半導體硅片制造中的沾污及控制課件

1、半導體硅片制造中的沾污及控制半導體硅片制造中的沾污及控制一、引言 半導體器件極易受到多種沾污的損害，隨著半導體制造業(yè)的發(fā)展，顆粒污染對成品率的影響越來越大，因此需要對生產(chǎn)過程中影響成品率的顆粒污染進行有效控制。 一、引言 半導體器件極易受到多種沾污的損害，隨著半導體氧化層沾污沾污導致工藝異常氧化層沾污沾污導致工藝異常 沾污經(jīng)常導致有缺陷的芯片，致命的缺陷是導致硅片上的芯片無法通過電學測試的原因。據(jù)估計80的芯片電學失效是由沾污帶來的缺陷引起的，電學失效引起的成品率損失，導致硅片上的管芯報廢，以及很高的芯片制造成本。 沾污經(jīng)常導致有缺陷的芯片，致命的缺陷是導致 為了使芯片上的器件功能正常，避免硅

2、片制造中的沾污是絕對必要的。隨著器件關鍵尺寸的縮小，對沾污的控制要求變得越來越嚴格。主要是讓大家了解硅片制造過程中的各類型的重要沾污、它們的來源以及怎樣有效的控制沾污。 為了使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造中的二、簡介 什么是沾污： 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)。二、簡介 什么是沾污： 三、沾污的類型 凈化間的沾污分為5類： 1、顆粒 2、金屬雜質(zhì) 3、有機物沾污 4、自然氧化層 5、靜電釋放（ESD) 三、沾污的類型 凈化間的沾污分為5類：1、顆粒顆粒是能黏附在硅片表面的小物體。 半導體器件對于污染的敏感度取決于較小的特征尺寸，目

3、前的量度尺寸已降到亞微米級。1微米（UM)是非常小的，1厘米等于10000微米。人的毛發(fā)直徑為90微米.毛發(fā)直徑90微米1微米1、顆粒顆粒是能黏附在硅片表面的小物體。人的毛發(fā)直徑為90微 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。 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 顆粒帶來的問題:對于半導體制造，我們的目標是控制并減少硅片與顆粒的接觸。在硅片制造過程中，顆粒能夠引起電路開路或者短路。他們能在相鄰導體間引起短路。顆粒還可以是其他類型沾污的來源。 如下圖的人類頭發(fā)對可以影響到產(chǎn)品質(zhì)量的0.18um顆粒的相對

4、尺寸。 顆粒帶來的問題:對于半導體制造，我們的目標是控制并減 照片 照片2、金屬雜質(zhì) 硅片加工廠的沾污也可能來自金屬化合物，危害半導體工藝的典型金屬雜質(zhì)是堿金屬，他們在普通化學品和工藝中都很常見。這些金屬在所有用于硅片加工的材料中都要嚴格控制，堿金屬是極端活潑的元素，因為他們?nèi)菀资ヒ粋€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。 2、金屬雜質(zhì) 硅片加工廠的沾污也可能來自金屬化 金屬離子在半導體材料中是高度活動性的，被稱為可動離子沾污。當離子沾污引入到硅片中時，在整個硅片中移動，嚴重損害器件電學性能和長期可靠性，未經(jīng)過處理的化學品中的鈉是典型的、最為普遍的離子沾污之一，人充當了他的運

5、送者，人體以液態(tài)形式包含了高濃度的鈉（例如，唾液、眼淚、汗液等）。鈉沾污在硅片加工中被嚴格控制。 金屬離子在半導體材料中是高度活動性的，被稱為金屬雜質(zhì)帶來的問題 金屬雜質(zhì)導致了半導體制造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)上泄漏電流的增加以及少數(shù)載流子壽命的減少。離子沾污能遷移到柵結(jié)構(gòu)中的氧化硅界面，改變開啟晶體管所需要的閾值電壓。由于它們的性質(zhì)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，引起器件在使用器件失效。半導體制造的一個主要目標是減少與金屬雜質(zhì)和可動離子沾污的接觸。金屬雜質(zhì)帶來的問題 金屬雜質(zhì)導致了半導體半導體硅片制造中的沾污及控制

