詳解硅晶圓的超精密清洗、干燥技術(shù)

引言

隨著LSI集成度的顯著增加，各元件的斷面構(gòu)造從平面型向以溝槽（溝）構(gòu)造的出現(xiàn)為代表的三維構(gòu)造變遷。在以極限微細(xì)化為指向的LSI技術(shù)中，為了能夠?qū)?yīng)凹凸嚴(yán)重的復(fù)雜微細(xì)的構(gòu)造表面，并且確保元件的可靠性和成品率，開(kāi)發(fā)比以往更加顯著地降低殘留污染量的清洗、干燥技術(shù)變得越來(lái)越重要。即使在各種干燥化發(fā)展的今天，半導(dǎo)體器件表面的清洗，無(wú)塵化技術(shù)也被廣泛采用使用超純水及高純度藥品水溶液的所謂濕式清洗工藝，其重要性也很高。另外，濕處理后，為了除去附著在表面的水，必須進(jìn)行干燥過(guò)程。清洗過(guò)程的最后工序是用除去雜質(zhì)到極限的超純水進(jìn)行硅晶圓的水洗處理，其次必須有完全除去附著在晶圓上的超純水的干燥技術(shù)。

清洗技術(shù)

清洗的目的是除去附著在晶圓表面上的有害污染物質(zhì)，但同時(shí)也要求不對(duì)晶圓表面造成損傷。晶圓的清洗方法分為用高壓水或刷子等手段機(jī)械地摩擦晶圓表面除去顆粒的機(jī)械清洗和將晶圓浸入清洗溶液中化學(xué)地除去污染物質(zhì)的化學(xué)清洗兩種，在此提及化學(xué)清洗。對(duì)器件特性產(chǎn)生重大不利影響的污染物質(zhì)的代表性可分為粒子、有機(jī)物、金屬類(lèi)、自然氧化膜四大類(lèi)。目前，濕式清洗對(duì)所有這些污染物質(zhì)都有效，而且操作容易，所以專(zhuān)門(mén)采用。遺憾的是，在干式清洗的情況下，還沒(méi)有確立有效去除所有這些污染物質(zhì)的方法。一般來(lái)說(shuō)，濕式清洗操作是單獨(dú)使用酸、堿的水溶液或者與過(guò)氧化氫水（以下簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)水）混合使用。此時(shí)，為了提高清洗效果，有時(shí)會(huì)加溫液體或加入超聲波清洗。對(duì)于各種污染物質(zhì)，需要選擇符合目的的最合適的清洗系統(tǒng)，采用合適的方法。在這種情況下，滿(mǎn)足以下條件是不可或缺的。

表1總結(jié)了現(xiàn)在半導(dǎo)體制造工藝中使用的清洗系統(tǒng)。表1（1） ～（3）的清洗系統(tǒng)主要是以除去有機(jī)物為目的進(jìn)行的。（1）是將污染物質(zhì)溶解、除去在溶劑中，所以要得到高清潔的表面需要大量的溶劑，但即使這樣也會(huì)殘留單分子層水平的吸附層。在大量附著蠟和油脂等污染物的情況下有效。（2）是利用藥品的氧化力將有機(jī)物化學(xué)分解為水、二氧化碳等揮發(fā)性分子的方法，例如用于抗蝕劑剝離。（3）不僅對(duì)有機(jī)物有效，對(duì)去除粒子也有效。（4）～（6）是除去金屬污染的清洗方法。在這種情況下，最大限度地利用了能夠容易溶解多種物質(zhì)的水溶液的特征。也就是說(shuō)，所有的金屬對(duì)鹽酸、硝酸、硫酸等無(wú)機(jī)酸具有很大的溶解度，即使在金屬溶解的條件下，硅基板及其氧化膜也完全不受侵犯，而且反應(yīng)生成物可以用超純水完全水洗除去。因此，可以進(jìn)行不損傷基板的清洗。（7）用于去除自然氧化膜，通過(guò)將晶圓浸入氫氟酸溶液中，氧化膜容易被蝕刻，但硅完全不受侵犯。

表1再生晶片清洗系統(tǒng)
?

清洗系統(tǒng)是在大約二十年前開(kāi)發(fā)出來(lái)的，即使集成度提高到當(dāng)時(shí)甚至現(xiàn)在的兆比特時(shí)代，清洗手法也基本上沿襲不變。通常RCA清洗是在高溫下加熱使用的，藥液組成會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。因此，如果使用過(guò)一次的話(huà)，通常會(huì)更新液體。

干燥技術(shù)

為了提供一種干燥技術(shù)，該干燥技術(shù)不自然干燥粘附在晶片上的水，并且根本不留下污染物，因此需要在完成水洗過(guò)程之后盡可能快速地從晶片表面去除水。表4總結(jié)了目前采用的高潔凈晶圓干燥方法，其干燥方法大致可分為物理去除附著水的方法和用揮發(fā)性溶劑置換去除水的方法。以下，對(duì)各干燥方法進(jìn)行解說(shuō)。

熱風(fēng)干燥：由于該方法是將加熱空氣等吹到晶圓上進(jìn)行干燥的方法，因此存在將水中所含的極微量雜質(zhì)留在晶圓上的缺點(diǎn)，因此超純水的水質(zhì)的進(jìn)一步提高以及加熱介質(zhì)和加熱系統(tǒng)的高清凈化是必不可少的。

蒸汽干燥法：作為蒸汽干燥用溶劑，可以使用醇類(lèi)特別是異丙醇(以下稱(chēng)為IPA；分子式C3H70H )及三氯三氟乙烷(以下稱(chēng)為氟利昂1131C2C13F3 )被使用。IPA在化學(xué)上是穩(wěn)定的，可以與水以任意比例混合，并且由于表面張力很小，約為20dyne/cm，所以適合于進(jìn)入溝內(nèi)的水的混合置換。由于氟利昂113對(duì)水的溶解性幾乎沒(méi)有，所以必須與醇類(lèi)溶劑并用。圖1顯示了IPA蒸汽干燥裝置的結(jié)構(gòu)。被加熱器加熱的IPA蒸發(fā)，通過(guò)槽上部的冷卻器冷卻冷凝。

圖1 IPA蒸汽干燥裝置的構(gòu)造

將室溫的晶圓投入槽內(nèi)的底層后，晶圓表面的IPA冷凝，與表面附著水混合置換的同時(shí)除去該水。最終，晶圓溫度與蒸汽溫度相等時(shí)，該冷凝現(xiàn)象消失，干燥結(jié)束。表5是將用各種清洗方法清洗的晶圓進(jìn)行IPA蒸汽干燥后，測(cè)量晶圓上殘留的粒子數(shù)的結(jié)果。即使是稀氟酸處理后的5英寸晶圓，粒子數(shù)也只有幾個(gè)左右，蒸汽干燥方法是沒(méi)有粒子污染和污點(diǎn)等的優(yōu)秀的干燥方法。通過(guò)這種方法獲得高清潔表面的注意點(diǎn)是，使用高純度的IPA，使用合適的干燥裝置，進(jìn)行合適的過(guò)程操作和IPA的液體管理。

總結(jié)

本文介紹了硅晶圓的超精密清洗、干燥技術(shù)，為了得到高純凈的干燥晶圓表面，當(dāng)然要對(duì)從清洗到干燥的各工序進(jìn)行非常嚴(yán)格的純凈度管理，但只有通過(guò)具備與這一系列工序相關(guān)的所有技術(shù)水平，才能達(dá)到這一目標(biāo)。

審核編輯：湯梓紅