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1、硅片制造中的沾污控制硅片制造中的沾污控制硅片制造中的沾污控制硅片制造中的沾污控制污染控制染控制 为使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造中的沾使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造中的沾污是是绝对必要的。随着器件关必要的。随着器件关键尺寸尺寸缩小，小，对沾沾污的控制要求的控制要求变得越来越得越来越严格。将学格。将学习硅片制造中硅片制造中各种各种类型的重要沾型的重要沾污、它它们的来源以及怎的来源以及怎样有效控制沾有效控制沾污以制造包含最小沾以制造包含最小沾污诱生缺陷的高性能集成生缺陷的高性能集成电路。路。 一个硅片表面具有多个微芯片，每个芯片又差不多有一个硅片表面具有多个微芯片，每个芯片又差不多有数
2、以百万数以百万计的器件和互的器件和互连线路，它路，它们对沾沾污都非常敏感。都非常敏感。随着芯片的特征尺寸随着芯片的特征尺寸为适适应更高性能和更高集成度的要求更高性能和更高集成度的要求而而缩小，控制表面沾小，控制表面沾污的需求的需求变得越来越关得越来越关键（见图）。）。为实现沾沾污控制，所有的硅片制控制，所有的硅片制备都要在沾都要在沾污控制控制严格的格的净化化间内完成。内完成。 现代半代半导体制造是在称体制造是在称为净化化间的成熟的成熟设施施中中进行的。行的。这种硅片制造种硅片制造设备与外部与外部环境隔离，免受境隔离，免受诸如如颗粒、金粒、金属、有机分子和静属、有机分子和静电释放放（ESD）的沾
3、）的沾污。一般来。一般来讲，那意味着那意味着这些沾些沾污在最先在最先进测试仪器的器的检测水平范水平范围内内都都检测不到。不到。净化化间还意味着遵循广泛的意味着遵循广泛的规程和程和实践，以确保用于半践，以确保用于半导体制造的硅片生体制造的硅片生产设施免施免受沾受沾污。 沾沾污的的类型型 沾沾污是指半是指半导体制造体制造过程中引入半程中引入半导体硅片的任何危害微芯体硅片的任何危害微芯片成品率及片成品率及电学性能的学性能的不希望有的物不希望有的物质。将主要集中于制造。将主要集中于制造工序中引入的各种工序中引入的各种类型的型的表面沾表面沾污。制造制造经常常导致致有缺陷的芯片有缺陷的芯片。致命缺陷是。致
4、命缺陷是导致硅片上的芯片致硅片上的芯片无法通无法通过电学学测试的原因。据估的原因。据估计80的芯片的芯片电学失效是学失效是由沾由沾污带来的缺陷引起的。来的缺陷引起的。电学失效引起成品率学失效引起成品率损失，失，导致致硅片上的管芯硅片上的管芯报废以及很高的芯片制造成本。以及很高的芯片制造成本。净化化间沾沾污分分为五五类：颗粒粒金属金属杂质有机物沾有机物沾污自然氧化自然氧化层静静电释放（放（ESD）颗粒粒 颗粒是能粘附在硅片表面的小物体。粒是能粘附在硅片表面的小物体。悬浮在空气中浮在空气中传播的播的颗粒被称粒被称为浮浮质。从。从鹅卵石到原子的各种卵石到原子的各种颗粒的相粒的相对尺寸分布尺寸分布如如
5、图所示。所示。颗粒粒带来的来的问题有引起有引起电路开路或短路路开路或短路。如如图的短路的短路:半半导体制造中，可以接受的体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗糙度尺寸的粗略法粒尺寸的粗糙度尺寸的粗略法则,是它必是它必须小于最小器件特征尺寸的一半。大于小于最小器件特征尺寸的一半。大于这个尺寸个尺寸的的颗粒会引起致命的缺陷。例如，的特征尺寸不能接触以上粒会引起致命的缺陷。例如，的特征尺寸不能接触以上尺寸的尺寸的颗粒。如下粒。如下图的人的人类头发对颗粒的相粒的相对尺寸。尺寸。金属金属杂质 硅片加工厂的沾硅片加工厂的沾污也可能来自金属化合物。危害半也可能来自金属化合物。危害半导体工体工艺的典型金属的典型金属
