Chap5-污染控制

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

2、0 m 經驗法則：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 一微米的相對大小 圖5.2 污染物的相對大小圖5.3 空浮顆粒和晶圓的相對尺寸 （2）金屬離子電性活潑的微量污染物，可改變元件的電性特性、效能、可靠度可移動離子污染物(mobile ionic contaminants, MICs)-以離子型態出現，存在於材料中，運動力很強的金屬原子-造成MOS元件中最嚴重失敗的原因，常出現在化學品中-MIC的污染必須少於1010原子/平方公分，鈉(sodium)最常見 /每十億個不純原子中的微量金屬成

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）化學物 -製程所需的化學品和水中含有少量的化學污染物 -造成表面腐蝕、無法被移除的化合物、不均勻的製程 -氯(chlorine)為製程用化學品中嚴格控制的污染（4）細菌 -作用如同顆粒，可造成元件表面的金屬離子污染 污染造成的問題（1）元件的製程良率 -改變元件部分尺寸 -改變表面的潔淨度 -引起含有坑坑洞洞的沈積層(或成長層) （2）元件效能 常在製程後段，晶圓揀選（電性測試）時才發現問題（3）元件可靠度 可靠度失敗是最不容易察覺的問題污污染來源無無塵室 (clean ro

4、om潔淨室) 污污染定義：任何會影響所製造的產品及其效能的物體主主要污染來源（1）空氣（2）製造設備（3）無塵室中的工作人員（4）製程用水（5）製程用化學品（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塵室空氣的清潔度分級方法以微粒子的直徑及密度(單位體積內的數目)決定空氣品質的級數 (class number)（美國聯邦標準第209E條規定）在每立方英尺的空氣中所含直徑等於(及大於)0.5m的粒子數量 圖5.5 空氣中飄浮顆粒的相對 尺寸(單位為微米m) 圖5.6規定無塵室空氣清潔度級數的209E表環境級數最大顆粒 (微

5、米)預測用以生產256 Mbit的無塵室0.010.1迷你 (微小) 環境法0.1500,000 圖5.7 各種不同環境的級數 清淨空氣的方式四種不同的無塵室設計策略1.無塵工作站2.隧道式隔間設計3.全廠無塵法4.微小環境無塵法1.無塵工作站 無塵工作站策略-將工作站加以空氣濾淨器，並使用不會剝離的材料-工作站外的晶圓被儲存在一個有蓋的盒中以利搬移護罩(hoods)工作站：使用高效能微粒子過濾器 (high-efficiency particulate attenuation, HEPA) 圖5.8 高效能微粒子過濾器的空氣濾網 垂直式層流(vertical laminar flow,VLF

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

7、放式區域 -恢復能力(recovery)：無塵室的一項重要性能參數 廠區輪班、人員休息、或其他變動時， 過濾設備將廠內空氣過濾至可接受的清潔度所需的時間 -Class 1 (1級)：空氣須在6秒鐘內完全清潔過一次 -建造無塵室費用：10億美元(8”廠)30億美元(12”廠）4.微小(或迷你)環境法 （tsmc為使用此種系統的最成功例子!） 挑戰：如何將一系列微小環境相連，使晶圓不和室內的空氣相接觸?HP（1980年代中期）標準機械界面(Standard Mechanical Interface, SMIF)晶圓隔離技術(Wafer Isolation Technology, WIT或迷你環境）

8、系統分為三個部分（1）裝晶圓的密閉式盒(迷你環境) -盒中灌入加壓的清潔空氣或氮氣 -盒具有SMIF ，能和製程設備上的微小環境連接 （2）製程設備上的微小環境隔離空間（3）夾取及裝填晶圓的機械機構：機械手臂 (robot)優點（1）能將晶圓廠房以較少費用升級、減少運轉費用（2）廠內走廊的清潔度級數要求不需嚴格（3）對人員的衣服、工作程序、限制降低 缺點（1）大尺寸晶圓盒重，使用robot增加成本及複雜度（2）須有儲存晶圓盒的中央儲存系統空間(stockers)（3）製程設備上附有(也可能沒有)緩衝用的儲存空間圖5.13 轉移晶圓的微小環境 圖5.14 微小環境系統內的基本元件 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相對濕度（1550%）-微影成形(patterning)的重要製程參數-濕度太高則高分子聚合物（光阻）無法粘著於晶圓表面-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)嚴重影響顯影(developing) 無塵室(Clean Room)的佈置無塵室的建造清潔度和成本費用間取得折衷設計目的1.一座密閉的空間2.供應清潔的空氣3.建材不會剝落4.防止由室外或由人員無意帶進來的污染 -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

