1、半導(dǎo)體製程(4版)Microchip Fabrication第5章 :污染控制Peter Van Zant 著姜庭隆 譯 李佩雯 校閱滄海書(shū)局中 華 民 國(guó) 90 年 11 月 28 日摘要（1）污染對(duì)於元件製程、效能、可靠度的影響（2）污染的來(lái)源及形式（3）無(wú)塵室的規(guī)劃、主要的污染控制步驟（4）晶圓表面的清洗技術(shù)引言污染：晶圓製造失敗的重要原因之一無(wú)塵室(clean room)：源於太空工業(yè)無(wú)塵室技術(shù)須和晶片設(shè)計(jì)、線路密度一起進(jìn)步污染物主要可分為四類：（1 1）顆粒（2 2）金屬離子（3 3）化學(xué)物（4 4）細(xì)菌 （1）顆粒 微米(micron：m = 10-6 m )：人的頭髮直徑約為10

2、0 m 經(jīng)驗(yàn)法則：顆粒尺寸小於最小特徵尺寸的十分之一 殺手缺陷/致命缺陷(killer defects)： 落於元件重要部位，使元件功能損壞的顆粒。 圖5.1 一微米的相對(duì)大小 圖5.2 污染物的相對(duì)大小圖5.3 空浮顆粒和晶圓的相對(duì)尺寸 （2）金屬離子電性活潑的微量污染物，可改變?cè)碾娦蕴匦?、效能、可靠度可移?dòng)離子污染物(mobile ionic contaminants, MICs)-以離子型態(tài)出現(xiàn)，存在於材料中，運(yùn)動(dòng)力很強(qiáng)的金屬原子-造成MOS元件中最嚴(yán)重失敗的原因，常出現(xiàn)在化學(xué)品中-MIC的污染必須少於1010原子/平方公分，鈉(sodium)最常見(jiàn) /每十億個(gè)不純?cè)又械奈⒘拷饘俪?/p>

3、分鈉50鉀50鐵50銅60鎳60鋁60鎂60鉛60鋅60氯化物1000 圖5.4 光阻去除劑中所含的微量金屬原子量（3）化學(xué)物 -製程所需的化學(xué)品和水中含有少量的化學(xué)污染物 -造成表面腐蝕、無(wú)法被移除的化合物、不均勻的製程 -氯(chlorine)為製程用化學(xué)品中嚴(yán)格控制的污染（4）細(xì)菌 -作用如同顆粒，可造成元件表面的金屬離子污染 污染造成的問(wèn)題（1）元件的製程良率 -改變?cè)糠殖叽?-改變表面的潔淨(jìng)度 -引起含有坑坑洞洞的沈積層(或成長(zhǎng)層) （2）元件效能 常在製程後段，晶圓揀選（電性測(cè)試）時(shí)才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題（3）元件可靠度 可靠度失敗是最不容易察覺(jué)的問(wèn)題污污染來(lái)源無(wú)無(wú)塵室 (clean ro

4、om潔淨(jìng)室) 污污染定義：任何會(huì)影響所製造的產(chǎn)品及其效能的物體主主要污染來(lái)源（1）空氣（2）製造設(shè)備（3）無(wú)塵室中的工作人員（4）製程用水（5）製程用化學(xué)品（6）製程用氣體（7）靜電（1）空氣微粒子(particulates)/氣膠(aerosols)：漂浮於空氣中的顆粒無(wú)塵室空氣的清潔度分級(jí)方法以微粒子的直徑及密度(單位體積內(nèi)的數(shù)目)決定空氣品質(zhì)的級(jí)數(shù) (class number)（美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)第209E條規(guī)定）在每立方英尺的空氣中所含直徑等於(及大於)0.5m的粒子數(shù)量 圖5.5 空氣中飄浮顆粒的相對(duì) 尺寸(單位為微米m) 圖5.6規(guī)定無(wú)塵室空氣清潔度級(jí)數(shù)的209E表環(huán)境級(jí)數(shù)最大顆粒 (微

