VDMOS 器件制造中的濕法工藝與設(shè)備研究

宋文超

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京 100176)

垂直雙擴(kuò)散MOS 晶體管（Vertical Double-diffused MOSFET，VDMOS） 與橫向擴(kuò)散 MOSFET（LDMOSFET）一樣，是功率MOSFET 器件的一種基本結(jié)構(gòu)。VDMOS 具有高輸入阻抗、低驅(qū)動功率以及優(yōu)越的頻率特性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速、逆變器、開關(guān)電源、電子開關(guān)、高保真音響、汽車電器和電子鎮(zhèn)流器等領(lǐng)域。VDMOS器件的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 VDMOS 器件的基本結(jié)構(gòu)[1]

濕法工藝是VDMOS 器件制造中的一項(xiàng)工藝環(huán)節(jié)，貫穿器件制造整個過程，在前段硅片制造，成膜、光刻、刻蝕及后段封裝等各工藝環(huán)節(jié)中均有涉及，包括RCA 清洗工藝、SPM 去膠、BOE腐蝕和金屬濕法腐蝕等，對于提升成品良率起著至關(guān)重要的作用。半導(dǎo)體對雜質(zhì)極為敏感，百萬分之一甚至十億分之一的微量雜質(zhì)，就對半導(dǎo)體的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，微量的有害雜質(zhì)可由各種隨機(jī)的原因進(jìn)入器件，從而破壞半導(dǎo)體器件的正常性能。隨著工藝制程的不斷提升，清洗工序的數(shù)量也將不斷提高，對濕法設(shè)備的性能也提出更高的要求。

1 VDMOS 器件制造工藝流程

VDMOS 器件制造流程包括材料制備、芯片制造和封裝等步驟。其中芯片制造的工藝流程如圖2 所示。

圖2 VDMOS 器件制造工藝流程

2 常用濕法工藝及設(shè)備

2.1 RCA 清洗工藝及設(shè)備

RCA 清洗是用于晶圓清洗的第一種工藝方法，也是目前業(yè)界最為廣泛采用的工藝方法。該方法由RCA 公 司 的 Kern 和 Puotinen 在 1965 年 發(fā) 明[2]，1970 年發(fā)布。RCA 清洗可廣泛應(yīng)用VDMOS 器件制造工藝過程中來料清洗、氧化前清洗、擴(kuò)散前清洗和柵氧化前清洗等濕法工藝。RCA 清洗工藝如下：

（1）使用 SPM（Surfuric/Peroxide Mix）溶液，又稱為 SC-3（Standard Clean-3），在 100～130 ℃下對硅片進(jìn)行清洗，用于去除有機(jī)物。SPM 溶液由H2SO4-H2O2-H2O 組成 （H2SO4與 H2O2的體積比為 1∶3）。

（2）使用 APM（Ammonia/Peroxide Mix）溶液，又稱為 SC-1（Standard Clean-1），在 65～80 ℃下對硅片進(jìn)行清洗，用于去除硅片上的顆粒。APM 溶液是由NH4OH-H2O2-H2O 組成，三者的比例為（1∶1∶5）～（1∶2∶7）。APM 溶液的主要作用是堿性氧化，并可氧化及去除硅表面少量的有機(jī)物和 Au、Ag、Cu、Ni、Cd、Zn、Ca、Cr 等 金 屬 原 子污染。該清洗工藝往往輔助超聲組件或兆聲組件，以提升顆粒去除效果。溫度控制在80 ℃以下，目的是減少因氨和過氧化氫揮發(fā)造成的損失。

（3） 使用 DHF（Diluted Hydrofluoric Acid）溶液，在20～25 ℃下對硅片進(jìn)行清洗，用于去除硅片表面氧化層，以及吸附在氧化層上的微粒及金屬，并且在去除氧化層的同時在硅晶圓表面形成硅氫鍵而使硅表面呈疏水性。DHF 溶液是由HF-H2O 組成，體積比為（1∶2）～（1∶10）。

（4）使用 HPM（Hydrochloric/Peroxide Mix）溶液，又稱為 SC-2（Standard Clean-2），在 65～80 ℃下，對硅片進(jìn)行清洗，用于溶解多種不被氨絡(luò)合的金屬離子，以及不溶解于氨水，但可溶解在鹽酸中的 Al（OH）3、Fe（OH）3、Mg（OH）2和 Zn（OH）2等物質(zhì)，對 Al3+、Fe3+、Mg2+、Zn2+等離子的去除有較好效果。HPM 溶液是由HCl-H2O2-H2O 組成，三者比例為（1∶1∶6）～（1∶2∶8）。HPM 溶液的主要作用是酸性氧化。溫度控制在80 ℃以下是為減少因鹽酸和過氧化氫揮發(fā)造成的損失。

