【工艺】3_工艺基础

  晶圆良率（wafer yield）也称成品率，是完成所有工艺步骤后测试合格的芯片的数量与整片晶圆上的有效芯片的比值，一般成熟成品要求90%以上，最终良率主要由每一步工艺的良率的积组成，主流晶圆制造工艺步骤多达450步是影响良率的主要因素

  晶圆良率的影响因素：

• 生产工艺：包括生产条件（厂房/设备/材料等），工艺水平、经验及管理
• 产品设计：可制造性设计和可测试化设计
• 测试方法：测试技术与管理

一、认识沾污

  沾污：（contamination）也被称作污染，是指半导体制造做成中引入半导体硅片的任何危害微芯片成品率以及电学性能的不希望有的物质，是可能将芯片生产工业扼杀于摇篮中的首要问题之一，据估计80%的芯片电学失效是由沾污带来的缺陷引起的，并且随着特征尺寸的越来越小，硅片对沾污的敏感度越来越高
  污染物除了影响器件性能外，同时会影响

• 器件工艺良品率：沾污会改变器件尺寸，改变表面的洁净度，可能造成有凹痕的表面，在器件生产过程中，会进行一系列的检查将不合格硅片剔除；
• 器件可靠性：小剂量污染会在工艺过程中进入晶圆，而未被通常的器件测试检测出来。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，从而引起器件失效

  集成电路工艺过程中的沾污源有：环境（空气、厂房）、人、工艺用的化学品（水、化学品、气体）、生产设备

  集成电路工艺过程中的沾污主要分为5类：

1.颗粒（particles）

  颗粒是指能够沾污在硅片表面的小物体，悬浮在空气中传播的微粒被称为浮质

• 可能的来源：环境、作业员、设备、化学品（化学液、气体）等
• 可能的影响：半导体制造中可以接受的颗粒尺寸的粗略法则是必须小于最小器件特征尺寸的一半，大于这个尺寸的颗粒会导致致命缺陷（Killer defect）

2.金属杂质（metallic contamination）

  硅片加工厂的污染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（以离子态形式存在），在普通化学品和工艺中都很常见

• 可能的来源：设备（注入、刻蚀、金属容器等）、作业员、化学品
• 可能的影响：金属在半导体材料中具有高度的活性，是可移动离子沾污（MIC）比如Na，会严重损害器件的电学性能和长期的可靠性
  

3.有机物沾污（Organic impurities）

  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

• 可能的来源：环境、作业员、设备（光刻、清晰、塑料容器、油液）、化学品
• 可能的影响：在特定工艺条件下，微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的质量，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，从而阻挡刻蚀

4.自然氧化层（Native oxide）

  硅片如果暴露在室温下的空气或者含溶解氧的去离子水中，硅片表面将被氧化

• 可能的来源：环境（湿气）、设备（光刻、清洗、塑料容器、油液）、化学品
• 可能的影响：自然氧化层同样是一种沾污，是硅片制造不可接受。例如增加接触电阻，自然氧化层妨碍外延生长以及超薄氧化层的生长，影响刻蚀工艺等。

5.静电释放（Electro-Static Discharge，ESD）

  也称为静电放电，是静电荷从一个物体向另一个物体未经控制地转移，可能损坏微芯片

• 可能的来源：环境、设备、作业员、不同电势材料的接触等
• 静电产生方式：接触、摩擦、感应、热电、压电等等
• ESD特点：高电位、低电量、小电流、作用时间短、复现性差、瞬间现象多、受环境湿度影响较大

• 可能的影响：
  • 产生超过1A的局部峰值电流，从而达到蒸发金属连线（局部熔融和接触不良）和穿透氧化层，成为栅氧化层击穿的原因
  • 产生的电场吸引带电颗粒或极化并吸附中性颗粒到硅片表面，产生致命缺陷

二、沾污控制——环境

1.超净厂房技术

  超净间：（Clean room）亦称为无尘室、净化间、超净厂房等，是指将一定空间范围内空气中的颗粒、有害气体、细菌等污染物排除，并将室内的温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内，而特别设计的房间