6、杂质是碱金属，它是碱金属，它们在普通化学品和工在普通化学品和工艺都很常都很常见。这些金属在所有用于硅片加工的材料中都要些金属在所有用于硅片加工的材料中都要严格控制格控制（见表）。碱金属来自周期表中的表）。碱金属来自周期表中的IA族，是极端活族，是极端活泼的元素，的元素，因因为它它们容易失去一个价容易失去一个价电子成子成为阳离子，与非金属的阴离阳离子，与非金属的阴离子反子反应形成离子化合物。形成离子化合物。金属金属杂质导致了半致了半导体体杂质中器件成品率的减少，中器件成品率的减少，包括氧化物多晶硅包括氧化物多晶硅栅结构中的构中的结构性缺陷。构性缺陷。额外的外的问题包括包括pn结上泄露上泄露电流的
7、增加以及少数流的增加以及少数载流子寿命的减少。流子寿命的减少。可可动离子沾离子沾污（MIC）能迁移到）能迁移到栅结构的氧化硅界构的氧化硅界面，改面，改变开启晶体管所需的开启晶体管所需的阈值电压（见图）。）。由于它由于它们的性的性质活活泼，金属离子可以在，金属离子可以在电学学测试和和运运输很久以后沿着器件移很久以后沿着器件移动，引起器件在使用期，引起器件在使用期间失效。失效。半半导体制造的一个主要目体制造的一个主要目标是减少与金属是减少与金属杂质和和MIC的接触。的接触。有机沾有机沾污 有机物沾有机物沾污是指那些包含是指那些包含炭炭的物的物质，几乎，几乎总是同炭是同炭自身及自身及氢结合在一起，有
8、合在一起，有时也和其他元素也和其他元素结合在一合在一起。有机物沾起。有机物沾污的一些来源包括的一些来源包括细菌、菌、润滑滑剂、蒸、蒸汽、清汽、清洁剂、溶、溶剂和潮气和潮气等。等。现在用于硅片加工的在用于硅片加工的设备使用不需要使用不需要润滑滑剂的的组件件来来设计，例如，无油，例如，无油润滑滑泵或或轴承等。承等。在特定工在特定工艺条件下，微量有机物沾条件下，微量有机物沾污能能降低降低栅氧化氧化层材料的致密性材料的致密性。工。工艺过程中有机材料程中有机材料给半半导体表体表面面带来的另一来的另一问题是是表面的清洗不表面的清洗不彻底底，这种情况种情况使得使得诸如金属如金属杂质之之类的沾的沾污在清洗之后
9、仍完整保在清洗之后仍完整保留在硅片表面。留在硅片表面。自然氧化自然氧化层 如果曝露与室温的空气或含溶解氧的去离子水中，如果曝露与室温的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将被氧化。硅片的表面将被氧化。这一薄氧化一薄氧化层称称为自然氧化自然氧化层。硅片上最初的自然氧化。硅片上最初的自然氧化层生生长始于潮湿。当硅始于潮湿。当硅片表面曝露在空气中片表面曝露在空气中时，一秒，一秒钟内就有几十内就有几十层水分水分子吸附在硅片上并渗透到硅表面，子吸附在硅片上并渗透到硅表面，这引起硅表面甚引起硅表面甚至在室温下就至在室温下就发生氧化。生氧化。天然氧化天然氧化层的厚度随曝露的厚度随曝露时间的增的增长而增加。
10、而增加。硅片表面无自然氧化硅片表面无自然氧化层对半半导体性能和可靠性是非体性能和可靠性是非常重要的。常重要的。自然氧化自然氧化层将妨碍其他工将妨碍其他工艺步步骤，如硅片上，如硅片上单晶薄晶薄膜的生膜的生长和超薄和超薄栅氧化氧化层的生的生长。自然氧化自然氧化层也也包含了某些金属包含了某些金属杂质，它，它们可以向硅可以向硅中中转移并形成移并形成电学缺陷。学缺陷。自然氧化自然氧化层引起的另一个引起的另一个问题在于金属在于金属导体的接触区。接触体的接触区。接触使得互使得互连与半与半导体器件的源区及漏区保持体器件的源区及漏区保持电学学连接。如果有接。如果有自然氧化自然氧化层存在，将增加接触存在，将增加接