5、米)預(yù)測(cè)用以生產(chǎn)256 Mbit的無(wú)塵室0.010.1迷你 (微小) 環(huán)境法0.1500,000 圖5.7 各種不同環(huán)境的級(jí)數(shù) 清淨(jìng)空氣的方式四種不同的無(wú)塵室設(shè)計(jì)策略1.無(wú)塵工作站2.隧道式隔間設(shè)計(jì)3.全廠無(wú)塵法4.微小環(huán)境無(wú)塵法1.無(wú)塵工作站 無(wú)塵工作站策略-將工作站加以空氣濾淨(jìng)器，並使用不會(huì)剝離的材料-工作站外的晶圓被儲(chǔ)存在一個(gè)有蓋的盒中以利搬移護(hù)罩(hoods)工作站：使用高效能微粒子過(guò)濾器 (high-efficiency particulate attenuation, HEPA) 圖5.8 高效能微粒子過(guò)濾器的空氣濾網(wǎng) 垂直式層流(vertical laminar flow,VLF

6、)工作站水平式層流(horizontal laminar flow,HLF)工作站維護(hù)晶圓潔淨(jìng)的兩種方式： -護(hù)罩內(nèi)的空氣被過(guò)濾的很乾淨(jìng) -正壓(positive pressure)工作站內(nèi)的空氣壓力比外界稍高 圖5.9 垂直層流工作站的護(hù)罩剖面圖 圖5.10 垂直層流工作站的排煙罩剖面圖 2.隧道或?yàn)硡^(qū)式隔間VLF式護(hù)罩缺陷:房間內(nèi)人進(jìn)出造成的污染難避免，使工作站被污染解決方式:-製造區(qū)分割成許多隔間(隧道tunnel或?yàn)硡^(qū)bay)，減少進(jìn)入的人-隧道天花板上裝空氣濾淨(jìng)器（維持晶圓清潔） 圖5.11 無(wú)塵室隧道剖面圖 圖5.12 層流無(wú)塵室的剖面圖 3.全廠無(wú)塵 製造空間中不需隔間，成為全開(kāi)

7、放式區(qū)域 -恢復(fù)能力(recovery)：無(wú)塵室的一項(xiàng)重要性能參數(shù) 廠區(qū)輪班、人員休息、或其他變動(dòng)時(shí)， 過(guò)濾設(shè)備將廠內(nèi)空氣過(guò)濾至可接受的清潔度所需的時(shí)間 -Class 1 (1級(jí))：空氣須在6秒鐘內(nèi)完全清潔過(guò)一次 -建造無(wú)塵室費(fèi)用：10億美元(8”廠)30億美元(12”廠）4.微小(或迷你)環(huán)境法 （tsmc為使用此種系統(tǒng)的最成功例子!） 挑戰(zhàn)：如何將一系列微小環(huán)境相連，使晶圓不和室內(nèi)的空氣相接觸?HP（1980年代中期）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械界面(Standard Mechanical Interface, SMIF)晶圓隔離技術(shù)(Wafer Isolation Technology, WIT或迷你環(huán)境）

8、系統(tǒng)分為三個(gè)部分（1）裝晶圓的密閉式盒(迷你環(huán)境) -盒中灌入加壓的清潔空氣或氮?dú)?-盒具有SMIF ，能和製程設(shè)備上的微小環(huán)境連接 （2）製程設(shè)備上的微小環(huán)境隔離空間（3）夾取及裝填晶圓的機(jī)械機(jī)構(gòu)：機(jī)械手臂 (robot)優(yōu)點(diǎn)（1）能將晶圓廠房以較少費(fèi)用升級(jí)、減少運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用（2）廠內(nèi)走廊的清潔度級(jí)數(shù)要求不需嚴(yán)格（3）對(duì)人員的衣服、工作程序、限制降低 缺點(diǎn)（1）大尺寸晶圓盒重，使用robot增加成本及複雜度（2）須有儲(chǔ)存晶圓盒的中央儲(chǔ)存系統(tǒng)空間(stockers)（3）製程設(shè)備上附有(也可能沒(méi)有)緩衝用的儲(chǔ)存空間圖5.13 轉(zhuǎn)移晶圓的微小環(huán)境 圖5.14 微小環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)的基本元件 溫度、濕度，及

