關于硅晶片研磨之后的清洗工藝介紹

本發(fā)明的工藝一般涉及到半導體晶片的清洗。更確切地說，本發(fā)明涉及到可能存在于被研磨的單晶硅晶片的表面上的有機殘留物、金屬雜質和其它特定的沾污物的清洗處理步驟的順序。

集成電路制造中所用的半導體晶片是借助于從單晶硅綻切割出薄的晶片而得到的。在切割之后，對晶片執(zhí)行研磨工序，以便使之具有均勻的厚度。然后對晶片進行腐蝕以清除損傷并得到光滑的表面。常規(guī)半導體晶片成形工藝中的最終步驟是拋光步驟，以便在至少晶片的一個表面上得到高反射性的無損傷的表面。集成電路就是被制造在這一被拋光了的表面上.

為了清除諸如磨料（例如氧化鋁）和有機殘留物以及金屬沾污物和其它類型的特定雜質之類，在研磨和腐蝕步驟之間，必須對晶片進行清洗。若清洗工序達不到效果，則晶片表面就會被這些雜質沾污即污染。此外，這些沾污物中的某些可以從晶片的一側轉移到另一側，例如從未被拋光的晶片側轉移到被拋光了的一側。若集成電路制造在被這些雜質污染了的晶片表面上，則這些電路的質量和性能可能被大幅度降低。因此，通常在亮光或熒光照射下，借助于對晶片進行肉眼檢查而對晶片的表明這些雜質存在與否的污染進行檢查

一般使用帶有或不帶有協(xié)助浸潤和分散污物的表面活化劑的腐蝕性溶液，在超聲槽中對研磨過的硅晶片進行清洗。但此法有一些缺點。首先，得到充分清潔的晶片所需的工藝總時間可能要30分鐘或更長時一氧化層，則被捕獲的雜質也不會被有效地清除。

造今已提出了各種各樣的工藝來減少或清除附著在硅晶片表面上的細小粒子。（例如，見美國專利No.5489557(Jolley);5635463(Muraoka);5049200(Brunner等人）;5308400(Chen);5129955(Tanaka);4261791(Shwartzman);5498293(Tlardi等人）;以及日本專利No.H09-007991(Kitamura等人）).但通常這些工藝由于能夠清除數(shù)量足以防止集成電路性能和質量出現(xiàn)下降的沾污物而不被看好.

考慮到上述情況，一直盼望有一種工藝，借助于用聲能有效地清除金屬、磨料、有機殘留物和其它特定的雜質，來生產(chǎn)基本上無沾污物的硅晶片而不引起對晶片晶格的損傷。在本發(fā)明的目的中，可以指出提供了一種清洗半導體晶片表面的改進了的工藝；提供了這樣一種工藝，它提供了適合于集成電路制造的晶片表面；提供了這樣一種工藝，它有效地從晶片表面清除了磨料、有機殘留物和其它特定的雜質；以及提供了這樣一種工藝，它使清洗工序中的超聲效率最大化而不引起晶片的晶格損傷。

本發(fā)明的一般目的是一種在晶片被研磨之后從半導體晶片表面上清除沾污物的工藝。此工藝包含使晶片與氧化劑接觸，以便對可能存在于晶片表面上的有機沾污物進行氧化。在用氧化劑進行處理之后，晶片被浸入加有聲能的含有檸檬酸的水浴中，以便清除可能存在于片表面上的金屬沾污物。接著使晶片與氨氯酸接觸，以便清除可能存在于晶片表面上的二氧化硅層，然后將其浸入加有聲能的含有堿性組分和表面活化劑的水浴中.

