半导体制程2

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1、 1 3 列出最基本的四种工艺方法。 4 将氧化/光刻/扩散的加工流程画成截面图解释。 5 描述一下电路设计的复合图。 6 那一种基本工艺方法用到掩膜版？ 7 在电性测试是检测以下哪一参数？（晶圆厚度，缺陷密度，电路功能） 8 在电路设计过程的哪一步运用 CAD 系统？ 9 为什么要将芯片封装？ 10. 晶圆制造实例所讲的接触孔是什么作用？ 参考文献 4.1 R.Kopp, Kopp Semiconductor Engineering, September 1996 4.2 R. Iscoff, “VLSI Testing: The Stakes Get Higher”, Semiconduc

2、tor International, September 1993, P.58 第五章第五章 污染控制污染控制-1 第五章 污染控制-1 概述 在这一章中， 我们将解释污染对器件工艺生产，器件性能和器件的可靠性的影响， 以 及芯片生产区域存在的污染类型和主要的污染源。同时，也将对洁净室规划，主要的污 染控制方法和晶片表面的清洗工艺进行讨论。 目的 完成本章后您将能够： 1 识别污染在半导体器件及其工艺生产中的三大主要影响。 2 列出芯片工艺生产中的主要污染源。 3 定义洁净室的洁净等级。 4 列举等级分别为 100，10 和 1 的芯片生产区域的微尘密度。 5 描述正压环境，风淋室以及粘着地板

3、垫（译者注：FAB 入口处用以粘除脚底的灰尘） 在保持环境洁净度中所起的作用。 6 列出至少三种在芯片厂中尽量减少人员污染的技术方法。 7 识别在通常所说的水中存在的三种污染物以及在半导体生产厂中对它们的控制。 8 描述通常所说的工业化学品和半导体级纯度的化学品之间的区别。 9 说出两个由高静电等级引起的问题以及两种控制静电的方法。 10. 描述典型的前线和后线的晶片清洗工艺。 11. 列举典型的晶片冲洗技术。 介绍 污染是可能将新兴的芯片生产工业扼杀于摇篮中的首要问题之一。半导体工业起步于由 航空工业发展而来的洁净室技术。然而，事实证明，对于大规模集成电路的生产，这些 技术水平是远远不够的。

4、除此之外，能够提供洁净室专用化学品和材料的供应商以及具 备建造洁净室知识的承包商更是无处可寻。在那些年里，该工业是以家庭型规模的方式 发展的。 如今，大规模的复杂的洁净室辅助工业已经形成，洁净室技术也与芯片的设计及线宽技 PDF created with pdfFactory Pro trial version 2 术同步发展。通过不断地解决在各个芯片技术时代所存在的污染问题，这一工业自身也 得到了发展。以前的一些小问题，有可能成为当今芯片生产中足以致命的缺陷。 问题半导体器件极易受到多种污染物的损害。这些污染物可归纳为以下四类。分别是： 1. 微粒 2. 金属离子 3. 化学物质 4. 细菌

5、 微粒。半导体器件，尤其是高密度的集成电路，易受到各种污染的损害。器件对于污染 的敏感度取决于较小的特征图形的尺寸和晶片表面沉积层的薄度。目前的量度尺寸已经 降到亚微米级。一微米（m）是非常小的。一厘米等于 10，000 微米。人的头发的直径 为 100 微米（图 5.1） 。这种非常小的器件尺寸导致器件极易受到由人员，设备和工艺操 作用使用的化学品所产生的存在于空气中的颗粒污染的损害。由于特征图形尺寸越来越 小，膜层越来越薄，所允许存在的微粒尺寸也必须被控制在更小的尺度上。 图 5.1 一微米的相对大小 图 5.2 污染物的相对尺寸 图 5.3 空气中的微粒与晶片尺度的相对大小由经验所得出的