11、触电阻，减少甚至可能阻止阻，减少甚至可能阻止电流流流流过（见图）。）。静静电释放放 静静电释放（放（ESD）也是一种形式的沾）也是一种形式的沾污，因，因为它是它是静静电荷从一个物体向另一个物体未荷从一个物体向另一个物体未经控制地控制地转移，移，可能可能损坏微芯片。坏微芯片。ESD产生于两种不同静生于两种不同静电势的的材料接触或摩擦。材料接触或摩擦。带过剩剩负电荷的原子被相荷的原子被相邻的的带正正电荷的原子吸引。荷的原子吸引。这种吸引种吸引产生的生的电流泄放流泄放电压可以高达几万伏。可以高达几万伏。 半半导体制造中特体制造中特别容易容易产生静生静电释放，因放，因为硅片硅片加工保持在加工保持在较低
12、的湿度中，典型条件低的湿度中，典型条件为4010相相对湿度（湿度（RH）。）。这种条件容易使种条件容易使较高高级别的的静静电荷生成。荷生成。虽然增加相然增加相对湿度可以减少静湿度可以减少静电生生成，但是也会增加侵成，但是也会增加侵蚀带来的沾来的沾污，因而，因而这种方种方法并不法并不实用用。尽管尽管ESD发生生时转移的静移的静电总量通常很小（量通常很小（纳库仑级别），），然而放然而放电的能量的能量积累在硅片上很小的一个区域内。累在硅片上很小的一个区域内。发生在生在几几个个纳秒秒的静的静电释放能放能产生超生超过1A的峰的峰值电流流，简直可以直可以蒸蒸发金属金属导体体连线和穿透氧化和穿透氧化层。放。
13、放电也可能成也可能成为栅氧化氧化层击穿的穿的诱因。因。ESD带来的另一个重大来的另一个重大问题在于，一旦硅片表面在于，一旦硅片表面有了有了电荷荷积累，它累，它产生的生的电场就能吸引就能吸引带电颗粒或极化并吸粒或极化并吸引中性引中性颗粒到硅片表面（粒到硅片表面（见图所示）。所示）。电视屏幕能吸引灰屏幕能吸引灰尘就是一个例子。此外，就是一个例子。此外，颗粒越小，静粒越小，静电对它的吸引作用就越它的吸引作用就越明明显。随着器件关随着器件关键尺寸的尺寸的缩小，小，ESD对更小更小颗粒的吸引粒的吸引变得重要起来，能得重要起来，能产生致命缺陷。生致命缺陷。为减小减小颗粒沾粒沾污，硅片放，硅片放电必必须得到
14、控制得到控制。沾沾污的源与控制的源与控制 加工硅片的加工硅片的净化化间必必须严格控制沾格控制沾污以减小危害微以减小危害微芯片性能的致命缺陷。几乎每一接触硅片的物体都芯片性能的致命缺陷。几乎每一接触硅片的物体都是潜在的沾是潜在的沾污来源。硅片生来源。硅片生产厂房的厂房的7种沾种沾污为：空气空气人人厂房厂房水水工工艺用化学品用化学品工工艺气体气体生生产设备空气空气 净化化级别标定了定了净化化间的空气的空气质量量级别，它是由，它是由净化室空气化室空气中的中的颗粒尺寸和密度表征的。粒尺寸和密度表征的。这一数字描述了要怎一数字描述了要怎样控制控制颗粒以减少粒以减少颗粒沾粒沾污。净化化级别起源于美国起源于
15、美国联邦邦标准准209。表。表展示了不同展示了不同净化化间净化化级别每立方英尺可以接受的每立方英尺可以接受的颗粒数和粒数和颗粒尺寸粒尺寸。人人 人是人是颗粒的粒的产生者。人生者。人员持持续不断地不断地进入入净化化间，是，是净化化间沾沾污的最大来源。人的最大来源。人类颗粒来源如表所示。粒来源如表所示。为了减少人了减少人类带来的沾来的沾污，使用了超，使用了超净服，制定了服，制定了净化化间操操作作规程。程。厂房厂房 为使半使半导体制造在一个超体制造在一个超洁净的的环境中境中进行，行，有必要采用系有必要采用系统方法来控制方法来控制净化化间区域的区域的输入和入和输出。有三种基本的策略用于消除出。有三种基