6、課件3、有機物沾污 有機物沾污是指那些包含碳的物質(zhì)，幾乎總是同碳自身及氫結(jié)合在一起，有時也和其他元素結(jié)合在一起。有機物沾污的一些來源包括細菌、潤滑劑、蒸汽、清潔劑、溶劑、潮氣等?，F(xiàn)在用于硅片加工的設備使用不需要潤滑劑的組件來設計。 有機物沾污帶來的問題：在特定工藝條件下，微量有機物沾污能夠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個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。3、有機物沾污 有機物沾污是指那些包含碳4、自然氧化層 如果曝露于室溫下的空氣或含溶解氧的去離子水中，硅片的表面將被氧化。這一薄氧化層稱之為自然氧化層。

7、硅片上最初的自然氧化層生長始于潮濕。當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片表面，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。4、自然氧化層 如果曝露于室溫下的空氣或含自然氧化層帶來的問題 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(zhì)，他們可以向硅中轉(zhuǎn)移并形成電學缺陷。 自然氧化層引起的另一個問題在于金屬導體的接觸區(qū)。接觸使得相互連線與半導體器件的源區(qū)及漏區(qū)保持電學連接。如果有自然氧化層的存在，將增加接觸電阻，減少甚

8、至可能阻止電流流過。 自然氧化層需要通過使用含HF酸的混和液的清晰步驟去除。抑止自然氧化層的另一個方法是把多步工序集成在一個包含了高真空室的多腔體設備中，這樣硅片就不會曝露于大氣和潮濕的環(huán)境中。自然氧化層帶來的問題 硅片表面無自然氧化5、靜電釋放 靜電釋放（ESD）也是一種形式的沾污，因為他是靜電荷從一個物體向另一個物體未經(jīng)控制地轉(zhuǎn)移，可能損壞微芯粒。ESD產(chǎn)生于兩種不同靜電勢地材料接觸或摩擦。帶過剩負電荷地原子被相鄰地帶正電荷地原子吸引。這種由吸引產(chǎn)生地電流泄放電壓可高達幾萬伏。 半導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地濕度中，典型條件為4010相對濕度（RH）。這種條件容

9、易使較高級別地靜電荷生成。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地沾污，因而這種方法并不實用。5、靜電釋放 靜電釋放（ESD）也是一靜電釋放帶來地問題 盡管靜電釋放發(fā)生時轉(zhuǎn)移地靜電總量通常很小，然而放電地能量積累在硅片上很小地一個區(qū)域內(nèi)。發(fā)生在幾個納秒內(nèi)地靜電釋放能產(chǎn)生超過1A地峰值電流，簡直可以蒸發(fā)金屬導體連線荷穿透氧化層。放電也可能成為柵氧化層擊穿地誘因。靜電釋放帶來地另一個重大問題在于，一旦硅片表面有了電荷積累，它產(chǎn)生地電場就能吸引帶電顆?；驑O化并吸引中性顆粒到硅片表面。電視屏幕能吸引灰塵就是個例子。此外，顆粒越小，靜電對它地吸引作用越明顯。隨著器件關鍵尺寸地縮小，ESD

10、對更小顆粒地吸引變得重要起來，能產(chǎn)生致命缺陷。為了減少顆粒沾污，硅片放電必須控制。靜電釋放帶來地問題 盡管靜電釋放發(fā)生時靜電吸附靜電放電靜電吸附靜電放電A 日本對不合格的電子產(chǎn)品進行解剖分析,發(fā)現(xiàn)不合格的器件45%是由靜電造成。B 美國的電子產(chǎn)品由于靜電導致的損失每年達到100億美圓。C 靜電對于器件的損壞，10%是災難性的損壞，90%是潛在性的損壞。D 對于電子行業(yè)：產(chǎn)品失效（較低的可靠性）、高退貨率（高成本）、客戶抱怨、高成本。靜電對電子生產(chǎn)制造業(yè)的危害A 日本對不合格的電子產(chǎn)品進行解剖分析,發(fā)現(xiàn)不合格的四、沾污地源與控制硅片生產(chǎn)廠房的7中沾污源 空氣 人 廠房 水 工藝用化學品 工藝氣體

