芯片制造详细第五章.docx

1、芯片制造详细第五章第五章 污染控制-1by r53858概述 在这一章中， 我们将解释污染对器件工艺生产，器件性能和器件的可靠性的影响， 以及芯片生产区域存在的污染类型和主要的污染源。同时，也将对洁净室规划，主要的污染控制方法和晶片表面的清洗工艺进行讨论。 目的 完成本章后您将能够： 1 识别污染在半导体器件及其工艺生产中的三大主要影响。 2 列出芯片工艺生产中的主要污染源。 3 定义洁净室的洁净等级。 4 列举等级分别为100，10 和1的芯片生产区域的微尘密度。 5 描述正压环境，风淋室以及粘着地板垫（译者注：FAB入口处用以粘除脚底的灰尘）在保持环境洁净度中所起的作用。 6 列出至少三种

2、在芯片厂中尽量减少人员污染的技术方法。 7 识别在通常所说的水中存在的三种污染物以及在半导体生产厂中对它们的控制。 8 描述通常所说的工业化学品和半导体级纯度的化学品之间的区别。 9 说出两个由高静电等级引起的问题以及两种控制静电的方法。 10. 描述典型的前线和后线的晶片清洗工艺。 11. 列举典型的晶片冲洗技术。 介绍 污染是可能将新兴的芯片生产工业扼杀于摇篮中的首要问题之一。半导体工业起步于由航空工业发展而来的洁净室技术。然而，事实证明，对于大规模集成电路的生产，这些技术水平是远远不够的。除此之外，能够提供洁净室专用化学品和材料的供应商以及具备建造洁净室知识的承包商更是无处可寻。在那些年

3、里，该工业是以家庭型规模的方式发展的。 如今，大规模的复杂的洁净室辅助工业已经形成，洁净室技术也与芯片的设计及线宽技术同步发展。通过不断地解决在各个芯片技术时代所存在的污染问题，这一工业自身也得到了发展。以前的一些小问题，有可能成为当今芯片生产中足以致命的缺陷。 问题 半导体器件极易受到多种污染物的损害。这些污染物可归纳为以下四类。分别是： 1. 微粒 2. 金属离子 3. 化学物质 4. 细菌 微粒。半导体器件，尤其是高密度的集成电路，易受到各种污染的损害。器件对于污染的敏感度取决于较小的特征图形的尺寸和晶片表面沉积层的薄度。目前的量度尺寸已经降到亚微米级。一微米（µm）是非常小

4、的。一厘米等于10，000微米。人的头发的直径为100微米（图5.1）。这种非常小的器件尺寸导致器件极易受到由人员，设备和工艺操作用使用的化学品所产生的存在于空气中的颗粒污染的损害。由于特征图形尺寸越来越小，膜层越来越薄，所允许存在的微粒尺寸也必须被控制在更小的尺度上。 图 5.1 一微米的相对大小 图 5.2 污染物的相对尺寸 图 5.3 空气中的微粒与晶片尺度的相对大小 由经验所得出的法则是微粒的大小要小于器件上最小的特征图形尺寸的1/10倍1。直径为0.03微米的微粒将会损害0.3微米线宽大小的特征图形。落于器件的关键部位并毁坏了器件功能的微粒被称为致命缺陷。致命缺陷还包括晶体缺陷和其它

5、由于工艺过程引入带来的问题。在任何晶片上，都存在大量的微粒。有些属于致命性的，而其它一些位于器件不太敏感的区域则不会造成器件缺陷。1994年， SIA将0.18微米设计的光刻操作中的缺陷密度定为0.06微米135个，每平方厘米每层。 金属离子。在第二章中，介绍了半导体器件在整个晶片上N型和P型的掺杂区域以及在精确的N/P 相邻区域，都需要具有可控的电阻率。通过在晶体和晶片上有目的地掺杂特定的掺杂离子来实现对这三个性质的控制。非常少量的掺杂物即可实现我们希望的效果。但遗憾的是，在晶片中出现的极少量的具有电性的污染物也会改变器件的典型特征，改变它的工作表现和可靠性参数。 可以引起上述问题的污染物称