全自動RCA 清洗設(shè)備，整機(jī)由機(jī)架、清洗工藝槽體、干燥單元、上下料、晶圓傳輸機(jī)械手、藥液溫控系統(tǒng)、藥液循環(huán)過濾系統(tǒng)、藥液自動配補(bǔ)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)等組成。整機(jī)骨架采用金屬型材，外包防腐PP 板材；整機(jī)面板及外殼采用防腐PP 板材。設(shè)備采用晶圓“干進(jìn)干出”工作模式，每個清洗工藝槽體可以同時處理雙片盒（Cassette），每批次50 片。全自動RCA 清洗設(shè)備外形如圖3 所示。

圖3 全自動RCA 清洗設(shè)備外形圖

設(shè)備共有11 個工位，包括1 個上料位、1 個下料位、4 個化學(xué)槽、4 個 QDR 槽和 1 個 SRD 干燥單元。所有清洗工藝槽在潔凈、封閉的結(jié)構(gòu)中，前面是藍(lán)色透明觀察窗。工藝槽的臺面配置如圖4 所示。設(shè)備的廢氣排放單元安裝在設(shè)備頂部和后部，通過φ200 mm 的排風(fēng)筒與用戶生產(chǎn)車間的排風(fēng)系統(tǒng)連接，以排出揮發(fā)的廢氣。排風(fēng)口設(shè)有調(diào)節(jié)風(fēng)門，操作人員可調(diào)節(jié)設(shè)備排風(fēng)量。排風(fēng)管道設(shè)有壓力傳感器，可隨時監(jiān)控設(shè)備工作區(qū)風(fēng)壓，超出設(shè)定范圍即報(bào)警[3]。

圖4 全自動RCA 清洗設(shè)備的工藝槽配置圖[4]

工作過程：將裝有待清洗晶圓的Cassette 手動放置于上料位，控制系統(tǒng)自動識別Cassette 規(guī)格，并按照設(shè)定的工藝程序自動完成Cassette 在各個清洗工藝槽體的傳輸、清洗和干燥工藝。工藝結(jié)束后，傳輸機(jī)械手將Cassette 傳輸至下料位，聲光提示清洗完畢，待人工手動取出。

2.2 SPM 去膠工藝及設(shè)備

在很多工藝結(jié)束后需要去膠工藝，包括干/濕法腐蝕后、離子注入后或光刻有無需返工的硅片。去膠的目的是快速有效地去膠而不影響下面的各層材料。去膠工藝分為干法和濕法去膠；濕法去膠分為有機(jī)去膠和非有機(jī)去膠。SPM 去膠，屬于非有機(jī)濕法去膠。采用H2SO4與H2O2的混合溶液，加熱到120～140 ℃，其強(qiáng)氧化性使膠中的C氧化成CO2，并生成H2O。SPM 去膠常用在無金屬層上，Al 及Al 以后工藝不能用此種方式去膠。在大劑量注入和較差的干法去膠后，往往加一步SPM 去膠。

全自動SPM 去膠設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成與上文的全自動RCA 清洗設(shè)備類似，不再贅述。工藝槽配置如圖5 所示。設(shè)備共有8 個工位，包括1 個上料位、1 個下料位、1 個洗手槽(Chuck Clean)、2 個化學(xué)槽、2 個QDR 槽和1 個干燥單元。工作過程為，將裝有待清洗晶圓的片盒（Cassette）手動放置于上料位，控制系統(tǒng)自動識別Cassette 規(guī)格，并按照設(shè)定的工藝程序自動完成 1#SPM、2#SPM、HQDR、QDR 和Dry 工藝。工藝結(jié)束后，傳輸機(jī)械手將Cassette 傳輸至下料位，聲光提示清洗完畢，待人工手動取出。

圖5 全自動SPM 清洗設(shè)備的工藝槽配置圖

2.3 BOE 濕法腐蝕工藝及設(shè)備

緩沖氧化層腐蝕液（Buffered oxide etch，BOE），又稱作 BHF（Buffered Hydrofluoric Acid），由NH4F-HF 組成，用于二氧化硅的濕法腐蝕[5]。HF 溶液中加入NH4F，可以減少F- 的分解，從而使反應(yīng)更穩(wěn)定。SiO2氧化膜對硅基半導(dǎo)體工藝非常重要，按照工藝用途，分為屏蔽氧化層、摻雜阻擋層、場氧化層和LOCOS、襯墊氧化層、犧牲氧化層[6]、柵氧化層和阻擋氧化層等。另外，當(dāng)硅片暴露在空氣中時，會生長一層無定型的自然氧化層。