11、 生產(chǎn)設備四、沾污地源與控制硅片生產(chǎn)廠房的7中沾污源空氣 凈化間最基本的概念就是硅片工廠空氣中的顆粒控制。我們通常所呼吸的空氣是不能應用于半導體制造的，因為它包含了太多的漂浮沾污。這些微小的浮質(zhì)在空氣中漂浮并停留很長時間，淀積在硅片表面引起沾污并帶來致命缺陷。 凈化級別標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和密度表征的?？諝?凈化間最基本的概念就是硅片工廠空氣凈化級別是指每立方英尺可以接受的顆粒數(shù)。如下：級別0.1微米0.2微米0.3微米0.5微米5微米1357.731103507530101007503001001000100071000010 00070100000100

12、 000700凈化級別是指每立方英尺可以接受的顆粒數(shù)。如下：級別0.1微米電子工業(yè)潔凈度等級試行規(guī)定 潔凈室等級 潔凈度 溫度（） 相對濕度（%） 正壓值（帕） 噪聲 適用范圍 粒徑（微米） 濃度（粒/升） 最高 最低 最高 最低 逐級相差66.661 （A聲級分貝） （以集成電路工藝為例） 1級 0.5 1 27186040同上 70 超大規(guī)模、大規(guī)模集成電路的光刻制版 10級 0.5 10 27186040同上 70 光刻、制版 100級 0.5 100 27186040同上 70 擴散、氧化 1000級 0.5 1000 27186040同上 70 封裝、壓焊 10000級 0.5 10

13、000 27186040同上 70 腐蝕、篩選 電子工業(yè)潔凈度等級試行規(guī)定 潔凈室等級 潔凈度 溫度（） 按器件產(chǎn)品種類和要求所采用的潔凈標準 10級 光刻 10-100級 制版中精縮、顯影 1000級 芯片工藝中的氧化、擴散、金屬化、清洗 10000-100000級 中測、劃片 100000級 組裝、壓焊 100000級以下 封裝以后的各工序 按器件產(chǎn)品種類和要求所采用的潔凈標準 10級 光刻 10-1 人 人是顆粒的產(chǎn)生者。人員持續(xù)不斷的進出凈化間，是凈化間沾污的最大來源。顆粒來自于頭發(fā)和頭發(fā)用品（噴霧、發(fā)膠）、衣物纖維屑、皮屑等。一個人平均每天釋放1盎司（1盎司28.35克）顆粒，這驚人

14、地達到每分鐘10 000 000個尺寸等于或大于0.3微米地顆粒。 人 顆粒來源每分鐘大于0.3微米的平均顆粒數(shù)靜止（坐或站）100 000移動手、臂、脖子、軀干、頭等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顆粒來源每分鐘大于0.3微米的平均顆粒數(shù)靜止（坐或站）100人員對環(huán)境的影響 操作人員穿戴 使周圍塵埃增加倍數(shù)0.2-50m 操作人員本身 使周圍塵埃增加倍數(shù) 操作人員的運動 使周圍塵埃增加倍數(shù) 攪動衣服袖 1.5-3 正常呼吸 無 幾個人聚集在一起 1.5-3 無衣帽 10-50 吸煙20分鐘后

15、25正常步行 1.2-2 有衣帽 1.5-20 噴嚏 520快步行走 510從口袋取手帕 3-10摩擦手或皮膚 0-2 平穩(wěn)坐著 0-2 人員對環(huán)境的影響 操作人員穿戴 使周圍塵埃增加倍數(shù)0.2-5 硅片加工中的簡單活動，如開門關門或在工藝設備周圍過度活動，都會產(chǎn)生顆粒沾污。通常的人類活動，如談話、咳嗽、打噴嚏，對半導體都是有害的。 從以上所列數(shù)據(jù)，可清楚地看到操作人員地衣著和行動對環(huán)境潔凈度的影響，所以潔凈區(qū)要限制人數(shù)，而且潔凈區(qū)工作人員應注意以下事項。 進入潔凈區(qū)要先穿戴好專用凈化工作服、鞋、帽。 進入潔凈區(qū)前要現(xiàn)在風淋室風淋后方可進入凈化車間 每周洗工作服，不準用化妝品 與工作無關的紙張

