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1、第3章 污染控制、芯片制造基 本工艺概述,1,2,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,本章（3学时）目标：,1、列出至少三种在芯片厂中尽量减少人员污染的技术,2、掌握晶片的清洗技术,3、重点理解一号和二号溶液的使用方法,4、鉴别和解释四种基本的芯片生产工艺,2,2020年8月,3,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,一、芯片制造中的污染源 二、洁净室的建设 三、硅片清洗 四、芯片制造基本工艺概述 五、工艺良品率,3,2020年8月,4,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,一、芯片制造中的污染源,1、半导体器件的污染物 2、污染来源 3、空气的净化,4,5,第3章 污染控制、芯片制造
2、基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,1、半导体器件的污染物,污染物可归纳为以下四类, 分别是：,d 细菌,a 微粒,b 金属离子,c 化学物质,5,6,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,1、半导体器件的污染物 a 微粒,由经验所得出的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。,6,7,1、半导体器件的污染物 b 金属离子*,少量的掺杂物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
3、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。,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。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,7,8,在半导体工艺领域第三大主要的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，.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。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯
4、片制造中的污染源,1、半导体器件的污染物 C 化学品,8,9,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金属离子。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,1、半导体器件的污染物,d 细菌,9,10,一、芯片制造中的污染源,1、半导体器件的污染物 2、污染来源 3、空气的净化,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,10,11,2、污染来源,（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
5、 （7）静电,主要的污染源有：,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,11,12,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,一、芯片制造中的污染源,1、半导体器件的污染物 2、污染来源 3、空气的净化,12,13,3、空气的净化,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。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 微米或更大的颗粒总数。联邦标准209E规定最小洁净度可到一级。,（1）空气级别表示,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,13,14
6、,3、空气的净化,（1）空气级别表示,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,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。,14,15,3、空气的净化,（1）空气级别表示,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,15,16,3、空气的净化,（1）空气级别表示,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。Semetech/Jessi 建议： 64 兆内存加工车间为 0.1 级，256 兆内存为
7、 0.01 级。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,16,17,3、空气的净化,（1）空气的净化方法,洁净工作台 隧道型设计 完全洁净室 微局部环境,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 一、芯片制造中的污染源,洁净室的设计是要使生产免污染晶圆的能力更完整化。设计时的主要思路是保持加工车间中空气的洁净。 共有四种不同的洁净室设计方法：,17,18,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,一、芯片制造中的污染源 二、洁净室的建设 三、硅片清洗 四、芯片制造概述 五、工艺良品率,18,19,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,二、洁净室的建设,1、洁净室要素 2
8、、人员产生的污染（*） 3、工艺用水（*） 4、工艺化学品 5、化学气体 6、设备 7、洁净室的物质和供给,19,20,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,1、洁净室要素,（1）净化空气方法的选择是洁净室设计的首要问题。,（2）洁净室的所有建造材料都由不易脱落的材料建造。不锈钢材料就广泛地被用于制造工作台。,20,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,21,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,22,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,23,24,1、洁净室要素,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净