6、法则是微粒的大小要小于 器件上最小的特征图形尺寸的 1/10 倍 1。直径为 0.03 微米的微粒将会损害 0.3 微米线 宽大小的特征图形。落于器件的关键部位并毁坏了器件功能的微粒被称为致命缺陷。致 命缺陷还包括晶体缺陷和其它由于工艺过程引入带来的问题。在任何晶片上，都存在大 量的微粒。有些属于致命性的，而其它一些位于器件不太敏感的区域则不会造成器件缺 陷。1994 年， SIA 将 0.18 微米设计的光刻操作中的缺陷密度定为 0.06 微米 135 个， 每平方厘米每层。 金属离子。在第二章中，介绍了半导体器件在整个晶片上 N 型和 P 型的掺杂区域以及在 精确的 N/P 相邻区域， 都

7、需要具有可控的电阻率。 通过在晶体和晶片上有目的地掺杂特 定的掺杂离子来实现对这三个性质的控制。非常少量的掺杂物即可实现我们希望的效 果。 但遗憾的是， 在晶片中出现的极少量的具有电性的污染物也会改变器件的典型特征， 改变它的工作表现和可靠性参数。 可以引起上述问题的污染物称为可移动离子污染物 （MICs） 。它们是在材料中以离子形 态存在的金属离子。而且，这些金属离子在半导体材料中具有很强的可移动性。也就是 说，即便在器件通过了电性能测试并且运送出去，金属离子仍可在器件中移动从而造成 器件失效。遗憾的是，能够在硅器件中引起这些问题的金属存在于绝大部分的化学物质 中。所以，在晶片中，MIC 污

8、染物必须被控制在 1010 原子/cm的范围内甚至更少。每 10亿个单位中的金属含量 (ppb) 杂质钠 50钾 50铁 50铜 60镍 60铝 60镁 60铅 60 锌 60 氯 1000 图 5.4 光刻胶去除剂的金属含量（EKC Technology 830 光刻胶去除剂 钠是在未经处理的化学品中最常见的可移动离子污染物，同时也是硅中移动性最强的物 质。因此，对钠的控制成为硅片生产的首要目标。MIC 的问题在 MOS 器件中表现最为严 重，这一事实促使一些化学品生产商研制开发 MOS 级或低钠级的化学品。这些标识都意 味着较低的可移动污染物的等级。 化学品。 在半导体工艺领域第三大主要的

9、污染物是不需要的化学物质。工艺过程中所 用的化学品和水可能会受到对芯片工艺产生影响的痕量物质的污染。它们将导致晶片表 面受到不需要的刻蚀，在器件上生成无法除去的化合物，或者引起不均匀的工艺过程。 氯就是这样一种污染物，它在工艺过程中用到的化学品中的含量受到严格的控制。 细菌。 细菌是第四类的主要污染物。细菌是在水的系统中或不定期清洗的表面生成的 有机物。细菌一旦在器件上形成，会成为颗粒状污染物或给器件表面引入不希望见到的 PDF created with pdfFactory Pro trial version 3 金属离子。 污染引起的问题 这四种污染物在以下三个特定的功能领域对工艺过程和器

10、件产生影响。它们是： 1 器件工艺良品率 _ 2 器件性能 3 器件可靠性 器件工艺良品率 在一个污染环境中制成的器件会引起多种问题。污染会改变器件的尺寸，改变表面的洁 净度，并且/或者造成有凹痕的表面。在晶片生产的过程中，有一系列的质量检验和检 测，他们是为检测出被污染的晶片而特殊设计的。高度的污染使得仅有少量的晶片能够 完成全工艺过程，从而导致成本升高。 器件效能 一个更为严重的问题是在工艺过程中漏检的小的污染。晶片看起来是干净的，但其中的 未能检测出来的颗粒，不需要的化学物质，和/或高浓度的可移动离子污染物，可能会 改变器件的电性能。这个问题通常是在芯片切割时的电测试中显现出来。 器件可

