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半导体 | 污染控制

发布：北京爱蛙科技有限公司

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根据电子制造业长期以来的品质管控数据统计结果来看，整个半导体生产制造过程中，约有50%~70%的品质不良，都是由产品被污染所致。

污染是半导体产业面临的重大挑战，它有可能扼杀芯片制造业的萌芽。昨天看似微不足道的问题，可能在明天成为导致芯片彻底失效的致命缺陷。

一、污染类型

半导体器件极易受到多种污染物的损害。这些污染物可以归纳为五类：

1）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厚度。目前的量度尺寸已经降到亚微米级。1um是非常小的。1cm是它的1000倍。人的头发的直径为100um。这种非常小的器件尺寸导致器件极易受到由人员、设备和工艺操作中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。

微粒的大小必须是第一层金属半个节距的一半。半个节距是相邻金属条之间间距的一半。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他由工艺过程引入的问题。

2）金属离子

半导体器件在其晶圆上精心布局了N型和P型的掺杂区域，以及这些区域间精确的N/P相邻带。这些区域的电阻率必须得到精确控制，以确保器件的性能和可靠性。通过在硅晶体和晶圆中有意掺入特定的掺杂离子，我们能够精确调控这些关键特性。只需极微量的掺杂物质，就能达到预期效果。然而，即便是晶圆中微量的带电污染物，也可能显著改变器件的标准特性，影响其工作表现和可靠性。

这些污染物被称为可移动离子污染物，它们是存在于材料中的金属离子，以离子形态存在。这些金属离子在半导体材料中具有极高的迁移性。这意味着，即使器件在出厂前通过了所有电性能测试，金属离子仍可能在器件内部移动，最终导致器件失效。不幸的是，几乎所有的化学物质中都含有可能在硅器件中引发这些问题的金属元素。因此，为了确保器件的质量和性能，晶圆上的可移动污染物必须被严格控制在每平方厘米少于10¹⁰个原子的范围内。

比如：钠是未处理化学品中最常见的可移动离子污染物，并且在硅中具有极高的迁移能力。因此，对钠离子的严格控制成为了硅半导体工艺中的一个关键目标。在金属氧化物半导体（MOS）器件中，可移动离子污染物的问题尤为突出，这一现象促使许多化学品制造商开始研发专为MOS器件设计的低钠级化学品。此外，超纯水的生产也必须减少可移动离子污染物的含量，以满足半导体制造过程中对极高纯度水质的需求。

3）化学物质

在半导体制造领域，除了微粒和金属离子之外，第三种主要污染物是不必要的化学物质。这些化学物质可能以微量形式存在于工艺中使用的化学品和水中，它们对芯片制造过程产生不利影响。这些痕量物质可能导致晶圆表面发生非预期的蚀刻，形成难以清除的化合物，或者导致工艺过程的不均匀性。氯就是这类污染物的一个例子，它在工艺中使用的化学品中的浓度受到严格的限制和管理。

4）细菌

细菌是第四大类的主要污染物。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，会成为颗粒污染物或给器件表面引入不希望见到的金属离子。

5）空气中分子污染（AMC）

空气中分子污染（AMC）是难捕捉之物的分子，它们从工艺设备，或化学品传送系统，或由材料，或人带入生产区域。晶圆从一个工艺设备传送到另一个能将搭乘分子带入下一个设备。AMC包括在生产区域使用的全部气体、掺杂品、加工用化学品。这些可能是氯气、潮气、有机物、酸、碱及其他物质。

污染

危害

器件工艺良品率降低：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，和造成有凹痕的表面。在晶片生产的过程中，有一系列的质量检验和检测，它们是为检测出被污染的晶圆而特殊设计的。高度的污染使得仅有少量的晶圆能够完成全工艺过程，从而导致成本升高。

器件性能差：一个更为严重的问题是在工艺过程中漏检的小问题。在工艺步骤中的不需要的化学物质和AMC可能改变器件尺寸或材料质量。在晶圆中高密度的可移动离子污染物可能会改变器件的电性能。这个问题通常是在晶圆制造工艺完成后的电测试（也成为晶圆或芯片拣选）中显现出来的。

器件可靠性低：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圆，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天工业和国防工业的首要关注点。

二、污染源

污染源是指任何影响产品生产或产品功能的一切事物。由于半导体固态器件的要求较高，所以就决定了晶圆的洁净度要求远远高于大多数其他工业的洁净程度。实际上晶圆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：

空气
人员
工艺使用水
工艺化学气体、溶液
静电
工艺设备

每种污染源的产生类型和级别，都需要对其进行特殊控制以满足净化的要求。

三、污染控制方法

1）空气

普通空气中含有许多污染物，主要是可在空气中传播的颗粒(一般是微粒或浮尘)，颗粒的相对尺寸如下图所示(单位是:微米)。

因此，洁净室的设计就显得尤为重要。洁净室的目的是保持加工车间中空气的洁净，另外提高生产自动化水平也是降低污染的一种有效方法。共有4种不同的洁净室设计方法:

洁净工作台
隧道型设计
完全洁净室
微局部环境

2）人员

工作区人员也是最大的污染源之一。即使一个经过风淋的洁净室操作员，当他坐着时，每分钟也可释放10万到100万个颗粒，当人员移动时，这个数字还会大幅增加。这些颗粒都是来自脱落的头发和坏死的皮肤。其他的颗粒源还有象化妆品、染发剂和暴露的衣服等。下图列出了从不同操作人员的动作中产生的污染物的水平。

