晶圓表面清潔的研究方法

設(shè)備在整個(gè)制造過(guò)程中需要使用不同的材料達(dá)到不同的清潔水平，因此提供多種清潔選項(xiàng)以達(dá)到所需的清潔水平以確保良好的設(shè)備和高產(chǎn)量變得越來(lái)越重要。表面活化是與清潔相關(guān)的一個(gè)重要過(guò)程，它為下一個(gè)工藝步驟調(diào)節(jié)和準(zhǔn)備表面，確保良好的附著力，從而產(chǎn)生高質(zhì)量的模具。

在晶片進(jìn)入制造過(guò)程之前，必須清潔其表面以去除任何粘附顆粒和有機(jī)/無(wú)機(jī)雜質(zhì)。硅原生氧化物也需要去除。不斷縮小的設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)則使得清潔技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)可接受的產(chǎn)品產(chǎn)量變得越來(lái)越重要。在現(xiàn)代設(shè)備制造中，晶圓清洗程序可以占整個(gè)制造過(guò)程中步驟的 30% -到40%。晶圓清洗在半導(dǎo)體行業(yè)有著悠久的發(fā)展歷史。

晶片表面上的污染物可能以吸附離子和元素、薄膜、離散顆粒、微粒(顆粒簇)和吸附氣體的形式存在。圖 1 顯示了在進(jìn)入工藝流程之前晶片表面上存在的污染物種類的示意圖;表 1 描述了不同類型的表面污染對(duì)器件性能的影響。

顆粒污染

顆粒污染可以源自各種來(lái)源的空氣傳播灰塵，包括晶圓廠設(shè)備、工藝化學(xué)品、氣體管線的內(nèi)表面、晶圓處理、薄膜沉積系統(tǒng)中的氣相成核和晶圓廠操作員。即使是低納米尺寸的顆粒也有可能產(chǎn)生“致命”缺陷，無(wú)論是通過(guò)物理遮擋器件中關(guān)鍵特征的形成(產(chǎn)生圖案、特征和注入缺陷)，還是通過(guò)在薄絕緣材料中產(chǎn)生局部電弱點(diǎn)電影。顆粒污染的清潔解決方案包括食人魚清潔粗顆粒(和有機(jī))污染和 SC-1清潔小而強(qiáng)粘附顆粒。食人魚溶液是極強(qiáng)的酸，可氧化許多表面污染物以產(chǎn)生可在溶液中去除的可溶性物質(zhì)。SC-1溶液通過(guò)氧化基材表面上的一層薄硅來(lái)去除不溶性顆粒，然后將其溶解到溶液中，并攜帶吸附的顆粒?，F(xiàn)代 SC-1清潔采用超音速 (0.8-2.0MHz) 振動(dòng)來(lái)幫助從表面去除顆粒。SC-1溶液通過(guò)在顆粒和基材表面誘導(dǎo)相同的 zeta 電位來(lái)防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過(guò)氧化氫(食人魚、SC-1、SC-2)的清洗液都會(huì)在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。SC-1溶液通過(guò)氧化基材表面上的一層薄硅來(lái)去除不溶性顆粒，然后將其溶解到溶液中，并攜帶吸附的顆?！，F(xiàn)代 SC-1 清潔采用超音速(0.8-2.0MHz)振動(dòng)來(lái)幫助從表面去除顆粒。SC-1溶液通過(guò)在顆粒和基材表面誘導(dǎo)相同的 zeta 電位來(lái)防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過(guò)氧化氫(食人魚、SC-1、SC-2)的清洗液都會(huì)在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。SC-1溶液通過(guò)氧化基材表面上的一層薄硅來(lái)去除不溶性顆粒，然后將其溶解到溶液中，并攜帶吸附的顆?！，F(xiàn)代 SC-1 清潔采用超音速 (0.8 - 2.0 MHz)振動(dòng)來(lái)幫助從表面去除顆粒。SC-1溶液通過(guò)在顆粒和基材表面誘導(dǎo)相同的 zeta 電位來(lái)防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過(guò)氧化氫(食人魚、SC-1、SC-2)的清洗液都會(huì)在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。SC-1 溶液通過(guò)在顆粒和基材表面誘導(dǎo)相同的 zeta 電位來(lái)防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過(guò)氧化氫(食人魚、SC-1、SC-2)的清洗液都會(huì)在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。SC-1 溶液通過(guò)在顆粒和基材表面誘導(dǎo)相同的 zeta 電位來(lái)防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過(guò)氧化氫(食人魚、SC-1、SC-2)的清洗液都會(huì)在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。

金屬污染

半導(dǎo)體器件對(duì)金屬污染物特別敏感，因?yàn)榻饘僭诠杈Ц裰械囊苿?dòng)性很高(尤其是金等金屬)，因此它們很容易從表面遷移到硅晶片的主體中。一旦進(jìn)入體硅，即使是適中的工藝溫度也會(huì)導(dǎo)致金屬快速擴(kuò)散通過(guò)晶格，直到它們被固定在晶體缺陷位置。這種“修飾”的晶體缺陷會(huì)降低器件性能，允許更大的漏電流并產(chǎn)生更低的擊穿電壓?？梢允褂盟嵝郧鍧崉?例如 SC-2、食人魚或稀氫氟酸 (HF))從基材表面去除金屬污染物;這些清潔劑與金屬發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生可溶的離子化金屬鹽，可以沖洗掉。