6、为可移动离子污染物 （MICs）。它们是在材料中以离子形态存在的金属离子。而且，这些金属离子在半导体材料中具有很强的可移动性。也就是说，即便在器件通过了电性能测试并且运送出去，金属离子仍可在器件中移动从而造成器件失效。遗憾的是，能够在硅器件中引起这些问题的金属存在于绝大部分的化学物质中。所以，在晶片中，MIC污染物必须被控制在1010原子/cm²的范围内甚至更少。2 每10亿个单位中的金属含量 (ppb) 杂质钠 50钾 50铁 50铜 60镍 60铝 60镁 60铅 60锌 60 氯 1000 图 5.4 光刻胶去除剂的金属含量（EKC Technology 830 光刻胶去除剂）

7、 钠是在未经处理的化学品中最常见的可移动离子污染物，同时也是硅中移动性最强的物质。因此，对钠的控制成为硅片生产的首要目标。MIC的问题在MOS器件中表现最为严重，这一事实促使一些化学品生产商研制开发MOS级或低钠级的化学品。这些标识都意味着较低的可移动污染物的等级。 化学品。 在半导体工艺领域第三大主要的污染物是不需要的化学物质。工艺过程中所用的化学品和水可能会受到对芯片工艺产生影响的痕量物质的污染。它们将导致晶片表面受到不需要的刻蚀，在器件上生成无法除去的化合物，或者引起不均匀的工艺过程。氯就是这样一种污染物，它在工艺过程中用到的化学品中的含量受到严格的控制。 细菌。 细菌是第四类的主要污染

8、物。细菌是在水的系统中或不定期清洗的表面生成的有机物。细菌一旦在器件上形成，会成为颗粒状污染物或给器件表面引入不希望见到的金属离子。 污染引起的问题 这四种污染物在以下三个特定的功能领域对工艺过程和器件产生影响。它们是： 1 器件工艺良品率 2 器件性能 3 器件可靠性 器件工艺良品率 在一个污染环境中制成的器件会引起多种问题。污染会改变器件的尺寸，改变表面的洁净度，并且/或者造成有凹痕的表面。在晶片生产的过程中，有一系列的质量检验和检测，他们是为检测出被污染的晶片而特殊设计的。高度的污染使得仅有少量的晶片能够完成全工艺过程，从而导致成本升高。 器件效能 一个更为严重的问题是在工艺过程中漏检的

9、小的污染。晶片看起来是干净的，但其中的未能检测出来的颗粒，不需要的化学物质，和/或高浓度的可移动离子污染物，可能会改变器件的电性能。这个问题通常是在芯片切割时的电测试中显现出来。 器件可靠性 最令人担心的莫过于污染对器件可靠性的失效影响。小剂量的污染物可能会在工艺过程中进入晶片，而未被通常的器件测试检验出来。然而，这些污染物会在器件内部移动，最终停留在电性敏感区域，从而引起器件失效。这一失效模式成为航空业和国防业的首要关注。 在这一章的余下部分，将讨论对半导体器件生产中产生影响的各类污染的来源、性质及其控制。随着二十世纪七十年代LSI电路的出现，污染控制成为这一工业的根本。从那时起，大量的关于

10、污染控制的认识逐渐发展起来。如今污染的控制本身成为一门学科，是制造固态器件必须掌握的关键技术之一。 在这一章中讨论的污染控制问题适用于芯片生产区域、掩膜生产区域、芯片封装区域和其他一些生产半导体设备和材料的区域。 污染源 普通污染源 洁净室内污染源是指任何影响产品生产或产品功能的一切事物。由于固态器件的要求较高，所以就决定了它的洁净度要求远远高于大多数其它的工业的洁净程度。实际上生产期间任何与产品相接触的物质都是潜在的污染源。主要的污染源有： 1. 空气 2. 厂务设备 3. 洁净室工作人员 4. 工艺使用水 5. 工艺化学溶液 6. 工艺化学气体 7. 静电 每种污染源产生特殊类型和级别的污

