硅片沾污檢測(cè)及清洗技術(shù)研究進(jìn)展

林曉杰，王維升，劉汝剛

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032;2.沈陽(yáng)硅基科技有限公司，沈陽(yáng)110169)

1 引言

晶體管問(wèn)世以來(lái)走過(guò)的60年歷程中，其體積不斷縮小，技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)訴求相互促進(jìn)。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成度不斷提高，線寬不斷減小，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5×1016at/cm2，拋光片表面大于0.2μm的顆粒數(shù)應(yīng)小于20個(gè)/片［1-4］。在目前的集成電路生產(chǎn)中，有50%以上的材料由于硅拋光片表面沾污問(wèn)題而被損失掉。

因此，在硅晶體管和集成電路生產(chǎn)中，幾乎每道工序都面臨著硅片清洗的問(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，做不出晶體管來(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。因此弄清楚硅片清洗的方法不管是對(duì)于從事硅片加工的人，還是對(duì)于從事半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的人來(lái)說(shuō)都有重要的意義。

由于硅片清洗是半導(dǎo)體器件制造中最重要的步驟，而且其效率直接影響到器件的成品率和性能，所以行業(yè)內(nèi)對(duì)清洗工藝的研究一直在不斷地進(jìn)行［5-8］。現(xiàn)在人們已研制出了很多種可用于硅片清洗的工藝方法和技術(shù)，常見(jiàn)的有:濕法化學(xué)清洗、超聲清洗法、兆聲清洗法、鼓泡清洗法、擦洗法、高壓噴射法、離心噴射法、流體動(dòng)力學(xué)法、干法清洗、微集射束流法、激光束清洗、冷凝噴霧技術(shù)、汽相清洗、非浸潤(rùn)液體噴射法、硅片在線真空清洗技術(shù)、RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗、等離子體清洗法等［9-11］。這些方法和技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于硅片加工和器件制造中的硅片清洗工序。

在整個(gè)半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中，大約有20%的工序和硅片清洗有關(guān)，而不同工序的清洗要求和目的也是各不相同的，這就需要采用各種不同的清洗方法和技術(shù)手段，以達(dá)到清洗的目的。本文重點(diǎn)對(duì)濕法化學(xué)清洗的基本原理、常用方法及其它與之密切相關(guān)的技術(shù)手段等進(jìn)行論述，同時(shí)對(duì)干法清洗、束流清洗技術(shù)等清洗方法也進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

2 硅片表面污染物的測(cè)試技術(shù)

根據(jù)硅片表面污染物產(chǎn)生的原因，大致可將它們分為顆粒、有機(jī)物雜質(zhì)和金屬污染物三類(lèi)，種類(lèi)及危害見(jiàn)表1。

表1 硅片表面沾污的種類(lèi)及危害

2.1 顆粒

顆粒主要是一些聚合物、光致抗蝕劑等。顆粒的存在會(huì)造成IC芯片短路或大大降低芯片的測(cè)試性能。顆粒的測(cè)試通常采用光散射設(shè)備，因此，它的更貼切的名字應(yīng)該叫做光點(diǎn)缺陷(light-point defects)。通常硅片的缺陷檢測(cè)技術(shù)包括有圖形硅片和裸硅的檢測(cè)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，今天的設(shè)備已經(jīng)可以將硅片表面的晶向缺陷和物質(zhì)堆積區(qū)分開(kāi)(見(jiàn)圖1)。

粒子檢測(cè)分析技術(shù)可以在IC職責(zé)領(lǐng)域中幫助工藝工程師判斷和理解缺陷的性質(zhì)。設(shè)備中的缺陷計(jì)數(shù)工具主要涉及到以下參數(shù):缺陷的數(shù)量，缺陷的有效尺寸，缺陷的準(zhǔn)確定位。可檢測(cè)的缺陷的具體類(lèi)型包括:顆粒，坑，堆垛層錯(cuò)，劃傷，單個(gè)的粒子或缺陷，粒子或缺陷簇，煙霧等。

