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1、半 導 體 製 程 ( 4 版 )M i c r o c h i pF a b r i c a t i o n第 5 章: 污 染 控 制P e t e rV a nZ a n t著姜 庭 隆譯李 佩 雯校 閱滄 海 書 局中華民國9 0年1 1月2 8日摘要 （1）污染對於元件製程、效能、可靠度的影響 （2）污染的來源及形式 （3）無塵室的規劃、主要的污染控制步驟 （4）晶圓表面的清洗技術 引言 污染：晶圓製造失敗的重要原因之一 無塵室(clean room)：源於太空工業 無塵室技術須和晶片設計、線路密度一起進步污染物主要可分為四類： （1）顆粒 （2）金屬離子 （3）化學物 （4）細菌（
2、1）顆粒 微米(micron：m = 10-6 m )：人的頭髮直徑約為100 m經驗法則：顆粒尺寸小於最小特徵尺寸的十分之一殺手缺陷/致命缺陷(killer defects)：落於元件重要部位，使元件功能損壞的顆粒 。圖5.1 一微米的相對大小 圖5.2 污染物的相對大小圖5.3 空浮顆粒和晶圓的相對尺寸 （2）金屬離子 電性活潑的微量污染物，可改變元件的電性特性、效能、可靠度可移動離子污染物(mobile ionic contaminants, MICs) -以離子型態出現，存在於材料中，運動力很強的金屬原子 -造成MOS元件中最嚴重失敗的原因，常出現在化學品中 -MIC的污染必須少於10
3、10原子/平方公分，鈉(sodium)最常見每十億個不純原子中的微量金屬成分鈉50 鉀50 鐵50 銅60 鎳60 鋁60 鎂60 鉛60 鋅60 氯化物1000圖5.4 光阻去除劑中所含的微量金屬原子量（3）化學物 -製程所需的化學品和水中含有少量的化學污染物-造成表面腐蝕、無法被移除的化合物、不均勻的製程-氯(chlorine)為製程用化學品中嚴格控制的污染（4）細菌-作用如同顆粒，可造成元件表面的金屬離子污染 污染造成的問題（1）元件的製程良率-改變元件部分尺寸-改變表面的潔淨度-引起含有坑坑洞洞的沈積層(或成長層) （2）元件效能常在製程後段，晶圓揀選（電性測試）時才發現問題（3）元件
4、可靠度可靠度失敗是最不容易察覺的問題污染來源 無塵室 (clean room潔淨室) 污染定義：任何會影響所製造的產品及其效能的物體主要污染來源（1）空氣 （2）製造設備 （3）無塵室中的工作人員 （4）製程用水 （5）製程用化學品 （6）製程用氣體 （7）靜電（1）空氣 微粒子(particulates)/氣膠(aerosols)：漂浮於空氣中的顆粒無塵室空氣的清潔度分級方法 以微粒子的直徑及密度(單位體積內的數目)決定 空氣品質的級數 (class number) （美國聯邦標準第209E條規定） 在每立方英尺的空氣中所含直徑等於(及大於)0.5m的粒子數量圖5.5 空氣中飄浮顆粒的相對尺
5、寸(單位為微米m) 清淨空氣的方式四種不同的無塵室設計策略1.無塵工作站 2.隧道式隔間設計 3.全廠無塵法 4.微小環境無塵法1.無塵工作站 無塵工作站策略 -將工作站加以空氣濾淨器，並使用不會剝離的材料 -工作站外的晶圓被儲存在一個有蓋的盒中以利搬移護罩(hoods)工作站：使用高效能微粒子過濾器 (high-efficiency particulate attenuation, HEPA)圖5.8 高效能微粒子過濾器的空氣濾網 垂直式層流(vertical laminar flow,VLF)工作站 水平式層流(horizontal laminar flow,HLF)工作站維護晶圓潔淨的兩
