硅片制造中的沾污控制(20180720145139)

第十一章 硅片制造中的沾污控制为使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造中的沾污是绝对必要的。随着器件关键尺寸缩小，对沾污的控制要求变得越来越严格。将学习硅片制造中各种类型的重要沾污、它们的来源以及怎样有效控制沾污以制造包含最小沾污诱生缺陷的高性能集成电路。11.1 引言一个硅片表面具有多个微芯片，每个芯片又差不多有数以百万计的器件和互连线路，它们对沾污都非常敏感。随着芯片的特征尺寸为适应更高性能和更高集成度的要求而缩小，控制表面沾污的需求变得越来越关键（见图 1） 。为实现沾污控制，所有的硅片制备都要在沾污控制严格的净化间内完成。图 1 硅片沾污现代半导体制造是在称为净化间的成熟设施中进行的。 这种硅片制造设备与外部环境隔离，免受诸如颗粒、金属、有机分子和静电释放（ ESD ）的沾污。一般来讲，那意味着这些沾污在最先进测试仪器的检测水平范围内都检测不到。净化间还意味着遵循广泛的规程和实践，以确保用于半导体制造的硅片生产设施免受沾污。图 2 硅片制造净化间11.2 沾污的类型沾污是指半导体制造过程中引入半导体硅片的任何危害微芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。将主要集中于制造工序中引入的各种类型的表面沾污。制造经常导致有缺陷的芯片。致命缺陷是导致硅片上的芯片无法通过电学测试的原因。据估计 80％的芯片电学失效是由沾污带来的缺陷引起的。电学失效引起成品率损失，导致硅片上的管芯报废以及很高的芯片制造成本。净化间沾污分为五类颗粒金属杂质有机物沾污自然氧化层静电释放（ ESD ）11.2.1 颗粒颗粒是能粘附在硅片表面的小物体。悬浮在空气中传播的颗粒被称为浮质。从鹅卵石到原子的各种颗粒的相对尺寸分布如图 3所示。图 3 颗粒的相对尺寸颗粒带来的问题有引起电路开路或短路如图 4的短路。图 4 颗粒引起的缺陷半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗糙度尺寸的粗略法则是它必须小于最小器件特征尺寸的一半。大于这个尺寸的颗粒会引起致命的缺陷。例如， 0.18um 的特征尺寸不能接触0.09um 以上尺寸的颗粒。如下图 5的人类头发对 0.18um 颗粒的相对尺寸。图 5人类头发对 0.18um 颗粒的相对尺寸硅片表面的颗粒密度代表了特定面积内的颗粒数。更高的颗粒密度产生致命缺陷的机会也大。11.2.2 金属杂质硅片加工厂的沾污也可能来自金属化合物。危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属，它们在普通化学品和工艺都很常见。这些金属在所有用于硅片加工的材料中都要严格控制（见表1） 。碱金属来自周期表中的 IA族，是极端活泼的元素，因为它们容易失去一个价电子成为阳离子，与非金属的阴离子反应形成离子化合物。表 1 典型金属杂质元素金属杂质导致了半导体杂质中器件成品率的减少，包括氧化物－多晶硅栅结构中的结构性缺陷。 额外的问题包括 pn 结上泄露电流的增加以及少数载流子寿命的减少。 可动离子沾污 （ MIC）能迁移到栅结构的氧化硅界面，改变开启晶体管所需的阈值电压（见图 6） 。由于它们的性质活泼，金属离子可以在电学测试和运输很久以后沿着器件移动，引起器件在使用期间失效。半导体制造的一个主要目标是减少与金属杂质和 MIC 的接触。图 6 可动离子沾污改变阈值电压11.2.3 有机沾污有机物沾污是指那些包含炭的物质，几乎总是同炭自身及氢结合在一起，有时也和其他元素结合在一起。有机物沾污的一些来源包括细菌、润滑剂、蒸汽、清洁剂、溶剂和潮气等。现在用于硅片加工的设备使用不需要润滑剂的组件来设计，例如，无油润滑泵或轴承等。在特定工艺条件下，微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性。工艺过程中有机材料给半导体表面带来的另一问题是表面的清洗不彻底，这种情况使得诸如金属杂质之类的沾污在清洗之后仍完整保留在硅片表面。11.2.4 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，硅片的表面将被氧化。这一薄氧化层称为自然氧化层。 硅片上最初的自然氧化层生长始于潮湿。 