10、、空氣淋浴和維護區的無塵室無塵室內的基本構成要素（1）具有黏性的地墊（2）更衣室 (anteroom前房) -廠房和無塵室之間的門不可同時被開啟 -規定允許/不允許被穿入更衣區的衣物質料（3）空氣壓力 無塵室壓力更衣間其他廠區(走廊) （4）空氣淋浴 淋浴間內的門有互鎖裝置，防止兩個門被同時開啟（5）維修區 -無塵級數較高（Class 1000Class 10000） -技術人員不必進入無塵室中就可維護設備（6）雙門式通道 具有互鎖雙門，雙門間的空氣壓力高於維護區壓力（7）靜電控制 污染晶圓（靜電壓可高達50000伏特） 靜電聚在晶圓表面、儲存盒、工作檯、吸引空氣和人員衣物中的微塵 靜電放電

11、(ESD)電流強度可能高達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、製程用儲存盒 -放電技術： HEPA濾網下方用離子產生器(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（9）手套清潔機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源坐著：平均每分鐘產生10萬100萬微粒子運動：（每小時2英哩）每分鐘產生50

12、0萬微粒子粒子來源 -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，口袋不會外露質料：多元酯、GORE-TEX，不脫落纖維，可能含導電纖維（釋放靜電）薄殼式臉罩具防護邊的安全眼鏡：罩住眼睛（體液來源）對污染特別敏感的區域：以盔罩住頭及臉，包含空氣濾帶、呼吸器手套PVC材質處理化學物品材質：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污染的體悟、落實、訓練重要正常的呼吸不產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 各種活動造成的污染顆粒增加量 製製程用水現現代化的晶圓廠每天可能用去數百萬加侖的水 水水的花費 水費 , 將水輸送至處理區 , 使用過後的污水處理及排放水常含的污染物1.溶解的礦物質 -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時電阻為18,000,000cm，稱為18megaOhm(M)水2.微粒子 藉砂、土或薄膜來過濾至次微米的程度3.細菌 用紫外光輻射殺死，再將水煮成蒸氣後移除4.有機物(植物或殘渣) 以碳疊床過濾器過濾5.溶解的氧

14、強制性流動除碳器、真空式除氧機去除6. 矽化合物(silica) 儲水槽：充以氮氣，防止水吸收空氣中二氧化碳干擾電阻係數的量測電阻：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(Mcm)171818.1TOC(micro-g/L)2005010細菌(#/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 水的電阻係數和其中溶解 之固體物濃度的關係 圖5.20 製造動態隨機存取記憶體 所需的水之規格 圖5.21 典型的去離子水系統 製程用品化學-酸、鹼、溶劑：必須純度極高-工業用的化學品被分為：商用級、試劑級、電子用級、半導體用級-金屬的可移動離子污染物（MIC）：少於1個ppm-顆粒大小：0.2m之下-化學品純度：以成分純度數(assay number)指定-容器：內側清潔，不能被化學品溶解，標示紙不含微粒大量化學品分配系統(BCDS) -大量購買化學品 -由中央儲存位

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 優點：價格低在使用處生產化學品(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(過氧化氫) 優點：污染少於1ppt (t:兆) 製程氣體判定氣體的品質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禍-外界空氣(氧)可能進入和製程氣體相互反應氣體排放(outgassing)管系統材料放出某種氣體污染製程氣體

17、管線系統：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： -不鏽鋼內表面必須以電鍍/雙層真空處理 -氧化保護(oxygen passivation,OP)：生成氧化鐵膜防止outgassing/ -避免使用聚合物製造的零件 -避免焊接時生成的氣體被吸入管路中 -蒸氣應被控制在3至5ppm -過濾除去0.2m以上的顆粒空氣分離出的氣體：以低溫液態的形式儲存特殊氣體（常為劇毒或可燃）：以高壓鋼瓶存放廠房外的特殊貯藏櫃設備-微粒子最大的來源-佔顆粒來源的7590%PWP(particles per wafer pass)每片晶圓經過某設備時，在晶圓上造成的顆粒數目減少顆粒產生的方法-設

