半导体硅片制造中的沾污及控制课件

半导体硅片制造中的沾污及控制半导体硅片制造中的沾污及控制一、引言v 半导体器件极易受到多种沾污的损害，随着半导体制造业的发展，颗粒污染对成品率的影响越来越大，因此需要对生产过程中影响成品率的颗粒污染进行有效控制。一、引言 半导体器件极易受到多种沾污的损害，随着半导体氧化层沾污沾污导致工艺异常氧化层沾污沾污导致工艺异常 沾污经常导致有缺陷的芯片，致命的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，电学失效引起的成品率损失，导致硅片上的管芯报废，以及很高的芯片制造成本。沾污经常导致有缺陷的芯片，致命的缺陷是导致 为了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。随着器件关键尺寸的缩小，对沾污的控制要求变得越来越严格。主要是让大家了解硅片制造过程中的各类型的重要沾污、它们的来源以及怎样有效的控制沾污。为了使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造中的二、简介v 什么是沾污：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。二、简介 什么是沾污：三、沾污的类型v 净化间的沾污分为5类：1、颗粒 2、金属杂质 3、有机物沾污 4、自然氧化层 5、静电释放（ESD)三、沾污的类型 净化间的沾污分为5类：1、颗粒、颗粒v颗粒是能黏附在硅片表面的小物体。半导体器件对于污染的敏感度取决于较小的特征尺寸，目前的量度尺寸已降到亚微米级。1微米（UM)是非常小的，1厘米等于10000微米。人的毛发直径为90微米.毛发直径90微米1微米1、颗粒颗粒是能黏附在硅片表面的小物体。人的毛发直径为90微 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。颗粒是能粘附在硅片表面的小物体。悬浮在空气中传播的颗 颗粒带来的问题颗粒带来的问题:对于半导体制造，我们的目标是控制并减少硅片与颗粒的接触。在硅片制造过程中，颗粒能够引起电路开路或者短路。他们能在相邻导体间引起短路。颗粒还可以是其他类型沾污的来源。如下图的人类头发对可以影响到产品质量的0.18um颗粒的相对尺寸。颗粒带来的问题:对于半导体制造，我们的目标是控制并减 照片 照片2、金属杂质、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，他们在普通化学品和工艺中都很常见。这些金属在所有用于硅片加工的材料中都要严格控制，碱金属是极端活泼的元素，因为他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。2、金属杂质 硅片加工厂的沾污也可能来自金属化 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。当离子沾污引入到硅片中时，在整个硅片中移动，严重损害器件电学性能和长期可靠性，未经过处理的化学品中的钠是典型的、最为普遍的离子沾污之一，人充当了他的运送者，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。金属离子在半导体材料中是高度活动性的，被称为金属杂质带来的问题金属杂质带来的问题 金属杂质导致了半导体制造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结上泄漏电流的增加以及少数载流子寿命的减少。离子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要的阈值电压。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，引起器件在使用器件失效。半导体制造的一个主要目标是减少与金属杂质和可动离子沾污的接触。