16、、書報不得帶入車間 嚴禁再凈化區(qū)做會造成粉末的活，工作中少走動 進入凈化區(qū)的設備、試劑、氣瓶等所有物品都要經(jīng)過嚴格清潔方可進入 每天上班前清掃、擦拭設備，下班前清理好工作現(xiàn)場。 定期檢測潔凈度，超標要停產(chǎn)整頓。 硅片加工中的簡單活動，如開門關門或在就在我們身邊的異常硅片裸放在設備上記錄本隨處防置就在我們身邊的異常硅片裸放在設備上記錄本隨處防置超凈服 為實現(xiàn)凈化間內(nèi)的超凈環(huán)境，人員必須遵守某些程序，成為凈化間的操作規(guī)程，還必須穿上凈化服。超凈服由兜帽、連衣褲工作服、靴子、手套組成，完全包裹住了身體。超凈服系統(tǒng)的目標是滿足一下職能標準： 對身體產(chǎn)生的顆粒和浮質(zhì)的總體控 超凈服系統(tǒng)顆粒零釋放 對ES

17、D的零靜電積累 無化學和生物殘余物的釋放 要求人員在進入凈化間前必須穿戴好凈化服方可進入凈化間。防護口罩是防止員工唾液中的顆粒沾污制造區(qū)域。凈化手套是防止汗?jié)n沾污硅片造成離子沾污。超凈服 為實現(xiàn)凈化間內(nèi)的超凈環(huán)境，人員必 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 為了減少人類帶來的沾污，使用了超凈服，制定了凈化間應該做的不應該做的理由只有經(jīng)過授權的人員方可進入凈化間沒有接受過凈化間應知行為嚴格培訓的人員不得入內(nèi)，凈化間的管理者具有最后的決定權經(jīng)過授權的人員才熟悉超凈室操作中嚴格且近乎苛求的規(guī)定只把必需物品帶入凈化間進制化妝品、香煙、手帕、衛(wèi)生紙、食品、飲料、糖果、木制/自動鉛

18、筆或鋼筆、香水、手表、珠寶、磁帶播放機、電話、尋呼機、攝像機、錄音機、梳子、紙板或非凈化間允許的紙張、設計圖、操作手冊或指示圖表等阻斷不想要的沾污員進入在半導體期間中產(chǎn)生缺陷根據(jù)公司培訓規(guī)定的方式著裝進入不允許包裹不嚴的街頭服裝進入凈化間確保超凈服免受可能進入凈化間的沾污始終確保所有的頭部和面部頭發(fā)被包裹起來不要曝露臉上和頭上的頭發(fā)頭發(fā)是沾污源遵守進入凈化間的程序，如風淋和鞋清潔器不要在所有程序完成之前開啟任何一道通往凈化間的門所有淋浴都可能有助于去除沾污，許多公司由于空氣沾污原因已經(jīng)停止使用這到程序在凈化間中所有時間內(nèi)都保持超凈服的閉合不要把任何街頭服裝曝露于超凈室內(nèi)，不要讓你的皮膚的任何部

19、分接觸超凈服的外面部分不想要的沾污源緩慢移動不要群聚或者快速移動這會破壞氣流模式應該做的不應該做的理由只有經(jīng)過授權的人員方可進入凈化間沒有接空氣過濾 空氣進入天花板內(nèi)的特效顆粒過濾器，以層流模式流向地面，進入到空氣再循環(huán)系統(tǒng)后與補給的空氣一道返回空氣過濾器系統(tǒng)。位于天花板中的特效顆粒過濾器，要么是高效顆粒空氣過濾器（HEPA）要么是超低滲透率空氣過濾器（ULPA）。HEPA纖維過濾器用玻璃纖維制作成形，產(chǎn)生層狀氣流?？諝膺^濾 空氣進入天花板內(nèi)的特效顆粒過濾水 為了制造半導體，需要大量的高質(zhì)量、超純?nèi)ルx子水，城市用水含有大量的沾污以致不能應用于硅片生產(chǎn)。去離子水是半導體制造中用的最多的化學品，主

