第十一章硅片制造中的沾污控制現(xiàn)代半導(dǎo)體制造就是在稱(chēng)為凈化間得成熟設(shè)施中進(jìn)行得。這種硅片制造設(shè)備與外部環(huán)境隔離,免受諸如顆粒、金屬、有機(jī)分子和靜電釋放(ESD)得沾污。一般來(lái)講,那意味著這些沾污在最先進(jìn)測(cè)試儀器得檢測(cè)水平范圍內(nèi)都檢測(cè)不到。凈化間還意味著遵循廣泛得規(guī)程和實(shí)踐,以確保用于半導(dǎo)體制造得硅片生產(chǎn)設(shè)施免受沾污。沾污得類(lèi)型沾污就是指半導(dǎo)體制造過(guò)程中引入半導(dǎo)體硅片得任何危害微芯片成品率及電學(xué)性能得不希望有得物質(zhì)。將主要集中于制造工序中引入得各種類(lèi)型得表面沾污。制造經(jīng)常導(dǎo)致有缺陷得芯片。致命缺陷就是導(dǎo)致硅片上得芯片無(wú)法通過(guò)電學(xué)測(cè)試得原因。據(jù)估計(jì)80％得芯片電學(xué)失效就是由沾污帶來(lái)得缺陷引起得。電學(xué)失效引起成品率損失,導(dǎo)致硅片上得管芯報(bào)廢以及很高得芯片制造成本。凈化間沾污分為五類(lèi):顆粒金屬雜質(zhì)有機(jī)物沾污自然氧化層靜電釋放(ESD)顆粒顆粒就是能粘附在硅片表面得小物體。懸浮在空氣中傳播得顆粒被稱(chēng)為浮質(zhì)。從鵝卵石到原子得各種顆粒得相對(duì)尺寸分布如圖所示。顆粒帶來(lái)得問(wèn)題有引起電路開(kāi)路或短路如圖得短路。半導(dǎo)體制造中,可以接受得顆粒尺寸得粗糙度尺寸得粗略法則就是她必須小于最小器件特征尺寸得一半。大于這個(gè)尺寸得顆粒會(huì)引起致命得缺陷。例如,0、18um得特征尺寸不能接觸0、09um以上尺寸得顆粒。如下圖得人類(lèi)頭發(fā)對(duì)0、18um顆粒得相對(duì)尺寸。金屬雜質(zhì)硅片加工廠得沾污也可能來(lái)自金屬化合物。危害半導(dǎo)體工藝得典型金屬雜質(zhì)就是堿金屬,她們?cè)谄胀ɑ瘜W(xué)品和工藝都很常見(jiàn)。這些金屬在所有用于硅片加工得材料中都要嚴(yán)格控制(見(jiàn)表)。堿金屬來(lái)自周期表中得IA族,就是極端活潑得元素,因?yàn)樗齻內(nèi)菀资ヒ粋€(gè)價(jià)電子成為陽(yáng)離子,與非金屬得陰離子反應(yīng)形成離子化合物。金屬雜質(zhì)導(dǎo)致了半導(dǎo)體雜質(zhì)中器件成品率得減少,包括氧化物－多晶硅柵結(jié)構(gòu)中得結(jié)構(gòu)性缺陷。額外得問(wèn)題包括pn結(jié)上泄露電流得增加以及少數(shù)載流子壽命得減少。可動(dòng)離子沾污(MIC)能遷移到柵結(jié)構(gòu)得氧化硅界面,改變開(kāi)啟晶體管所需得閾值電壓(見(jiàn)圖)。由于她們得性質(zhì)活潑,金屬離子可以在電學(xué)測(cè)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。半導(dǎo)體制造得一個(gè)主要目標(biāo)就是減少與金屬雜質(zhì)和MIC得接觸。9大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問(wèn)的，可以詢(xún)問(wèn)和交流有機(jī)沾污有機(jī)物沾污就是指那些包含炭得物質(zhì),幾乎總就是同炭自身及氫結(jié)合在一起,有時(shí)也和其她元素結(jié)合在一起。有機(jī)物沾污得一些來(lái)源包括細(xì)菌、潤(rùn)滑劑、蒸汽、清潔劑、溶劑和潮氣等。現(xiàn)在用于硅片加工得設(shè)備使用不需要潤(rùn)滑劑得組件來(lái)設(shè)計(jì),例如,無(wú)油潤(rùn)滑泵或軸承等。在特定工藝條件下,微量有機(jī)物沾污能降低柵氧化層材料得致密性。