[科普中國]-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,對硅片的質(zhì)量要求也越來越高,特別是對硅拋光片的表面質(zhì)量要求越來越嚴(yán)。這主要是因為拋光片表面的顆粒和金屬雜質(zhì)沾污會嚴(yán)重影響器件的質(zhì)量和成品率,對于線寬為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/片。在目前的集成電路生產(chǎn)中,由于硅拋光片表面沾污問題,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題,硅片清洗的好壞對器件性能有嚴(yán)重的影響,處理不當(dāng),可能使全部硅片報廢,做不出管子來,或者制造出來的器件性能低劣,穩(wěn)定性和可靠性很差。硅片清洗法和,不管是對于從硅片加工的人,還是對于從事半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的人來說都有著重要的意義。1

硅片表面沾污雜質(zhì)的來源和分類為了解決硅片表面的沾污問題,實現(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)的可能來源。這主要包括以下幾方面:硅片加工成型過程中的污染,環(huán)境污染,水造成的污染,試劑帶來的污染,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)的來源不同,但它們通常可劃分為幾類。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,對于清除離子型和原子型雜質(zhì)具有掩蔽作用。

因此在對硅片進(jìn)行化學(xué)清洗時,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。

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,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為: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。清洗液的強氧化性,將有機物分解而除去；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，在硅片表面會留下約2×1010原子每平方厘米的硫原子，用后一種酸性清洗液時可以完全被清除。用H2O2體系清洗硅片無殘留物，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)的要求越來越高。

同時,要求用更經(jīng)濟的、給環(huán)境帶來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的破壞和損傷,盡量減少溶液本身或工藝過程中帶來的沾污。

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槽內(nèi)進(jìn)行)方向發(fā)展,以減少工藝過程中帶來的沾污,滿足深亞微米級器件工藝的要求。這無論對清洗工藝還是對清洗設(shè)備都是一個極大的挑戰(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現(xiàn)成為可能。

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