硅片沾污控制

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1、 沾污的類型沾污的來源與控制硅片的濕法清洗介紹干法清洗方案介紹 沾 污 （ Contamination） 是 指 半 導 體 制 造過 程 中 引 入 半 導 體 硅 片 的 ， 任 何 危 害 芯 片 成 品率 及 電 學 性 能 的 ， 不 希 望 有 的 物 質 。 沾 污 經 常 導 致 有 缺 陷 的 芯 片 ， 致 命 缺 陷 是 導致 硅 片 上 的 芯 片 無 法 通 過 電 學 測 試 的 原 因 。 三 道 防 線 : 1. 凈 化 間 （ clean room） 2. 硅 片 清 洗 （ wafer cleaning） 3. 吸 雜 （ gettering） 凈 化 間

2、沾 污 分 為 五 類顆粒金屬雜質有機物沾污自然氧化層靜電釋放（ESD） 顆 粒 ： 所 有 可 以 落 在 硅 片 表 面 的 都 稱 作 顆 粒 。顆 粒 來 源 ：空 氣人 體設 備化 學 品 超 級 凈 化 空 氣風 淋 吹 掃 、 無 塵 服 、 面 罩 、手 套 等 特 殊 設 計 及 材 料定 期 清 洗超 純 化 學 品， 去 離 子 水 后 果 ： 電 路 開 路 或 短 路 ， 薄 膜 針 眼 或 開 裂 ， 引 起 后 續(xù) 沾 污 。一 .顆 粒 沾 污 各 種 可 能 落 在 芯 片 表 面 的 顆 粒 半導體制造中，可以接受的顆粒尺寸的粗略法則是它必須小于最小器件特征

3、尺寸的一半。一道工序，引入到硅片中，超過某一關鍵尺寸的顆粒數(shù)，用術語表征為：每步每片上的顆粒數(shù)（PWP）。在當前生產中應用的顆粒檢測裝置能檢測到的最小顆粒直徑約為0.1微米。 二 .金 屬 沾 污來 源 ： 化 學 試 劑 ， 離 子 注 入 、 反 應 離 子 刻 蝕 等 工 藝化 學 品 和 傳 輸 管 道 及 容 器 的 反 應 。v量 級 ： 1010原 子 /cm2影 響 ：在 界 面 形 成 缺 陷 ， 影 響 器 件 性 能 ， 成 品 率 下 降增 加 p-n結 的 漏 電 流 ， 減 少 少 數(shù) 載 流 子 的 壽 命Fe, Cu, Ni, Cr, W, TiNa, K, L

4、i 金 屬 雜 質 沉 淀 到 硅 表 面 的 機 理n 通 過 金 屬 離 子 和 硅 表 面 終 端 的 氫 原 子 之 間 的 電 荷交 換 ， 和 硅 結 合 。 （ 難 以 去 除 ）n 氧 化 時 發(fā) 生 ： 硅 在 氧 化 時 ， 雜 質 會 進 入 去 除 方 法 ： 使 金 屬 原 子 氧 化 變 成 可 溶 性 離 子 M Mz+ + z e- 去 除 溶 液 ： SC-1, SC-2（ H2O2： 強 氧 化 劑 ）還 原氧 化 金 屬 離 子 在 半 導 體 材 料 中 是 高 度 活 動 性 的 ， 被 稱為 可 動 離 子 沾 污 （ MIC） 。 當 MIC引 入

5、 到 硅 片 中 時 ，在 整 個 硅 片 中 移 動 ， 嚴 重 損 害 器 件 電 學 性 能 和 長 期 可靠 性 。 對 于 MIC沾 污 ,能 遷 移 到 柵 結 構 中 的 氧 化 硅 界 面 ，改 變 開 啟 晶 體 管 所 需 的 閾 值 電 壓 。 由 于 它 們 的 性 質 活 潑 ， 金 屬 離 子 可 以 在 電 學 測 試和 運 輸 很 久 以 后 沿 著 器 件 移 動 ， 引 起 器 件 在 使 用 期 間失 效 。 三 . 有 機 物 的 沾 污導 致 的 問 題 : 柵 氧 化 層 密 度 降 低 ; 清 潔 不 徹 底 ,容 易 引 起 后 續(xù) 沾 污來 源

6、 ： 環(huán) 境 中 的 有 機 蒸 汽 , 如 清 潔 劑 和 溶 劑 存 儲 容 器 光 刻 膠 的 殘 留 物去 除 方 法 ： 強 氧 化 臭 氧 干 法 Piranha： H 2SO4-H2O2 （ 7:3） 臭 氧 注 入 純 水 四 . 自 然 氧 化 層 來 源 : 在 空 氣 、 水 中 迅 速 生 長 導 致 的 問 題 ：接 觸 電 阻 增 大難 實 現(xiàn) 選 擇 性 的 CVD或 外 延成 為 金 屬 雜 質 源難 以 生 長 金 屬 硅 化 物 清 洗 工 藝 ： HF H2O（ ca. 1: 50） 五 . 靜 電 釋 放 靜電釋放（ESD）也是一種污染形式，因為它是靜電

