第5章污染控制16.doc

第 5 章 污染控制 在这一章中，将解释污染对器件工艺、器件性能和器件可靠性的影响，以及芯片生产区域存在的污染类型和主要的污染源。同时，也将对洁净室规划、主要的污染控制方法和晶片表面的清洗工艺进行讨论。 5.1 简介 污染是可能将芯片生产工业扼杀于摇篮中的首要问题之一。半导体器件，尤其是高密度的集成电路，易受到各种污染的损害。 ( 半导体工业起步于由航空工业发展而来的洁净室技术。然而，事实证明，对于大规模集成电路的生产，这些技术水平是远远不够的。 ( 除此之外，在早期，能够提供洁净室专用化学品和材料的供应商，以及具备建造洁净室知识的承包商更是无处可寻。在那些年里，该工业是以家庭规模的方式发展的。 ( 如今，大规模的、复杂的洁净室辅助工业已经形成，洁净室技术也与芯片的设计及线宽技术同步发展。 通过不断地解决在各个芯片技术时代所存在的污染问题，这一工业自身也得到了发展。 5.2 问题 半导体器件极易受到多种污染物的损害。这些污染物可归纳为以下 4 类。分别是： 微粒、金属离子、化学物质、细菌。 （1）微粒 器件对于污染的敏感度取决于较小的特征图形的尺寸和晶片表面沉积层的厚度。 目前的量度尺寸已经降到亚微米级。1微米（( m）是非常小的。1厘米=10 000 微米。 人的头发的直径为100微米（参见图5.1）。 1微米与人类毛发的相对大小 这种非常小的器件尺寸导致器件极易受到由人员，设备和工艺操作中使用的化学品所产生的，存在于空气中的颗粒污染的损害（见下图）。 污染物的相对尺寸 由于特征图形尺寸越来越小，膜层越来越薄（见下图）。所允许存在的微粒尺寸也必须被控制在更小的尺度上。 空气中的微粒与晶片尺度的相对大小 由经验所得出的法则是微粒的大小要小于器件上最小的特征图形尺寸的1/10倍。 例如，直径为 0.03微米 的微粒将会损害 0.3微米 线宽大小的特征图形。 致命缺陷：把落于器件的关键部位并毁坏了器件功能的微粒称为致命缺陷。此外，致命缺陷也可包括晶体缺陷和其他由于工艺过程引入带来的问题。 在任何晶片上，都存在大量的微粒。有些属于致命性的，而其他一些位于器件不太敏感的区域，则不会造成器件缺陷。 1994年，半导体工业协会（SIA）将0.18微米设计的光刻操作中的缺陷密度定为0.06微米下的135个(每平方厘米每层)。 （2）金属离子 在第2章中，介绍了半导体器件在整个晶片上N型和P型的掺杂区域，以及在精确的N／P相邻区域，都需要具有可控的电阻率。 ( 通过在晶体和晶片上有目的地掺杂特定的掺杂离子来实现对这个性质的控制。非常少量的掺杂物即可实现我们希望的效果。 ( 但遗憾的是，在晶片中出现的极少量的具有电性的污染物也会改变器件的典型特征，改变它的工作表现和可靠性参数。 ( 可移动离子污染物：可以引起上述问题的污染物称为可移动离子污染物（MIC）。它们是在材料中以离子形态存在的金属离子。并且，这些金属离子在半导体材料中具有很强的可移动性。 也就是说，即便在器件通过了电性能测试并且运送出去，金属离子仍可在器件中移动从而造成器件失效。 能够在硅器件中引起这些问题的金属存在于绝大部分的化学物质中（见下图）。 光刻胶去除剂的金属杂质含量 光刻胶去除剂的金属杂质含量 一般地，在晶片中，可移动离子污染物（MIC）必须被控制在1010原子／cm2 的范围内甚至更少。 ( 最常见的可移动离子污染物: 钠。钠是在未经处理的化学品中最常见的可移动离子污染物，同时也是硅中移动性最强的物 质。 因此，对钠的控制成为硅片生产的首要目标。 （3）化学品 在半导体工艺领域第三大主要的污染物是不需要的化学物质。工艺过程中所用的化学品和水可能会受到对芯片工艺产生影响的物质的污染。 它们将导致晶片表面受到不希望的刻蚀，在器件上生成无法除去的化合物，或者引起不均匀的工艺过程。 氯就是这样一种污染物，对它在工艺过程中所用到的含量被受到严格的控制。 （4）细菌 细菌是第4类的主要污染物。细菌是在水的系统中或不定期清洗的表面生成的有机物。 细菌一旦在器件上形成，会成为颗粒状污染物或给器件表面引入不希望见到的金属离子。 ( 污染引起的问题 以上这4种污染物在以下3个特定的功能领域，对工艺过程和器件将产生影响。它们是： 器件工艺良品率、器件性能、器件可靠性。 （1）器件工艺良品率 在一个污染环境中制成的器件会引起多种问题。污染会改变器件的尺寸，改变表面的洁净度，并且／或者造成有凹痕的表面。 在晶片生产的过程中，有一系列的质量检验和检测，它们是为检测出被污染的晶片而特殊设计的。高度的污染使得