖）。片架被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生顆粒最少、具有靜電耗散性和最小的化學(xué)物釋放。

工作臺(tái)設(shè)計(jì)控制