硅片沾污控制

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1、 沾污的類型沾污的來(lái)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(dǎo) 體 制 造過 程 中 引 入 半 導(dǎo) 體 硅 片 的 ， 任 何 危 害 芯 片 成 品率 及 電 學(xué) 性 能 的 ， 不 希 望 有 的 物 質(zhì) 。 沾 污 經(jīng) 常 導(dǎo) 致 有 缺 陷 的 芯 片 ， 致 命 缺 陷 是 導(dǎo)致 硅 片 上 的 芯 片 無(wú) 法 通 過 電 學(xué) 測(cè) 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(zhì)有機(jī)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(lái) 源 ：空 氣人 體設(shè) 備化 學(xué) 品 超 級(jí) 凈 化 空 氣風(fēng) 淋 吹 掃 、 無(wú) 塵 服 、 面 罩 、手 套 等 特 殊 設(shè) 計(jì) 及 材 料定 期 清 洗超 純 化 學(xué) 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(dǎo)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(guān)鍵尺寸的顆粒數(shù)，用術(shù)語(yǔ)表征為：每步每片上的顆粒數(shù)（PWP）。在當(dāng)前生產(chǎn)中應(yīng)用的顆粒檢測(cè)裝置能檢測(cè)到的最小顆粒直徑約為0.1微米。 二 .金 屬 沾 污來(lái) 源 ： 化 學(xué) 試 劑 ， 離 子 注 入 、 反 應(yīng) 離 子 刻 蝕 等 工 藝化 學(xué) 品 和 傳 輸 管 道 及 容 器 的 反 應(yīng) 。v量 級(jí) ： 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(jié) 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(zhì) 沉 淀 到 硅 表 面 的 機(jī) 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(jié) 合 。 （ 難 以 去 除 ）n 氧 化 時(shí) 發(fā) 生 ： 硅 在 氧 化 時(shí) ， 雜 質(zhì) 會(huì) 進(jìn) 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(qiáng) 氧 化 劑 ）還 原氧 化 金 屬 離 子 在 半 導(dǎo) 體 材 料 中 是 高 度 活 動(dòng) 性 的 ， 被 稱為 可 動(dòng) 離 子 沾 污 （ MIC） 。 當(dāng) MIC引 入

5、 到 硅 片 中 時(shí) ，在 整 個(gè) 硅 片 中 移 動(dòng) ， 嚴(yán) 重 損 害 器 件 電 學(xué) 性 能 和 長(zhǎng) 期 可靠 性 。 對(duì) 于 MIC沾 污 ,能 遷 移 到 柵 結(jié) 構(gòu) 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(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 。 三 . 有 機(jī) 物 的 沾 污導(dǎo) 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(lái) 源

6、 ： 環(huán) 境 中 的 有 機(jī) 蒸 汽 , 如 清 潔 劑 和 溶 劑 存 儲(chǔ) 容 器 光 刻 膠 的 殘 留 物去 除 方 法 ： 強(qiáng) 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(lái) 源 : 在 空 氣 、 水 中 迅 速 生 長(zhǎng) 導(dǎo) 致 的 問 題 ：接 觸 電 阻 增 大難 實(shí) 現(xiàn) 選 擇 性 的 CVD或 外 延成 為 金 屬 雜 質(zhì) 源難 以 生 長(zhǎng) 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?yàn)樗庆o電

7、，從一個(gè)物體向另一個(gè)物體，未經(jīng)控制的轉(zhuǎn)移，可能會(huì)損壞芯片。 ESD產(chǎn)生于，兩種不同靜電勢(shì)材料的接觸或摩擦。 半導(dǎo)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(duì)濕度（RH，Relative Humidity）。增加相對(duì)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(shí)也會(huì)，增加侵蝕帶來(lái)的沾污。 靜電釋放導(dǎo)致金屬導(dǎo)線蒸發(fā)，氧化層擊穿。（總電量小，但是區(qū)域集中，放電時(shí)間短，導(dǎo)致高電流）電荷積累吸引，帶電顆粒或其他中性顆粒，會(huì)引起后續(xù)沾污。 半導(dǎo)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(xué)品、工藝氣體和生產(chǎn)設(shè)備。一 . 空 氣 凈化間最基本的概念是：對(duì)硅片工廠空氣中

8、的顆粒控制。我們通常所呼吸的空氣是不能用于半導(dǎo)體制造的，因?yàn)樗颂嗟钠≌次邸?凈 化 級(jí) 別 ， 標(biāo) 定 了 凈 化 間 的 空 氣 質(zhì) 量 的 級(jí)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(guó) 聯(lián) 邦 標(biāo) 準(zhǔn) 209E中 各 凈 化 間 級(jí) 別 對(duì) 空 氣 漂 浮 顆 粒 的 限 制 近 些 年 來(lái) 業(yè) 內(nèi) 已 經(jīng) 開 始 使 用 0.1級(jí) ， 這 時(shí) 顆 粒 尺 寸 縮 小 到 0.020.03m。 二 . 人 人員持續(xù)不斷地進(jìn)出凈化間，是凈化間沾污的最大來(lái)源。 現(xiàn)代超凈服是高技術(shù)，膜紡織品或密織的聚酯織物。先進(jìn)的材料對(duì)