金属杂质带来的问题 金属杂质导致了半导体半导体硅片制造中的沾污及控制课件3、有机物沾污、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、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。有机物沾污带来的问题：在特定工艺条件下，微量有机物沾污能够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。3、有机物沾污 有机物沾污是指那些包含碳4、自然氧化层、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，硅片的表面将被氧化。这一薄氧化层称之为自然氧化层。硅片上最初的自然氧化层生长始于潮湿。当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片表面，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。4、自然氧化层 如果曝露于室温下的空气或含自然氧化层带来的问题自然氧化层带来的问题 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超薄栅氧化层的生长。自然氧化层也包含了某些金属杂质，他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。接触使得相互连线与半导体器件的源区及漏区保持电学连接。如果有自然氧化层的存在，将增加接触电阻，减少甚至可能阻止电流流过。自然氧化层需要通过使用含HF酸的混和液的清晰步骤去除。抑止自然氧化层的另一个方法是把多步工序集成在一个包含了高真空室的多腔体设备中，这样硅片就不会曝露于大气和潮湿的环境中。自然氧化层带来的问题 硅片表面无自然氧化5、静电释放、静电释放 静电释放（ESD）也是一种形式的沾污，因为他是静电荷从一个物体向另一个物体未经控制地转移，可能损坏微芯粒。ESD产生于两种不同静电势地材料接触或摩擦。带过剩负电荷地原子被相邻地带正电荷地原子吸引。这种由吸引产生地电流泄放电压可高达几万伏。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地湿度中，典型条件为4010相对湿度（RH）。这种条件容易使较高级别地静电荷生成。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地沾污，因而这种方法并不实用。5、静电释放 静电释放（ESD）也是一静电释放带来地问题静电释放带来地问题 尽管静电释放发生时转移地静电总量通常很小，然而放电地能量积累在硅片上很小地一个区域内。发生在几个纳秒内地静电释放能产生超过1A地峰值电流，简直可以蒸发金属导体连线荷穿透氧化层。放电也可能成为栅氧化层击穿地诱因。静电释放带来地另一个重大问题在于，一旦硅片表面有了电荷积累，它产生地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。电视屏幕能吸引灰尘就是个例子。此外，颗粒越小，静电对它地吸引作用越明显。随着器件关键尺寸地缩小，ESD对更小颗粒地吸引变得重要起来，能产生致命缺陷。为了减少颗粒沾污，硅片放电必须控制。静电释放带来地问题 尽管静电释放发生时静电吸附静电放电静电吸附静电放电A 日本对不合格的电子产品进行解剖分析日本对不合格的电子产品进行解剖分析,发发现不合格的器件现不合格的器件45%是由静电造成。是由静电造成。B 美国的电子产品由于静电导致的损失每年美国的电子产品由于静电导致的损失每年达到达到100亿美圆。亿美圆。C 静电对于器件的损坏，静电对于器件的损坏，10%是灾难性的损是灾难性的损坏，坏，90%是潜在性的损坏。是潜在性的损坏。D 对于电子行业：产品失效（较低的可靠性）对于电子行业：产品失效（较低的可靠性）、高退货率（高成本）、客户抱怨、高成本。、高退货率（高成本）、客户抱怨、高成本。