《硅片沾污控制》

1、 沾污的類型沾污的類型 沾污的來源與控制沾污的來源與控制 硅片的濕法清洗介紹硅片的濕法清洗介紹 干法清洗方案介紹干法清洗方案介紹 沾污（沾污（Contamination）是指半導(dǎo)體制造 過程中引入半導(dǎo)體硅片的，任何危害芯片成品 率及電學(xué)性能的，不希望有的物質(zhì)。 沾污經(jīng)常導(dǎo)致有缺陷的芯片，致命缺陷是導(dǎo) 致硅片上的芯片無法通過電學(xué)測試的原因。 三道防線三道防線: 1. 凈化間（凈化間（clean room） 2. 硅片清洗（硅片清洗（wafer cleaning） 3. 吸雜（吸雜（gettering） 凈化間沾污分為五類凈化間沾污分為五類 顆粒 金屬雜質(zhì) 有機(jī)物沾污 自然氧化層 靜電釋放（ESD

2、） 顆粒顆粒：所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。 顆粒來源顆粒來源： 空氣空氣 人體人體 設(shè)備設(shè)備 化學(xué)品化學(xué)品 超級凈化空氣超級凈化空氣 風(fēng)淋吹掃、無塵服、面罩、風(fēng)淋吹掃、無塵服、面罩、 手套等手套等 特殊設(shè)計(jì)及材料特殊設(shè)計(jì)及材料 定期清洗定期清洗 超純化學(xué)品超純化學(xué)品 ，去離子水，去離子水 后果后果：電路開路或短路，薄膜針眼或開裂，引起后續(xù)沾污。電路開路或短路，薄膜針眼或開裂，引起后續(xù)沾污。 一一. .顆粒沾污顆粒沾污 各種可能落在芯片表面的顆粒各種可能落在芯片表面的顆粒 半導(dǎo)體制造中，可以接受的顆粒尺寸的粗略法則是 它必須小于最小器件特征尺寸的一半。 一

3、道工序，引入到硅片中，超過某一關(guān)鍵尺寸的顆 粒數(shù)，用術(shù)語表征為：每步每片上的顆粒數(shù) （PWP）。 在當(dāng)前生產(chǎn)中應(yīng)用的顆粒檢測裝置能檢測到的最小 顆粒直徑約為0.1微米。 二二. .金屬沾污金屬沾污 來源：來源：化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工藝化學(xué)試劑，離子注入、反應(yīng)離子刻蝕等工藝 化學(xué)品和傳輸管道及容器的反應(yīng)?；瘜W(xué)品和傳輸管道及容器的反應(yīng)。 v量級：量級：1010原子原子/cm2 影響：影響： 在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降在界面形成缺陷，影響器件性能，成品率下降 增加增加p-n結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命結(jié)的漏電流，減少少數(shù)載流子的壽命 Fe, Cu, Ni, Cr, W

4、, Ti Na, K, Li 金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機(jī)理 n通過金屬離子和硅表面終端的氫原子之間的電荷 交換，和硅結(jié)合。（難以去除） n氧化時(shí)發(fā)生：硅在氧化時(shí)，雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入 去除方法：使金屬原子氧化變成可溶性離子 M Mz+ + z e- 去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：強(qiáng)氧化劑） 還原 氧化 金屬離子在半導(dǎo)體材料中是高度活動(dòng)性的，被稱 為可動(dòng)離子沾污（可動(dòng)離子沾污（MICMIC）。當(dāng)MIC引入到硅片中時(shí)， 在整個(gè)硅片中移動(dòng)，嚴(yán)重?fù)p害器件電學(xué)性能和長期可 靠性。 對于對于MIC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的閾值電壓。 由于它們的性質(zhì)活潑，金屬離子可以在電學(xué)測