圖1 采用KLA-Tencor硅片顆粒檢測(cè)設(shè)備獲得的反映無(wú)圖形裸硅表面顆粒及劃傷的測(cè)試結(jié)果

靈敏度高，測(cè)試速度快是無(wú)圖形硅片測(cè)試設(shè)備的一個(gè)主要設(shè)計(jì)理念。近幾年，通過(guò)將激發(fā)光源由可見(jiàn)光區(qū)轉(zhuǎn)向紫外光區(qū)，靈敏度獲得了很大提高。波長(zhǎng)較短的紫外光對(duì)于小尺寸的顆粒檢測(cè)更為靈敏，目前設(shè)備的靈敏度甚至可以達(dá)到30nm以下。在硅片中，紫外光(10nm)比可見(jiàn)光(幾百納米)有更小的穿透深度，這使SOI(Silicon on insulator)襯底的測(cè)試成為可能［12-13］(見(jiàn)圖 2)。

2.2 有機(jī)物雜質(zhì)

有機(jī)沾污包括硅片表面的碳和以成鍵的形式與硅片結(jié)合的碳。它的來(lái)源很廣范，如人的皮膚油脂、防銹油、潤(rùn)滑油以及蠟等。這些物質(zhì)通常都會(huì)對(duì)加工進(jìn)程帶來(lái)不良影響。另外，表面附著的有機(jī)物也會(huì)影響硅片表面沾污的清洗效率，阻止化學(xué)清洗達(dá)到其預(yù)期效果。最常見(jiàn)的需要去除的硅片表面有機(jī)物是光刻膠。盡管它本身不屬于污染物，但光刻膠的去除方法與普通的有機(jī)沾污是類(lèi)似的。傳統(tǒng)的去除方法主要是濕法清洗，而干法清洗也是有效的去除方法。

目前的測(cè)試技術(shù)主要包括熱解吸質(zhì)譜(thermal desorption-MS)，X射線光電子光譜，俄歇電子能譜儀(Auger electron spectroscopy，AES)等［14］(見(jiàn)圖3)。

俄歇效應(yīng)雖然是在1925年時(shí)發(fā)現(xiàn)的，但真正使俄歇能譜儀獲得應(yīng)用卻是在1968年以后。俄歇電子能譜儀作為一種最廣泛使用的有機(jī)物分析方法而顯露頭角。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，在靠近表面5-20埃范圍內(nèi)化學(xué)分析的靈敏度高;數(shù)據(jù)分析速度快;能探測(cè)周期表上He以后的所有元素。雖然最初俄歇電子能譜單純作為一種研究手段，但現(xiàn)在它已成為常規(guī)分析手段了。它可以用于許多領(lǐng)域，如半導(dǎo)體技術(shù)、冶金、催化、礦物加工和晶體生長(zhǎng)等方面。

圖2 KLA-Tencor SP2硅片缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

圖3 俄歇電子能譜儀

X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)是一種用于測(cè)定材料中元素構(gòu)成、實(shí)驗(yàn)式，以及其中所含元素化學(xué)態(tài)和電子態(tài)的定量能譜技術(shù)。這種技術(shù)用X射線照射所要分析的材料，同時(shí)測(cè)量從材料表面以下1納米到10納米范圍內(nèi)逸出電子的動(dòng)能和數(shù)量，從而得到X射線光電子能譜。X射線光電子能譜技術(shù)需要在超高真空環(huán)境下進(jìn)行。這是一種表面化學(xué)分析技術(shù)，可以用來(lái)分析金屬材料在特定狀態(tài)下或在一些加工處理后的表面化學(xué)特性。這些加工處理方法包括空氣或超高真空中的壓裂、切割，用于清除某些表面污染的離子束蝕刻，為研究受熱時(shí)的變化而置于加熱環(huán)境，置于可反應(yīng)的氣體或溶劑環(huán)境，甚至可以置于離子注入環(huán)境，以及置于紫外線照射環(huán)境等。