静电对电子生产制造业的危害静电对电子生产制造业的危害A 日本对不合格的电子产品进行解剖分析,发现不合格的四、沾污地源与控制四、沾污地源与控制硅片生产厂房的7中沾污源 空气 人 厂房 水 工艺用化学品 工艺气体 生产设备四、沾污地源与控制硅片生产厂房的7中沾污源空气空气 净化间最基本的概念就是硅片工厂空气中的颗粒控制。我们通常所呼吸的空气是不能应用于半导体制造的，因为它包含了太多的漂浮沾污。这些微小的浮质在空气中漂浮并停留很长时间，淀积在硅片表面引起沾污并带来致命缺陷。净化级别标定了净化间的空气质量级别，它是由净化室空气中的颗粒尺寸和密度表征的。空气 净化间最基本的概念就是硅片工厂空气净化级别是指每立方英尺可以接净化级别是指每立方英尺可以接受的颗粒数。如下：受的颗粒数。如下：级别0.1微米0.2微米0.3微米0.5微米5微米1357.731103507530101007503001001000100071000010 00070100000100 000700净化级别是指每立方英尺可以接受的颗粒数。如下：级别0.1微米电子工业洁净度等级试行规定电子工业洁净度等级试行规定 洁净室等级洁净室等级 洁净度洁净度 温度（温度（）相对湿度相对湿度（%）正压值（帕）正压值（帕）噪声噪声 适用范围适用范围 粒径（微米）浓度（粒/升）最高 最低 最高 最低 逐级相差66.661（A声级分声级分贝）贝）（以集成电路工（以集成电路工艺为例）艺为例）1级 0.5 1 27186040同上 70 超大规模、大规模集成电路的光刻制版 10级 0.5 10 27186040同上 70 光刻、制版 100级 0.5 100 27186040同上 70 扩散、氧化 1000级 0.5 1000 27186040同上 70 封装、压焊 10000级 0.5 10000 27186040同上 70 腐蚀、筛选 电子工业洁净度等级试行规定 洁净室等级 洁净度 温度（）按器件产品种类和要求所采用的按器件产品种类和要求所采用的洁净标准洁净标准 10级 光刻 10-100级 制版中精缩、显影 1000级 芯片工艺中的氧化、扩散、金属化、清洗 10000-100000级 中测、划片 100000级 组装、压焊 100000级以下 封装以后的各工序 按器件产品种类和要求所采用的洁净标准 10级 光刻 10-1 人人 人是颗粒的产生者。人员持续不断的进出净化间，是净化间沾污的最大来源。颗粒来自于头发和头发用品（喷雾、发胶）、衣物纤维屑、皮屑等。一个人平均每天释放1盎司（1盎司28.35克）颗粒，这惊人地达到每分钟10 000 000个尺寸等于或大于0.3微米地颗粒。人 颗粒来源每分钟大于0.3微米的平均颗粒数静止（坐或站）100 000移动手、臂、脖子、躯干、头等500 000每小时步行2公里5 000 000每小时步行3.5公里7 500 000最洁净的皮肤（每平方英尺）10 000 000颗粒来源每分钟大于0.3微米的平均颗粒数静止（坐或站）100人员对环境的影响人员对环境的影响 操作人员穿戴操作人员穿戴 使周围尘埃增加使周围尘埃增加倍数倍数0.2-50m 操作人员本身操作人员本身 使周围尘埃增加使周围尘埃增加倍数倍数 操作人员的运动操作人员的运动 使周围尘埃增加使周围尘埃增加倍数倍数 搅动衣服袖 1.5-3 正常呼吸 无 几个人聚集在一起 1.5-3 无衣帽 10-50 吸烟20分钟后 25正常步行 1.2-2 有衣帽 1.5-20 喷嚏 520快步行走 510从口袋取手帕 3-10摩擦手或皮肤 0-2 平稳坐着 0-2 人员对环境的影响 操作人员穿戴 使周围尘埃增加倍数0.2-5 硅片加工中的简单活动，如开门关门或在工艺设备周围过度活动，都会产生颗粒沾污。通常的人类活动，如谈话、咳嗽、打喷嚏，对半导体都是有害的。从以上所列数据，可清楚地看到操作人员地衣着和行动对环境洁净度的影响，所以洁净区要限制人数，而且洁净区工作人员应注意以下事项。进入洁净区要先穿戴好专用净化工作服、鞋、帽。