7、，從一個物體向另一個物體，未經控制的轉移，可能會損壞芯片。 ESD產生于，兩種不同靜電勢材料的接觸或摩擦。 半導體制造中，硅片加工保持在較低的濕度中，典型條件為4010的相對濕度（RH，Relative Humidity）。增加相對濕度可以減少帶電體的電阻率，有助于靜電荷的釋放，但同時也會，增加侵蝕帶來的沾污。 靜電釋放導致金屬導線蒸發(fā)，氧化層擊穿。（總電量小，但是區(qū)域集中，放電時間短，導致高電流）電荷積累吸引，帶電顆?；蚱渌行灶w粒，會引起后續(xù)沾污。 半導體器件制造廠房存在7種沾污源：空氣、人、廠房、水、工藝用化學品、工藝氣體和生產設備。一 . 空 氣 凈化間最基本的概念是：對硅片工廠空氣中

8、的顆?？刂?。我們通常所呼吸的空氣是不能用于半導體制造的，因為它包含了太多的漂浮沾污。 凈 化 級 別 ， 標 定 了 凈 化 間 的 空 氣 質 量 的 級別 ， 它 是 由 凈 化 室 空 氣 中 的 顆 粒 尺 寸 和 密 度 表征 的 。 表 6.2 美 國 聯(lián) 邦 標 準 209E中 各 凈 化 間 級 別 對 空 氣 漂 浮 顆 粒 的 限 制 近 些 年 來 業(yè) 內 已 經 開 始 使 用 0.1級 ， 這 時 顆 粒 尺 寸 縮 小 到 0.020.03m。 二 . 人 人員持續(xù)不斷地進出凈化間，是凈化間沾污的最大來源。 現(xiàn)代超凈服是高技術，膜紡織品或密織的聚酯織物。先進的材料對

9、于0.1微米及更大尺寸的顆粒具有99.999%的效率級別。超凈服的系統(tǒng)目標：1）對身體產生的，顆粒和浮質的總體抑制；2）系統(tǒng)顆粒零釋放；3）對ESD靜電釋放的零靜電積累；4）無化學和生物殘余物的釋放。 三 廠 房 為使半導體制造在一個超潔凈的環(huán)境中進行，有必要采用系統(tǒng)方法來控制凈化間區(qū)域的輸入和輸出。在凈化間布局、氣流流動模式、空氣過濾系統(tǒng)、溫度和濕度的設定、靜電釋放等方面都要進行完善的設計，同時盡可能減少通過設備、生產器具、人員、凈化間供給，引入的顆粒和持續(xù)監(jiān)控凈化間的顆粒，定期反饋信息及維護清潔。 為實現(xiàn)凈化間中的超凈環(huán)境，氣流種類是關鍵的。對于100級或一下的凈化間，氣流是層流狀態(tài)，沒有

10、湍流氣流模式。垂直層流對于外界氣壓具有輕微的正壓，充當了屏蔽，以減少設備或人到暴露著的產品的橫向沾污。 ULRe Re4000時 流 體 為 湍 流 (onflow)， Re7）可 以 氧 化 有 機 膜和 金 屬 形 成 絡 合 物緩 慢 溶 解 原 始 氧 化 層 ， 并 再 氧 化 可 以 去 除 顆 粒NH4OH對 硅 有 腐 蝕 作 用RCA標 準 清 洗 OH OH OHOH OHOH SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DI=1:1:61:2:8 70 80C, 10min 酸 性 （ pH值 7）可 以 將 堿 金 屬 離 子 及 Al3 、 Fe3 和 Mg2

11、與 SC-1溶 液 中 形成 的 不 溶 的 氫 氧 化 物 ， 反 應 成 溶 于 水 的 絡 合 物可 以 進 一 步 去 除 殘 留 的 重 金 屬 污 染 （ 如 Au）RCA與 超 聲 波 振 動 共 同 作 用 ， 可 以 有 更 好 的 去 顆 粒 作 用20 50kHz 或 1MHz左 右 。平 行 于 硅 片 表 面 的 聲 壓 波 使 粒 子 浸 潤 ，然 后 溶 液 擴 散 入 界 面 ， 最 后 粒 子 完 全 浸 潤 ， 并 成 為 懸 浮 的 自 由 粒 子 。 表 6.3 硅 片 濕 法 清 洗 化 學 品 現(xiàn) 代 芯 片 生 產 中 硅 片 清 洗 工 藝 流

12、程化 學 溶 劑 清 洗 溫 度 清 除 的 污 染 物1 H2SO4+H2O2(4:1) 120C,10min 有 機 物 和 金 屬2 D.I. H2O 室 溫 洗 清3 NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5) (SC 1) 80C,10min 微 塵4 D.I. H2O 室 溫 洗 清5 HCl+H 2O2+H2O(1:1:6) (SC 2) 80C,10min 金 屬6 D.I. H2O 室 溫 洗 清7 HF+H2O (1:50) 室 溫 氧 化 層8 D.I. H2O 室 溫 洗 清9 干 燥 清 洗 容 器 和 載 體SC1/SPM/SC2 石 英 （ Quartz ） 或