11、染，需要对其进行特殊控制以满足洁净室的要求。 空气 普通空气中含有许多污染物，只有经过处理后才能进入洁净室。最主要的问题是含有在空气中传播的颗粒，一般指微粒或浮尘。普通空气包含大量的微小颗粒或粉尘，见图5.5。 微小颗粒（悬浮颗粒）的主要问题是在空气中长时间飘浮。而洁净室的洁净度就是由空气中的微粒大小和微粒含量来决定的。 美国联邦标准209E 规定空气质量由区域中空气级别数来表示。3 标准按两种方法设定，一是颗粒大小，二是颗粒密度。 区域中空气级别数是指在一立方英尺中所含直径为 0.5 微米或更大的颗粒总数。一般城市的空气中通常包含烟,、雾、气。每立方英尺有多达五百万个颗粒, 所以是五百万级。

12、随着芯片部件尺寸的更新换代，不断提高的芯片灵敏度要求越来越小的颗粒。4 图示5.6表显示了标准 209E 规定的颗粒直径与颗粒密度的关系。图示5.7 列出了不同环境下洁净度级别数与对应的颗粒大小。联邦标准209E规定最小洁净度可到一级。因为 209E 以 0.5 微米的颗粒定义洁净度，而成功的晶圆加工工艺要求更严格的控制，所以工程技术人员工程师们致力于减少10级和1级环境中0.3 微米颗粒的数量。例如: Semetech/Jessi 建议 64 兆内存加工车间为 0.1 级，256 兆为 0.01 级。5 图5.5 空气中颗粒的相对尺寸 (微米) Aerosols浮质 Metallurgica

13、l Dust金属尘埃 Cement Dust水泥尘埃 Tobacco Smoke烟尘 Insecticide Dust杀虫剂微粒 Human Hair Diameter人类毛发的直径 图5.6 空气洁净等级标准 209E Proposed Federal Standard 209E 建议联邦标准 209E Airborne Particulate Cleanliness Classes for Clean Rooms and Clean Zones 洁净室与洁净区的空气颗粒洁净等级 Class1, 10, 100, 1000, 10000, 100000 一级，十级，百级，千级，万级，十万级

14、Particles size (micrometer) 颗粒尺寸 (微米) Class limits in particles per cubic foot of size equal to or greater than particles sizes shown 洁净等级是指一平方英尺中颗粒尺寸等于或大于图中所示颗粒尺寸 *The class limit particle concentrations shown are defined for class purposes only and do not necessarily represent the size distributio

15、n to be found in any particular situation 图中所示洁净等级所指颗粒含量只用于等级定义，并不代表任何特定环境下的尺寸分布 图 5.7 不同环境的典型级别数 Enviroment环境 Class Number 级别数 Maximum particle size (micron) 最大颗粒尺寸限度(微米) Projected-256 Mbit 256兆内存加工车间 Mini enviroment微环境 ULSI Fab超大规模集成电路加工车间 VLSI Fab特大规模集成电路加工车间 VLF station Assembly area空气层流立式工作台装配区

16、 House room库房 Outdoors室外第五章 污染控制-2 by r53858 净化空气的方法 洁净室的设计是要使生产免污染晶圆的能力更完整化。设计时的主要思路是保持加工车间中空气的洁净。自动化生产也是降低污染的一种重要方法。这个问题将于“工艺设备”一节与第十五章展开讲述。共有四种不同的洁净室设计方法： 1. 洁净工作台 2. 隧道型设计 3. 完全洁净室 4. 微局部环境 洁净工作台法 空气经过过滤的生产环境首先被航空航天工业使用。即使一个极其微小的缺陷都可造成卫星工作失误，因此，NASA （译者注：美国航空航天中心）和其服务商们建造了带有过滤天花板夹层和过滤墙体的车间。而且首创了