本發(fā)明的進一步目的是這樣一種清洗工藝，其中使用晶片載體可以同時清洗多個晶片，以便提高產(chǎn)出。當使用晶片載體時，在用氫氧酸處理晶片之后和將晶片浸入堿性水浴之前，用水沖洗載體。

以下將部分地明了并指出其他的目的和特點。

在硅晶片經(jīng)歷研磨工序之后，研磨膠保留在晶片表面上。其中，此研磨膠含有磨料和有機性質的將諸如氧化鋁之類的特定雜質捕獲到晶片表面上的懸浮或粘合組分。根據(jù)本發(fā)明的工藝，可能存在的這些和其它的特定雜質，借助于首先使被研磨的硅晶片與氣態(tài)或液態(tài)氧化劑接觸或處理而被清除。適當?shù)难趸瘎┑睦影ǔ粞酢C-1(一種含有氧氧化氨：過氧化氨：水=1:1:5的溶液）、piranha浴液、含有臭氧的硫酸以及王水

氧化劑與存在于晶片表面上的懸浮或粘合組分以及大量其它有機雜質反應即氧化。這些組分的氧化，起擊破其中的碳鍵的作用，導致其分解成二氧化碳和水。此氧化因而使氧化鋁之類的雜質由于不再被這些組分鍵合到硅晶片表面而能夠被容易地清除。在最佳實施例中，半導體晶片被浸入含有臭氧化的水的氧化浴中。

溶液中的臭氧濃度通常在大約5-50ppm范圍。濃度最好在大約1020ppm范圍，大約14-16ppm則更好，浴液的溫度通常低于室溫。但溫度最好在大約0-25℃范圍，大約10-15℃則更好，晶片在氧化浴中停留的時間通常在大約10-120秒范圍，最好是在大約20-45秒范圍。晶片在氧化浴中停留的時間在大約25-35秒范圍則更好。

在用氧化劑處理之后，半導體晶片被浸入含有檸檬酸的水浴中。浴液中的檸檬酸濃度最好在大約1-5%重量比范圍，大約2-3%重量比范圍更好.檸檬酸浴液的pH值通常在大約1-3范圍。但pH值最好在大約2.2-2.5范圍.檸樓酸浴液的溫度通常在大約50-70℃范圍，最好在大約55-65℃.晶片在浴液中停留的時間通常至少約為4分鐘，但晶片最好浸入在浴液中大約4.5-6分鐘.

檸檬酸用作絡合劑，并起捕獲出現(xiàn)在晶片表面上和浴液本身中的全屬離子特別是鋁、鐵和鈦的作用，這些絡合物一旦形成，檸檬酸就進一步作用，將顆粒聚聚成更大的結構。以這種方式，細小的顆?？梢员晦D變成更容易被過濾和清除的更大的顆粒。結果，檸檬酸浴液就起作用限制磨料和其它顆粒雜質在被清除之后又重新淀積到晶片表面上的可能性。

用檸檬酸浴液處理之后，通常在晶片表面上出現(xiàn)二氧化硅層。此層或膜部分地可以是天然的，部分地可以是在氧化浴中對晶片進行處理的結果。未被檸檬酸浴液剝離的請如磨料和痕量金屬雜質之類的各種各樣的顆粒，常常被結合在此膜中，從而起沾污晶片表面的作用。因此，最好用將晶片與氨氧酸接觸的方法從晶片表面清除此氧化膜。雖然借助于將晶片暴露于氨氧酸蒸汽可以進行氫氧酸步驟（例見 Prigge 等人的美國專利 No.4973563),但最好將晶片浸入含有氨氣酸的水浴中.浴液中的氨氯酸濃度最好在大約1-50%體積比范圍，大約1-5%體積比更好。而且，氨氧酸浴液的溫度最好在大約20-80℃范圍，在大約20-60℃更好。晶片在氨氧酸浴液中停留的時間至少約為30秒鐘，但晶片最好停留在浴液中大約1-15分鐘，大約4-5分鐘更好。

在用氨氧酸處理之后，半導體晶片被浸入含有堿性組分和表面活化劑的水浴中，堿性浴液的溫度最好約為50-70℃，約為55-65℃更好。晶片在堿性浴液中停留的時間約為4-30分鐘，約為6-20分鐘更好，約為8-10分鐘最好適合的堿性組分包括SC-1溶液以及包括含有氨氧化鉀、氨氧化鈉、氨氧化鋰、碳酸鉀、碳酸鈉或任何相應的重碳酸鹽以及任何堿性磷酸鹽之一的溶液的任何一種堿性清洗媒質。這些堿性溶液中的任何一種都可以用于與本技術領域熟知的表面活化劑形成的組合中而適合于用作堿性條件下的晶片清洗劑。

