第三章硅片制造过程中沾污控制.pptVIP

器件制造工艺 * 第三章 硅片制造中沾污控制 3.1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， 控制表面沾污变得越来越关键。为实现控制沾污，所有的硅 片制备都要在沾污严格控制的净化间内完成。 3.2净化间基本情况 净化间最早被用于手术室内避免细菌沾污 1950年被应用于半导体工业 20世纪60年代高效颗粒空气过滤器的引入是向着硅片制造中大量减少颗粒的第一步 现代半导体制造是在被称为净化间的成熟设施中进行。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的沾污。 沾污越少，投入越高 3.3沾污的类型 沾污：是指半导体制造中引入半导体硅片的任何危害芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。 净化间沾污分五类： 颗粒 金属杂质 有机物沾污 自然氧化层 静电释放（ESD) 颗粒：能粘附在硅片表面的小物体 颗粒能引起电路开路或短路。它们能在相邻导体间引起短路。半导体制造中，可以接受的颗粒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。 颗粒的检测：早期，操作员通过显微镜直观地检查硅片表面颗粒。但这种方法在VLSI和ULSI时代不可接受。自从20世纪80年代中期以来，颗粒检测已经广泛采用激光束扫描硅片表面和检测颗粒散射的光强及位置来进行。在当前生产中应用的颗粒检测装置能检测到的最小颗粒直径为0.1微米。 金属杂质：危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属 碱金属：在普通化学品和工艺中常见，碱金属来自周期表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。 金属杂质来源： （1）离子注入（表现出最高的金属沾污，在1012到1013原子/平方厘米级数之间。） （2）化学品同传输管道和容器的反应（如一氧化碳气体，作为改进各种硅片工艺的附加气体，能与不锈钢的鎳、垫圈和气体传输系统中的其它元件反应，通过这一反应，气相的一氧化碳形成鎳的四碳基化合物颗粒分布在硅片表面。 危害：金属离子被称为可动离子沾污（MIC）。当MIC引入硅片中时，在整个硅片中移动，严重损害器件电学性能和长期可靠性。金属杂质导致了半导体制造中器件成品率的减少，如氧化物－多晶硅栅中的结构性缺陷，pn结上泄漏电流的增加及少数载流子寿命的减少。MIC沾污能迁移到栅结构中的氧化硅界面，改变开启晶体管所需的阈值电压。 金属杂质：危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属 有机物沾污：指那些包括含碳的物质，几乎总是同碳自身及氢界结合在一起，有时也和其它元素结合在一起。 有机物沾污来源：包括细菌、润滑剂、蒸气、清洁剂、溶剂和潮气等。 有机物沾污带来的问题：在特定的工艺条件下，微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性。有机材料给半导体表面带来的另一个问题是表面清洗不彻底，这种情况使得诸如金属杂质之类的沾污在清洗之后仍保留在硅片表面。 有机物沾污： 自然氧化层 自然氧化层：如果暴露于室温下的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将被氧化，这一薄氧化层成为自然氧化层。天然氧化层的厚度随暴露时间的增长而增加。 自然氧化层带来的问题： （1）自然氧化层将妨碍其它工艺步骤，如硅片上单晶薄膜的生长和超薄栅氧化层的生长。 （2）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。 (3)自然氧化层引起的另一个问题在于金属导体的接触区，接触使得互连线与半导体器件的源区及漏区保持电学连接，如果有自然氧化层的存在，将增加接触电阻，减少甚至可能阻止电流通过。 自然氧化层的清除：通过使用含HF酸的混合液清洗。 静电释放（ESD） 静电释放：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。 半导体制造业中的静电释放：硅片加工保持在较低的湿度中，典型条件为40％±10％，这种条件容易使较高级别的静电荷生成。 静电释放带来的问题： （1）尽管ESD发生时转移的静电量通常很小，但放电的能量积累在硅片上很小的一个区域内。发生在几个纳秒内的静电释放能产生超过1A的峰值电流，可以蒸发金属导体连线和穿透氧化层。 （2）ESD带来的另一个重大问题是，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。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对更小颗粒的尺寸变得重要起来，能产生致命缺陷。为减小颗粒沾污，硅片放电必须得到控制。 3.4沾污的源与控制 硅片生产厂房的7种沾污源： 空气 人 厂房 水 工艺用化学品、工艺气体 生产设备 空气 净化级别：标定了净化间的空气质量级别，是