挡硅片表面曝露在空 气中时， 一秒钟内就有几十层水分子吸附在硅片上并渗透到硅表面，这引起硅表面甚至在室温下就发生氧化。天然氧化层的厚度随曝露时间的增长而增加。硅片表面无自然氧化层对半导体性能和可靠性是非常重要的。自然氧化层将妨碍其他工艺步骤，如硅片上单晶薄膜的生长和超薄栅氧化层的生长。自然氧化层也包含了某些金属杂质，它们可以向硅中转移并形成电学缺陷。自然氧化层引起的另一个问题在于金属导体的接触区。接触使得互连与半导体器件的源区及漏区保持电学连接。如果有自然氧化层存在，将增加接触电阻，减少甚至可能阻止电流流过（见图 7） 。图 7 自然氧化层11.2.5 静电释放静电释放（ ESD）也是一种形式的沾污，因为它是静电荷从一个物体向另一个物体未经控制地转移，可能损坏微芯片。 ESD 产生于两种不同静电势的材料接触或摩擦。带过剩负电荷的原子被相邻的带正电荷的原子吸引。这种吸引产生的电流泄放电压可以高达几万伏。半导体制造中特别容易产生静电释放， 因为硅片加工保持在较低的湿度中， 典型条件为 40％ 10 ％相对湿度（ RH） 。这种条件容易使较高级别的静电荷生成。虽然增加相对湿度可以减少静电生成，但是也会增加侵蚀带来的沾污，因而这种方法并不实用。尽管 ESD 发生时转移的静电总量通常很小（纳库仑级别） ，然而放电的能量积累在硅片上很小的一个区域内。发生在几个纳秒的静电释放能产生超过 1A的峰值电流，简直可以蒸发金属导体连线和穿透氧化层。放电也可能成为栅氧化层击穿的诱因。 ESD 带来的另一个重大问题在于，一旦硅片表面有了电荷积累，它产生的电场就能吸引带电颗粒或极化并吸引中性颗粒到硅片表面（见图 8所示） 。电视屏幕能吸引灰尘就是一个例子。此外，颗粒越小，静电对它的吸引作用就越明显。随着器件关键尺寸的缩小， ESD 对更小颗粒的吸引变得重要起来，能产生致命缺陷。为减小颗粒沾污，硅片放电必须得到控制。图 8 带电硅片吸引颗粒11.3 沾污的源与控制加工硅片的净化间必须严格控制沾污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是潜在的沾污来源。硅片生产厂房的 7种沾污为空气人厂房水工艺用化学品工艺气体生产设备11.3.1 空气净化级别标定了净化间的空气质量级别，它是由净化室空气中的颗粒尺寸荷密度表征的。这一数字描述了要怎样控制颗粒以减少颗粒沾污。净化级别起源于美国联邦标准 209 。表 2 展示了不同净化间净化级别每立方英尺可以接受的颗粒数荷颗粒尺寸。表 2 美国联邦标准 209E 中各净化间级别对空气漂浮颗粒的限制近来已经开始使用 0.1 级，这时颗粒尺寸缩小到 0.02-0.03um 。最新的净化空气标准对每立方米空气中的超细颗粒数也做了规定，称为“ U”描述符。 U描述符把直径小于 0.1um 的颗粒一直到分立颗粒计数器能检测到的最小颗粒规定为超细颗粒。11.3.2 人人是颗粒的产生者。人员持续不断地进入净化间，是净化间沾污的最大来源。人类颗粒来源如表 3所示。表 3 人类活动释放的颗粒为了减少人类带来的沾污，使用了超净服，制定了净化间操作规程。图 9 穿超净服的技术员表 4 合理的净化间操作规程11.3.3 厂房为使半导体制造在一个超洁净的环境中进行，有必要采用系统方法来控制净化间区域的输入和输出。有三种基本的策略用于消除净化间颗粒1． 从未受颗粒沾污的净化间着手开始。2． 尽可能减少通过设备、器具、人员和净化间供给引入的颗粒。3． 持续监控净化间的颗粒，定期反馈信息和维护清洁。■ 净化间布局 由早期的舞厅式布局到了现在的间格和夹层布局。图 10 早期净化间的舞厅式布局图 11 净化间间格和夹层的概念■ 气流原理 为了实现净化间的超净环境，气流种类式关键的。层状气流意味着气流式平滑的，无湍流气流模式（见图 12） 。图 12 层状气流■ 空气过滤 图 13是空气过滤系统的简化图。图 13 硅片工艺线的空气处理系统■ 温度和湿度 对硅片加工设备温度和湿度的设定有特别的规定。 一个 1级 0.3um 净化间温度控制的例子是 68 ％ 0.5 F。相对湿度（ RH）很重要，因为它对侵蚀有贡献。典型的 RH 设定为 40％ 10 ％。■ 静电释放 多数静电释放（ ESD ）可以通过合理运用设备和规程得到控制。主要的 ESD控制方法有静电消耗性的净化间材料ESD 接地空气电离11.3.4 水为了制造半导体，需要大量的高质量、超纯去离子（ DI）水（ UPW ） 。