在最佳實施例中，堿性浴液包含氧氧化鉀，其濃度通常在浴液的大約1-5%體積比范圍，最好在大約2-4%體積比范圍。堿性浴液還包含表面活化劑，最好是諸如VectorHTC(可從Intersurface Dynamics of Bethel,CT購得）之類的市售洗滌劑。浴液中的表面活化劑濃度最好在大約1-5%體積比范圍，大約2-4%體積比更好。

堿性浴液借助于改變硅晶片的表面勢，從而引起晶片表面靜電排斥可能存在的氧化硅和其它顆粒雜質，而有助于清洗過程。在這方面要指出的是，在本工藝的前面步驟，特別是氫氯酸步驟中，導致了晶片表面具有表面勢，借助于用堿性浴液處理晶片，此表面勢被改變。結果，先前被吸引在晶片表面的顆粒就被靜電排斥，從而能夠更容易地從晶片表面清除。

為了提高組合有本發(fā)明的工藝的系統(tǒng)的產(chǎn)出，堿性浴液步驟可以分成二個分開的步驟。在此實施例中，代替使用晶片在其中最好停留大約8-10分鐘的單一堿性浴液，晶片被相繼置于二個分開的堿性浴液中的每一個。晶片在各個浴液中停留大約4-5分鐘。

在用堿性浴液處理之后，最好借助于將晶片完全漫入水浴中而用水沖洗晶片，水浴的溫度通常約為20-65℃，最好約為45-55℃.晶片在水浴中停留的時間通常約為2-5分鐘，約為3-4分鐘最好。當晶片停留在水浴中時，不斷地排出水并以新鮮水代替。以這種方式，在晶片被沖洗時，最好排出和代替整個體積的浴液大約1-2次。

一旦完成了晶片沖洗，最好以相同于執(zhí)行第一氧化處理的方式再次用氧化劑處理晶片。此步驟的作用是對諸如未被水沖洗清除的表面活化劑引起的任何殘留的有機殘留物進行氧化，此步驟還促使在晶片表面上生長氧化層，此氧化層借助于鈍化晶片表面而保護晶片免受沾污、由于若沒有氧化層，晶片表面上會有活潑的電荷，故錢化是必需的。此活潑電荷能夠吸引帶相反電荷的顆粒并使表面被重新沾污。借助于錢化表面電荷，可以消除這種吸引。

一旦硅晶片根據(jù)本發(fā)明的工藝被清洗后，若有需要，作為額外的加工，可以用常規(guī)方法對晶片進行干燥。

要指出的是，在本發(fā)明的最佳實施例中，借助于同時加工多個晶片，提高了產(chǎn)出。借助于將多個晶片插入在晶片浸入浴液和在浴液之間轉移過程中緊固晶片的晶片載體或晶片盒中，做到了這一點。此晶片載體通常是諸如可以從Empak of Colorado Springs,Co購到的型號為X4200-01的晶片盒之類的常規(guī)晶片盒。但若使用晶片載體，在氫氯酸處理步驟完成之后和載體浸入堿性水浴之前，最好用去離子（"DI")水沖洗載體。這一沖洗步驟用來從晶片載體清除任何殘留的氨氧酸。在氨氧酸步驟之后若對晶片載體沖洗不好，則能夠導致后面的浴液被沾污。要指出的是，由于晶片本身在工藝的這一階段是疏水性的，因此可能不受水沖洗的影響，故晶片本身不需要沖洗。

為了防止品片表面上的氧化層發(fā)生重構，沖洗時間最好盡可能短。因此，此沖洗步驟的延續(xù)時間最好短于大約10分鐘，大約10-30秒鐘更好，大約15-20秒鐘最好，通常在室溫下進行水沖洗。

