硅单晶片表面金属污染的来源与危害

一、硅晶片表面金属杂质的来源

如果不考虑硅单晶本身含有的金属杂质（单晶生长过程中的污染和多晶硅原料的杂质），硅晶片表面金属污染的来源是器件生产过程中的粘污，例如空气中的灰尘、各种化学试剂、气体以及金属工具及器皿等都会造成很多金属杂质污染。微电子工艺生产包括一系列技术和工艺，从晶片的切片、抛光、清洗和包装到之后IC生产中一系列热处理、化学清洗和离子注入等，尽管各企业具体生产工艺不尽相同，但是这些步骤中的每一步都可能增加硅片的金属污染，或者去除它。每一步引起污染的确切数量，以及由于偶然性引起的污染的增加。

二、硅晶片表面金属杂质的危害

如今的集成电路生产工艺就是在越来越小的芯片上制备越来越多的相互独立的器件，各个元器件之间该连接的地方才能连接，不该连接的地方必须是各自电绝缘的隔离区。晶片上任何一处细小的缺陷和污染都将可能导致晶体管不能正常运转，进而影响电路的工作。实质上是鬼的表面工程技术，金属杂质如果位于远离器件的位置，对器件性能是无害的，如果金属杂质位于器件中PN结区的位置，将肯定使芯片失效，因此硅晶片表面金属杂质的危害更大。

对于器件性能影响大的金属杂质主要是碱金属及重金属。碱金属中影响{zd0}的是Na，它会使小电流下降，噪音增大，出现沟道击穿等。重金属中Cu、Fe、Ni、Au、Ag、Mn、Cr等都对器件性能有影响。重金属的原子半径比Si大，所以在Si中引入大的晶格畸变，且扩散系数大，易向晶格畸变区聚集。它们造成深能级补偿；导致电阻率变化，对少子形成复合中心引起少子寿命下降，在PN结区引起反向漏电增加；在Si/SiO2界面处沉积，引起微等离子体击穿等。

三、硅晶片表面金属污染在硅中的扩散与反应

在硅基器件的制备过程中，金属粘污是无处不在的，各种金属会不可避免的粘污硅片。集成电路生产过程中金属粘污总是从晶片的表面开始，吸附、反应、扩散并在硅中以单质、复合体或沉淀的形式存在。大多数金属低温时在硅片中的扩散速度很慢，而高温时在硅中扩散速度变得很快，通常在热处理中它们通过自间隙扩散可以达到微米级的距离，因此进行热处理前必须严格避免和降低金属污染。但是过度族金属Cu室温下在硅中的扩散速度就很快，在室温下扩散1小时可以经过十分之一毫米，高温1200℃时扩散速度为室温的数百万倍。

因此，在集成电路的制备工艺中，要想得到高性能、高可靠的器件，必须要有表面清洁的硅晶片，表面金属污染必须降低到有害值以下。