18、備的設計、材料的選取-設備的組裝：在和晶圓廠相同class number無塵室中進行-將設備聚集(多腔式連續製程設備)：減少多次裝填造成的污染無塵室內的材料及一般用品 -紀錄表、表格、筆記本不可生成顆粒-不可使用鉛筆，彈簧原子筆-晶圓儲存盒、管線：材料不會生成顆粒-推車輪子及工具不可用油脂潤滑設備製程人晶圓取放化學品的純度靜電010203040%晶圓廠內顆粒的來源圖5.22 主要污染顆粒的來源，此圖顯示 主要的為設備造成的顆粒污染 無塵室的維護採用經過專業認證的服務公司將清潔度、實施方式、紀錄情形、控管流程做確認及紀錄晶圓表面清潔製程中 20% 以上的步驟都和清潔晶圓有關%20去除顆粒(機械式

19、) 一般性的化學清理(硫酸、過氧化氫)去除氧化物(稀釋的氫氟酸) RCA Clean -去除金屬和有機物(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：藉傳統的化學浸泡、洗淨清除 小的粒子： 較難去除，因為數種較強的作用力吸附 凡得瓦力(van der Waals force)： 一個原子核和另一個原子外的電子之間的強大吸引力 用zeta能場技術減少此力 毛細力(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、機械方

20、式（高頻超音波）減少此力 薄膜的毛細現象作用力 晶圓刷洗機(Wafer scrubbers)-防止二次污染：刷子、清潔液管線的清潔須嚴密注意-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）有機殘餘物(Organic residues) 有機物：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、溶劑可能是污染來源（3）無機殘餘物(Inorganic residues) 無機殘餘物：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) -矽表面若無氧化物是非親水性(hydrophobic) -用水和氫氟酸(HF)的混合液(業界常稱其為蝕骨水)： HF只蝕氧化物，不蝕矽化學清洗液濕式(wet)清洗：使用液體的化學品之清洗程序一般的化學清洗 (i)硫酸 -熱硫酸液(90C 125C)除去無機殘餘物及微粒 -添加氧化劑的熱硫酸液除去有機(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 氧化物：過氧化氫(雙氧水)、硫化氨、硝酸、臭氧

22、 （ii)硫酸和過氧化氫 也被稱為卡羅酸(Carros acid)或食人魚蝕液 (piranha etch)（iii)臭氧 臭氧和去離子水可形成對輕微有機污染晶圓的清洗液 RCA清潔法(RCA cleans) -1960年代，RCA工程師韋納肯恩 (Werner Kern) 標準清洗法的第一步 (SC-1) -水、過氧化氫、氫氧化氨以5：1：1至7：2：1的比例 -加熱75C 85C，除去有機殘餘物 標準清洗法的第二步 (SC-2) -水、過氧化氫、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清潔法類型所佔體積比例標準清潔1 (S

23、C-1)5份去離子水 1份30% 的過氧化氫 1份29% 的氫氧化銨製程70C , 5分鐘標準清潔2 (SC-2)6份去離子水 1份30% 的過氧化氫 1份37% 的鹽酸製程70C, 5至10分鐘 圖5.26 RCA清潔法的配方 能於室溫下進行反應及能臭氧化的化學品 理想的化學製程 -能在室溫下安全進行 -用後易棄置，處理費用低/ / / 經臭氧化後的去離子水 氫氟酸 + 過氧化氫 + 水 + 表面活性劑 + + 超高音波 經臭氧化的去離子水 + 超高音波 稀釋的氫氟酸(1%) 去離子水清洗 + + 超高音波 圖5.27 實驗室溫度下的清潔製程 噴洗法(Spray cleaning)浸入清洗法之缺點 化學品昂貴 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點 化學品消耗少 使用過的化學廢棄物少，處理費低 增加清潔效率：液體加壓再噴，可沖洗較深、小孔內污染物 沒有二次污染問題 在同一機台上，噴完化學液後可噴沖洗液，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