2.3 金屬污染物

金屬沾污會(huì)對(duì)器件的性能造成損害。某些情況下，輕微的金屬沾污不會(huì)導(dǎo)致致命的傷害，但是卻會(huì)影響器件在使用時(shí)的許多性能。它在硅片上以范德華引力、共價(jià)鍵以及電子轉(zhuǎn)移等三種表面形式存在。這種玷污會(huì)破壞極薄的氧化層的完整性，增加漏電流密度，影響MOS器件的穩(wěn)定性，結(jié)果導(dǎo)致形成微結(jié)構(gòu)缺陷或霧狀缺陷［15］。

不同種類(lèi)金屬沾污的區(qū)別對(duì)于這些沾污的有效去除非常重要。一些研究人員將這些金屬沾污分為三類(lèi):Type(I)被定義為電化學(xué)沉積;Type(II)是氫氧化物析出物;Type(III)是膜夾雜物。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，Type(II)容易發(fā)生在SC1中，而SC1又可以去除部分金屬沾污。

目前較常用的測(cè)試設(shè)備有電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Inductively coupled plasma mass spectrometry ICP-MS)等，主要用途是進(jìn)行化學(xué)元素分析檢測(cè)，特別是對(duì)金屬元素分析最擅長(zhǎng)，也能分析B、P、As等非金屬元素。它和ICP-OES、AAS是目前常用的三種儀器，ICP-MS的檢測(cè)限最低，可以達(dá)到PPT(10-12)級(jí)(見(jiàn)圖4)。

圖4 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀

3 硅片表面污染物的清洗技術(shù)

硅片表面沾污主要包括沉積在硅片表面的粒子、金屬、有機(jī)物和自然氧化膜。因?yàn)橛袡C(jī)物會(huì)遮蓋部分硅片表面，使氧化層和與之相關(guān)的沾污難以去除。清洗的一般思路是首先去除表面的有機(jī)沾污，然后溶解氧化層，最后再去除顆粒以及金屬沾污。

在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中，大約20%的工序和硅片清洗有關(guān)。硅片表面的潔凈度及表面態(tài)對(duì)高質(zhì)量的硅器件工藝是至關(guān)重要的。如果表面質(zhì)量達(dá)不到要求，無(wú)論其它工藝步驟控制得多么優(yōu)秀，也是不可能獲得高質(zhì)量的半導(dǎo)體器件的。而不同工序的清洗要求和目的也是各不相同的，這就必須采用各種不同的清洗方法和技術(shù)手段，以達(dá)到清洗的目的。大致可分為化學(xué)清洗、超聲清洗、兆聲清洗、聲學(xué)清洗、離心清洗、擦試清洗、氣相干洗和高壓噴洗等。其中，化學(xué)清洗又分RCA清洗和臨界流體清洗等。其它的濕式清洗方法還有許多種，如刷洗、噴洗、流動(dòng)液體清洗等。目前生產(chǎn)線上也常常把多種清洗方法串聯(lián)起來(lái)使用。下面將幾種目前較為常用的清洗技術(shù)分別進(jìn)行介紹。

3.1 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗是指利用各種化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質(zhì)及油污發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或溶解作用，或伴以超聲、加熱、抽真空等物理措施，使雜質(zhì)從被清除物體的表面脫附(解吸)，然后用大量高純熱、冷去離子水沖洗，從而獲得潔凈表面的過(guò)程。化學(xué)清洗又可分為濕法化學(xué)清洗和干法化學(xué)清洗，其中濕法化學(xué)清洗技術(shù)在硅片表面清洗中處于主導(dǎo)地位，最為常用的是RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗法。RCA濕法化學(xué)清洗技術(shù)由Werner Kern于1965年在N1J1Princeton的RCA實(shí)驗(yàn)室首創(chuàng)，并由此得名。

