第四章__ic制造中的沾污控制

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1、第四章IC制造中的沾污控制一个硅片表面具有多个芯片，每个芯片有差不多数以百万计的器件和互连线路，它们对沾污都非常敏感。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。为了控制制造过程中不能接受的沾污，半导体产业开发了净化间。净化间本质上是一个净化过的空间，它以超净空气把芯片制造与外界的沾污环境隔离开来，包括化学品、人员和常规的工作环境。4.1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芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。沾污经常导致有缺陷的芯片，致命缺陷是导致硅片上的

2、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。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。一．颗粒颗粒是能粘附在硅片表面的小物体。在半导体制造过程中，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。颗粒还可以是后续各节讨论的其他类型沾污的来源。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。例如0.18微米的特征尺寸不能接触0.09微米以上尺寸的颗粒。为了有个感性认

3、识，人类头发的直径约为90微米，0.09微米的尺寸则比人类头发尺寸小1000倍之多。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更大。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。二．金属杂质危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属，即周期表中的ⅠA族元素，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。金属在所有用于硅片加工的材料中都要严格控制。表4.1列出了一些典型的金属杂质元素。金属来自于化学溶液或者半导体制

4、造中的各种工序。另一种金属沾污的来源是化学品同传输管道和容器的反应。金属可以通过两种途径淀积在硅片表面上。第一种途径，金属通过金属离子与位于硅片表面的氢离子的电荷交换而被束缚在硅表面。这些典型的金属杂质很难消除。第二种途径，当表面氧化时金属杂质分布于氧化层内。在氧化层中的金属杂质只有通过去除硅片表面的氧化层来去除。金属离子在半导体材料中是高度活动性的，被称为可动离子沾污（MIC）。当MIC引入到硅片中时，在整个硅片中移动，严重损害器件电学性能和长期可靠性。未经处理过的化学品中的钠是典型的、最为普

5、遍的MIC之一，人充当了它的运送者。人体以液态形式包含了高浓度的钠（例如唾液、眼泪、汗液等）。钠沾污在硅片加工中被严格控制。金属杂质导致了半导体制造中器件成品率的减少，引起氧化物-多晶硅栅结构中的结构性缺陷、pn结上泄漏电流的增加以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。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。三.有机物沾污有机物沾污是指那些包含碳的物质，几乎总是同碳自身及氢结合在一起，有

6、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、蒸气、清洁剂、溶剂和潮气等。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个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。四.自然氧化层如果曝露于室温下的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将会被氧化。这一薄氧化层称为自然氧化层。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。自然氧化层也包含了某些金属杂质，

7、它们可以向硅中转移并形成电学缺陷。在金属导体的接触区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。五.静电释放静电释放（ESD）也是一种形式的污染，因为它是静电荷从一个物体向另一个物体未经控制的转移，可能损坏芯片。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，这种由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，这种条件容易使静电荷生成。尽管ES

8、D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。发生在几个纳秒内的ESD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。放电也可以成为栅氧化层击穿的诱因。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。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。4.2沾污的源与控制半导体器件制造厂房存在7种沾污源：空气、人、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体