硅晶片的清洗技術(shù)

摘要

隨著越來越高的VLSIs集成度成為商業(yè)實(shí)踐，對(duì)高質(zhì)量晶片的需求越來越大。對(duì)于表面上幾乎沒有金屬雜質(zhì)、顆粒和有機(jī)物的高度潔凈的晶片來說，尤其如此。為了生產(chǎn)高清潔度的晶片，有必要通過對(duì)表面雜質(zhì)行為的實(shí)驗(yàn)和理論分析來建立晶片表面清潔技術(shù)。本文解釋了金屬和顆粒雜質(zhì)在硅片表面的粘附機(jī)理，并提出了一些清洗方法。

介紹

LSI(大規(guī)模集成電路)集成密度的增加對(duì)硅片質(zhì)量提出了更高的要求。更高質(zhì)量的晶片意味著晶體精度、成形質(zhì)量和表面質(zhì)量的優(yōu)異質(zhì)量。必須考慮有關(guān)芯片尺寸增加和制造成本增加的問題。近年來已經(jīng)討論了300毫米晶片的實(shí)際應(yīng)用。300毫米晶圓需要極高的表面清潔度(參見圖1)。有機(jī)雜質(zhì)以及傳統(tǒng)雜質(zhì)(如金屬和顆粒)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開始制定。這些雜質(zhì)產(chǎn)生于晶片制造設(shè)備、化學(xué)品、人體、潔凈室材料、無塵服裝和反應(yīng)產(chǎn)物，并且經(jīng)常沉積在晶片表面”。

它們導(dǎo)致互連故障和晶體缺陷，然后退化設(shè)備性能。為此，硅晶片的表面清潔度不斷提高。

為了滿足這些要求，重要的是從理論上分析發(fā)生在硅片表面上的現(xiàn)象，并根據(jù)理論分析的結(jié)果進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。本報(bào)告特別討論了金屬和顆粒在晶片表面的粘附機(jī)理，并介紹了基于我們理論研究的新的清洗方法。

金屬在硅片表面的吸附機(jī)理

由于硅晶片表面上的鐵會(huì)導(dǎo)致晶體缺陷并降低器件性能，因此應(yīng)該盡可能多地去除鐵。Henley等人指出，對(duì)于8 nm厚的柵極氧化物，需要10'0 cm '的鐵污染水平。像鐵一樣，其他金屬(例如，鎳、鉻、銅、鋅和鈉)會(huì)降低器件性能(或者改變晶體管閾值，誘發(fā)晶體缺陷以降低pn結(jié)泄漏和柵極氧化物完整性，或者加速氧化)。他們一定是以滿足不斷縮小的設(shè)備尺寸。為了去除這些金屬或控制它們?cè)谇逑慈芤褐械奈?，有必要了解它們?cè)谇逑慈芤褐械男袨椤?/p>

清洗溶液中的金屬吸附有兩種主要機(jī)制。一種是化學(xué)吸收，如金屬在堿性溶液中吸附到天然氧化物(SiO)上。另一種是酸性溶液中裸露硅的電化學(xué)吸附。為了理解這些機(jī)制，我們進(jìn)行了離子平衡分析和電化學(xué)分析。

2.1離子平衡分析

NH，OH+HCO+HCO混合物(APM)也稱為“標(biāo)準(zhǔn)清洗溶液1 (SC-1 )”,是一種代表性的堿性清洗溶液，具有極其優(yōu)異的顆粒去除能力，因此被廣泛使用。然而，如果清洗溶液中存在金屬離子，它們會(huì)吸附在晶片表面”。尤其是，當(dāng)鐵以少于十億分之幾(ppb)的痕量存在時(shí)，會(huì)降低電性能如復(fù)合壽命、I。當(dāng)它是從前一道工序中遺留下來的，或者當(dāng)使用低純度的化學(xué)品時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。

SC-1清洗液中的金屬吸附通常用金屬氧化物生成焓或絡(luò)合離子模型來解釋，但很少進(jìn)行定量討論。根據(jù)化學(xué)平衡理論對(duì)這一問題進(jìn)行了分析”。

在SC-1清洗液中，通過過氧化氫形成自然氧化物(SiO2)和通過堿蝕刻SiO2同時(shí)進(jìn)行。由于這個(gè)原因，整個(gè)晶片的厚度慢慢地減小減少，但一定厚度的SiO，存在于晶圓片表面，與時(shí)間無關(guān)。在這種情況下，如果蝕刻速率足夠慢，并且金屬吸附和解吸反應(yīng)足夠快，則在一氧化硅和溶液之間保持一定的金屬離子吸附平衡。實(shí)際上，由于SC-1清洗溶液對(duì)二氧化硅的蝕刻速率是每分鐘幾個(gè)單層，而金屬的吸附量在晶片浸沒后一秒鐘內(nèi)達(dá)到恒定值，所以可以認(rèn)為這種平衡是成立的。給定溫度下溶液中金屬離子濃度與吸附量的關(guān)系稱為“吸附等溫線”。圖2顯示了299氫氧化銨、31%過氧化氫和去離子水的1:1:5混合物在80℃溫度下的吸附等溫線。

結(jié)論

上面已經(jīng)討論了金屬吸附和顆粒粘附機(jī)理。對(duì)這些粘附行為的分析有助于技術(shù)的發(fā)展，通過不斷增加VLSIs的集成密度來實(shí)現(xiàn)更高的清潔度。20世紀(jì)70年代提出的RCA清洗工藝支持了目前的半導(dǎo)體工業(yè)。300毫米晶圓的出現(xiàn)將改變用于提高晶圓表面清潔度的清潔方法。為了適應(yīng)這種變化，有必要在原子水平上分析和控制硅片表面發(fā)生的反應(yīng)。這種努力將導(dǎo)致技術(shù)突破的發(fā)現(xiàn)和半導(dǎo)體工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

審核編輯 黃昊宇