快速傾倒沖洗實驗報告研究

引言

在對半導體晶片進行清洗、蝕刻或剝離應用的化學處理后，應完全從表面移除工藝介質(zhì)，以停止化學反應并帶走化學殘留物。當從化學浴中取出(或停止噴霧型設(shè)備中的直接分配)時，通常每25個晶片批次攜帶50-200ml培養(yǎng)基?；瘜W物質(zhì)仍然覆蓋晶片表面，特別是在拓撲結(jié)構(gòu)的凹陷結(jié)構(gòu)(壕溝、溝槽)內(nèi)，導致化學過程在浴槽外繼續(xù)。這對于蝕刻應用來說尤其重要，因為可能發(fā)生局部過蝕刻，這會破壞圖案并因此導致顯著的產(chǎn)量損失。同時，晶片將部分變干，留下在氣液界面轉(zhuǎn)移過程中附著在晶片上的結(jié)晶殘留物或污染物。這種典型的離子污染會與后續(xù)步驟的化學物質(zhì)相互作用，或者產(chǎn)生時間相關(guān)的缺陷(由晶體吸收空氣中的水分而連續(xù)生長引起)。因此，需要立即更換活性化學物質(zhì)，并采用有效的方法去除松散附著的顆粒。這是通過高效沖洗實現(xiàn)的。

因此，在所有化學步驟之后，有效沖洗過程的主要目標是

1.以在晶片從槽中取出后快速有效地停止表面上的化學反應。通常，這是通過將表面濃度稀釋至小于化學處理中先前使用的化學物質(zhì)的1 %來實現(xiàn)的。

2.以從晶片上完全去除化學和污染物殘留物，這些殘留物是從化學浴中帶出來的，對晶片表面沒有任何影響。典型地，三個數(shù)量級的減少足以不在晶片上留下殘留物。

3.以在下一個化學步驟或干燥之前從晶片上去除顆粒。

這是通過用超純水(UPW)沖洗襯底來實現(xiàn)的，與濕處理設(shè)備的類型無關(guān)，如浸沒或噴射工具。根據(jù)工具類型和應用，半導體制造中基本上使用三種類型的清洗:

? 溢流漂洗:將晶片浸入漂洗槽中，從槽的底部不斷引入水，水從頂部溢出。

? 噴淋清洗:通過噴嘴將超純水以可變流量、壓力或溫度以單程模式直接分配到晶片上(單晶片設(shè)備的標準工藝)

? 快速傾倒沖洗:上述用于濕工作臺的組合，包括將晶片放入溢流沖洗槽中，以非?？斓姆绞絻A倒UPW，并通過噴射和/或從底部填充來重新填充該槽。

溢流沖洗是沖洗的基本方法，提供連續(xù)的水交換以帶走介質(zhì)，也允許使用攪拌方法，如受控起泡或兆聲波。然而，使用雙層近似法的流體動力學模型顯示，即使在> 45升/分鐘(> 12 GPM)的高流速下，清洗效率(即晶片表面化學濃度隨時間的變化)也是由純擴散控制的。剪切不會發(fā)生。因此，溢流沖洗需要很長時間(通常為15-20分鐘。)導致巨大的水消耗，因此顯著增加了濕處理工具的擁有成本。

噴射沖洗通過分配期間的高流速和(當整批旋轉(zhuǎn)時)離心力克服了擴散限制。然而，在高拓撲結(jié)構(gòu)上的覆蓋是困難的，并且對于一些介質(zhì)(例如，基于HF的化學物質(zhì))來說，噴霧沖洗導致高顆粒數(shù)，這是由于顆粒傾向于附著在疏水性(防水性)固體上，例如硅。兆聲波的使用是有限的，并且明顯不如溢流沖洗有效。較低的耗水量和大約10分鐘的處理時間導致較低的CoO，但在分批系統(tǒng)中，代價是性能降低。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)的組合最有效地利用了兩種技術(shù)的優(yōu)點。在快速傾倒沖洗中，通過快速(< 5秒)傾倒水，然后用噴霧和/或底部填充重新填充，增強了短時間的溢流沖洗。雖然通常需要完成罐的翻轉(zhuǎn)(一個完整罐體積的交換)來將晶片表面上的介質(zhì)濃度降低一個數(shù)量級，但是單個快速傾倒循環(huán)減少帶走90%至95 %的殘留物，因此通常在三個循環(huán)(除了見下文)中實現(xiàn)完全漂洗，結(jié)束于5-7分鐘的處理時間，并且與純溢流漂洗相比，水消耗減半。