在VDMOS 器件制造工藝流程中，自然氧化層的去除，場氧化層、屏蔽氧化層、介質(zhì)隔離層等氧化膜腐蝕，需要用到BOE 濕法腐蝕設(shè)備。BOE濕法腐蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成與上文兩種濕法設(shè)備類似，不再贅述。設(shè)備共有4 個工位，包括2 個化學(xué)槽、2 個QDR 槽。工藝槽的配置如圖 6 所示。每個化學(xué)槽對應(yīng)1 個QDR 槽，中間由一組機(jī)械手實(shí)現(xiàn)Cassette 在化學(xué)槽與QDR 槽之間的轉(zhuǎn)換。二氧化硅薄膜濕法刻蝕速率片內(nèi)均勻性與化學(xué)槽中刻蝕劑流速呈現(xiàn)拋物線關(guān)系，片間均勻性隨化學(xué)槽中刻蝕劑流速增加而減少。當(dāng)刻蝕劑流速為零時可獲得最優(yōu)的片內(nèi)及片間刻蝕均勻性。同時，化學(xué)清洗槽之后水槽的去離子水的流量和水管設(shè)計(jì)優(yōu)化也能改變二氧化硅薄膜濕法刻蝕的片內(nèi)及片間刻蝕均勻性[7]。工作過程為，將裝有待清洗晶圓的Cassette 手動掛入機(jī)械手定位卡槽中，控制系統(tǒng)按照設(shè)定的工藝程序自動完成腐蝕和清洗工藝。工藝結(jié)束后，傳輸機(jī)械手將Cassette 傳輸至QDR 槽，聲光提示清洗完畢，待人工手動取出。

圖6 半自動BOE 濕法腐蝕設(shè)備的工藝槽配置圖

2.4 鋁濕法腐蝕工藝及設(shè)備

在完成鋁層金屬淀積、光刻之后，進(jìn)行鋁的濕法腐蝕工藝。采用磷酸 (H3PO4，80%)、醋酸(CH3COOH，5%)、硝酸 (HNO3，5%) 和水(H2O，10%)所組成的混合溶液，在35～45 ℃條件下，進(jìn)行鋁的腐蝕[8]。HNO3使鋁氧化形成 Al2O3，H3PO4溶解Al2O3，兩個過程同時進(jìn)行。

鋁濕法腐蝕設(shè)備共有4 個工位，包括2 個化學(xué)槽、2 個QDR 槽。工藝槽的配置如圖7 所示。每個化學(xué)槽對應(yīng)1 個QDR 槽，中間由一組機(jī)械手實(shí)現(xiàn)Cassette 在化學(xué)槽與QDR 槽之間的轉(zhuǎn)換。工作過程為，將裝有待清洗晶圓的Cassette 手動掛入機(jī)械手定位卡槽中，控制系統(tǒng)按照設(shè)定的工藝程序自動完成腐蝕和清洗工藝。工藝結(jié)束后，傳輸機(jī)械手將Cassette 傳輸至QDR 槽，聲光提示清洗完畢，待人工手動取出。

圖7 半自動鋁腐蝕設(shè)備的工藝槽配置圖

刻蝕均勻性是衡量刻蝕工藝在硅片內(nèi)及硅片之間刻蝕一致性的參數(shù)，是保證芯片產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一[9]。刻蝕速率依賴于腐蝕液成分、溫度、光刻膠類型、刻蝕過程中溶液的攪拌和鋁薄膜中的雜質(zhì)或合金等幾個因素[10]。為了提高硅片鋁腐蝕均勻性，機(jī)臺配置了晶圓拋動與旋轉(zhuǎn)裝置，如圖8 所示。在刻蝕工藝過程中，使硅片拋動和旋轉(zhuǎn)，可以提高溶液的溫度、濃度均勻性，同時使化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體從硅片表面脫出，避免氣泡對刻蝕的影響。

圖8 硅片拋動和旋轉(zhuǎn)裝置原理圖

3 結(jié)束語

本文介紹了國內(nèi)普通VDMOS 生產(chǎn)線上常用的濕法工藝和濕法設(shè)備。隨著芯片制程水平的不斷提高，芯片的復(fù)雜性大幅度提高，制程對雜質(zhì)的敏感度更高，同時微小尺寸污染物的高效清洗也更加困難。隨著對產(chǎn)品良率要求的不斷提高，濕法設(shè)備也將會扮演更加重要的角色。