9、于0.1微米及更大尺寸的顆粒具有99.999%的效率級(jí)別。超凈服的系統(tǒng)目標(biāo)：1）對(duì)身體產(chǎn)生的，顆粒和浮質(zhì)的總體抑制；2）系統(tǒng)顆粒零釋放；3）對(duì)ESD靜電釋放的零靜電積累；4）無(wú)化學(xué)和生物殘余物的釋放。 三 廠 房 為使半導(dǎo)體制造在一個(gè)超潔凈的環(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)域的輸入和輸出。在凈化間布局、氣流流動(dòng)模式、空氣過濾系統(tǒng)、溫度和濕度的設(shè)定、靜電釋放等方面都要進(jìn)行完善的設(shè)計(jì)，同時(shí)盡可能減少通過設(shè)備、生產(chǎn)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(hù)清潔。 為實(shí)現(xiàn)凈化間中的超凈環(huán)境，氣流種類是關(guān)鍵的。對(duì)于100級(jí)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(duì)于外界氣壓具有輕微的正壓，充當(dāng)了屏蔽，以減少設(shè)備或人到暴露著的產(chǎn)品的橫向沾污。 ULRe Re4000時(shí) 流 體 為 湍 流 (onflow)， Re7）可 以 氧 化 有 機(jī) 膜和 金 屬 形 成 絡(luò) 合 物緩 慢 溶 解 原 始 氧 化 層 ， 并 再 氧 化 可 以 去 除 顆 粒NH4OH對(duì) 硅 有 腐 蝕 作 用RCA標(biāo) 準(zhǔn) 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(yīng) 成 溶 于 水 的 絡(luò) 合 物可 以 進(jìn) 一 步 去 除 殘 留 的 重 金 屬 污 染 （ 如 Au）RCA與 超 聲 波 振 動(dòng) 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(rùn) ，然 后 溶 液 擴(kuò) 散 入 界 面 ， 最 后 粒 子 完 全 浸 潤(rùn) ， 并 成 為 懸 浮 的 自 由 粒 子 。 表 6.3 硅 片 濕 法 清 洗 化 學(xué) 品 現(xiàn) 代 芯 片 生 產(chǎn) 中 硅 片 清 洗 工 藝 流

12、程化 學(xué) 溶 劑 清 洗 溫 度 清 除 的 污 染 物1 H2SO4+H2O2(4:1) 120C,10min 有 機(jī) 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(wú) 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(shè) 備兆 聲 清 洗 噴 霧 清 洗兆 聲 清 洗 噴 霧 清 洗優(yōu) 點(diǎn) ： 持 續(xù) 供 給 新 鮮 清 洗 液 ， 高 速 沖 擊 的 液 滴 和 硅 片 旋 轉(zhuǎn) 可 保 證 有 效清 洗 。缺 點(diǎn) ： 清 洗 不 均 勻 ， 中 心 旋 轉(zhuǎn) 為零 。優(yōu) 點(diǎn) ： 可 批 處 理 進(jìn) 行 清 洗 ； 節(jié) 省 清 洗 液 用量 。缺 點(diǎn) ： 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(zhuǎn) 式 甩 干IPA異 丙 醇 蒸 氣 干 燥缺 點(diǎn) ： 單 片 操 作 ， 效 率低 ， 難 以 實(shí) 現(xiàn) 批 處 理 。 硅 片 甩 干：硅片對(duì)水的響應(yīng)程度稱為它的可濕性。水可浸潤(rùn)親水性的潔凈硅片上，而在疏水性表面上因?yàn)楸砻鎻埩κ湛s為水珠，即反浸潤(rùn)。這樣的水珠在干燥后會(huì)在硅片表面形成斑點(diǎn)。經(jīng)過氫氟酸腐蝕的無(wú)氧化物表面由于氫終結(jié)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(zhuǎn)式甩干機(jī)：難以除去孔穴中的水分；高速旋轉(zhuǎn)引起電荷積累吸引顆粒異丙醇蒸氣干燥：IPA的純度級(jí)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(jī)物沾污；（4）芯片的破損率；（5）清洗中的再沾污；（6）對(duì)環(huán)境的污染；（7）經(jīng)濟(jì)的可接受性（包括設(shè)備與運(yùn)行成本、 清洗效率）等。 顆 粒 的 產(chǎn) 生較 難 干 燥價(jià) 格化 學(xué) 廢 物 的 處 理和 先 進(jìn) 集 成 工 藝 的 不 相 容濕 法 清 洗 的 問 題 現(xiàn) 在 已 經(jīng) 研 究 出 幾 種 可 以 取 代 RCA清 洗的 清 洗 技 術(shù) ,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(chǎn) 上還 未 大 量 應(yīng) 用 。 6.4 RCA濕 法 清

16、 洗 的 替 代 方 案 干 法 清 洗 工 藝氣 相 化 學(xué) ， 通 常 需 激 活 能 在 低 溫 下 加 強(qiáng) 化 學(xué) 反 應(yīng) 。所 需 加 入 的 能 量 ， 可 以 來(lái) 自 于 等 離 子 體 ， 離 子 束 ，短 波 長(zhǎng) 輻 射 和 加 熱 ， 這 些 能 量 用 以 清 潔 表 面 ， 但 必須 避 免 對(duì) 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(xué)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(yīng)，而產(chǎn)物分析進(jìn)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(shù)已經(jīng)用來(lái)除去有機(jī)光刻膠（灰化）和有機(jī)物沾污，是替代濕法化學(xué)方法的一種綠色手段，是被人們十分關(guān)注的根本治理污染的技術(shù)。 螯合劑用來(lái)結(jié)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(dá)到非常穩(wěn)定的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)金屬與硅片表面的隔離。 臭氧處理過的純水結(jié)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(shí)能去除有機(jī)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(zhì)，“超臨界”狀態(tài)。這種流體與固體接觸時(shí)，不帶任何表面張力，因此能滲透到晶圓內(nèi)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(wú)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(duì)Si基板的侵蝕和不純物的消費(fèi)?？蓪?duì)注入離子的光敏抗腐蝕劑掩模用無(wú)氧工藝進(jìn)行剝離。