9、煙塵溫度控制（722F）-使操作人員舒適-濕式蝕刻及清洗的重要製程參數(shù)相對(duì)濕度（1550%）-微影成形(patterning)的重要製程參數(shù)-濕度太高則高分子聚合物（光阻）無(wú)法粘著於晶圓表面-太乾燥則晶圓表面聚集靜電煙塵(smog) 空氣中的污染物成分之一：臭氧(ozone)嚴(yán)重影響顯影(developing) 無(wú)塵室(Clean Room)的佈置無(wú)塵室的建造清潔度和成本費(fèi)用間取得折衷設(shè)計(jì)目的1.一座密閉的空間2.供應(yīng)清潔的空氣3.建材不會(huì)剝落4.防止由室外或由人員無(wú)意帶進(jìn)來(lái)的污染 -常用不銹鋼覆蓋牆壁、工作站、地板上的覆蓋物-管線洞口必須封死-避免平坦的表面以減少聚塵 圖5.15 具有更衣區(qū)

10、、空氣淋浴和維護(hù)區(qū)的無(wú)塵室無(wú)塵室內(nèi)的基本構(gòu)成要素（1）具有黏性的地墊（2）更衣室 (anteroom前房) -廠房和無(wú)塵室之間的門(mén)不可同時(shí)被開(kāi)啟 -規(guī)定允許/不允許被穿入更衣區(qū)的衣物質(zhì)料（3）空氣壓力 無(wú)塵室壓力更衣間其他廠區(qū)(走廊) （4）空氣淋浴 淋浴間內(nèi)的門(mén)有互鎖裝置，防止兩個(gè)門(mén)被同時(shí)開(kāi)啟（5）維修區(qū) -無(wú)塵級(jí)數(shù)較高（Class 1000Class 10000） -技術(shù)人員不必進(jìn)入無(wú)塵室中就可維護(hù)設(shè)備（6）雙門(mén)式通道 具有互鎖雙門(mén)，雙門(mén)間的空氣壓力高於維護(hù)區(qū)壓力（7）靜電控制 污染晶圓（靜電壓可高達(dá)50000伏特） 靜電聚在晶圓表面、儲(chǔ)存盒、工作檯、吸引空氣和人員衣物中的微塵 靜電放電

11、(ESD)電流強(qiáng)度可能高達(dá)10安培 -摧毀MOS元件及晶片 -汽化並摧毀光罩上鍍的鉻圖案 靜電的控制 -防止電荷累積：利用不生靜電的材料、衣服、製程用儲(chǔ)存盒 -放電技術(shù)： HEPA濾網(wǎng)下方用離子產(chǎn)生器(ionizer)中和空氣中的靜電 工作站、工作檯面使用靜電接地條（8）清鞋機(jī)（9）手套清潔機(jī)空氣人的皮膚玻璃人髮尼龍羊毛鉛鋁 正電性升高紙鋼棉花布鋼硬橡膠 負(fù)電性升高鎳和銅黃銅和銀人工橡膠聚氨基甲酸酯 (PU)聚丙烯PVC矽鐵氟鐵 圖5.16 摩擦生電表 圖5.17 減緩靜電的技巧 工作人員造成的污染人員是重要的污染來(lái)源坐著：平均每分鐘產(chǎn)生10萬(wàn)100萬(wàn)微粒子運(yùn)動(dòng)：（每小時(shí)2英哩）每分鐘產(chǎn)生50

12、0萬(wàn)微粒子粒子來(lái)源 -頭髮、皮膚屑、髮膠、化妝品、臉上微毛、衣服 -呼吸氣息（水及顆粒）、體液（唾液含鈉）、生病工作服(兔子裝)包住手、腳、脖子，拉鍊有外覆蓋，口袋不會(huì)外露質(zhì)料：多元酯、GORE-TEX，不脫落纖維，可能含導(dǎo)電纖維（釋放靜電）薄殼式臉罩具防護(hù)邊的安全眼鏡：罩住眼睛（體液來(lái)源）對(duì)污染特別敏感的區(qū)域：以盔罩住頭及臉，包含空氣濾帶、呼吸器手套PVC材質(zhì)處理化學(xué)物品材質(zhì)：含橙乳膠(防酸)、綠三氮化物(防溶劑) 鞋罩使用的任何一種面霜、乳液不可含有鈉及氯穿著順序：由頭而下，手套最後工作人員對(duì)污染的體悟、落實(shí)、訓(xùn)練重要正常的呼吸不產(chǎn)生顆粒抽煙者抽香煙後的呼吸500%打噴嚏2000%安靜的坐