17、许多基本的污染控制理念，其中包括从工作人员洁净服到洁净室使用物的管理方法。 半导体工业采用了许多这方面的技术。 然而一个主要的问题是当从小加工车间扩建为有更多工人工作的大型车间后，很难保持其固有的洁净度。 早期半导体工业把带过滤天花板夹层和墙体的方法演化为洁净工作台法。这个主要是把过滤器装在单个工作台上，并使用无脱落的物质。 在工作台以外，晶圆被装在密封的盒子中储存、运输。 在大型车间中按顺序排列的工作台（叫做工作罩）组成加工区，使晶圆依工艺次序经过而不从露于空气中。洁净工作罩中的过滤器是一种高效颗粒搜集过滤器（HEPA过滤器）。这些过滤器是由含许多小孔，并按手风琴琴叶折叠的脆性纤维组成（见图

18、示5.8），由于高密度的小孔与大面积的过滤层，使得大量的空气低速流过。由于低速空气可避免产生空气流，有利于工作台的洁净度，并且对于操作员而言，在舒适的环境中工作也是必要的。典型的空气流量6为每分钟90到100 英寸。HEPA过滤器可达到99.99%或更高的过滤效率，并可用于三种净化方法中。 一般来说，HEPA过滤器装于洁净工作台顶部见图5.9。空气由风扇吸入先通过前置过滤器，再通过HEPA过滤器，并以均匀平行的方式流出，在工作台表面改变方向，流出工作台。安装档板可控制晶圆表面空气流动方向，通常这种方式称为空气层流立式式（VLF）工作台，它是由空气流的方向命名的。有些工作台把HEPA过滤器装于工

19、作台后部，这种方式被称为空气层流平行（HLF）式工作台。 图5.8 高效颗粒搜集过滤器（HEPA） Dirty Air脏空气 Clean Air净空气 图5.9空气层流立式工作台截面图 Blower鼓风机 HEPA Filter HEPA过滤器 Prefilter前级过滤器 Shield挡板 Air Flow空气流 Work Surface工作台面 这两种工作台按两种方法来保持晶圆清洁：首先是工作台内的空气净化；其次，净化过程在工作台内产生一点空气正压，正压可防止由操作员与走廊产生的污染物进入工作台。 使用化学溶液的工艺需要对VLF式工作台进行特殊设计（见图5.10）, 这种工作台必须接有空气

20、排风，以吸收化学溶液蒸汽，因为蒸汽会产生安全及污染的危险。在这种设计下，必须平衡VLF与排风中的空气流，来维持工作台的洁净级别数。而且还要求晶片需存放在工作台中相对较洁净的前部。 净化工作台的方法还可应用于现代晶圆加工设备中。在每台设备上安装VLF或HLF式工作台来保持晶圆在装卸过程中洁净。 隧道/车间概念 随着更严格的颗粒控制成为必要，VLF型工作台就产生了一些缺点。其中主要是由于车间中众多工作人员的移动而产生的易污染性。进出于加工车间的工作员对所有流程的工作台都存潜在污染。 把加工车间分割为不同的隧道可解决人员污染问题（图5.11）。这时过滤器被装于车间天花板上，而不是在单独工作台中，但是

21、起的作用相同。经过天花板中的过滤器流入的空气可保持持续洁净，并且会降低人员产生的污染，这是因为减少了工作台周围的工作人员。但这种方法的缺点是建造费用较高，而且不适于工艺改动。 图 5.10立式空气层流-蒸气-排风工作台截面图 To Factory Exhaust System到工厂排风系统 Air Flow空气流 Fumes蒸气 Chemical Beaker化学品容器 图 5.11隧道型洁净室截面图 HEPA Filters HEPA过滤器 Clean Air 洁净空气 Process Work Station 工艺工作台 完全洁净室方法 洁净室设计和过滤技术的发展，允许我们又回到敞开式加工

