晶圆表面污染及其检测方法

晶圆表面洁净度会极大的影响后续半导体工艺及产品的合格率。在所有产额损失中，高达50%是源自于晶圆表面污染。

能够导致器件电气性能或器件制造过程发生不受控制的变化的物体统称为污染物。污染物可能来自晶圆本身、洁净室、工艺工具、工艺化学品或水。晶圆污染一般可以通过肉眼观察、过程检查、或是最终器件测试中使用复杂的分析设备检测到。

▲硅晶圆表面的污染物 | 图源网络

污染分析的结果可用于反映晶圆在某一工艺步骤、特定机台或是整体工艺中所遭遇的污染程度与种类。根据检测方法分类，可将晶圆表面污染分为以下几种。

金属污染

由金属造成的污染，可导致不同程度的半导体器件缺陷。

碱金属或碱土金属（Li、Na、K、Ca、Mg、Ba等）会造成p-n结构中的漏电流，进而导致氧化物的击穿电压；过渡金属与重金属（Fe、Cr、Ni、Cu、Au、Mn、Pb等）污染可使载流子生命周期的减少，降低元件使用寿命或使元件工作时暗电流增大。

检测金属污染的常用方法是全反射X射线荧光、原子吸收光谱法和电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS)。

▲晶圆表面污染 | ResearchGate

金属污染可能来自于清洁、刻蚀、光刻、沉积等过程中所使用的试剂，或是工艺中所使用的机台，如烘箱、反应器、离子注入等，亦有可能是对晶圆处理方式不慎所导致。

颗粒污染

实际的材料沉积物，通常通过检测从表面缺陷散射的光来观察到的污染，因此颗粒污染更准确的学名是亮点缺陷 (light-point defect)。颗粒污染可能导致在蚀刻及微影工艺中，产生阻塞(blocking) 或遮蔽 (masking) 的效应。

在薄膜成长或沉积过程中，产生针孔 (pinholes) 和微孔 (microvoids)，若粒子颗粒较大且具有导电性，甚至会导致线路短路。

▲颗粒污染的形成 | 图源网络

微小的颗粒污染会导致表面出现阴影，例如在光刻过程中。如果大颗粒位于光掩模和光刻胶层之间，则它们会降低接触曝光的分辨率。

此外，它们还可以在离子注入或干蚀期间阻挡加速离子。颗粒也可能被薄膜封闭，这样就有凹凸不平。随后沉积的层可能会在这些位置开裂或抵抗积累，从而在暴露过程中引起问题。

有机污染

含有碳的污染物，以及与C相关的键合结构，称为有机污染。有机污染物可能会导致晶圆表面产生非预期的疏水性质、增加表面的粗糙度、产生雾化表面、破坏外延层的生长，且在未先移除污染物的情况下，也会影响金属污染的清洗效果。

一般用热脱附MS、X射线光电子能谱和俄歇电子能谱等仪器检测此类表面污染。

▲图源网络

气态污染和水分污染

具有分子尺寸的大气分子和水分污染，通常无法使用普通高效颗粒空气 (HEPA) 或超低渗透空气过滤器 (ULPA) 去除。此类污染通常通过离子质谱和毛细管电泳进行监测。

有些污染物可能属于多个类别，例如颗粒可能由有机或金属材料组成，或者同时包含两者，因此这类污染也可能被归类为其它类型。

▲气态分子污染物 | IONICON

此外，按照污染源尺寸，也可以将晶圆污染分类为分子污染、颗粒污染和工艺衍生碎片污染。污染颗粒尺寸越小，去除难度越高。在当今电子元器件的制造中，晶圆清洁程序占到整个生产过程步骤的30% - 40%。

▲硅晶圆表面的污染物 | 图源网络