5、試 和運(yùn)輸很久以后沿著器件移動(dòng)，引起器件在使用期間 失效。 三三. 有機(jī)物的沾污有機(jī)物的沾污 導(dǎo)致的問題導(dǎo)致的問題: 柵氧化層密度降低; 清潔不徹底,容易引起后續(xù)沾污 來源：來源： 環(huán)境中的有機(jī)蒸汽, 如清潔劑和溶劑 存儲容器 光刻膠的殘留物 去除方法：去除方法：強(qiáng)氧化強(qiáng)氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 （7:3） 臭氧注入純水 四四. . 自然氧化層自然氧化層 來源來源: 在空氣、水中迅速生長 導(dǎo)致的問題：導(dǎo)致的問題： 接觸電阻增大 難實(shí)現(xiàn)選擇性的CVD或外延 成為金屬雜質(zhì)源 難以生長金屬硅化物 清洗工藝：HFH2O（ca. 1: 50） 五五. 靜電釋放靜電釋放 靜電釋

6、放（ESD）也是一種污染形式，因?yàn)樗?靜電，從一個(gè)物體向另一個(gè)物體，未經(jīng)控制的轉(zhuǎn)移， 可能會(huì)損壞芯片。 ESD產(chǎn)生于，兩種不同靜電勢材料的接觸或摩 擦。 半導(dǎo)體制造中，硅片加工保持在較低的濕度中， 典型條件為4010的相對濕度相對濕度（RH，Relative Humidity）。增加相對濕度可以減少帶電體的電阻率， 有助于靜電荷的釋放，但同時(shí)也會(huì)，增加侵蝕帶來的 沾污。 靜電釋放導(dǎo)致金屬導(dǎo)線蒸發(fā)，氧化層擊穿。（總電 量小，但是區(qū)域集中，放電時(shí)間短，導(dǎo)致高電流） 電荷積累吸引，帶電顆?；蚱渌行灶w粒，會(huì)引起 后續(xù)沾污。 半導(dǎo)體器件制造廠房存在7種沾污源：空氣、 人、廠房、水、工藝用化學(xué)品、工藝

7、氣體和生產(chǎn)設(shè) 備。 一一. . 空氣空氣 凈化間最基本的概念是：對硅片工廠空氣中的 顆粒控制。我們通常所呼吸的空氣是不能用于半導(dǎo) 體制造的，因?yàn)樗颂嗟钠≌次邸?凈化級別，標(biāo)定了凈化間的空氣質(zhì)量的級 別，它是由凈化室空氣中的顆粒尺寸和密度表 征的。 表表6.2 6.2 美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E209E中各凈化間級別對空氣漂浮顆粒的限制中各凈化間級別對空氣漂浮顆粒的限制 近些年來業(yè)內(nèi)已經(jīng)開始使用0.1級，這時(shí)顆粒尺寸縮小到0.020.03m。 二二. . 人人 人員持續(xù)不斷地進(jìn)出凈化間，是凈化間沾污的 最大來源。 現(xiàn)代超凈服是高技術(shù)，膜紡織品或密織的聚酯織物。 先進(jìn)的材料對于0.

8、1微米及更大尺寸的顆粒具有 99.999%的效率級別。 超凈服的系統(tǒng)目標(biāo)： 1 1）對身體產(chǎn)生的，顆粒和浮質(zhì)的總體抑制； 2 2）系統(tǒng)顆粒零釋放； 3 3）對ESDESD靜電釋放靜電釋放的零靜電積累； 4 4）無化學(xué)和生物殘余物的釋放。 三廠房三廠房 為使半導(dǎo)體制造在一個(gè)超潔凈的環(huán)境中進(jìn)行， 有必要采用系統(tǒng)方法來控制凈化間區(qū)域的輸入和輸 出。在凈化間布局、氣流流動(dòng)模式、空氣過濾系統(tǒng)、 溫度和濕度的設(shè)定、靜電釋放等方面都要進(jìn)行完善 的設(shè)計(jì)，同時(shí)盡可能減少通過設(shè)備、生產(chǎn)器具、人 員、凈化間供給，引入的顆粒和持續(xù)監(jiān)控凈化間的 顆粒，定期反饋信息及維護(hù)清潔。 為實(shí)現(xiàn)凈化間中的超凈環(huán)境，氣流種類是關(guān)鍵的