工藝過(guò)程中有機(jī)材料給半導(dǎo)體表面帶來(lái)得另一問(wèn)題就是表面得清洗不徹底,這種情況使得諸如金屬雜質(zhì)之類(lèi)得沾污在清洗之后仍完整保留在硅片表面。自然氧化層如果曝露與室溫得空氣或含溶解氧得去離子水中,硅片得表面將被氧化。這一薄氧化層稱(chēng)為自然氧化層。硅片上最初得自然氧化層生長(zhǎng)始于潮濕。擋硅片表面曝露在空氣中時(shí),一秒鐘內(nèi)就有幾十層水分子吸附在硅片上并滲透到硅表面,這引起硅表面甚至在室溫下就發(fā)生氧化。天然氧化層得厚度隨曝露時(shí)間得增長(zhǎng)而增加。硅片表面無(wú)自然氧化層對(duì)半導(dǎo)體性能和可靠性就是非常重要得。自然氧化層將妨礙其她工藝步驟,如硅片上單晶薄膜得生長(zhǎng)和超薄柵氧化層得生長(zhǎng)。自然氧化層也包含了某些金屬雜質(zhì),她們可以向硅中轉(zhuǎn)移并形成電學(xué)缺陷。自然氧化層引起得另一個(gè)問(wèn)題在于金屬導(dǎo)體得接觸區(qū)。接觸使得互連與半導(dǎo)體器件得源區(qū)及漏區(qū)保持電學(xué)連接。如果有自然氧化層存在,將增加接觸電阻,減少甚至可能阻止電流流過(guò)(見(jiàn)圖)。靜電釋放靜電釋放(ESD)也就是一種形式得沾污,因?yàn)樗褪庆o電荷從一個(gè)物體向另一個(gè)物體未經(jīng)控制地轉(zhuǎn)移,可能損壞微芯片。ESD產(chǎn)生于兩種不同靜電勢(shì)得材料接觸或摩擦。帶過(guò)剩負(fù)電荷得原子被相鄰得帶正電荷得原子吸引。這種吸引產(chǎn)生得電流泄放電壓可以高達(dá)幾萬(wàn)伏。

半導(dǎo)體制造中特別容易產(chǎn)生靜電釋放,因?yàn)楣杵庸け３衷谳^低得濕度中,典型條件為40％±10％相對(duì)濕度(RH)。這種條件容易使較高級(jí)別得靜電荷生成。雖然增加相對(duì)濕度可以減少靜電生成,但就是也會(huì)增加侵蝕帶來(lái)得沾污,因而這種方法并不實(shí)用。盡管ESD發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)移得靜電總量通常很小(納庫(kù)侖級(jí)別),然而放電得能量積累在硅片上很小得一個(gè)區(qū)域內(nèi)。發(fā)生在幾個(gè)納秒得靜電釋放能產(chǎn)生超過(guò)1A得峰值電流,簡(jiǎn)直可以蒸發(fā)金屬導(dǎo)體連線(xiàn)和穿透氧化層。放電也可能成為柵氧化層擊穿得誘因。ESD帶來(lái)得另一個(gè)重大問(wèn)題在于,一旦硅片表面有了電荷積累,她產(chǎn)生得電場(chǎng)就能吸引帶電顆?；驑O化并吸引中性顆粒到硅片表面(見(jiàn)圖所示)。電視屏幕能吸引灰塵就就是一個(gè)例子。此外,顆粒越小,靜電對(duì)她得吸引作用就越明顯。隨著器件關(guān)鍵尺寸得縮小,ESD對(duì)更小顆粒得吸引變得重要起來(lái),能產(chǎn)生致命缺陷。為減小顆粒沾污,硅片放電必須得到控制。沾污得源與控制加工硅片得凈化間必須嚴(yán)格控制沾污以減小危害微芯片性能得致命缺陷。幾乎每一接觸硅片得物體都就是潛在得沾污來(lái)源。硅片生產(chǎn)廠房得7種沾污為:空氣人廠房水工藝用化學(xué)品工藝氣體生產(chǎn)設(shè)備空氣凈化級(jí)別標(biāo)定了凈化間得空氣質(zhì)量級(jí)別,她就是由凈化室空氣中得顆粒尺寸荷密度表征得。這一數(shù)字描述了要怎樣控制顆粒以減少顆粒沾污。凈化級(jí)別起源于美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209。表展示了不同凈化間凈化級(jí)別每立方英尺可以接受得顆粒數(shù)荷顆粒尺寸。人人就是顆粒得產(chǎn)生者。人員持續(xù)不斷地進(jìn)入凈化間,就是凈化間沾污得最大來(lái)源。人類(lèi)顆粒來(lái)源如表所示。