硅片制造中的沾污控制.ppt

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1、硅片制造中的沾污控制现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices污染控制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。随着器件关键尺寸缩小，对沾污的控制要求变得越来越严格。将学习硅片制造中各种类型的重要沾污、它们的来源以及怎样有效控制沾污以制造包含最小沾污诱生缺陷的高性能集成电路。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。随着芯片的特征尺寸为适应更高性能和更高集成度的要求而缩小，控制表面沾污的

2、需求变得越来越关键（见图）。为实现沾污控制，所有的硅片制备都要在沾污控制严格的净化间内完成。现代半导体制造是在称为净化间的成熟设施中进行的。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（ESD）的沾污。一般来讲，那意味着这些沾污在最先进测试仪器的检测水平范围内都检测不到。净化间还意味着遵循广泛的规程和实践，以确保用于半导体制造的硅片生产设施免受沾污。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微芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。将主要集中于制造工序中引入的各种类型的表面沾污。制造经常导致有缺

3、陷的芯片。致命缺陷是导致硅片上的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。电学失效引起成品率损失，导致硅片上的管芯报废以及很高的芯片制造成本。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（ESD）颗粒颗粒是能粘附在硅片表面的小物体。悬浮在空气中传播的颗粒被称为浮质。从鹅卵石到原子的各种颗粒的相对尺寸分布如图所示。颗粒带来的问题有引起电路开路或短路如图的短路。半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗糙度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。

4、例如，0.18um的特征尺寸不能接触0.09um以上尺寸的颗粒。如下图的人类头发对0.18um颗粒的相对尺寸。金属杂质硅片加工厂的沾污也可能来自金属化合物。危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属，它们在普通化学品和工艺都很常见。这些金属在所有用于硅片加工的材料中都要严格控制（见表）。碱金属来自周期表中的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。金属杂质导致了半导体杂质中器件成品率的减少，包括氧化物－多晶硅栅结构中的结构性缺陷。额外的问题包括pn结上泄露电流的增加以及少数载流子寿命

5、的减少。可动离子沾污（MIC）能迁移到栅结构的氧化硅界面，改变开启晶体管所需的阈值电压（见图）。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。半导体制造的一个主要目标是减少与金属杂质和MIC的接触。有机沾污有机物沾污是指那些包含炭的物质，几乎总是同炭自身及氢结合在一起，有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、蒸汽、清洁剂、溶剂和潮气等。现在用于硅片加工的设备使用不需要润滑剂的组件来设计，例如，无油润滑泵或轴承等。在特定工艺条件下，微量有机物沾污能降低栅氧化层材料

6、的致密性。工艺过程中有机材料给半导体表面带来的另一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。自然氧化层如果曝露与室温的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将被氧化。这一薄氧化层称为自然氧化层。硅片上最初的自然氧化层生长始于潮湿。挡硅片表面曝露在空气中时，一秒钟内就有几十层水分子吸附在硅片上并渗透到硅表面，这引起硅表面甚至在室温下就发生氧化。天然氧化层的厚度随曝露时间的增长而增加。硅片表面无自然氧化层对半导体性能和可靠性是非常重要的。自然氧化层将妨碍其他工艺步骤，如硅片上单晶薄膜的生长和

7、超薄栅氧化层的生长。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。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。如果有自然氧化层存在，将增加接触电阻，减少甚至可能阻止电流流过（见图）。静电释放静电释放（ESD）也是一种形式的沾污，因为它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。带过剩负电荷的原子被相邻的带正电荷的原子吸引。这种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

8、硅片加工保持在较低的湿度中，典型条件为40％±10％相对湿度（RH）。这种条件容易使较高级别的静电荷生成。虽然增加相对湿度可以减少静电生成，但是也会增加侵蚀带来的沾污，因而这种方法并不实用。尽管ESD发生时转移的静电总量