[科普中國(guó)]-硅片清洗

研究意義

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,集成度的不斷提高,線寬的不斷減小,對(duì)硅片的質(zhì)量要求也越來(lái)越高,特別是對(duì)硅拋光片的表面質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)。這主要是因?yàn)閽伖馄砻娴念w粒和金屬雜質(zhì)沾污會(huì)嚴(yán)重影響器件的質(zhì)量和成品率,對(duì)于線寬為0.35μm的64兆DRAM器件,影響電路的臨界顆粒尺寸為0.06μm,拋光片的表面金屬雜質(zhì)沾污應(yīng)全部小于5× 1016 at/cm2,拋光片表面大于0.2μm的顆粒數(shù)應(yīng)小于20個(gè)/片。在目前的集成電路生產(chǎn)中,由于硅拋光片表面沾污問(wèn)題,仍有50%以上的材料被損失掉。

在硅晶體管和集成電路生產(chǎn)中,幾乎每道工序都有硅片清洗的問(wèn)題,硅片清洗的好壞對(duì)器件性能有嚴(yán)重的影響,處理不當(dāng),可能使全部硅片報(bào)廢,做不出管子來(lái),或者制造出來(lái)的器件性能低劣,穩(wěn)定性和可靠性很差。硅片清洗法和,不管是對(duì)于從硅片加工的人,還是對(duì)于從事半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的人來(lái)說(shuō)都有著重要的意義。1

硅片表面沾污雜質(zhì)的來(lái)源和分類為了解決硅片表面的沾污問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)工藝潔凈表面,我們需要弄清楚硅片表面引入了哪些雜質(zhì),然后選擇適當(dāng)?shù)墓杵逑捶椒ㄟ_(dá)到去除的目的。在硅片加工及器件制造過(guò)程中,所有與硅片接觸的外部媒介都是硅片沾污雜質(zhì)的可能來(lái)源。這主要包括以下幾方面:硅片加工成型過(guò)程中的污染,環(huán)境污染,水造成的污染,試劑帶來(lái)的污染,工業(yè)氣體造成的污染,工藝本身造成的污染,人體造成的污染等。盡管硅片沾污雜質(zhì)的來(lái)源不同,但它們通?？蓜澐譃閹最?。1

硅片清洗的一般程序吸附在硅片表面上的雜質(zhì)可分為分子型、離子型和原子型三種情況。其中分子型雜質(zhì)與硅片表面之間的吸附力較弱,清除這類雜質(zhì)粒子比較容易。它們多屬油脂類雜質(zhì),具有疏水性的特點(diǎn),對(duì)于清除離子型和原子型雜質(zhì)具有掩蔽作用。

因此在對(duì)硅片進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí),首先應(yīng)該把它們清除干凈。離子型和原子型吸附的雜質(zhì)屬于化學(xué)吸附雜質(zhì),其吸附力都較強(qiáng)。

在一般情況下,原子型吸附雜質(zhì)的量較小,因此在化學(xué)清洗時(shí),先清除掉離子型吸附雜質(zhì),然后再清除殘存的離子型雜質(zhì)及原子型雜質(zhì)。

最后用高純?nèi)ルx子水將硅片沖冼干凈,再加溫烘干或甩干就可得到潔凈表面的硅片。

綜上所述,清洗硅片的一般工藝程序?yàn)?去分子→去離子→去原子→去離子水沖洗。

另外,為去除硅片表面的氧化層,常要增加一個(gè)稀氫氟酸浸泡步驟。1

化學(xué)清洗化學(xué)清洗是為了除去原子、離子不可見(jiàn)的污染,方法較多,有溶劑萃取、酸洗（硫酸、硝酸、王水、各種混合酸等）和等離子體法等。其中雙氧水體系清洗方法效果好，環(huán)境污染小。一般方法是將硅片先用成分比為H2SO4:H2O2=5:1或4:1的酸性液清洗。清洗液的強(qiáng)氧化性,將有機(jī)物分解而除去；用超純水沖洗后,再用成分比為H2O:H2O2:NH4OH=5:2:1或5:1:1或7:2:1的堿性清洗液清洗,由于H2O2的氧化作用和NH4OH的絡(luò)合作用，許多金屬離子形成穩(wěn)定的可溶性絡(luò)合物而溶于水；然后使用成分比為H2O:H2O2:HCL=7:2:1或5:2:1的酸性清洗液，由于H2O2的氧化作用和鹽酸的溶解，以及氯離子的絡(luò)合性，許多金屬生成溶于水的絡(luò)離子，從而達(dá)到清洗的目的。

放射示蹤原子分析和質(zhì)譜分析表明，采用雙氧水體系清洗硅片效果最好，同時(shí)所用的全部化學(xué)試劑 H2O2、NH4OH、HCl能夠完全揮發(fā)掉。用H2SO4和H2O2清洗硅片時(shí)，在硅片表面會(huì)留下約2×1010原子每平方厘米的硫原子，用后一種酸性清洗液時(shí)可以完全被清除。用H2O2體系清洗硅片無(wú)殘留物，有害性小，也有利于工人健康和環(huán)境保護(hù)。硅片清洗中用各步清洗液處理后，都要用超純水徹底沖洗。

物理清洗物理清洗有三種方法。①刷洗或擦洗:可除去顆粒污染和大多數(shù)粘在片子上的薄膜。②高壓清洗：是用液體噴射片子表面，噴嘴的壓力高達(dá)幾百個(gè)大氣壓。高壓清洗靠噴射作用，片子不易產(chǎn)生劃痕和損傷。但高壓噴射會(huì)產(chǎn)生靜電作用，靠調(diào)節(jié)噴嘴到片子的距離、角度或加入防靜電劑加以避免。③超聲波清洗：超聲波聲能傳入溶液,靠氣蝕作用洗掉片子上的污染。但是,從有圖形的片子上除去小于 1微米顆粒則比較困難。將頻率提高到超高頻頻段，清洗效果更好。

發(fā)展展望伴隨著硅片的大直徑化,器件結(jié)構(gòu)的超微小化、高集成化,對(duì)硅片的潔凈程度、表面的化學(xué)態(tài)、微粗糙度、氧化膜厚度等表面狀態(tài)的要求越來(lái)越高。

同時(shí),要求用更經(jīng)濟(jì)的、給環(huán)境帶來(lái)更少污染的工藝獲得更高性能的硅片。高集成化的器件要求硅片清洗要盡量減少給硅片表面帶來(lái)的破壞和損傷,盡量減少溶液本身或工藝過(guò)程中帶來(lái)的沾污。

清洗設(shè)備正向著小型化、非盒式化及一次完成化(所有清洗與干燥步驟在一個(gè)槽內(nèi)進(jìn)行)方向發(fā)展,以減少工藝過(guò)程中帶來(lái)的沾污,滿足深亞微米級(jí)器件工藝的要求。這無(wú)論對(duì)清洗工藝還是對(duì)清洗設(shè)備都是一個(gè)極大的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的清洗方法已不能滿足要求。

臭氧水、兆聲波、電解離子水等的應(yīng)用顯示出很好的去除硅片表面顆粒和金屬沾污的能力,對(duì)硅片表面微觀態(tài)的影響很小。而且,它們的使用使清洗設(shè)備小型化及清洗工藝一次完成化的實(shí)現(xiàn)成為可能。

同時(shí),它們對(duì)環(huán)境的低污染度也是傳統(tǒng)的清洗溶液所不能比擬的。在未來(lái)的清洗工藝中它們可能會(huì)被廣泛地應(yīng)用。2