11、靠性 最令人担心的莫过于污染对器件可靠性的失效影响。小剂量的污染物可能会在工艺过程 中进入晶片，而未被通常的器件测试检验出来。然而，这些污染物会在器件内部移动， 最终停留在电性敏感区域，从而引起器件失效。这一失效模式成为航空业和国防业的首 要关注。 在这一章的余下部分，将讨论对半导体器件生产中产生影响的各类污染的来源、性质及 其控制。随着二十世纪七十年代 LSI 电路的出现，污染控制成为这一工业的根本。从那 时起，大量的关于污染控制的认识逐渐发展起来。如今污染的控制本身成为一门学科， 是制造固态器件必须掌握的关键技术之一。 在这一章中讨论的污染控制问题适用于芯片生产区域、掩膜生产区域、芯片封装

12、区域和 其他一些生产半导体设备和材料的区域。 污染源 普通污染源 洁净室内污染源是指任何影响产品生产或产品功能的一切事物。由于固态器件的要求较 高，所以就决定了它的洁净度要求远远高于大多数其它的工业的洁净程度。实际上生产 期间任何与产品相接触的物质都是潜在的污染源。主要的污染源有： 1. 空气 2. 厂务设备 3. 洁净室工作人员 4. 工艺使用水 5. 工艺化学溶液 6. 工艺化学气体 7. 静电 每种污染源产生特殊类型和级别的污染，需要对其进行特殊控制以满足洁净室的要求。 空气 普通空气中含有许多污染物，只有经过处理后才能进入洁净室。最主要的问题是含有在 空气中传播的颗粒， 一般指微粒或浮

13、尘。 普通空气包含大量的微小颗粒或粉尘， 见图 5.5。 微小颗粒（悬浮颗粒）的主要问题是在空气中长时间飘浮。而洁净室的洁净度就是由空 气中的微粒大小和微粒含量来决定的。 美国联邦标准 209E 规定空气质量由区域中空气级别数来表示。 3 标准按两种方法设定， 一是颗粒大小， 二是颗粒密度。 区域中空气级别数是指在一立方英尺中所含直径为 0.5 PDF created with pdfFactory Pro trial version 4 微米或更大的颗粒总数。一般城市的空气中通常包含烟,、雾、气。每立方英尺有多达 五百万个颗粒, 所以是五百万级。随着芯片部件尺寸的更新换代，不断提高的芯片灵敏

14、 度要求越来越小的颗粒。4 图示 5.6 表显示了标准 209E 规定的颗粒直径与颗粒密度的 关系。图示 5.7 列出了不同环境下洁净度级别数与对应的颗粒大小。联邦标准 209E 规 定最小洁净度可到一级。因为 209E 以 0.5 微米的颗粒定义洁净度，而成功的晶圆加 工工艺要求更严格的控制，所以工程技术人员工程师们致力于减少 10 级和 1 级环境中 0.3 微米颗粒的数量。 例如: Semetech/Jessi 建议 64 兆内存加工车间为 0.1 级， 256 兆为 0.01 级。5 图 5.5 空气中颗粒的相对尺寸 (微米) Aerosols 浮质 Metallurgical Dus

15、t 金属尘埃 Cement Dust 水泥尘埃 Tobacco Smoke 烟尘 Insecticide Dust 杀虫剂微粒 Human Hair Diameter 人类毛发的直径 图 5.6 空气洁净等级标准 建议联邦标准 209E Airborne Particulate Cleanliness Classes for Clean Rooms and Clean Zones 洁净室与洁净区的空气颗粒洁净等 Class1, 10, 100, 1000, 10000, 100000 一级，十级，百级，千级，万级，十万级 Particles size (micrometer) 颗粒尺寸 (微米

16、) Class limits in particles per cubic foot of size equal to or greater than particles sizes shown 洁净等级是指一平方英尺中颗粒尺寸等于或大于图中所示颗粒尺寸 *The class limit particle concentrations shown are defined for class purposes only and do not necessarily represent the size distribution to be found in any particular situation 图中所示洁净等级所指颗粒含量只用于等级定义，并不代表任何特定环境下的尺寸分布 图 5.7 不同环境的典型级别数 Enviroment 环境 Class Number 级别数 Maximum part