22、区域的建设（见图5.12）, 在最先进的设计中，空气过滤包括天花板中的HEPA过滤器，并从地板上回收空气，保持持续的洁净空气流。工作台顶部带有贯通穿孔，可使空气无阻碍地流过。 图5.12 洁净室空气层流截面图(国际半导体版权所有) Fresh Air新鲜空气 Fan风扇 Service Chase维修区 Slab Floor混凝土层 Plenum高压区 HEPA Filters HEPA过滤器 Clean Room洁净室 Equip设备 Optical Equip光学设备 Perforated Floor过孔层 Vibration-stiff optical mount防阵支架 Fan 风扇

23、Service Chase维修区 一个重要的洁净室参数是再循环利用度。这个参数是指在人员换班、人员休息或其他干扰因素之外，空气通过过滤器回到洁净室以满足要求所需的时间。在一级洁净车间中，空气每六秒钟循环一次。7 设备与厂务系统的设计趋势是要隔离晶圆与污染源。VLF式洁净罩隔离了晶圆与室内空气，隧道设计隔离了晶圆与大量的人员流动。CMOS（互补型场效应晶体管）集成电路的出现增加了工艺流程，而且也增加了洁净室中的设备。这样就使加工车间的面积加大而增加了潜在的污染源，包括大量的空气和增加的工作人员。但这些变化使得洁净室的建造费用高达几十亿美金。 微局部环境 二十世纪八十年代中期的研究显示洁净室建造费

24、用的增加，降低了公司的回报率。所以新的方向是把晶圆密封在尽量小的空间成为新的发展方向。这项技术已应用于曝光机和其他的工艺之中，它们为晶圆的装卸安装了洁净的微局部环境（图5.13）。 但挑战是为使晶圆不暴露于空气中，需要把一系列的微局部环境连在一起。惠普公司在二十世纪八十年代中期发明了一种重要的连接装置“标准机械接口装置”（SMIF）8。 利用SMIF，封闭的晶圆加工系统代替了传统的运输盒，并用干净空气或氮气来在系统中加压以保持清洁。这种方法就是“晶圆隔离技术（WIT）”或“ 微局部环境”的一种。这个系统包含三个主要部分：传输晶圆的晶圆盒或叫POD，设备中的封闭局部环境，和装卸晶圆的机械部件。

25、POD就作为与工艺设备的微局部环境相连的机械接口。 在工艺设备的晶圆系统上，特制的机械手把晶圆从POD中取出或装入。另一种方法就是利用机械手把晶片匣和从POD中取出送入工艺设备的晶圆处理系统中。为局部环境可提供更优的温度与适度控制。 图 5.13 Wafer transfer microenvironment芯片传输微环境 Isolation pod with vaccum or inert atmosphere带真空或惰性气体的隔离POD Standard mechanical interface (SMIF) 标准机械接口装置（SMIF） 晶圆隔离/微局部环境技术还有利用其他方法升级现存制

26、造工厂的优点（图5.14）。因污染而损失的成品率可降低，这个优点即使在小型工厂或费用较低时也可使用。WIT可使空气洁净度达到较高的要求，并可降低建造和生产费用。因为晶圆已被隔离，所以就减轻了对工作服、工作过程和各种其它限制的要求。然而随着大尺寸晶圆的出现，增加了POD的重量，这对操作人员来讲也过重，增加了滑落后的损失，这反而增加了机械手的建造费用与复杂性。微局部设计规划还要考虑等待加工的晶圆存储问题。现行的技术使用储存柜来存储等待的加工晶圆与POD，布局的规划可能还包括一个存储中心，每台设备上有或没有缓冲存储区。 图 5.14 Minienvironment system elements微环