13、Teflon容 器HF 優(yōu) 先 使 用 Teflon， 其 他 無 色 塑 料 容 器 。硅 片 的 載 體 只 能 用 Teflon 或 石 英 片 架 （ 不 能 用 于 HF清洗 中 ） 常 見 清 洗 設 備兆 聲 清 洗 噴 霧 清 洗兆 聲 清 洗 噴 霧 清 洗優(yōu) 點 ： 持 續(xù) 供 給 新 鮮 清 洗 液 ， 高 速 沖 擊 的 液 滴 和 硅 片 旋 轉 可 保 證 有 效清 洗 。缺 點 ： 清 洗 不 均 勻 ， 中 心 旋 轉 為零 。優(yōu) 點 ： 可 批 處 理 進 行 清 洗 ； 節(jié) 省 清 洗 液 用量 。缺 點 ： 可 能 造 成 清 洗 損 傷 。 洗 刷 器

14、水 清 洗 干 燥溢 流 清 洗排 空 清 洗噴 射 清 洗加 熱 去 離 子 水 清 洗旋 轉 式 甩 干IPA異 丙 醇 蒸 氣 干 燥缺 點 ： 單 片 操 作 ， 效 率低 ， 難 以 實 現(xiàn) 批 處 理 。 硅 片 甩 干：硅片對水的響應程度稱為它的可濕性。水可浸潤親水性的潔凈硅片上，而在疏水性表面上因為表面張力收縮為水珠，即反浸潤。這樣的水珠在干燥后會在硅片表面形成斑點。經過氫氟酸腐蝕的無氧化物表面由于氫終結了表面原子層因而是疏水性的。必須徹底干燥硅片表面。旋轉式甩干機：難以除去孔穴中的水分；高速旋轉引起電荷積累吸引顆粒異丙醇蒸氣干燥：IPA的純度級別必須加以控制 （1）微粗糙度（

15、RMS）；（2）自然氧化物清除率；（3）金屬沾污、表面顆粒度以及有機物沾污；（4）芯片的破損率；（5）清洗中的再沾污；（6）對環(huán)境的污染；（7）經濟的可接受性（包括設備與運行成本、 清洗效率）等。 顆 粒 的 產 生較 難 干 燥價 格化 學 廢 物 的 處 理和 先 進 集 成 工 藝 的 不 相 容濕 法 清 洗 的 問 題 現(xiàn) 在 已 經 研 究 出 幾 種 可 以 取 代 RCA清 洗的 清 洗 技 術 ,像 等 離 子 體 干 法 清 洗 、 使 用 螯 合劑 、 臭 氧 、 低 溫 噴 霧 清 洗 等 ,但 在 工 業(yè) 生 產 上還 未 大 量 應 用 。 6.4 RCA濕 法 清

16、 洗 的 替 代 方 案 干 法 清 洗 工 藝氣 相 化 學 ， 通 常 需 激 活 能 在 低 溫 下 加 強 化 學 反 應 。所 需 加 入 的 能 量 ， 可 以 來 自 于 等 離 子 體 ， 離 子 束 ，短 波 長 輻 射 和 加 熱 ， 這 些 能 量 用 以 清 潔 表 面 ， 但 必須 避 免 對 硅 片 的 損 傷HF H2O氣 相 清 洗紫 外 一 臭 氧 清 洗 法 （ UVOC）H 2 Ar等 離 子 清 洗熱 清 洗 等離子清洗有物理清洗和化學清洗（表面改性）兩種方式。前者稱為PE方式，后者稱為RIE方式。將激發(fā)到等離子態(tài)的活性粒子與表面分子反應，而產物分析進一

17、步解析形成氣相殘余物而脫離表面。目前等離子體技術已經用來除去有機光刻膠（灰化）和有機物沾污，是替代濕法化學方法的一種綠色手段，是被人們十分關注的根本治理污染的技術。 螯合劑用來結合并除去金屬離子，加入到清洗液中，能夠減少溶液中的金屬再淀積。典型的螯合劑如乙二胺四乙酸（EDTA）。這類螯合劑通常通過配位鍵與溶液中的金屬離子達到非常穩(wěn)定的結合，以實現(xiàn)金屬與硅片表面的隔離。 臭氧處理過的純水結合緊隨其后的SC-2清洗步驟能有效除去諸如銅（Cu）和銀（Ag）這類金屬，同時能去除有機物沾污。 原理：充分冷卻氣體（如氬氣Ar），形成固態(tài)晶粒，噴射到硅片表面除去顆粒沾污 原理：用高壓壓縮CO2氣體，使之成一種介于液體和氣體之間的流體物質，“超臨界”狀態(tài)。這種流體與固體接觸時，不帶任何表面張力，因此能滲透到晶圓內部最深的光刻位置，因而可以剝離更小的顆粒。此外，超臨界流體的粘度很低，可以清除掉晶圓表面的無用固體。采用超臨界流體清洗給組合元件圖案造成的損傷少并可以抑制對Si基板的侵蝕和不純物的消費?？蓪ψ⑷腚x子的光敏抗腐蝕劑掩模用無氧工藝進行剝離。