半導體化學清洗沾污來源分析

關宏武等

摘 要：隨著半導體工藝的不斷發展，其對設備顆粒度的要求越來越高，文章分析了沾污產生的原因及出處，并對各種沾污進行了分析，并指出了解決方向，在很大程度上指導了半導體生產和研發環境的建立及完善。

關鍵詞：沾污；顆粒；化學吸附；靜電

自從20世紀50年代固體元器件誕生以后，在半導體微電子器件制作過程中，襯底表面情節的重要性就已經被認知。眾所周知，硅器件的性能、穩定性和電路的成品率受硅片或器件表面的化學沾污和微粒沾污的影響極大。目前，由于半導體表面的極度敏感性和器件的亞微米尺寸特征，使得對原始硅片及氧化和圖形化后得硅片進行有效清洗，比以往任何時候都更為重要。正因為如此，超清潔硅片的準備，已成為超大規模硅電路制作過程中的關鍵技術之一。

1 沾污的類型和來源

半導體晶片表面的沾污是以沾污薄層、分散微粒和粒子（粒子團簇）和氣體的形式存在，具體見表1的總結。表面沾污薄層和微粒包括分子化合物、離子物質和原子物質。分子化合物是指凝結的有機蒸汽微粒或膜層，包括來自潤滑劑、油脂、光刻膠、殘留溶劑、去離子水或塑料存儲器等引入的有機化合物、金屬氧化物或氫氧化物。離子物質由陰、陽粒子構成，多數來自于通過物理吸附或化學成鍵（化學吸附）而引入的無機化合物，如鈉離子、氟離子和氯離子。原子物質主要由金屬構成，如金和銅，它們可來自與含HF的溶液中，通過化學或電化學方式被電鍍到半導體表面，或者由來自設備的硅顆粒或金屬殘留物構成。

由表2列出了各種污染來源，可見沾污來源的多方面。這些微粒可能來自于設備、過程化學品、工廠操作和氣體管道等。與硅片和液體直接或間接接觸的移動機械設備與容器時特別嚴重的污染源，而原材料、液體、氣體化學藥品和環境氣氛引起的微粒沾污較少，但所有這些沾污來源都會對沾污膜層的生成起到重要的作用。硅片上通常會積累靜電荷的載流子，它們是誘發離子沉積的主要機制，但卻常常被忽略。

2 沾污對半導體器件的影響

在晶片加工過程中，沾污對半導體材料和電介質及對成品半導體器件的作用十分復雜，因為這與具體沾污類型、性質和數量有關。

晶片表面的分子沾污膜層，能有效降低清洗或沖洗效果，并可對良好黏連的沉積膜造成損傷，且易于形成有害的分解產物。例如，在無氧的氛圍內對有機殘留物進行高溫加熱，就會發生碳化；如果晶片時硅材料，這些殘留物將會形成SiC，然后在外延沉積時，成為多晶硅的成核區域。

離子沾污會在半導體器件中引起許多問題。在高溫加熱過程中或在施加電場作用的條件下，它們能擴散進半導體內或者在表面發生擴散，從而引起器件產生點缺陷、退化和成品率損失。

3 避免設備和過程沾污

沾污控制的主題關鍵是避免。如果我們能在設備、材料和環境中創建和維持超清潔條件，那么在整個半導體器件制作過程中，就能使晶片清洗的需求降到很低。而且，組織沾污比一旦發生沾污后再去除它，通常要容易的多，因為避免沾污是首要選擇。

工藝設備已經成為粒子沾污的最主要來源。通過周期性保養和靜電荷的去除，可以剔除灰塵離子，使離子的沾污得到有效控制。

4 化學沾污

在半導體器件制作過程中，要用到許多化工原料，而這些化工原料中的雜質會對器件的質量產生嚴重影響。為了最小化從這些源中引入的雜質，必須對其施加嚴格的控制。晶片清洗使用的多數化工原料為氣態或液態。氣態原料可得到非常高的純度，且易于通過超過濾手段，實現有效去除顆粒的目的。液態化工原料則是多種多樣的，表3所示為常用的液態化學藥品。

化工原料的雜質水平是十分易變的。近年來，為了向微電子行業提供“超純”的化工原料，化工原料的生產者已付出巨大努力。“超純“意味著總的雜質濃度應該在較低的ppb范圍內。生產超純酸的一種嚴格的替代方式時使用再生的方法在現場生成所要的酸，比如利用高純度去離子水和反應氣體（臭氧、HCL、NH3）等，在現場生成這些化工原料的水溶液。配置方法對粒子濃度的影響非常巨大，瓶裝后的化工原料會出現非常高的微粒數。間接沾污會從容器、管道、閥體等引入，導致最初配置的超純化學藥品被污染。

5 分析方法

沾污控制的另一個重要方面是分析方法。微量和超微量水平的雜質和微粒的測量與監控，一方面要對加工區域中的過程反應物、去離子水、氣體和環境空氣進行分析，另一方面還要對半導體晶片表面做同樣的分析。對原材料和硅片表面的雜質分析和測量，是建立工藝條件必需的，其目的是為了識別在加工過程中，那些具體雜質被轉移到了關鍵性的半導體表面上，處于何種濃度。這一信息是提高工藝質量和獲得超潔凈晶片必須考慮的第一步。在線的現場分析和測試是許多關鍵操作中期望的，其目的是不斷監控具體沾污的濃度水平，如微粒、氣態物質、濕氣或金屬離子，以便對工藝過程進行可能的實施監控。

參考文獻

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