RCA清洗是一種典型的濕式化學(xué)清洗。國(guó)內(nèi)外均有文章用不同的分析方法證實(shí)了RCA的有效性。RCA清洗主要用于清除有機(jī)表面膜、粒子和金屬沾污。在RCA清洗工藝中主要使用兩組混合化學(xué)試劑。第1種(SC1)是NH4OH、H2O2和H2O，比例為1∶1∶5。第2種(SC2)為 HCl、H2O2和 H2O，比例亦為1∶1∶5。此工藝分為氧化、絡(luò)合處理兩個(gè)過(guò)程，溫度控制在75-80℃。H2O2在高pH值時(shí)為強(qiáng)氧化劑破壞有機(jī)沾污，其分解為H2O和O2。NH4OH對(duì)許多金屬有強(qiáng)的絡(luò)合作用。SC1中NH4OH對(duì)硅片表面層的剝離和H2O2對(duì)硅片表面層的氧化修復(fù)交替進(jìn)行，達(dá)到很好的去除表面顆粒沾污的作用。SC2中的HCl靠溶解和絡(luò)合作用形成可溶的堿或金屬鹽。此符合硅片清洗的主要要求。雖然清洗方法已發(fā)展了許多種，但RCA清洗在各種清洗方法中仍占主導(dǎo)地位。今天的RCA有各種改進(jìn)和優(yōu)化的工藝方法，包括清洗步驟的增加或減少。

3.2 兆聲清洗

兆聲清洗是利用聲能進(jìn)行清洗［16］，但其振動(dòng)頻率更高，約為800KHz，輸出能量密度為2-5W/cm2，僅為超聲清洗能量密度的1/50。因?yàn)檎茁暤念l率很高，使用的過(guò)程中不是產(chǎn)生空腔泡，而是產(chǎn)生高壓波。它以800KHz的頻率在片子表面推動(dòng)粒子。片架中的硅片在液體中機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使硅片在波中進(jìn)出，這樣增加了去除粒子的均勻性，尤其對(duì)去除粒度＜0.3μm以下的粒子效果更明顯。這也是區(qū)別于超聲清洗的一個(gè)突出特點(diǎn)。兆聲清洗為了達(dá)到可濕性的目的，亦常使用表面活性劑，使粒子不再沉積在表面上。兆聲清洗的頻率較高，不同于會(huì)產(chǎn)生駐波的超聲清洗，兆聲清洗不會(huì)損傷硅片。同時(shí)在兆聲清洗過(guò)程中，無(wú)機(jī)械移動(dòng)部件。因此可減少清洗過(guò)程本身所造成的沾污。

3.3 氣相干洗

氣相干洗是在常壓下使用HF氣體控制系統(tǒng)的濕度，先低速旋轉(zhuǎn)片子，再高速使片子干燥，HF蒸氣可以達(dá)到有效去除氧化膜及氧化膜中金屬的效果。這種方法在硅片清洗領(lǐng)域中擁有非常廣泛的應(yīng)用前景［17］。另一種方法是在負(fù)壓下使 HF揮發(fā)成霧。低壓對(duì)清洗作用控制良好，可揮發(fā)反應(yīng)的副產(chǎn)品，干片效果比常壓下好。并且采用兩次負(fù)壓過(guò)程的揮發(fā)，可用于清洗較深的結(jié)構(gòu)圖形，如對(duì)溝槽的清洗。氣相干洗可去除硅片表面粒子并減少清洗過(guò)程中的沾污。在HF干洗工藝之后不需用DI水浸。無(wú)水HF氣相清洗已在生產(chǎn)中廣泛用于工藝線后端溶劑清洗。其聯(lián)機(jī)能力也是重要優(yōu)點(diǎn)。但不要指望氣相干洗在所有場(chǎng)合都能成功。雖然HF蒸氣可除去自然氧化，但不能除去金屬沾污。但在HF清洗后，用DI水浸，可除去可溶金屬物質(zhì)。氣相清洗用于摻雜氧化膜也有危害，摻雜劑殘留物可作為粒子而存在，這就需要用傳統(tǒng)清洗法除去摻雜劑分子。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，超大規(guī)模集成電路對(duì)于硅基底材料潔凈程度的要求不斷提高。硅片表面沾污的測(cè)試技術(shù)及清洗技術(shù)已經(jīng)成為硅基底材料制作工藝中的關(guān)鍵步驟。除去硅片表面上的沾污已不再是最終的要求。在清洗過(guò)程中所造成的表面化學(xué)態(tài)及粗糙度也同樣重要。這些新的考慮造成了由單純的去除沾污到真正的表面工程的轉(zhuǎn)變。硅片清洗工藝正在逐漸發(fā)展成獲得超純表面的最主要途徑。

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