6、種方式：-護罩內的空氣被過濾的很乾淨-正壓(positive pressure)工作站內的空氣壓力比外界稍高圖5.9 垂直層流工作站的護罩剖面圖 圖5.10 垂直層流工作站的排煙罩剖面圖 US FED STD 209E Cleanroom Standards Classmaximum particles/ft3ISO equivalent 0.1 m 0.2 m 0.3 m 0.5 m 5 m 1 35 7 3 1 10 350 75 30 10 100 750 300100 1,000 1,000 7 10,000 10,000 70 100,000 100,000 7002.隧道或灣區式隔
7、間 VLF式護罩缺陷: 房間內人進出造成的污染難避免，使工作站被污染 解決方式: -製造區分割成許多隔間(隧道tunnel或灣區bay)，減少進入的人 -隧道天花板上裝空氣濾淨器（維持晶圓清潔）圖5.11 無塵室隧道剖面圖 圖5.12 層流無塵室的剖面圖3.全廠無塵製造空間中不需隔間，成為全開放式區域-恢復能力(recovery)：無塵室的一項重要性能參數廠區輪班、人員休息、或其他變動時，過濾設備將廠內空氣過濾至可接受的清潔度所需的時間-Class 1 (1級)：空氣須在6秒鐘內完全清潔過一次-建造無塵室費用：10億美元(8”廠)30億美元(12”廠）4.微小(或迷你)環境法（tsmc為使用此
8、種系統的最成功例子!）挑戰：如何將一系列微小環境相連，使晶圓不和室內的空氣相接觸?HP（1980年代中期） 標準機械界面(Standard Mechanical Interface, SMIF) 晶圓隔離技術(Wafer Isolation Technology, WIT或迷你環境）系統分為三個部分 （1）裝晶圓的密閉式盒(迷你環境)-盒中灌入加壓的清潔空氣或氮氣-盒具有SMIF ，能和製程設備上的微小環境連接 （2）製程設備上的微小環境隔離空間 （3）夾取及裝填晶圓的機械機構：機械手臂 (robot)優點 （1）能將晶圓廠房以較少費用升級、減少運轉費用 （2）廠內走廊的清潔度級數要求不需嚴格
9、 （3）對人員的衣服、工作程序、限制降低缺點 （1）大尺寸晶圓盒重，使用robot增加成本及複雜度 （2）須有儲存晶圓盒的中央儲存系統空間(stockers) （3）製程設備上附有(也可能沒有)緩衝用的儲存空間圖5.13 轉移晶圓的微小環境 圖5.14 微小環境系統內的基本元件 溫度、濕度，及煙塵溫度控制（722F） -使操作人員舒適 -濕式蝕刻及清洗的重要製程參數相對濕度（1550%） -微影成形(patterning)的重要製程參數 -濕度太高則高分子聚合物（光阻）無法粘著於晶圓表面 -太乾燥則晶圓表面聚集靜電煙塵(smog) 空氣中的污染物成分之一：臭氧(ozone)嚴重影響顯影(dev
10、eloping) 無塵室(Clean Room)的佈置 無塵室的建造 清潔度和成本費用間取得折衷 設計目的 1.一座密閉的空間 2.供應清潔的空氣 3.建材不會剝落 4.防止由室外或由人員無意帶進來的污染-常用不銹鋼覆蓋牆壁、工作站、地板上的覆蓋物 -管線洞口必須封死 -避免平坦的表面以減少聚塵圖5.15 具有更衣區、空氣淋 浴 和維護區的無塵室無塵室內的基本構成要素（1）具有黏性的地墊 （2）更衣室 (anteroom前房)-廠房和無塵室之間的門不可同時被開啟-規定允許/不允許被穿入更衣區的衣物質料 （3）空氣壓力無塵室壓力更衣間其他廠區(走廊) （4）空氣淋浴淋浴間內的門有互鎖裝置，防止兩
11、個門被同時開啟 （5）維修區-無塵級數較高（Class 1000Class 10000）-技術人員不必進入無塵室中就可維護設備 （6）雙門式通道具有互鎖雙門，雙門間的空氣壓力高於維護區壓力（7）靜電控制污染晶圓（靜電壓可高達50000伏特）靜電聚在晶圓表面、儲存盒、工作檯、吸引空氣和人員衣物中的微塵靜電放電 (ESD)電流強度可能高達10安培-摧毀MOS元件及晶片-汽化並摧毀光罩上鍍的鉻圖案靜電的控制-防止電荷累積：利用不生靜電的材料、衣服、製程用儲存盒-放電技術： HEPA濾網下方用離子產生器(ionizer)中和空氣中的靜電 工作站、工作檯面使用靜電接地條（8）清鞋機（9）手套清潔機空氣