還要指出的是，也是在本發(fā)明的最佳實施例中，可以用施加聲能的方法來增強檸檬酸浴液和堿性浴液的清洗作用。通常使用請如Ney SweepsonicTM之類的超聲發(fā)生器（可以從Ney Corporation of Bloomfield,CT購得）來引導超聲能量通過浴液。在這方面要指出的是，頻率由被使用的超聲發(fā)生器控制。結果，所用的頻率可能隨超聲發(fā)生器的型號和供應商的變化而改變。然而，發(fā)生并引導通過特定浴液的超聲能量的頻率最好在大約40-120kHz范圍。此外，超聲發(fā)生器提供的超聲功率密度通常在浴液中大約每升溶液20-60W范圍，大約每升25-30W最好.

超聲能量有助于清除被捕獲在晶片表面上裂縫中的顆粒沾污物無需任何特別的理論，從超聲波產(chǎn)生的空化氣泡在晶片表面處破裂，引起晶片表面上的清洗作用的事實，人們相信這一機械作用得到的重要性。此外，如前面所述，具有不同的pH值的清洗溶液的引入導致晶片表面上的顆粒的電荷改變，這一電荷改變借助于減弱顆粒與晶片表面之間的吸引力而有助于使顆?！八缮ⅰ保陬w粒已經(jīng)如此松散之后，超聲攪拌的機械作用將顆粒從晶片表面清除并進入清洗溶液中。

當采用美國專利No.5593505(Erk等人）所公開的清洗晶片的工藝將晶片浸入溶液中時，最佳地得到了從晶片表面提高了的沾污清除。在此工藝中，在被采用的水溶液的表面處確定了一個氣液界面。晶片被置于浴液中，使之沿大致豎直位置取向，致使至少一部分晶片在液體中和氣液界面下方。然后通過液體引導超聲能量。同時沿與浴液相反的運動方向旋轉晶片，使晶片的整個表面反復地通過浴液的氣液界面，也可以在浴液中的液體的水平面升降的情況下旋轉晶片。這也導致晶片的表面反復地通過氣液界面。最后，作為另一種變通，可以反復地將晶片完全浸入浴液，然后完全從浴液移出，在連續(xù)發(fā)生浸入的情況下，連續(xù)地旋轉晶片。這也導致晶片的表面反復地通過氣液界面。在所有這些情況下，至少部分品片反復地通過氣液界面。

對于所有的上述清洗浴液，浴液最好不斷地過濾和循環(huán)。這一特點有助于從溶液清除雜質，并有助于防止雜質重新淀積在晶片表面上.循環(huán)系統(tǒng)最好具有大約每2分鐘使浴液循環(huán)一次的能力。上述浴液最好還被攪拌，進一步協(xié)助從晶片表面清除雜質。當使用晶片盒時，為了幫助清洗與晶片盒接觸的邊沿處或邊沿附近的晶片表面，這一攪拌是特別有利的.

用下列例子說明本發(fā)明，這些例子僅僅是為了說明的目的而不是限制本發(fā)明的范圍或其實施的方法。

例子

根據(jù)本發(fā)明的工藝，借助于將其置于晶片盒并首先將晶片盒浸入含有臭氧化的水的浴液中大約30秒鐘，而同時清洗了多個研磨過的單晶硅晶片。浴液中的臭氧濃度約為15ppm,而浴液的溫度約為20℃。晶片被移出臭氧化水浴，然后局部地浸入含有檸檬酸的浴液中，頻率為大約40kHz的聲能通過浴液被引入。浴液被加熱到大約60℃的溫度，浴液的pH值約為2,而檸檬酸濃度約為3%重量比。晶片被允許停留在檸檬酸浴液中大約4.5分鐘，此時，晶片被旋轉，致使各個晶片的至少一部分反復地通過氣液界面下方的浴液。