13、著20%以手搓臉200%走路200%在地板上踏腳5000% 圖5.18 各種活動(dòng)造成的污染顆粒增加量 製製程用水現(xiàn)現(xiàn)代化的晶圓廠每天可能用去數(shù)百萬(wàn)加侖的水 水水的花費(fèi) 水費(fèi) , 將水輸送至處理區(qū) , 使用過(guò)後的污水處理及排放水常含的污染物1.溶解的礦物質(zhì) -分解為離子污染晶片，藉逆滲透(RO)及離子交換除去 -去離子水(deionized water, DI water)： 25C時(shí)電阻為18,000,000cm，稱為18megaOhm(M)水2.微粒子 藉砂、土或薄膜來(lái)過(guò)濾至次微米的程度3.細(xì)菌 用紫外光輻射殺死，再將水煮成蒸氣後移除4.有機(jī)物(植物或殘?jiān)? 以碳疊床過(guò)濾器過(guò)濾5.溶解的氧

14、強(qiáng)制性流動(dòng)除碳器、真空式除氧機(jī)去除6. 矽化合物(silica) 儲(chǔ)水槽：充以氮?dú)?，防止水吸收空氣中二氧化碳干擾電阻係數(shù)的量測(cè)電阻：歐姆-公分（25C） 溶解的固體 (ppm)18,000,0000.027715,000,0000.033310,000,0000.05001,000,0000.500100,0005.0010,00050.00污染物64Kb1Mb16Mb電阻係數(shù)(Mcm)171818.1TOC(micro-g/L)2005010細(xì)菌(#/Liter)250501顆粒(#/ml)50501臨界尺寸(micron)0.20.20.05溶解的氧(micro-g/l)20010020鈉

15、(micro-g/l)110.01氯(micro-g/l)510.01鎂(micro-g/l)N/A10.005 圖5.19 水的電阻係數(shù)和其中溶解 之固體物濃度的關(guān)係 圖5.20 製造動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體 所需的水之規(guī)格 圖5.21 典型的去離子水系統(tǒng) 製程用品化學(xué)-酸、鹼、溶劑：必須純度極高-工業(yè)用的化學(xué)品被分為：商用級(jí)、試劑級(jí)、電子用級(jí)、半導(dǎo)體用級(jí)-金屬的可移動(dòng)離子污染物（MIC）：少於1個(gè)ppm-顆粒大?。?.2m之下-化學(xué)品純度：以成分純度數(shù)(assay number)指定-容器：內(nèi)側(cè)清潔，不能被化學(xué)品溶解，標(biāo)示紙不含微粒大量化學(xué)品分配系統(tǒng)(BCDS) -大量購(gòu)買化學(xué)品 -由中央儲(chǔ)存位

16、置以管路分送至各製程站，再裝入較小的容器 -輸送管線、容器必須清潔 優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低在使用處生產(chǎn)化學(xué)品(point of use chemical generation, POUCG) -在製程站上將D.I.water和氣體化合，直接製出 -如NH4OH(氫氧化氨)、HF (氫氟酸)、H2O2(過(guò)氧化氫) 優(yōu)點(diǎn)：污染少於1ppt (t:兆) 製程氣體判定氣體的品質(zhì)1. 純度百分比2. 水蒸氣的含量3. 微顆粒4. 金屬離子困難：如何保持由製造商送出至製程站的氣體純度?-洩漏可能造成重大災(zāi)禍-外界空氣(氧)可能進(jìn)入和製程氣體相互反應(yīng)氣體排放(outgassing)管系統(tǒng)材料放出某種氣體污染製程氣體