16、本的策略用于消除净化化间颗粒：粒：1.从未受从未受颗粒沾粒沾污的的净化化间着手开始。着手开始。2.尽可能减少通尽可能减少通过设备、器具、人、器具、人员和和净化化间供供给引入的引入的颗粒。粒。3.持持续监控控净化化间的的颗粒，定期反粒，定期反馈信息和信息和维护清清洁。净化化间布局布局 由早期的舞由早期的舞厅式布局到了式布局到了现在的在的间格和格和夹层布局布局。早期净化间的舞厅式布局净化间间格和夹层的概念气流原理气流原理 为了了实现净化化间的超的超净环境，气流种境，气流种类是关是关键的。的。层状气流意味着气流是平滑的，无湍流气流模式（状气流意味着气流是平滑的，无湍流气流模式（见图）。）。空气空气过
17、滤 图是空气是空气过滤系系统的的简化化图。 温度和湿度温度和湿度 对硅片加工硅片加工设备温度和湿度的温度和湿度的设定定有特有特别的的规定。一个定。一个1级净化化间温度控制的例子温度控制的例子是是680.5F。相。相对湿度（湿度（RH）很重要，因）很重要，因为它它对侵侵蚀有有贡献。典型的献。典型的RH设定定为4010。静静电释放放 多数静多数静电释放（放（ESD）可以通）可以通过合理运合理运用用设备和和规程得到控制。主要的程得到控制。主要的ESD控制方法有：控制方法有：静静电消耗性的消耗性的净化化间材料材料ESD接地接地空气空气电离离水水 为了制造半了制造半导体，需要大量的高体，需要大量的高质量
18、、超量、超纯去离子（去离子（DI）水）水（UPW）。据估）。据估计在在1条条现代的代的200nm工工艺线中，制造每个中，制造每个硅片的去离子水消耗量达到硅片的去离子水消耗量达到2000加加仑。超超纯去离子水中不允去离子水中不允许的沾的沾污有：有：溶解离子溶解离子有机材料有机材料颗粒粒细菌菌硅土硅土溶解氧溶解氧图展示了水中的各种展示了水中的各种颗粒及其尺寸粒及其尺寸去离子水装置去离子水装置 去离子水装置包含两个去离子水装置包含两个净化水的主要部分，化水的主要部分，称称为补偿循循环和精加工回路（和精加工回路（见图所示）所示）。 工工艺用化学品用化学品 为保保证成功的器件成品率和性能，半成功的器件成
19、品率和性能，半导体工体工艺所用的液所用的液态化化学品必学品必须不含沾不含沾污。用。用检定数来定数来鉴别化学化学纯度，它指的是容度，它指的是容器中特定化学物的百分比。器中特定化学物的百分比。过滤器用来防止器用来防止传送送时分解或再循分解或再循环时用来保持化学用来保持化学纯度。度。过滤器器应该安置在适当的地方，尽可能靠近工安置在适当的地方，尽可能靠近工艺室使用室使用现场过滤。不同。不同过滤器分器分类如下：如下： 颗粒粒过滤：适用于大：适用于大约以上以上颗粒的深度型粒的深度型过滤（见图16）。）。 微微过滤：用于去除液：用于去除液态中到的范中到的范围颗粒的膜粒的膜过滤。 超超过滤：用于阻：用于阻挡大
20、大约到尺寸大分子的加到尺寸大分子的加压膜膜过滤。 反渗透：也被称反渗透：也被称为超超级过滤。它是一个加。它是一个加压的的处理方案，理方案，输送液体通送液体通过一一层半渗透膜，半渗透膜，过滤掉小至的掉小至的颗粒和金属离子。粒和金属离子。膜膜过滤使用聚合物薄膜或者使用聚合物薄膜或者带有有细小渗透孔的陶瓷作小渗透孔的陶瓷作为过滤器媒器媒质（见图）。）。深度型过滤器膜过滤器生生产设备 用来制造半用来制造半导体硅片的生体硅片的生产设备是硅片厂中最大的是硅片厂中最大的颗粒来源。粒来源。在硅片制造在硅片制造过程中，硅片从片架重复地程中，硅片从片架重复地转入入设备中，中，经过多多台装置的操作，卸下返回到片架中