• 标准净化厂房纵向架构

• 标准净化厂房横向架构：主制造通道走廊将一个个生产区（称为生产车间格或工艺间格）和一个个服务区（称为服务夹层、设备夹层或灰色区/灰区）

• 穿壁式装备布局：也叫港湾式布局，将工艺设备分为前区和后区。前区为人员操作区（硅片暴露区），后区为工艺设备接管区/设备区/设备灰区，前后区洁净度区分明显，真正影响产品质量的是前区

2.空气洁净度

  国际标准化组织以空气中的颗粒尺寸和密度为标准，标定了空气洁净度等级。

• 新风机组：（Make-up Air Unit，MAU）也称为外气调节箱，抽取新鲜的空气经过除尘、除湿（或加湿）、降温（或升温）等处理后通过风机送到室内，在进入室内空间时替换室内原有的空气

• 风机过滤单元：（Fan Filter Unit，FFU）是一种自带动力、具有过滤功效的模块化的末端送风装置
  • 高效颗粒空气过滤器：（High Efficiency Particulate Air Filter，HEPA）对粒径 ≥ 0.1 μ m \geq0.1\mu m ≥0.1μm 微粒的透过率 ≤ 0.001 \leq0.001% ≤0.001
  • 超低渗透率空气过滤器：（Ultra Low Penetration Air Filter，ULPA）是指具有99.9995%或更高效率过滤直径超过 0.12 μ m 0.12\mu m 0.12μm颗粒的过滤器

  空气过滤过程：空气进入天花板内的风机过滤单元，以垂直层流模式流向地面，通过下夹层和回风夹道，进入到空气再循环系统后，与补给的空气一起返回空气过滤系统。垂直层流对外界气压具有轻微的正压，屏蔽外界颗粒进入。现代超净厂房每6秒可以将超净间空气周转一次，以维持洁净度

3.温度和湿度

• 超净间温度控制的例子为：22.2摄氏度±1.1℃
• 相对湿度（RH）会助长侵蚀，典型的RH设定为40%±10%

4.ESD控制方法

• 静电耗散的材料，使电荷均匀分布在整个表面
• ESD接地，超净间里的人员和物品都必须持续接地将ESD无害地流向大地
• 空气电离，天花板内离子发射器产生高电场使空气分子电离，中和硅片表面静电荷，能力有限，新技术：软X射线辐射方法

三、沾污控制——人

  人是沾污的最大来源，人身上脱落的毛发和皮屑，以及喷发胶、化妆品、染发剂、衣服纤维屑等随身物品中释放的颗粒，甚至是人的每次呼吸都会向大气中排出大量的水蒸气和其他体液

• 金属杂质：钠是最常见的可移动离子沾污（MIC），而且移动性最强，因此对钠的控制也成为芯片生产的首要目标，金等手势严禁带入超净间
• 有机沾污：人代谢过程中分泌的油脂类污染物，携带的细菌
• 静电释放：人运动导致的摩擦电，泄排电压可以高达几万伏

1.超净服

  亦称为无尘服、洁净服、净化服等，为实现超净间内的超净环境，人员必须正确穿戴超净服，包括兜帽、连体衣裤工作服、靴子、手套、口罩等，完全包裹身体。超净服采用专用涤纶长丝，经向或纬向嵌织导电丝纤维，经特殊工艺织造而成，具备本身不产生颗粒，有良好的滤尘性、ESD零静电积累、无化学和生物残余物释放的特点
  经风淋室吹扫去除超净服表面颗粒后，由风淋室进入洁净间

2.超净间操作流程

3.集成电路制造自动化

• 空中走行式无人搬运车：（Overhead Hoist Transport，OHT）俗称天车系统，一种自动化搬运装置，能够在空中轨道上形式，并能够通过皮带传动起重机构直接进入保管设备或工艺设备的装卸口，FAB是自动化程度非常高的生产行业

• 制造执行系统：（Manufacturing Execution System，MES）指位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统，利用制造执行系统的集成性，控制包括人员调动、物料、设备、工艺流程、数据采集、订单管理等所有资源提高企业竞争力和生产力

4.FAB核心技术岗位

四、沾污控制——化学品

  集成电路制造是与化学密切相关的工艺过程，其中使用了超200多种超高纯度的工艺用化学品，也被称为“电子化学品”
  主要分类及用途如下：

• 固体：衬底、溅射源、扩散源等
• 液体：光刻胶、清洗液、抛光料等
• 气体：载气、保护气、反应气等
• 第四种状态——等离子体：当高能电离的分子或原子聚集存在时就会出现等离子体（一定的气体暴露在高能电场中，就会诱发等离子态）