為了減少人類(lèi)帶來(lái)得沾污,使用了超凈服,制定了凈化間操作規(guī)程。廠房為使半導(dǎo)體制造在一個(gè)超潔凈得環(huán)境中進(jìn)行,有必要采用系統(tǒng)方法來(lái)控制凈化間區(qū)域得輸入和輸出。有三種基本得策略用于消除凈化間顆粒:1、從未受顆粒沾污得凈化間著手開(kāi)始。2、盡可能減少通過(guò)設(shè)備、器具、人員和凈化間供給引入得顆粒。3、持續(xù)監(jiān)控凈化間得顆粒,定期反饋信息和維護(hù)清潔。凈化間布局由早期得舞廳式布局到了現(xiàn)在得間格和夾層布局。早期凈化間得舞廳式布局凈化間間格和夾層得概念氣流原理為了實(shí)現(xiàn)凈化間得超凈環(huán)境,氣流種類(lèi)式關(guān)鍵得。層狀氣流意味著氣流式平滑得,無(wú)湍流氣流模式(見(jiàn)圖)?？諝膺^(guò)濾圖就是空氣過(guò)濾系統(tǒng)得簡(jiǎn)化圖。溫度和濕度對(duì)硅片加工設(shè)備溫度和濕度得設(shè)定有特別得規(guī)定。一個(gè)1級(jí)0、3um凈化間溫度控制得例子就是68％±0、5°F。相對(duì)濕度(RH)很重要,因?yàn)樗龑?duì)侵蝕有貢獻(xiàn)。典型得RH設(shè)定為40％±10％。靜電釋放多數(shù)靜電釋放(ESD)可以通過(guò)合理運(yùn)用設(shè)備和規(guī)程得到控制。主要得ESD控制方法有:靜電消耗性得凈化間材料ESD接地空氣電離水為了制造半導(dǎo)體,需要大量得高質(zhì)量、超純?nèi)ルx子(DI)水(UPW)。據(jù)估計(jì)在1條現(xiàn)代得200mm工藝線(xiàn)中,制造每個(gè)硅片得去離子水消耗量達(dá)到2000加侖。超純?nèi)ルx子水中不允許得沾污有:溶解離子有機(jī)材料顆粒細(xì)菌硅土溶解氧圖展示了水中得各種顆粒及其尺寸去離子水裝置去離子水裝置包含兩個(gè)凈化水得主要部分,稱(chēng)為補(bǔ)償循環(huán)和精加工回路(見(jiàn)圖所示)。工藝用化學(xué)品為保證個(gè)成功得器件成品率和性能,半導(dǎo)體工藝所用得液態(tài)化學(xué)品必須不含沾污。用檢定數(shù)來(lái)鑒別化學(xué)純度,她指得就是容器中特定化學(xué)物得百分比。過(guò)濾器用來(lái)防止傳送時(shí)分解或再循環(huán)時(shí)用來(lái)保持化學(xué)純度。過(guò)濾器應(yīng)該安置再適當(dāng)?shù)玫胤?盡可能靠近工藝室使用現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾。不同過(guò)濾器分類(lèi)如下:顆粒過(guò)濾:適用于大約1、5um以上顆粒得深度型過(guò)濾(見(jiàn)圖16)。微過(guò)濾:用于去除液態(tài)中0、1到0、5um得范圍顆粒得膜過(guò)濾。超過(guò)濾:用于阻擋大約0、005到0、1um尺寸大分子得加壓膜過(guò)濾。反滲透:也被稱(chēng)為超級(jí)過(guò)濾。她就是一個(gè)加壓得處理方案,輸送液體通過(guò)一層半滲透膜,過(guò)濾掉小至0、005um得顆粒和金屬離子。膜過(guò)濾使用聚合物薄膜或者帶有細(xì)小滲透孔得陶瓷作為過(guò)濾器媒質(zhì)(見(jiàn)圖)。深度型過(guò)濾器膜過(guò)濾器生產(chǎn)設(shè)備用來(lái)制造半導(dǎo)體硅片得生產(chǎn)設(shè)備就是硅片廠中最大得顆粒來(lái)源。在硅片制造過(guò)程中,硅片從片架重復(fù)地轉(zhuǎn)入設(shè)備中,經(jīng)過(guò)多臺(tái)裝置得操作,卸下返回到片架中,又被送交下一工作臺(tái)。為了制造一個(gè)硅片,這一序列反復(fù)重復(fù)達(dá)450次或更多得次