27、境系统部件 Process chamber工艺反应室 Environmentally controlled chamber with wafer load/unload system带上下料系统的环境控制反应室 Isolation pod w/vacuum or inert atmosphere 带真空或惰性气体的隔离POD Wafer cassette晶片匣 Standard mechanical interface (SMIF) 标准机械接口装置（SMIF） 温度, 湿度及烟雾 除了控制颗粒，空气中温度，湿度和烟雾的含量也需要规定与控制。温度控制对操作员的舒适性与工艺控制是很重要的。许多利

28、用化学溶剂来做刻蚀与清洗的工艺都在没有温度控制的设备箱内完成，只依赖于洁净室温度的控制。这种控制非常重要，因为化学反应会随温度的变化而不同，例如，每升高十摄氏度，刻蚀速率参数加二。通常的室温为72华氏度，上下幅度两度。 相对湿度也是一个非常重要的工艺参数，尤其在光刻工艺中。 在这个工艺中，要在晶片表面镀上一层聚合物作为刻蚀膜版。如果湿度过大，晶圆表面太潮湿，会影响聚合物的结合，就象在潮湿的画板上绘画一样。如果湿度过低，晶圆表面就会产生静电，这些静电会从空气中吸附微粒。一般相对湿度应保持在15%到50%之间。 烟雾是洁净室的另一个空中污染源。而它同样对光刻工艺影响最大。光刻中的一个步骤与照相中的

29、曝光相似，是一种化学反应工艺。臭氧是烟雾中的主要成分，易影响曝光，必须被控制。在进入空气的管道中装上碳素过滤器可吸附臭氧。第五章 污染控制-3 r53858洁净室的布局 传统的洁净室布局是舞厅式的设计。它由各个工艺隧道向中央走廊敞开的方式组成。现代设计是由一些小型局部洁净车间或主要工艺区域围绕着一个中心地区组成，而由中心地区提供物料和人员。 这种规划一般设计为两层，厂房第一层安置厂务设备与物料，第二层是加工车间。 现在有一种三层加工车间的概念，厂务设备分装在第一、二层，这种方法的优点就是降低整体厂房占地面积。 洁净室的建设 净化空气方法的选择是洁净室设计的首要问题。每个洁净室都要在洁净程度与建

30、造费用中找到平衡。不论最终的设计如何，每个洁净室的建造都有其基本原则。主要是需要有一个封闭的房间，由非污染物建造并能提供洁净的空气，还包括可以防止由外界或操作人员带入的意外污染。 建筑材料 洁净室的所有建造材料都由不易脱落的材料建造。这包括墙壁、工艺加工设备材料和地板。所有的管道孔都要密封，甚至灯丝都要有固态封罩。另外, 设计还要减少平滑的表面以减少灰尘的沉积，由此，不锈钢材料就广泛地被用于制造工作台。 洁净室要素 洁净室的设计和操作过程都必须防止外界污染的入侵。图5.15 显示了一个典型的加工工艺区域的规划图。有九种控制外界污染的技术，它们是： 1. 粘着地板垫 2. 更衣区 3. 空气压力

31、 4. 空气淋浴器 5. 维修区 6. 双层门进出通道 7. 静电控制 8. 净鞋器 9. 手套清洗器 粘着地板垫。在每个洁净室入口处放置一块带有粘性地板垫，它可把鞋底的脏物粘住，并保留下来。在有些洁净室里，整片地板的表面都被处理过以收集脏物。大多地板垫都分许多层，当上一层变脏后，可撕掉而露出下一层。 图 5.15 FAB区域及更衣区, 空气淋浴, 维修区 Factory工厂 Lockers存储柜 Bench板凳 Gowning Area更衣区 Air Shower空气淋浴 Service Aisle维修区 Access to Maintain Equipment 维修设备入口 Fab Area FAB区域 Pass-through for Chemicals化学品进出通道 Service Aisle维修区 更衣区。 洁净