据估计在 1条现代的200mm 工艺线中，制造每个硅片的去离子水消耗量达到 2000 加仑。超纯去离子水中不允许的沾污有溶解离子有机材料颗粒细菌硅土溶解氧图 14 展示了水中的各种颗粒及其尺寸。图 14 水中的各种颗粒■ 去离子水装置 去离子水装置包含两个净化水的主要部分，称为补偿循环和精加工回路（见图 15所示） 。图 15 去离子水的补给和精加工回路11.3.5 工艺用化学品为保证个成功的器件成品率和性能，半导体工艺所用的液态化学品必须不含沾污。用检定数来鉴别化学纯度，它指的是容器中特定化学物的百分比。过滤器用来防止传送时分解或再循环时用来保持化学纯度。 过滤器应该安置再适当的地方，尽可能靠近工艺室使用现场过滤。不同过滤器分类如下颗粒过滤适用于大约 1.5um 以上颗粒的深度型过滤（见图 16） 。微过滤用于去除液态中 0.1 到 0.5um 的范围颗粒的膜过滤。超过滤用于阻挡大约 0.005 到 0.1um 尺寸大分子的加压膜过滤。反渗透也被称为超级过滤。它是一个加压的处理方案，输送液体通过一层半渗透膜，过滤掉小至 0.005um 的颗粒和金属离子。膜过滤使用聚合物薄膜或者带有细小渗透孔的陶瓷作为过滤器媒质（见图 17） 。图 16 深度型过滤器■ 工业气体 对于 ULSI 时代的半导体制造，超纯气体的传输和使用是很关键的。气体流经提纯器和气体过滤器以去除杂质和颗粒。11.3.6 生产设备用来制造半导体硅片的生产设备是硅片厂中最大的颗粒来源。在硅片制造过程中，硅片从片架重复地转入设备中，经过多台装置的操作，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，这一序列反复重复达 450 次或更多的次数，把硅片曝露在不同设备的许多机械和化学加工过程中。许多硅片制造过程发生在真空中，需要特殊的设计考虑以避免沾污。下面是工艺设备中各种颗粒沾污来源的一些例子。剥落的副产物积累在腔壁上自动化的硅片装卸和传送机械操作，如旋转手柄和开光阀门真空环境的抽取和排放清洗和维护过程制造过程中，挡硅片曝露于更多的设备操作时，硅片表面的颗粒数将增加（见图 18所示） 。图 18 硅片表面的颗粒数于工艺步骤数之间的函数关系11.3.7 工作台设计在工艺设备中，采用适当的材料来设计工作台是获得超洁净的净化室所必需的。所有的材料都释放一些颗粒， 目标是把释放降低在可以接受的水平上。 光滑、 高度抛光 的表面是减少颗粒沾污最好的方法。不锈钢是广泛采用的工作台面和净化间的设备材料。经过适当加工，不锈钢具有相对较低的颗粒释放率。电解抛光是最后的关键 步骤。■ 穿壁式装置 在这种处理中，设备的主要部分位于生产区后面的服务夹层中（见图 19） 。只有用户界面操作平台和硅片架位于生产线内。这种配置隔离开了设备与夹层中的服务区，这是一种低级别沾污的典型。图 19 穿壁式装置■ 控制 从半导体制造早期到 20世纪 70年代，硅片通过镊子或真空棒手工控制。随着器件尺寸缩小，手工控制引起颗粒沾污并产生致命缺陷。最终制造商使用片架在设备间传送硅片，用输送带系统和升降机来拾起并在设备间送入、 送出硅片 （见图 20） 。 片架被设计成产生颗粒最少、具有静电耗散性和最小的化学物释放。图 20 片架■ 微环境 净化间的概念持续不断地被重新评估，主要是因为更严格控制沾污的需要以及减少净化间需要的巨大成本。在工作台所处的具体位置控制沾污，采用微环境来加工硅片，已经引起越来越大的兴趣。微环境是指，在硅片和净化间环境不位于同一工艺室时，通过一个屏蔽来隔离开它们所创造出来的局部环境 （见图 21） 。 这一概念也被称为硅片隔离技术。 微环境区域可以包括用来支撑硅片的片架、硅片工艺室、装载通道和储藏区域。图 20 微环境概念小结硅片制造在净化间内进行。净化间内控制 5类 沾污颗粒、金属杂质、有机沾污、自然氧化成和静电释放，它们都能影响器件的性能。颗粒必须小于关键尺寸的一半，否则就是致命缺陷。 空气通过过滤来控制， 用一个净化级来指示它们的颗粒尺寸和密度。 人员必须遵守净化间操作规程以减少沾污。 厂房必须具有特殊的地板设计来减少沾污的引入， 用层状气流和 HEPA过滤器获得超净空气。通过空气电离来控制 ESD 。超纯去离子水通过反渗透、超过滤和细菌控制等控制着许多类型的沾污。工艺用化学品和气体为了达到高纯度有各种级别的过滤、传输和处理程序。净化间设备使用特殊的工作台设计减少沾污，通过为环境的使用正在变得更容易控制。