进入洁净区前要现在风淋室风淋后方可进入净化车间 每周洗工作服，不准用化妆品 与工作无关的纸张、书报不得带入车间 严禁再净化区做会造成粉末的活，工作中少走动 进入净化区的设备、试剂、气瓶等所有物品都要经过严格清洁方可进入 每天上班前清扫、擦拭设备，下班前清理好工作现场。定期检测洁净度，超标要停产整顿。硅片加工中的简单活动，如开门关门或在就在我们身边的异常硅片裸放在设备上记录本随处防置就在我们身边的异常硅片裸放在设备上记录本随处防置超净服超净服 为实现净化间内的超净环境，人员必须遵守某些程序，成为净化间的操作规程，还必须穿上净化服。超净服由兜帽、连衣裤工作服、靴子、手套组成，完全包裹住了身体。超净服系统的目标是满足一下职能标准：对身体产生的颗粒和浮质的总体控 超净服系统颗粒零释放 对ESD的零静电积累 无化学和生物残余物的释放 要求人员在进入净化间前必须穿戴好净化服方可进入净化间。防护口罩是防止员工唾液中的颗粒沾污制造区域。净化手套是防止汗渍沾污硅片造成离子沾污。超净服 为实现净化间内的超净环境，人员必 为了减少人类带来的沾污，使用了超净服，制定了净化间操作规程 为了减少人类带来的沾污，使用了超净服，制定了净化间应该做的应该做的不应该做的不应该做的理由理由只有经过授权的人员方可进入净化间没有接受过净化间应知行为严格培训的人员不得入内，净化间的管理者具有最后的决定权经过授权的人员才熟悉超净室操作中严格且近乎苛求的规定只把必需物品带入净化间进制化妆品、香烟、手帕、卫生纸、食品、饮料、糖果、木制/自动铅笔或钢笔、香水、手表、珠宝、磁带播放机、电话、寻呼机、摄像机、录音机、梳子、纸板或非净化间允许的纸张、设计图、操作手册或指示图表等阻断不想要的沾污员进入在半导体期间中产生缺陷根据公司培训规定的方式着装进入不允许包裹不严的街头服装进入净化间确保超净服免受可能进入净化间的沾污始终确保所有的头部和面部头发被包裹起来不要曝露脸上和头上的头发头发是沾污源遵守进入净化间的程序，如风淋和鞋清洁器不要在所有程序完成之前开启任何一道通往净化间的门所有淋浴都可能有助于去除沾污，许多公司由于空气沾污原因已经停止使用这到程序在净化间中所有时间内都保持超净服的闭合不要把任何街头服装曝露于超净室内，不要让你的皮肤的任何部分接触超净服的外面部分不想要的沾污源缓慢移动不要群聚或者快速移动这会破坏气流模式应该做的不应该做的理由只有经过授权的人员方可进入净化间没有接空气过滤空气过滤 空气进入天花板内的特效颗粒过滤器，以层流模式流向地面，进入到空气再循环系统后与补给的空气一道返回空气过滤器系统。位于天花板中的特效颗粒过滤器，要么是高效颗粒空气过滤器（HEPA）要么是超低渗透率空气过滤器（ULPA）。HEPA纤维过滤器用玻璃纤维制作成形，产生层状气流。空气过滤 空气进入天花板内的特效颗粒过滤水水 为了制造半导体，需要大量的高质量、超纯去离子水，城市用水含有大量的沾污以致不能应用于硅片生产。去离子水是半导体制造中用的最多的化学品，主要用在化学硅片清洗溶液合后清洗中。加工后的去离子水（电阻率18兆欧）18元/吨。因此在产线生产过程中使用水应该节约，但是不能违反工艺，所谓的节约就是在不清洗硅片时不允许有长流水出现。超纯去离子水中不允许有的沾污：溶解离 有机材料 颗粒 细菌 硅土 溶解氧水 为了制造半导体，需要大量的高质量、水中的溶解离子来源于钠和钾这样容易形成离子的矿物质。食盐容易分解为Na 和Cl-就是一个例子。有机物质，称为有机碳总量，是指溶解在水中的含碳化合物的总和。有机物沾污对氧化层薄膜生长具有破坏性作用。细菌是活的，在水中产生有机物。细菌排泄的碎片称为热原。水中的细菌带来氧化层、多晶和金属导体层的缺陷。某些含磷的细菌能引起不受控制的掺杂。城市用水中的硅土是细碎的悬浮颗粒，这些颗粒的尺寸遍布从10埃到10微米的范围。高含量的硅土能淤塞水净化设备的过滤装置，并降低热生长氧化物的可靠性。水中的溶解离子来源于钠和钾这样容易形成 水中的另一种沾污是溶解氧。它因导致自然氧化层的形成而引发问题。水中溶解氧在水被增压的半导体工艺中也带来问题，当水被减压时，溶解的气体将从溶液释放出来形成气泡，引起硅片表面的不完全湿润。