最近，一些清洗也用于通過添加少量HF(用于去除自然氧化物)或HCl(用于去除金屬污染物)來改善晶片的表面狀況。盡管這些選項中使用了活性化學物質(zhì)，但它們?nèi)员环Q為漂洗，因為化學處理通常是整個配方的一個子步驟，并且該過程在漂洗槽中進行。有關(guān)詳細信息，請參見下面的功能性QDR章節(jié)。

本文件特別關(guān)注濕工作臺應用的快速傾卸沖洗(QDR ),然而，由于QDR結(jié)合了噴射和溢流沖洗，因此也可以獲得這些沖洗的大多數(shù)相關(guān)信息。

快速轉(zhuǎn)儲流程步驟和參數(shù)

快速傾倒的基本思想是克服晶片表面的(流體動力學不活躍的)擴散層，該擴散層在溢流沖洗過程中不會被50毫米/秒的高垂直流速交換(因此作為化學物質(zhì)溶解在沖洗水中的擴散屏障)。在如此高的流量下，靜態(tài)層減小到幾微米，同時引入剪切力，從表面物理去除化學殘留物。為了防止晶片部分變干，通常在排水過程中使用頂部噴霧。在er完全排空處理槽后，以最高可能的流量重新填充(以減少處理時間)，并在下一次啟動前允許兆聲攪拌。

功能性沖洗

半導體濕法化學處理的最新發(fā)展集中在通過添加痕量化學物質(zhì)進行表面處理和更好地去除表面金屬來增強漂洗工藝的功能。這里特別要提到四種以QDR順序進行的功能性清洗:

1.HCl清洗:通過研究稀釋的化學物質(zhì)，特別是用于清洗的化學物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)將HCl加入到RCA和HF基清洗的清洗液中增強了金屬性能，直至完全取代傳統(tǒng)的SC2步驟。當向水中加入HCl時，水被酸化，大多數(shù)元素對Si或SiO2的ζ電勢變正，導致溶解在液體中的金屬和晶片表面之間的排斥力[4]。少量稀釋的HCl就足以有效地去除典型的表面金屬。

常見的工藝解決方案是在第一次傾倒后，在快速傾倒工藝中加入稀釋的HCl循環(huán)。用1:200至1:500的HCl和水的混合物重新填充該槽，并且在隨后的步驟中保持該濃度直到最后的漂洗，其中使用UPW稀釋HCl混合物并從溶液中提取易溶的Cl離子。

2.H2漂洗法:加入氫離子對去除金屬的水的酸度有類似的影響；此外，氫是高度反應性的，有助于從表面去除顆粒。特別是在日本和朝鮮，H2功能水經(jīng)常用于增強清潔?？焖俎D(zhuǎn)儲沖洗的實際應用是增加第二個UPW供應管線，使用外部氫化水(UPW-H2發(fā)生器通常由Puretron公司提供),并在每個快速轉(zhuǎn)儲循環(huán)的溢流步驟中使用該供應。為了使氫氣與表面充分相互作用，溢流步驟延長至1-2分鐘。

3.O3清洗:對于某些清洗應用(特別是在IMEC或Ohmi清洗等基于HF的清洗之后),疏水清洗是不可取的。向漂洗水中添加臭氧

在硅表面形成厚度達1 nm的化學氧化物，從而使其具有親水性。

化學氧化物的增長取決于臭氧濃度，但通常只需幾分鐘；因此，在延長的最終溢流步驟期間，臭氧化UPW的使用適用于快速傾倒沖洗。類似于氫化水O3，水可以用外部液體臭氧發(fā)生器(例如來自AsteX的liqui ozon)形成，并在最后一次快速傾倒后以典型的溢流速率引入罐中。由于臭氧從液體中蒸發(fā)，建議在沖洗罐上加一個蓋子(標準沖洗通常不需要),并調(diào)整排氣量，以確保沒有臭氧氣體擴散到操作人員和服務區(qū)域。

4.HF-沖洗:其他應用需要與上述臭氧沖洗相反的表面處理:晶片表面應該是完全疏水的。這通常通過HF最后步驟來實現(xiàn)(即最后的化學步驟是基于HF的化學)。然而，當晶片被引入清洗槽時，通過空氣的傳輸和水中總是存在的(盡管相當?shù)?溶解氧濃度可能部分逆轉(zhuǎn)HF蝕刻中獲得的氫終止表面。這種影響可以通過在漂洗水中加入極低濃度的HF來顯著降低。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，僅在最終溢流步驟中1∶2000至1∶5000的稀釋有效地確保了Si上完全H2終止的表面，同時維持了完美的Si-OH終止氧化物和氮化物。通過計量泵將HF直接引入UPW流中(允許對給定的UPW流量精確控制濃度)。

審核編輯：符乾江