17、管線系統(tǒng)：由不鏽鋼管及閥和聚合物所造的零件 超高清潔度要求的管線系統(tǒng)： -不鏽鋼內(nèi)表面必須以電鍍/雙層真空處理 -氧化保護(hù)(oxygen passivation,OP)：生成氧化鐵膜防止outgassing/ -避免使用聚合物製造的零件 -避免焊接時(shí)生成的氣體被吸入管路中 -蒸氣應(yīng)被控制在3至5ppm -過(guò)濾除去0.2m以上的顆粒空氣分離出的氣體：以低溫液態(tài)的形式儲(chǔ)存特殊氣體（常為劇毒或可燃）：以高壓鋼瓶存放廠房外的特殊貯藏櫃設(shè)備-微粒子最大的來(lái)源-佔(zhàn)顆粒來(lái)源的7590%PWP(particles per wafer pass)每片晶圓經(jīng)過(guò)某設(shè)備時(shí)，在晶圓上造成的顆粒數(shù)目減少顆粒產(chǎn)生的方法-設(shè)

18、備的設(shè)計(jì)、材料的選取-設(shè)備的組裝：在和晶圓廠相同class number無(wú)塵室中進(jìn)行-將設(shè)備聚集(多腔式連續(xù)製程設(shè)備)：減少多次裝填造成的污染無(wú)塵室內(nèi)的材料及一般用品 -紀(jì)錄表、表格、筆記本不可生成顆粒-不可使用鉛筆，彈簧原子筆-晶圓儲(chǔ)存盒、管線：材料不會(huì)生成顆粒-推車輪子及工具不可用油脂潤(rùn)滑設(shè)備製程人晶圓取放化學(xué)品的純度靜電010203040%晶圓廠內(nèi)顆粒的來(lái)源圖5.22 主要污染顆粒的來(lái)源，此圖顯示 主要的為設(shè)備造成的顆粒污染 無(wú)塵室的維護(hù)採(cǎi)用經(jīng)過(guò)專業(yè)認(rèn)證的服務(wù)公司將清潔度、實(shí)施方式、紀(jì)錄情形、控管流程做確認(rèn)及紀(jì)錄晶圓表面清潔製程中 20% 以上的步驟都和清潔晶圓有關(guān)%20去除顆粒(機(jī)械式

19、) 一般性的化學(xué)清理(硫酸、過(guò)氧化氫)去除氧化物(稀釋的氫氟酸) RCA Clean -去除金屬和有機(jī)物(SC-1) -去除鹼性金屬和氫氧化金屬(SC-2)水洗晶圓烘乾 圖5.23 典型的前段製程中所用的清潔步驟 晶圓表面污染（1）微粒子(particulate) 大的粒子：藉傳統(tǒng)的化學(xué)浸泡、洗淨(jìng)清除 小的粒子： 較難去除，因?yàn)閿?shù)種較強(qiáng)的作用力吸附 凡得瓦力(van der Waals force)： 一個(gè)原子核和另一個(gè)原子外的電子之間的強(qiáng)大吸引力 用zeta能場(chǎng)技術(shù)減少此力 毛細(xì)力(capillary force)： 若顆粒和表面間夾有液體，形成橋接，可能比凡得瓦力更大 用表面活性劑、機(jī)械方

20、式（高頻超音波）減少此力 薄膜的毛細(xì)現(xiàn)象作用力 晶圓刷洗機(jī)(Wafer scrubbers)-防止二次污染：刷子、清潔液管線的清潔須嚴(yán)密注意-刷子在晶圓表面一定高度上，以免刮傷晶圓表面-去離子水內(nèi)加入表面活化劑以增加清潔效果，並防止靜電累積高壓水清潔(High pressure water cleaning)-清除因靜電而被吸引的粒子-噴出加壓20004000 psi 水流沖走顆粒，水中加入表面活化劑中和靜電（2）有機(jī)殘餘物(Organic residues) 有機(jī)物：含有碳元素的化合物 除去方法：溶劑（丙酮、酒精、三氯乙烯）浸泡 儘量避免使用溶劑清潔法： -完全乾燥清除晶圓表面的溶劑不易 -