12、人的皮膚 玻璃 人髮 尼龍 羊毛鉛 鋁 正電性升高 紙 鋼 棉花布 鋼 硬橡膠 負電性升高 鎳和銅 黃銅和銀 人工橡膠 聚氨基甲酸酯 (PU) 聚丙烯 PVC 矽 鐵氟鐵圖5.16 摩擦生電表 圖5.17 減緩靜電的技巧 工作人員造成的污染人員是重要的污染來源 坐著：平均每分鐘產生10萬100萬微粒子 運動：（每小時2英哩）每分鐘產生500萬微粒子粒子來源-頭髮、皮膚屑、髮膠、化妝品、臉上微毛、衣服-呼吸氣息（水及顆粒）、體液（唾液含鈉）、生病工作服(兔子裝) 包住手、腳、脖子，拉鍊有外覆蓋，口袋不會外露 質料：多元酯、GORE-TEX，不脫落纖維，可能含導電纖維（釋放靜電） 薄殼式臉罩 具防
13、護邊的安全眼鏡：罩住眼睛（體液來源） 對污染特別敏感的區域：以盔罩住頭及臉，包含空氣濾帶、呼吸器 手套PVC材質 處理化學物品材質：含橙乳膠(防酸)、綠三氮化物(防溶劑) 鞋罩製程用水 現代化的晶圓廠每天可能用去數百萬加侖的水水的花費水費 , 將水輸送至處理區 , 使用過後的污水處理及排放水常含的污染物 1.溶解的礦物質-分解為離子污染晶片，藉逆滲透(RO)及離子交換除去-去離子水(deionized water, DI water)：25C時電阻為18,000,000cm，稱為18megaOhm(M)水2.微粒子 藉砂、土或薄膜來過濾至次微米的程度 3.細菌 用紫外光輻射殺死，再將水煮成蒸氣
14、後移除 4.有機物(植物或殘渣) 以碳疊床過濾器過濾 5.溶解的氧 強制性流動除碳器、真空式除氧機去除 6. 矽化合物(silica) 儲水槽：充以氮氣，防止水吸收空氣中二氧化碳干擾電阻係數的量測圖5.21 典型的去離子水系統 製程用品化學 -酸、鹼、溶劑：必須純度極高 -工業用的化學品被分為：商用級、試劑級、電子用級、半導體用級 -金屬的可移動離子污染物（MIC）：少於1個ppm -顆粒大小：0.2m之下 -化學品純度：以成分純度數(assay number)指定 -容器：內側清潔，不能被化學品溶解，標示紙不含微粒大量化學品分配系統(BCDS) -大量購買化學品-由中央儲存位置以管路分送至各
15、製程站，再裝入較小的容器-輸送管線、容器必須清潔優點：價格低在使用處生產化學品 (point of use chemical generation, POUCG)-在製程站上將D.I.water和氣體化合，直接製出-如NH4OH(氫氧化氨)、HF (氫氟酸)、H2O2(過氧化氫)優點：污染少於1ppt (t:兆) 製程氣體判定氣體的品質 1. 純度百分比 2. 水蒸氣的含量 3. 微顆粒 4. 金屬離子困難：如何保持由製造商送出至製程站的氣體純度? -洩漏可能造成重大災禍 -外界空氣(氧)可能進入和製程氣體相互反應氣體排放(outgassing)管系統材料放出某種氣體污染製程氣體 管線系統：由不鏽鋼管及閥和聚合物所造的零件 超高清潔度要求的管線系統：-不鏽鋼內表面必須以電鍍/雙層真空處理-氧化保護(oxygen passivation,OP)：生成氧化鐵膜防止outgassing設備 -微粒子最大的來源 -佔顆粒來源的7590%PWP(particles per wafer pass) 每片晶圓經過某設備時， 在晶圓上造成的顆粒數目減少顆粒產生的方法 -設備的設計、材料的選取 -設備的組裝：在和晶圓廠相同class number無塵室中進行 -將設備聚集(多腔式連續製程設備)：減少多次裝填造成的污染無塵室內的材料及一般用品 -紀錄表、表格、筆記本不可生成顆粒 -不可使