  特点：

• 超高纯度，没有任何微粒、金属离子或不想要的化学物质沾污；
• 非常危险，很多是有毒性，需要特殊的处理和销毁手段

1.沾污的源——液体

1.1 常用的液态工艺用化学品

• 酸（有机酸、无机酸）

• 碱

• 溶剂

1.2 化学品（液态）供应系统

  FAB中化学品（液态）的供应方式一般有两种

• 局部供应（Local supply）即在现场直接采用人工倒入的方式供应
• 中央供应（Central supply）即以批量化学材料配送（Batch chemistry distribution，BCD）系统来提供工艺所需的化学品，系统主要有化学品源、输送模块和管道系统组成。化学品源通常采用存储罐存储，输运模块用来过滤、混合和输送化学品，通过管道系统将化学品输送到工艺线。

1.3 化学品沾污控制

  过滤器用来防止化学品传送时分解或在再循环时用来保持化学纯度，应当放置在尽可能接近工艺室，使用前现场过滤，不同过滤器分类如下：

• 颗粒过滤： 1.5 μ m 1.5\mu m 1.5μm以上的深度颗粒型过滤
• 微过滤： 0.1 μ m 0.1\mu m 0.1μm到 1.5 μ m 1.5\mu m 1.5μm颗粒的膜过滤
• 超过滤： 0.005 − 0.1 μ m 0.005-0.1\mu m 0.005−0.1μm大分子的加压膜过滤
• 反渗透：小于等于 0.005 μ m 0.005\mu m 0.005μm的颗粒和金属离子，半渗透膜过滤

典型液体过滤器要求：对于 0.2 μ m 0.2\mu m 0.2μm颗粒过滤效率达到9个9

1.4 废液处理

• 直接收集委外处理：适用于浓酸、溶剂、浓缩电镀液
• 废水处理：分为酸碱废水中和系统、含氟废水处理系统、含铬废水处理系统、氨氮处理系统、有机废水处理系统、生活污水处理系统等
• 中水回收：适用于研磨工序清洗水、纯水系统再生废水

2.沾污的源——气体

  IC制造过程中，在全部大约450道工艺步骤中大约使用了50中不同种类的气体，并且气体的种类和数量也随着制程工艺的演进不断发生着变化
  气体通常被分为两类：通用气体（大宗气体，Bulk gas）和特殊气体
  所有的气体都要求极高的纯度：通用气体要控制在7个9以上的纯度（99.99999&），特种气体则要控制在4个9以上的纯度（99.99%），微粒控制在 0.1 μ m 0.1\mu m 0.1μm以内等

• 通用气体

  • 压缩干燥空气（ C o m p r e s s e d D r y A i r ， C D A Compressed Dry Air，CDA CompressedDryAir，CDA）：大气经压缩机压缩后除湿、再经过滤器或活性炭去除颗粒及碳氢化合物后获得
  • 普通氮气（ G N 2 GN_2 GN2​）：多采用液氮储罐用槽车进行定期充灌，高压液态氮气经蒸发器蒸发为气态后供FAB使用（纯度为6个9）；大型FAB采用空分装置现场制氮+液氮储罐备用
  • 纯净氮气（ P N 2 PN_2 PN2​）：又被称为工艺氮， G N 2 GN_2 GN2​经纯化器纯化得到纯度9个9的 P N 2 PN_2 PN2​
  • 纯净氩气（ P A r PAr PAr）：多采用超低温液氩储罐配以蒸发器的方式供应，实验室型FAB多采用气体钢瓶供气
  • 纯净氧气（ P O 2 PO_2 PO2​）：多采用液氧储罐配以蒸发器的方式供应，实验室型FAB多采用气体钢瓶供气
  • 纯净氢气（ P H 2 PH_2 PH2​）：氢气国内消防安全审批非常严格，超低温液氢储管使用较少，多采用气态方式供应，一般采用钢瓶组即可满足生产要求，若对 P H 2 PH_2 PH2​和 P O 2 PO_2 PO2​需求量非常大，可采用电解水壮志现场制备 P H 2 PH_2 PH2​和 P O 2 PO_2 PO2​
  • 纯净氦气（ P H e PHe PHe）：超低温液氮储罐成本相当昂贵，加之氦气用量不大，氦气一般采用钢瓶组即可满足生产要求。氦气有富含氦气的天然气中提炼，其主要产地为美国和俄罗斯