21、溶劑可能是污染來(lái)源（3）無(wú)機(jī)殘餘物(Inorganic residues) 無(wú)機(jī)殘餘物：不含碳元素，如氫氯酸、氫氟酸（4）去除氧化層 -矽表面若含有氧原子是吸水性(hydrascopic) -矽表面若無(wú)氧化物是非親水性(hydrophobic) -用水和氫氟酸(HF)的混合液(業(yè)界常稱其為蝕骨水)： HF只蝕氧化物，不蝕矽化學(xué)清洗液濕式(wet)清洗：使用液體的化學(xué)品之清洗程序一般的化學(xué)清洗 (i)硫酸 -熱硫酸液(90C 125C)除去無(wú)機(jī)殘餘物及微粒 -添加氧化劑的熱硫酸液除去有機(jī)(碳)殘餘物及微粒： 氧化物將碳變成二氧化碳，然後由溶液中蒸發(fā) 氧化物：過(guò)氧化氫(雙氧水)、硫化氨、硝酸、臭氧

22、 （ii)硫酸和過(guò)氧化氫 也被稱為卡羅酸(Carros acid)或食人魚(yú)蝕液 (piranha etch)（iii)臭氧 臭氧和去離子水可形成對(duì)輕微有機(jī)污染晶圓的清洗液 RCA清潔法(RCA cleans) -1960年代，RCA工程師韋納肯恩 (Werner Kern) 標(biāo)準(zhǔn)清洗法的第一步 (SC-1) -水、過(guò)氧化氫、氫氧化氨以5：1：1至7：2：1的比例 -加熱75C 85C，除去有機(jī)殘餘物 標(biāo)準(zhǔn)清洗法的第二步 (SC-2) -水、過(guò)氧化氫、鹽酸 (氫氯酸) 以6：1：1至8：2：1比例 -加熱75C 85C，除去鹼性離子、氫氧化物、殘留金屬RCA清潔法類型所佔(zhàn)體積比例標(biāo)準(zhǔn)清潔1 (S

23、C-1)5份去離子水 1份30% 的過(guò)氧化氫 1份29% 的氫氧化銨製程70C , 5分鐘標(biāo)準(zhǔn)清潔2 (SC-2)6份去離子水 1份30% 的過(guò)氧化氫 1份37% 的鹽酸製程70C, 5至10分鐘 圖5.26 RCA清潔法的配方 能於室溫下進(jìn)行反應(yīng)及能臭氧化的化學(xué)品 理想的化學(xué)製程 -能在室溫下安全進(jìn)行 -用後易棄置，處理費(fèi)用低/ / / 經(jīng)臭氧化後的去離子水 氫氟酸 + 過(guò)氧化氫 + 水 + 表面活性劑 + + 超高音波 經(jīng)臭氧化的去離子水 + 超高音波 稀釋的氫氟酸(1%) 去離子水清洗 + + 超高音波 圖5.27 實(shí)驗(yàn)室溫度下的清潔製程 噴洗法(Spray cleaning)浸入清洗法之缺點(diǎn) 化學(xué)品昂貴 二次污染：污染物由溶液中累積至晶圓表面 晶圓表面上較小、深的孔中污染物不易清洗噴洗法之優(yōu)點(diǎn) 化學(xué)品消耗少 使用過(guò)的化學(xué)廢棄物少，處理費(fèi)低 增加清潔效率：液體加壓再噴，可沖洗較深、小孔內(nèi)污染物 沒(méi)有二次污染問(wèn)題 在同一機(jī)臺(tái)上，噴完化學(xué)液後可噴沖洗液，減省步驟 乾洗清潔法(Dry cleaning)蒸氣法或氣相法(gas phase)-將晶圓置入充滿清潔液或侵蝕液的蒸氣中-期望：全乾式的清潔法極低溫清潔法(Cryogenic Cleaning)-高壓二氧化碳雪片或氬氣氣膠(因氬原子重而大）-衝擊原理，將晶圓表