因此，工作人员进入工作区域必须穿超净服，戴上帽子，穿上鞋套，以减少污染。

对身体产生的颗粒和浮质的总体抑制
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

3）工艺用水

在晶圆生产的整个过程中，要经过多次的化学刻蚀与清洗，每步刻蚀与清洗后都要经过清水冲洗。由于半导体器件非常容易受到污染，所以所有工艺用水必须经过处理，达到非常严格洁净度的要求。普通城市用的水中包含大量洁净室不能接受的污染物，主要有：溶解的矿物、颗粒、菌、溶解氧、二氧化碳、有机物，普通水中的矿物来自盐分，盐分在水中分解为离子。例如食盐会分解为钠离子和氯离子。每个离子都是污染物。

通常采用反渗透反渗透和离子交换离子交换系统去除水中的离子。去除离子后的水通常称为去离子水。

去离子水在25℃时的电阻是18000000Ω·cm，也就是一般称为18MΩ。下图显示了当水中含有大量不同的溶解物质时的电阻值。在VLSI制造中，工艺水的目标是18MΩ，水中的细菌是通过紫外线去除。

去离子水的补给和精加工回路

4）工艺化学气体、液体

在制造工厂中,用于刻蚀和清洗晶圆和设备的酸、碱、溶剂必须是最高纯度的。涉及的污染物有金属离子微粒和其他化学品。工业化学品分不同级别，它们分一般商业纯度、化学纯度、电子级和半导体级前两种对于半导体使用来说过脏,电子级与半导体级相对洁净些，但不同制造商所生产化学品的洁净度也是不同的。

把化学品传输至工艺加工区域不只包括保持化学品的洁净，还包括对容器内表面的清洁、使用不易溶解的材质的容器、不产生微粒的标识牌,并在运输前把瓶放置化学品袋中。另外特别要注意定期清洁管道和运输瓶以防止污染。另一个特殊问题是当把化学品倒入另一种化学品瓶中时会产生交互污染。每种化学品的化学品瓶应专用。

除了许多湿(液体)化学品工艺制程，半导体晶圆还要使用许多气体来加工。这些气体有些是从空气中分离出来的，如氧气、氮气和氢气,还有些是特制的气体,如砷烷和四氯化碳。和化学品一样，气体也必须清洁地传输至工艺工作台与设备中。气体质量由以下4项指标来衡量:

纯度
水气含量
微粒
金属离子

所有工艺气体都要求极高的纯度，用于氧化、溅射、等离子刻蚀、化学气相沉积(CVD)反应离子刻蚀、离子注入和扩散等工艺的气体也有特殊要求。所有涉及化学反应的工艺都需要能量。如果工艺气体被其他气体污染，则预期的反应就会产生显著改变,或者在晶圆表面的反应结果也产生改变。

5）静电

静电控制包括防止静电积累和利用放电两种技术。防静电积累技术包括使用防静电物质制造的工作服和加工时的存储盒。在一些区域中，墙壁中使用防静电物质来防止静电的积累，在墙壁表面涂上中和物质来达到此目的。通常，这项技术不用于重要的工艺车间，因为中和物质一般会产生污染。

放电技术包括使用电离器和使用静电接地带。电离器一般置于HEPA过滤器的下面，中和在过滤器上堆积的静电，有时还置于氮气吹扫枪中(起相同的作用)。有些工作台还装有手提式电离器，向加工中的品圆吹送离子空气。静电放电还通过为操作员带上接地腕带，在重要的工艺工作台使用接地垫，使工作台本身接地。最先进的加工厂有一套复杂的静电控制程序，包括防止静电累积、防止静电放电、操作人员培训和第三方监督等。

6）工艺设备

许多分析显示机械设备是最大的微粒污染源。到了20世纪90年代，设备引发的微粒升至所有污染源的75%至90%，但这并不意味机械设备变得越来越脏。由于对空气、化学品与生产人员污染的控制越来越先进，使得设备变为污染控制的焦点。缺陷产生率是设备生产规格的一部分。一般来讲，每片品圆每次通过设备后增加的颗粒个数(ppp)是有详细说明的，并使用每片品圆每次通过的颗粒增加数(Particles per Wafer Pass，PWP)这一术语。

微粒产生率的降低要从设计方法与材料的选择入手。其他因素包括颗粒进入品圆与淀积反应的机械装置的传播方法，例如静电。大多数设备是在与客户的品圆制造厂相同洁净度的净化间制造的。一组不同的工艺设备共享同一个洁净局部装卸空间可以降低使用多个装卸站所产生的污染。有一种趋势是在工艺反应室配备现场(insitu)的微粒监视器。

参考文献：

1.【美】Peter Van Zant ，韩郑生译，芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版），电子工业出版社；

2.《半导体材料课程》，杨德仁院士，浙江大学；

3.余盛，芯片战争，华中科技大学出版社；

4. 百度文库：污染控制https://wenku.baidu.com/view/a6b309ef541252d380eb6294dd88d0d233d43c8e.html?_wkts_=1717503138238&bdQuery=；

5. 人人文库：半导体行业污染控制典型办法

https://www.renrendoc.com/paper/206534443.html。

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