9、。 對于100級或一下的凈化間，氣流是層流層流狀態(tài)，沒 有湍流湍流氣流模式。 垂直層流對于外界氣壓具有輕微的正壓，充當(dāng)了屏 蔽，以減少設(shè)備或人到暴露著的產(chǎn)品的橫向沾污。 UL Re Re4000時(shí)流體為湍流(onflow)，Re7） 可以氧化有機(jī)膜 和金屬形成絡(luò)合物 緩慢溶解原始氧化層，并再氧化可以去除顆粒 NH4OH對硅有腐蝕作用 RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗標(biāo)準(zhǔn)清洗 OH OH OH OH OH OH SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DI=1:1:61:2:8 7080 C, 10min 酸性（酸性（pH值值7） 可以將堿金屬離子及可以將堿金屬離子及Al3 、 、Fe3 和 和Mg2

10、與 與SC-1溶液中形溶液中形 成的成的不溶的不溶的氫氧化物，反應(yīng)成溶于水的絡(luò)合物氫氧化物，反應(yīng)成溶于水的絡(luò)合物 可以進(jìn)一步去除殘留的重金屬污染（如可以進(jìn)一步去除殘留的重金屬污染（如Au） RCA與超聲波振動(dòng)共同作用，可以有更好的去顆粒作用與超聲波振動(dòng)共同作用，可以有更好的去顆粒作用 2050kHz 或或 1MHz左右。左右。 平行于硅片表面的聲壓波使粒子浸潤， 然后溶液擴(kuò)散入界面，最后粒子完全浸 潤，并成為懸浮的自由粒子。 表表6.3 6.3 硅片濕法清洗化學(xué)品硅片濕法清洗化學(xué)品 現(xiàn)代芯片生產(chǎn)中硅片清洗工藝流程現(xiàn)代芯片生產(chǎn)中硅片清洗工藝流程 化學(xué)溶劑化學(xué)溶劑 清洗溫度清洗溫度 清除的污染物清

11、除的污染物 1 H2SO4+H2O2(4:1)120 C,10min有機(jī)物和金屬有機(jī)物和金屬 2 D.I. H2O室溫室溫洗清洗清 3 NH4OH+H2O2+H2O (1:1:5) (SC1) 80 C,10min微塵微塵 4 D.I. H2O室溫室溫洗清洗清 5 HCl+H2O2+H2O (1:1:6) (SC2) 80 C,10min金屬金屬 6 D.I. H2O室溫室溫洗清洗清 7 HF+H2O (1:50)室溫室溫氧化層氧化層 8 D.I. H2O室溫室溫洗清洗清 9干燥干燥 清洗容器和載體清洗容器和載體 SC1/SPM/SC2 石英（ Quartz ）或 Teflon容器 HF 優(yōu)先

12、使用Teflon，其他無色塑料容器。 硅片的載體硅片的載體 只能用Teflon 或石英片架（不能用于HF清 洗中） 常見清洗設(shè)備常見清洗設(shè)備 兆聲清洗兆聲清洗 噴霧清洗噴霧清洗 兆聲清洗兆聲清洗 噴霧清洗 優(yōu)點(diǎn)：持續(xù)供給新鮮清洗液，高速優(yōu)點(diǎn)：持續(xù)供給新鮮清洗液，高速 沖擊的液滴和硅片旋轉(zhuǎn)可保證有效沖擊的液滴和硅片旋轉(zhuǎn)可保證有效 清洗。清洗。 缺點(diǎn)：清洗不均勻，中心旋轉(zhuǎn)為缺點(diǎn)：清洗不均勻，中心旋轉(zhuǎn)為 零。零。 優(yōu)點(diǎn)：可批處理進(jìn)行清洗；節(jié)省清洗液用優(yōu)點(diǎn)：可批處理進(jìn)行清洗；節(jié)省清洗液用 量。量。 缺點(diǎn)：可能造成清洗損傷。缺點(diǎn)：可能造成清洗損傷。 洗刷器洗刷器 水清洗干燥水清洗干燥 溢流清洗溢流清洗