• 特种气体
    特种气体：（Specialty gas）俗称特气，是指那些供应量相对较少的气体，这些气体通常比通用气体更危险。依据SEMI S4-92按照危险性可分为：易燃性气体（如氢气）、自燃性气体（如硅烷/磷烷）、毒性气体（如砷化氢）、腐蚀性气体（如氯气）、惰性气体（如四氟化碳）

2.1 气体的输送与接入

  气体输送管道采用316L电解抛光的不锈钢管。电解抛光是一项化学工艺，用以去除内壁表面大约 30 μ m 30\mu m 30μm厚度，随后镀一层很薄的铬，得到洁净、光滑的内表面

  局部气体配送系统的气体管道连接到其他工艺设备的气体控制面板上（Gas box），每一个控制面板由一系列的气体接入，每一路接入有一个开/关阀门、流量计、压力控制器、过滤器等，一般的气体管路数量在6-30路不等

2.2 尾气处理

  尾气处理系统（Scrubber）：特种气体尾气处理方法宜采用干式处理吸附、湿式洗涤、加热分解处理、燃烧处理、等离子分解处理、稀释处理以及以上几种方式的组合

  依据危险性可分为：

• 易燃性处理（如氢气）——氧化式（燃烧处理）
• 自燃性气体（如硅烷）——氧化式（燃烧处理）
• 毒性气体（如砷化氢）——干式处理吸附
• 腐蚀性气体（如氯气）——水洗式
• 温室气体（如四氟化碳）

3.沾污的源——等离子水

  去离子水：（Deionized water，DIW）没有任何导电离子的水，pH值为7，也被称作超纯水（Ultra-pure water，UPW），或18兆欧水。主要用于硅片的化学清洗溶液和后清洗中，用量巨大，不允许的沾污包括：

• 溶解离子：钠、钾等矿物质离子（可动离子沾污MIC的来源）
• 有机物质：溶解在水中的含碳化合物的总和（对氧化层薄膜生长具有破坏性作用）
• 颗粒：影响半导体制造良率
• 细菌：水中细菌带来氧化层、多晶硅和金属导体层的缺陷，含P的细菌使得半导体材料发生不受控制的掺杂
• 硅土和溶解氧：硅土降低水净化装置的效率，降低热生长氧化物的可靠性；溶解氧与硅片反应生成自然氧化层等。

去离子化

  通常采用反渗透和离子交换系统去除水中的离子

• 补偿循环：未加工水中去除颗粒、有机碳总量、细菌、微生物、电离杂质和溶解矿物
• 精加工回路：去除其中的沾污

五、沾污控制——生产设备

  用来制造集成电路的生产设备也是FAB里最大的颗粒来源，集成电路制造过程中需要重复地转入设备、返回片架、送至下一设备，这一序列需要反复450次或者更多（典型.18工艺）

  工艺设备中各种颗粒沾污的来源：

• 剥落的副产物积累在腔壁上
• 自动化的硅片装卸和传送
• 机械操作
• 真空环境的抽取和排放
• 清洗和维护过程

1.沾污控制——真空环境

  真空：（Vacuum）给定的空间内低于一个大气压力的气体状态

  国际上通常把真空度划分为四级，其划分标准没有严格规定，可大致划分如下：

  半导体制造过程中需要真空的原因

使用工艺腔的目的：

• 控制气态化学品的流入并在京可能靠近硅片的地方发生反应
• 在真空环境中保持预定的压强
• 去除不必要的水汽，空气和附加反应
• 创建一个能够使化学反应发生的环境
• 控制硅片的加热和冷却

1.1 真空技术：真空腔（Vacuum chamber）

1.2 真空技术：机械泵

  机械泵：（Pump）又叫初级泵，去除腔内99.99%的空气或其他成分，达到中真空。基本原理：吸气