基于以上对沾污的了解，在操作过程中我们规定了不允许用手接触硅片的表面以及片筐的内侧，这样容易产生金属沾污，同时在清洗过程中不允许用手将硅片从水中取出，这样也会导致金属沾污，影响了去离子水的纯度。水中的另一种沾污是溶解氧。它因导致自然 用来制造半导体硅片的生产设备是硅片工厂的最大的颗粒来源之一。在硅片制造过程中硅片重复的转入各设备中，暴露在不同的许许多多机械中。工艺设备中各种颗粒沾污来源举例：A 裸露硅片在自动化的机械上传动B 机械操作，开关门等C 真空环境的抽取和排放D 清洗和维护过程E 剥落的复产物积累在腔壁上设备 用来制造半导体硅就在我们身边的异常轨轨道道上上放工具放工具放放片片筐筐位位置置放放维维修修工具工具就在我们身边的异常轨道上放工具放片筐位置放维修工具芯片加工厂微粒员源分布引自相关资料仅供参考芯片加工厂微粒员源分布引自相关资料仅供参考 人为的划伤和沾污对产线的产品质量影响相当严重，直接关系到我们公司的经济收入，因此说我们在操作的过程中对于人为问题应尤为注意。人为的划伤和沾污对产线的产品质量影响相当严重，直接 如果划伤不能够及时控制对于产品的质量会产成不良影响，具体影响如下：1）由于划伤导致的电压低击穿或曲线异常 2）由于划伤造成的电压EB穿通 3）由于划伤造成的镜检点废比例增加 4）一些划伤需要返工增加了生产用时 如果划伤不能够及时控制对于产品的质量会产成不良影响划伤图片划伤图片由于划伤导致的电压低击穿或曲线异常 原因及表现形式：主要是由于划伤造成芯粒分压环受损导致参数异常,主要体现在MAP3测试的CB1和DIVID失效或由于CB电压低压造成的ICES废品;由于划伤导致的电压低击穿或曲线异常 原因及由于划伤造成的电压由于划伤造成的电压EB穿通穿通 原因及表现形式：主要是由于划伤造成芯粒发射极个别区域严重受损导致的EB短路,主要体现在MAP3测试时的EBL;由于划伤造成的电压EB穿通 原因及表现形式 由于划伤造成的镜检点废比由于划伤造成的镜检点废比例增加例增加 原因及表现形式：氧化层或金属轻微划伤,这些划伤未能造成参数异常,但是却会影响日后的稳定性和可靠性,因此,对其点废,这样会造成单片合格率的下降,公司遭受一定的经济损失.合格率每降低一个百分点，单片成本上升。由于划伤造成的镜检点废比例增加 一些划伤需要返工增加了生产用一些划伤需要返工增加了生产用时时 原因及表现形式：胶上划伤如果被发现可以进行去胶返工，但这样一来就增加了生产用时，而且返工也会浪费材料，增加成本。一些划伤需要返工增加了生产用时 原因及表现工序的缺陷管理工序的缺陷管理 （1）颗粒物、划伤。硅片进入后端工序之前已经经历了诸多工序，硅片经多次工艺处理，以及相应进行的多次传输和上下片过程都很容易在硅片表面留下颗粒物和划伤。（2）异物。主要由于静电等因素引起的版图上的缺陷。芯片上诸多介质层给静电的存储提供了条件，由于静电的存在，使得颗粒物更容易被吸附在硅片表面，从而形成缺陷。工序的缺陷管理 （1）颗粒物、划伤。硅片进入后端小节小节 随着大规模集成电路的发展，集成度不断提高（集成度已达几十亿个元器件/芯片）线宽不断减小，集成电路工艺发展的主流已经成为高密度、细线条、表面有害重金属杂质沾污和可动离子影响器件的界面态，使器件静态功耗电流增大，SiO2介质击穿强度降低，抗静电能力减弱，阈值电压漂移，器件功率老化出现早期失效，在CMOS，CCD等敏感器件中尤其突出，可导致军用器件抗核辐射能力减弱，产品性能、可靠性指标和器件成品率下降。因此，微电子产业必须控制有害金属杂质含量、颗粒度等。小节 随着大规模集成电路的发展，集成度不 产品质量下滑，单片合格率及综合合格率下降导致公司在市场上的信誉度降低，这样的连锁反应直接影响到公司的生存和发展。产品质量下滑，单片合格率及综合合格率下降 希望每个人都能意识到颗粒、划伤的影响，意识到每一次操作的重要性，让我们每个人从自己做起。希望每个人都能意识到颗粒、划伤的影响，意识到每附粘污的照片附粘污的照片附划伤的照片附划伤的照片附灰的照片附灰的照片谢谢！谢谢！谢谢！