21、，又被送交下一工作台。台装置的操作，卸下返回到片架中，又被送交下一工作台。为了制造一个硅片，了制造一个硅片，这一序列反复重复达一序列反复重复达450次或更多的次次或更多的次数，把硅片曝露在不同数，把硅片曝露在不同设备的的许多机械和化学加工多机械和化学加工过程中。程中。许多硅片制造多硅片制造过程程发生在真空中，需要特殊的生在真空中，需要特殊的设计考考虑以避以避免沾免沾污。下面是工。下面是工艺设备中各种中各种颗粒沾粒沾污来源的一些例子。来源的一些例子。剥落的副剥落的副产物物积累在腔壁上累在腔壁上自自动化的硅片装卸和化的硅片装卸和传送送机械操作，如旋机械操作，如旋转手柄和开光手柄和开光阀门真空真空环
22、境的抽取和排放境的抽取和排放清洗和清洗和维护过程程制造制造过程中，程中，挡硅片曝露于更多的硅片曝露于更多的设备操作操作时，硅片表面的，硅片表面的颗粒数将增加（粒数将增加（见图所示）所示）。工作台工作台设计 在工在工艺设备中，采用适当的材料来中，采用适当的材料来设计工作台是工作台是获得超得超洁净的的净化室所必需的。化室所必需的。所有的材料都所有的材料都释放一些放一些颗粒，目粒，目标是把是把释放降低在放降低在可以接受的水平上。可以接受的水平上。光滑、高度抛光的表面是减少光滑、高度抛光的表面是减少颗粒沾粒沾污最好的方法。最好的方法。不不锈钢是广泛采用的工作台面和是广泛采用的工作台面和净化化间的的设备
23、材料。材料。经过适当加工，不适当加工，不锈钢具有相具有相对较低的低的颗粒粒释放率。放率。电解抛光是最后的关解抛光是最后的关键步步骤。工作台工作台设计 穿壁式装置穿壁式装置 在在这种种处理中，理中，设备的主要部分位于生的主要部分位于生产区区后面的服后面的服务夹层中（中（见图）。只有用）。只有用户界面操作平台和硅片界面操作平台和硅片架位于生架位于生产线内。内。这种配置隔离开了种配置隔离开了设备与与夹层中的服中的服务区，区，这是一种低是一种低级别沾沾污的典型。的典型。 工作台工作台设计 控制控制 从半从半导体制造早期到体制造早期到20世世纪70年代，硅片通年代，硅片通过镊子子或真空棒手工控制。随着器
24、件尺寸或真空棒手工控制。随着器件尺寸缩小，手工控制引起小，手工控制引起颗粒粒沾沾污并并产生致命缺陷。最生致命缺陷。最终制造商使用片架在制造商使用片架在设备间传送硅送硅片，用片，用输送送带系系统和升降机来拾起并在和升降机来拾起并在设备间送入、送出硅送入、送出硅片（片（见图）。片架被）。片架被设计成成产生生颗粒最少、具有静粒最少、具有静电耗散性耗散性和最小的化学物和最小的化学物释放。放。 工作台工作台设计 微微环境境 净化化间的概念持的概念持续不断地被重新不断地被重新评估，估，主要是因主要是因为更更严格控制沾格控制沾污的需要以及减少的需要以及减少净化化间需要的巨大成本。在工作台所需要的巨大成本。在工作台所处的具体位置控制沾的具体位置控制沾污，采用微，采用微环境来加工硅片，已境来加工硅片，已经引起越来越大的引起越来越大的兴趣。趣。微微环境是指，在硅片和境是指，在硅片和净化化间环境不位于同一工境不位于同一工艺室室时，通，通过一个屏蔽来隔离开它一个屏蔽来隔离开它们所所创造出来的局造出来的局部部环境（境（见图）。）。这一概念也被称一概念也被称为硅片隔离技硅片隔离技术。微微环境区域境区域可以包括用来支撑硅片的可以包括用来支撑硅片的片架、硅片工片架、硅片工艺室、装室、装载通道和通道和储藏区域藏区域。工作台工作台设计