然后從檸檬酸浴液中移出晶片，并浸入含有氨氟酸的浴液中，浴液中的氨氯酸濃度約為2%體積比。晶片被允許停留在加熱到溫度約為60℃的氫氯酸浴液中大約5分鐘

從氫氯酸浴液中移出晶片，然后在室溫下用去離子水沖洗晶片載體大約20秒鐘，以便清除存在的任何殘留氨氟酸。這一沖洗之后，將晶片局部地浸入第一堿性水浴中，頻率為大約40kHz的聲能通過浴液被引入.堿性水浴的氨氧化鉀濃度約為2%體積比，而VectorHTC表面活化劑的濃度也約為2%體積比。晶片被允許停留在這一被加熱到溫度約為60℃的第一堿性浴液中大約5分鐘，此時，晶片被旋轉，致使各個晶片的至少一部分反復地通過氣液界面下方的浴液。

多浴液工藝之后，將晶片從第一堿性水浴中移出，并局部地浸入組分與第一浴液相同的第二浴液中。第二浴液也被加熱到大約60℃，且晶片在此浴液中的停留時間也是大約5分鐘。在浸入溶液中的過程中，晶片也被旋轉，致使各個晶片的至少一部分反復地通過氣液界面下方的浴液。然后從第二堿性水浴中移出晶片，并將晶片浸入含有去離子水的浴液中.晶片被允許停留在被加熱到大約55℃的水浴中大約3分鐘。

最后，將晶片從水浴中移出，并借助于將晶片浸入含有臭氧化的水的浴液中而在晶片表面上生長氧化層，此浴液的組分與第一氧化浴液相同，臭氧的濃度約為15ppm.此浴液約為20℃，而晶片被允許停留在此浴液中僅僅大約30秒鐘。在從氧化浴中移出之后，用本技術標準的常規(guī)方法，對晶片進行干燥。

用上述工藝清洗了總共大約900片晶片。在亮光照射下肉眼檢查晶片，看晶片表面上有無任何表明雜質存在的污染。結果表明，不到大約1%的根據(jù)本工藝清洗過的晶片呈現(xiàn)無法接受的表面污染證據(jù)。比較起來，要指出的是，迄今的實驗證據(jù)表明，通常大約5-10%的用常規(guī)工藝清洗過的晶片被無法接受地污染了。

除了肉眼檢查晶片是否存在污染之外，還對用本工藝清洗過的晶片進行分析，以確定金屬沾污物的表面濃度。然后將這些結果與用二個常規(guī)方法清洗過的被研磨的晶片進行比較。第一方法（可從位于賓州Newtown的Sonic Systems購到）涉及到將晶片相繼完全浸入（i)檸樓酸溶液，(ii)氨氧化鉀和表面活化劑的溶液，(iii)去離子水沖洗液。

第二方法（可從位于加州San Jose的Wafer Process購得）用Erk等人在美國專利No.5593505中公開的工藝稍加修正。此修正的方法涉及到相繼（i)將晶片完全浸入檸檬酸溶液中，(ii)僅僅將晶片的一半浸入氫氧化鉀和表面活化劑的溶液中，然后如Erk等人公開的那樣旅轉晶片，(ii)用去離子水沖洗晶片。對于這二種方法，都通過檸檬酸和氨氧化鉀浴液將頻率均約為40kHz的聲能引入，并對晶片進行常規(guī)干燥、

用上述二種方法中的每一種方法，制備了大約900片晶片。然后用本技術常規(guī)的ICP/MS方法，分析了這些晶片以及根據(jù)本例子體現(xiàn)的本發(fā)明的工藝制備的相等數(shù)目的晶片，以便確定金屬沾污物的表面濃度。下表示出了在這些晶片上發(fā)現(xiàn)的表面金屬沾污物的平均濃度。如從上述結果可見，本發(fā)明的工藝提供了用以獲得鋁（A1)、鐵（Fe)和鈦（Ti)的表面濃度的明顯降低的方法。這些金屬由于是標準晶片研磨工藝引起的最普通的金屬沾污物，因而是頭等重要的.鋁和鈦沾污起源于磨料，而鐵沾污來源于研磨板。

鑒于上述情況，可以看到，達到了本發(fā)明的幾個目的并得到了其他的有利結果。這意味著上述描述中的所有情況將認為是描述性的而非限制性的。

fqj