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)有機物沾污自然氧化層靜電釋放（ESD）顆粒顆粒：所有可以落在硅

2、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)計及材料特殊設(shè)計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：

3、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)品和化學(xué)品和傳輸傳輸管道管道及及容器的反應(yīng)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, TiNa, K, Li金屬雜質(zhì)沉淀到硅表面的機理n通過金屬離子和硅表面終端的氫原子之

4、間的電荷交換，和硅結(jié)合。（難以去除）n氧化時發(fā)生：硅在氧化時，雜質(zhì)會進入去除方法：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：強氧化劑）還原氧化 金屬離子在半導(dǎo)體材料中是高度活動性的，被稱為可動離子沾污（可動離子沾污（MICMIC）。當(dāng)MIC引入到硅片中時，在整個硅片中移動，嚴(yán)重損害器件電學(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)測試和運輸很久以后沿著器件移動，引起器件在使用期間失效。三三. 有機物的沾污有機物的沾污導(dǎo)致的問題導(dǎo)致的問題: 柵氧

5、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：強氧化強氧化 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 靜電釋放（ESD）也是一種污染形式，因為它是靜電，從一個物體向另一個物體，未經(jīng)控制的轉(zhuǎn)移，可能會損壞芯片。 ESD產(chǎn)生于，兩種不同靜電勢材料的接

6、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，但同時也會，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，放電時間短，導(dǎo)致高電流）電荷積累吸引，帶電顆?；蚱渌行灶w粒，會引起后續(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?？刂?。我們通常所呼吸的空氣是不能用于半導(dǎo)體制造的，因為它包含了太多的漂浮沾污。

7、 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，這時顆粒尺寸縮小到0.020.03m。二二. . 人人 人員持續(xù)不斷地進出凈化間，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。先進的材料對于0.1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

8、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)體制造在一個超潔凈的環(huán)境中進行，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行完善的設(shè)計，同時盡可能減少通過設(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清潔。為實現(xiàn)凈化間中的超凈環(huán)境，氣流種類是關(guān)鍵的。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。ULRe Re4000時流體為湍流(onflow

9、)，Re7）可以氧化有機膜和金屬形成絡(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OHOHOHOHOHOHSC-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)合物可以進一步去除殘留的重金屬污染（如可以進一步去除殘留的重金屬污染（如Au）RCA與超聲波振動共同作用，可以有更好的去顆粒作用與超聲波振動共同作用，可以

10、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除的污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120 C,10min有機物和金屬有機物和金屬2D.I. H2O室溫室溫洗清洗清3NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5) (SC1) 80 C,10min微塵微塵4D.I. H2O室溫室溫洗清洗清5HCl+H2O2+H2O(1:1:6)

11、 (SC2) 80 C,10min金屬金屬6D.I. H2O室溫室溫洗清洗清7HF+H2O (1:50)室溫室溫氧化層氧化層8D.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：持續(xù)供給新鮮清洗液，高速優(yōu)點：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

12、：清洗不均勻，中心旋轉(zhuǎn)為缺點：清洗不均勻，中心旋轉(zhuǎn)為零。零。優(yōu)點：可批處理進行清洗；節(jié)省清洗液用優(yōu)點：可批處理進行清洗；節(jié)省清洗液用量。量。缺點：可能造成清洗損傷。缺點：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：單片操作，效率缺點：單片操作，效率低，難以實現(xiàn)批處理。低，難以實現(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為表面張力收縮為水珠，即反浸潤。這樣的水珠在干燥后會在硅片表面形成斑

13、點。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：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（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)濟的可接受性（包括設(shè)備與運行成本、 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格價格化學(xué)廢物的處理化學(xué)廢物的處理和先進集成工藝的不相容和先進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

14、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法清洗工藝氣相化學(xué)，通常需激活能在低溫下加強化學(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)用來除去有機光刻膠（灰化）和有機物沾污，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到非常穩(wěn)定的結(jié)合，以實現(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，同時能去除有