13、排空清洗排空清洗 噴射清洗噴射清洗 加熱去離子水清洗加熱去離子水清洗 旋轉(zhuǎn)式甩干旋轉(zhuǎn)式甩干 IPA異丙醇蒸氣干燥異丙醇蒸氣干燥 缺點(diǎn)：單片操作，效率缺點(diǎn)：單片操作，效率 低，難以實(shí)現(xiàn)批處理。低，難以實(shí)現(xiàn)批處理。 硅片甩干硅片甩干：硅片對水的響應(yīng)程度稱為它的可濕 性。水可浸潤親水性的潔凈硅片上，而在疏水性 表面上因?yàn)楸砻鎻埩κ湛s為水珠，即反浸潤。這 樣的水珠在干燥后會(huì)在硅片表面形成斑點(diǎn)。 經(jīng)過氫氟酸腐蝕的無氧化物表面由于氫終結(jié)了表 面原子層因而是疏水性的。必須徹底干燥硅片表 面。 旋轉(zhuǎn)式甩干機(jī)：難以除去孔穴中的水分；高速旋 轉(zhuǎn)引起電荷積累吸引顆粒 異丙醇蒸氣干燥：IPA的純度級別必須加以控制 （

14、1）微粗糙度（RMS）； （2）自然氧化物清除率； （3）金屬沾污、表面顆粒度以及有機(jī)物沾污； （4）芯片的破損率； （5）清洗中的再沾污； （6）對環(huán)境的污染； （7）經(jīng)濟(jì)的可接受性（包括設(shè)備與運(yùn)行成本、 清洗效 率）等。 顆粒的產(chǎn)生顆粒的產(chǎn)生 較難干燥較難干燥 價(jià)格價(jià)格 化學(xué)廢物的處理化學(xué)廢物的處理 和先進(jìn)集成工藝的不相容和先進(jìn)集成工藝的不相容 濕法清洗的問題濕法清洗的問題 現(xiàn)在已經(jīng)研究出幾種可以取代RCA清洗 的清洗技術(shù),像等離子體干法清洗、使用螯合 劑、臭氧、低溫噴霧清洗等,但在工業(yè)生產(chǎn)上 還未大量應(yīng)用。 6.4 RCA6.4 RCA濕法清洗的替代方案濕法清洗的替代方案 干法清洗工藝干

15、法清洗工藝 氣相化學(xué)，通常需激活能在低溫下加強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)。 所需加入的能量，可以來自于等離子體，離子束， 短波長輻射和加熱，這些能量用以清潔表面，但必 須避免對硅片的損傷 HFH2O氣相清洗 紫外一臭氧清洗法（UVOC） H2Ar等離子清洗 熱清洗 等離子清洗有物理清洗和化學(xué)清洗（表面改性）兩 種方式。前者稱為PE方式，后者稱為RIE方式。將 激發(fā)到等離子態(tài)的活性粒子與表面分子反應(yīng)，而產(chǎn) 物分析進(jìn)一步解析形成氣相殘余物而脫離表面。 目前等離子體技術(shù)已經(jīng)用來除去有機(jī)光刻膠（灰化） 和有機(jī)物沾污，是替代濕法化學(xué)方法的一種綠色手 段，是被人們十分關(guān)注的根本治理污染的技術(shù)。 螯合劑用來結(jié)合并除去金屬離子，加入到清洗液中， 能夠減少溶液中的金屬再淀積。 典型的螯合劑如乙二胺四乙酸（EDTA）。這類螯 合劑通常通過配位鍵與溶液中的金屬離子達(dá)到非常 穩(wěn)定的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)金屬與硅片表面的隔離。 臭氧處理過的純水結(jié)合緊隨其后的SC-2清洗步驟 能有效除去諸如銅（Cu）和銀（Ag）這類金屬， 同時(shí)能去除有機(jī)物沾污。 原理：充分冷卻氣體（如氬氣Ar），形成固態(tài)晶粒， 噴射到硅片表面除去顆粒沾污