20、要用在化學硅片清洗溶液合后清洗中。加工后的去離子水（電阻率18兆歐）18元/噸。因此在產(chǎn)線生產(chǎn)過程中使用水應該節(jié)約，但是不能違反工藝，所謂的節(jié)約就是在不清洗硅片時不允許有長流水出現(xiàn)。 超純?nèi)ルx子水中不允許有的沾污： 溶解離 有機材料 顆粒 細菌 硅土 溶解氧水 為了制造半導體，需要大量的高質(zhì)量、 水中的溶解離子來源于鈉和鉀這樣容易形成離子的礦物質(zhì)。食鹽容易分解為Na 和Cl-就是一個例子。 有機物質(zhì)，稱為有機碳總量，是指溶解在水中的含碳化合物的總和。有機物沾污對氧化層薄膜生長具有破壞性作用。 細菌是活的，在水中產(chǎn)生有機物。細菌排泄的碎片稱為熱原。水中的細菌帶來氧化層、多晶和金屬導體層的缺陷。某

21、些含磷的細菌能引起不受控制的摻雜。 城市用水中的硅土是細碎的懸浮顆粒，這些顆粒的尺寸遍布從10埃到10微米的范圍。高含量的硅土能淤塞水凈化設備的過濾裝置，并降低熱生長氧化物的可靠性。 水中的溶解離子來源于鈉和鉀這樣容易形成 水中的另一種沾污是溶解氧。它因?qū)е伦匀谎趸瘜拥男纬啥l(fā)問題。水中溶解氧在水被增壓的半導體工藝中也帶來問題，當水被減壓時，溶解的氣體將從溶液釋放出來形成氣泡，引起硅片表面的不完全濕潤。 基于以上對沾污的了解，在操作過程中我們規(guī)定了不允許用手接觸硅片的表面以及片筐的內(nèi)側(cè)，這樣容易產(chǎn)生金屬沾污，同時在清洗過程中不允許用手將硅片從水中取出，這樣也會導致金屬沾污，影響了去離子水的純

22、度。 水中的另一種沾污是溶解氧。它因?qū)е伦匀?用來制造半導體硅片的生產(chǎn)設備是硅片工廠的最大的顆粒來源之一。在硅片制造過程中硅片重復的轉(zhuǎn)入各設備中，暴露在不同的許許多多機械中。工藝設備中各種顆粒沾污來源舉例：A 裸露硅片在自動化的機械上傳動B 機械操作，開關門等C 真空環(huán)境的抽取和排放D 清洗和維護過程E 剝落的復產(chǎn)物積累在腔壁上設備 用來制造半導體硅就在我們身邊的異常軌道上放工具放片筐位置放維修工具就在我們身邊的異常軌道上放工具放片筐位置放維修工具芯片加工廠微粒員源分布引自相關資料僅供參考芯片加工廠微粒員源分布引自相關資料僅供參考 人為的劃傷和沾污對產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量影響相當嚴重，直接關系到我們公

23、司的經(jīng)濟收入，因此說我們在操作的過程中對于人為問題應尤為注意。 人為的劃傷和沾污對產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量影響相當嚴重，直接 如果劃傷不能夠及時控制對于產(chǎn)品的質(zhì)量會產(chǎn)成不良影響，具體影響如下： 1）由于劃傷導致的電壓低擊穿或曲線異常 2）由于劃傷造成的電壓EB穿通 3）由于劃傷造成的鏡檢點廢比例增加 4）一些劃傷需要返工增加了生產(chǎn)用時 如果劃傷不能夠及時控制對于產(chǎn)品的質(zhì)量會產(chǎn)成不良影響劃傷圖片劃傷圖片由于劃傷導致的電壓低擊穿或曲線異常 原因及表現(xiàn)形式：主要是由于劃傷造成芯粒分壓環(huán)受損導致參數(shù)異常,主要體現(xiàn)在MAP3測試的CB1和DIVID失效或由于CB電壓低壓造成的ICES廢品;由于劃傷導致的電壓低擊穿或曲線異常 原因及由于劃傷造成的電壓EB穿通 原因及表現(xiàn)形式：主要是由于劃傷造成芯粒發(fā)射極個別區(qū)域嚴重受損導致的EB短路,主要體現(xiàn)在MAP3測試時的EBL;由于劃傷造成的電壓EB穿通 原因及表現(xiàn)形式 由于劃傷造成的鏡檢點廢比例增加 原因及表現(xiàn)形式：氧化層或金屬輕微劃傷,這些劃傷未能造成參數(shù)異常,但是卻會影響日后的穩(wěn)定性和可靠性,