9、室的建设,24,25,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,二、洁净室的建设,1、洁净室要素 2、人员产生的污染（*） 3、工艺用水（*） 4、工艺化学品 5、化学气体 6、设备 7、洁净室的物质和供给,25,26,2、人员产生的污染,（1）洁净室工作人员是最大的污染源之一。即使一个经过风淋的洁净室操作员，当他坐着时，每分钟也可释放十万到一百万个颗粒。见教材图5.18。,（2）人类的呼吸也包含着大量的污染，每次呼气向空气中排出大量的水汽和微粒。而一个吸烟者的呼吸在吸烟后在很长时间里仍能带有上百万的微粒。,（3）而体液，例如含钠的唾液也是半导体器件的主要杀手。,解决办法：全封闭、穿衣顺序、详见
10、教材。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,26,27,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,1、洁净室要素 2、人员产生的污染（*） 3、工艺用水（*） 4、工艺化学品 5、化学气体 6、设备 7、洁净室的物质和供给,27,28,3、工艺用水,（1）工艺用水的重要性,在晶圆制造的整个过程中，晶圆要经过多次的化学刻蚀与清洗，每步刻蚀与清洗后都要经过清水冲刷 。在整个的制造过程中，晶圆总共要在冲洗的系统中待上好几个小时，一个现代的晶圆制造厂每天要使用多达几百万加仑的水，这样实际上产生了一个投资项目，包括水的加工处理、向各个加工工艺区的水的传输、废水的处理
11、与排放。由于半导体器件容易受到污染，所以所有工艺用水，必须经过处理，达到非常严格的洁净度要求。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,28,29,3、工艺用水,（2）城市用水中含有的主要污染物, 溶解的矿物 颗粒 细菌 有机物 溶解的氧气 二氧化碳,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,29,30,3、工艺用水,（3）工艺用水的获得, 反渗透（RO）和离子交换系统 去除离子（盐分、矿物）,在制造区域的许多地方都监测工艺用水的电阻，在VLSI制造中，工艺水的目标与规格是18兆欧姆，但其他一些制造厂也使用15兆欧姆的工艺水。,第3章 污染控制、芯片制造基本工
12、艺概述 二、洁净室的建设,30,2020年8月,31,3、工艺用水,（3）工艺用水的获得, 固态杂质（颗粒）通过沙石过滤器、泥土过滤器与次微米级薄膜从水中去除。, 细菌和真菌可由消毒器去除。这种消毒器使用紫外线杀菌，并通过水流中的过滤器滤除。, 有机污染物（植物与排泄物）可通过碳类过滤器去除。, 溶解的氧气与二氧化碳可用碳酸去除剂和真空消除毒剂去除。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,31,32,3、工艺用水,（3）工艺用水的获得,在系统中存贮的水用氮气覆盖以防止二氧化碳溶于水中，水中的二氧化碳会干扰电阻值的测量引起错误读数。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二
13、、洁净室的建设,32,33,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,1、洁净室要素 2、人员产生的污染（*） 3、工艺用水（*） 4、工艺化学品 5、化学气体 6、设备 7、洁净室的物质和供给,33,34,4、工艺化学品（液体）,（1）工艺化学品的级别,一般溶剂、化学试剂、电子级、半导体级,（3）要求,其纯度由成分来表示,在制造工厂中，用于刻蚀和清洗晶圆和设备的酸、碱、溶剂必需是最高纯度的。 化学品的主要污染是移动的金属离子，通常须限制为百万分之一（PPM）级或更低。,（2）工艺化学品的污染,涉及的污染物有金属离子微粒和其它化学品。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二
14、、洁净室的建设,34,35,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,1、洁净室要素 2、人员产生的污染（*） 3、工艺用水（*） 4、工艺化学品 5、化学气体 6、设备 7、洁净室的物质和供给,35,36,5、化学气体,（1）化学气体的必要性,除了许多湿（液体）化学品工艺制程，半导体晶圆还要 使用许多气体来加工。这些气体有从空气中分离出来的 如氧气、氮气和氢气，还有特制的气体如砷烷和四氯化碳。,纯度（使用成分数） 水汽含量（当有氧气和水分存在时很容易氧化，上限3-5ppm） 微粒 金属离子,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,（2）气体质量的4项指标,3
15、6,37,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,1、洁净室要素 2、人员产生的污染（*） 3、工艺用水（*） 4、工艺化学品 5、化学气体 6、设备 7、洁净室的物质和供给,37,38,6、设备,到二十世纪九十年代为止，设备引发的微粒升至所有污染源的75%至90%，但这并不意味机械设备变得越来越脏。由于对空气、化学品与生产人员污染的控制越来越先进，使得设备变为污染控制的焦点。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述 二、洁净室的建设,38,39,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,一、芯片制造中的污染源 二、洁净室的建设 三、硅片清洗（*） 四、芯片制造基本工艺概述 五
16、、工艺良品率,39,40,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,三、硅片清洗,1、概述 2、清洗工艺设计 3、清洗策略 4、其它清洗方式 5、硅片烘干,40,41,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,1、概述,A 颗粒 B 有机残余物 C 无机残余物 D 需要去除的氧化层,（2） 硅片表面的污染物类型,（1） 简介,洁净的晶片是芯片生产全过程中的基本要求，但并不是在每个高温下的操作前都必须进行。一般说来，全部工艺过程中的高达20%的步骤为晶片清洗。,三、硅片清洗,41,42,1、概述,（3） 硅片清洗的前提要求,通常来说，一个晶片清洗的工艺或一系列的工艺，必须在去除晶片表面全部污染物（上述类型）的同时，不会刻蚀或损害晶片表面。它在生产配制上是安全的、经济的，是为业内可接受的。,第3章 污染控制、芯片制造基本工艺概述,三、硅片清洗,42,43,1、概述 2、清洗工艺设计 3、清洗策略