化學(xué)污染

基材表面的化學(xué)污染可分為三種類型：有機(jī)分子化合物的表面吸附;無(wú)機(jī)分子化合物的表面吸附;以及由硅的化學(xué)氧化物/氫氧化物 SiO x (OH) y組成的不明確的、共價(jià)鍵合的薄(約 2 nm)天然氧化物。

有機(jī)化合物

由于揮發(fā)性有機(jī)溶劑/清潔劑的存在以及聚合物建筑材料的釋氣，有機(jī)化合物的表面污染通過(guò)空氣污染或有機(jī)光刻膠 (PR) 的殘留物在潔凈室中無(wú)處不在。有機(jī)物造成的嚴(yán)重污染，例如 PR 去除不完全時(shí)發(fā)生的情況，會(huì)在高溫工藝步驟中留下形成碳的殘留物，從而影響器件產(chǎn)量。這些碳?xì)埩粑锟尚纬杀憩F(xiàn)為顆粒污染物的核。殘留在 PR 化合物中的少量殘留金屬可以被困在這些碳?xì)埩粑锏谋砻嫔蟏。PR 殘留污染物可以使用食人魚清潔和其他高效 PR 清潔方法去除，如干基材表面清潔中所述。

由于無(wú)處不在的揮發(fā)性空氣污染物引起的有機(jī)污染也需要從晶片表面去除。這些污染物的存在會(huì)阻礙稀釋的 HF 溶液(見(jiàn)下文)去除原生氧化物，從而在柵極氧化物與襯底和柵極電極之間產(chǎn)生界限不清的界面。較差的界面特性會(huì)嚴(yán)重降低柵極氧化層的完整性。表面上有機(jī)化合物的存在會(huì)影響熱氧化和 CVD 工藝的初始速率，導(dǎo)致薄膜厚度出現(xiàn)不希望和未知的變化。SC-1 清潔通過(guò)過(guò)氧化物氧化和 NH4對(duì)產(chǎn)品的溶劑化去除這些有機(jī)殘留物哦。SC-1 清潔緩慢地去除任何天然氧化物，用過(guò)氧化物的氧化作用產(chǎn)生的新氧化物代替該層。近年來(lái)，溶解在去離子水中的臭氧 (DIO3) 被越來(lái)越多地用作舊 Pirhana 和 SC-1 清潔劑的替代品，作為去除有機(jī)污染物的“綠色”和更安全的替代品。

無(wú)機(jī)化合物

由于含磷阻燃劑的脫氣或工藝工具中的摻雜劑殘留等影響，晶片表面可能存在含有摻雜劑原子(如硼和磷)的化合物。如果在高溫處理之前沒(méi)有將它們從晶片表面去除，這些元素可能會(huì)遷移到基板中，從而改變目標(biāo)電阻率。其他種類的揮發(fā)性無(wú)機(jī)化合物，如胺和氨等堿性化合物和硫氧化物(SO x) 也會(huì)在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生缺陷，如果它們存在于襯底表面。酸和堿會(huì)導(dǎo)致化學(xué)增強(qiáng)型抗蝕劑的堿性或酸性發(fā)生意外變化，從而導(dǎo)致圖案生成和抗蝕劑去除問(wèn)題。由于在基材表面形成化學(xué)鹽，這些化合物具有高度反應(yīng)性并且很容易與其他揮發(fā)性環(huán)境化學(xué)物質(zhì)結(jié)合以產(chǎn)生顆粒和霧度。通過(guò) SC-1 和 SC-2 清潔劑的聯(lián)合作用，可以從基材表面去除吸附的酸性和堿性物質(zhì)。

天然氧化物

與許多元素固體一樣，硅通過(guò)與環(huán)境空氣中的氧氣和水分反應(yīng)，在其表面自然形成一層薄薄的氧化材料。該層的化學(xué)配方?jīng)]有明確定義，是 Si-O-Si、Si-H 和 Si-OH 物種或多或少的隨機(jī)聚集。硅表面上這種天然氧化物的存在會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件制造中的問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致難以控制非常薄的熱氧化物厚度的形成。在薄柵氧化物形成期間存在于襯底上的任何天然氧化物都會(huì)通過(guò)羥基的結(jié)合而削弱柵絕緣體。此外，如果接觸墊的硅表面上存在天然氧化物，則會(huì)增加該接觸的電阻。在過(guò)去的 50 年里，我們對(duì)硅原生氧化物的性質(zhì)及其對(duì)器件性能的影響的理解大大增加。這些研究發(fā)現(xiàn)，HF 在去離子水、DI 中的極稀溶液或氟化銨、NH 的稀溶液根據(jù)圖 2，4 F、HF 和 DI 水(緩沖氧化物蝕刻，BOE)完全去除硅原生氧化物，留下以氫為末端的清潔硅表面。

RCA清潔

第一個(gè)成功的前線 (FEOL) 硅片濕法清洗工藝是由 Werner Kern 及其同事在 RCA 開(kāi)發(fā)的，并于 1970 年發(fā)布。從那時(shí)起，該方法得到了許多發(fā)展和成功修改并且 RCA 清潔仍然是當(dāng)今行業(yè)中主要的 FEOL 預(yù)沉積清潔。

RCA 清潔程序是上述不同程序的組合。該過(guò)程包括連續(xù)的 SC-1 和 SC-2 溶液，然后用稀釋的 HF 溶液或緩沖氧化物蝕刻 (BOE) 進(jìn)行處理。該產(chǎn)品是一個(gè)干凈的、以氫為末端的硅表面，隨時(shí)可以在工藝流程中使用。

審核編輯：湯梓紅