消除外延襯底中心圈缺陷的晶片清洗工藝研究及應用*

李國芳，陳飛宏，普世坤，柳廷龍，劉漢保，陳代鳳，李 嬌

（1.云南臨滄鑫圓鍺業股份有限公司，云南 臨滄 677000；2.云南鑫耀半導體材料有限公司，云南 昆明 650503；3.云南中科鑫圓晶體材料有限公司，云南 昆明 650503；4.昆明云鍺高新技術有限公司，云南 昆明 650503）

隨著制造業自動化程度提高，半導體材料運用領域不斷擴寬，上游行業也得到了飛速的發展，為了進一步穩定并提高半導體材料如砷化鎵、鍺晶片等產品的質量，同時提高產品產量以按時完成產品交期，全自動清洗機的使用已是大勢所趨。全自動清洗機的運作依靠程序的設定，對清洗流程時間把控準確，對清洗工藝進行固化，能大幅提高產量的同時還能保證產品質量。在清洗工序中，每個小過程的時間設定、流速等是影響晶片清洗效果的主要因素。

目前全自動清洗機清洗出的晶片，長外延后容易出現中心圈缺陷，全自動清洗機面臨著需要研究出一套與其匹配的清洗工藝，以滿足晶片外延質量要求。本研究對比傳統人工清洗與現有自動清洗機的清洗工藝，研究出一種穩定的、能滿足外延需求的全自動清洗砷化鎵晶片的工藝。

1 清洗技術及研究現狀

砷化鎵需求量：砷化鎵晶片是一種重要的半導體材料，是兼具多方面優點的材料，由于其具有電子遷移率比硅大（5～6）倍且可制造出電阻率比硅和鍺高三個數量級以上的半絕緣高阻材料的特點，可廣泛應用于集成電路襯底、探測器、微波器件和高速數字電路、遙控、手機、DVD計算機外設、照明等諸多領域。砷化鎵制成的半導體器件具有高頻、高低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點。隨著5G及互聯網突飛猛進的發展，對該產品的需求量急劇增加；從“十四·五”規劃可以看出，隨著科技在國家發展中的地位越來越重要，集成電路產業作為信息技術的核心，已成為我國政策和資本關注的核心產業之一。而作為集成電路基板半絕緣砷化鎵襯底必將獲得爆發式增長。由于市場的需求及國家的支持，砷化鎵晶片的需求量將大幅提升。

砷化鎵晶片目前清洗技術：據相關統計，80%的芯片電學失效是由玷污帶來的缺陷引起的[1]，可采用不同的清洗方式潔凈這些玷污。從砷化鎵制備的整個工藝流程（晶體生長-晶體加工-晶體切片-晶片研磨-晶片拋光-晶片清洗）來看，清洗是最后一個環節，雜質沾污對器件性能的影響較大[2]，完全清潔的基片表面是實現后端電子產品高性能處理的第一步[3]，而砷化鎵晶片由于表面化學性質活潑，加工過程中，易沾污顆粒、有機物和金屬離子等附在晶片表面，其中，在外延熱處理過程中金屬雜質容易擴散進入砷化鎵襯底，從而在禁帶中產生缺陷或者產生復合中心的能級，造成晶片表面勢的不可控漂移，影響表面的少子壽命和表面復合速率，進而引起過量的漏電流，最終導致器件的其他性質出現各種退化和穩定性問題[4]。所以，清洗環節對客戶晶片使用成功與否尤為重要。目前國內主要還是以傳統人工溶液清洗為主要清洗方式，但是人工清洗費時、費力，且可能由于個人經驗差異存在晶片沖洗不均勻，所以國內目前有少數廠家已引入全自動清洗機來清洗砷化鎵晶片。但是全自動清洗技術尚處于起步發展階段，技術還不夠成熟，所以針對全自動清洗機的工藝調整及確定對砷化鎵晶片制造企業來說又是一個大的技術攻關難題。目前，由于晶片清洗后無法在晶片生產端檢測出外延后襯底可能出現的中心圈缺陷（強光燈下能查看到，如圖1所示），此缺陷問題只有在客戶端外延后才能顯現出來，所以需在實驗的基礎上，通過對清洗方法的確認，獲得外延后襯底質量符合要求的方案。

圖1 晶片外延后中心圈缺陷Fig.1 Extensional rear center defect of central circle of wafer

2 研究技術要點

2.1 條件及方法

采用表面顆粒度測試儀對晶片表面進行測試，并將客戶圖片反饋對照。

2.2 試驗方案

2.2.1 基礎條件

研究使用垂直梯度凝固法（VGF） 生長的R-50±0.1 mm-N型摻Si低阻砷化鎵（GaAs） 單晶做實驗晶片，其晶向為〈100〉偏〈011〉A15°±0.5°。

2.2.2 清洗工藝過程

人工清洗工藝過程為：傳統人工清洗，1983年A.Y.Cho提出的外延生長前砷化鎵襯底的清洗過程[5]，到清洗工序后，甲醇和去離子水沖洗（去有機雜質） →硫酸雙氧水腐蝕（去無機雜質） →去離子水沖洗→鹽酸腐蝕（去氧化物） →去離子水沖洗，目前大多研究是根據此方法延伸拓展。此研究中，人工清洗方法為：RCA清洗法[6]，使用SC1有機溶劑乙醇去除晶片表面有機雜質；SC2含雙氧水和氨水的有機溶液進行沖洗，使金屬離子和金屬氧化物絡合為可溶性絡合物并溶解部分難容的氧化物。

實驗清洗工藝過程為六個步驟，即SC1→DI水→SC2→DI水→SC3→DI水（Ultrapure water縮寫為UPW，通常叫做DI水，UPW采用臭氧化的水稀釋化學品以及化學清洗后晶片的沖洗液[7]），SC3是以雙氧水為主的有機溶液，貫穿六個步驟的條件設置如表1。以下方案的其他條件是實驗前經多次調配實驗后固化下來的指導參數：SC1、SC2和SC3的液體流速控制在（150～260） mL/min、沖洗時間（5～8） s和藥品溫度（15～30） ℃，不同地區、不同環境的參數是不一樣的。

表1 制樣方案條件Tab.1 Sample preparation conditions

2.3 實驗結果

1） 通過Tencor機 （CS20） 對隨機抽取的晶片表面掃碼，顆粒度測試結果如表2所示。

表2 顆粒度測試結果Tab.2 Test results of particle size 顆

測試結果中：

方案1～方案8及方案 4～方案 6的對比實驗可看出：①吹掃氮氣易使晶片造成晶片表面沾污，且可能會被內部循環風旋渦狀地將沾污集中于晶片中心位置；②從晶片類型看，新片或者返修片無較大區別，顆粒值均在10顆以下。

方案1～方案6及方案7～方案8的對比實驗可看出：

未吹掃氮氣的全自動清洗機清洗的晶片的表面情況，比傳統人工清洗晶片的表面情況穩定，克服了超微粒子數量去除難度問題[8]；

2）通過顆粒度測試儀Tencor機對隨機晶片表面掃碼，顆粒度測試QAbsPhase光源針對污染缺陷掃描結果如表3所示。

表3 顆粒度測試QAbsPhase光源掃描結果Tab.3 QAbsPhase light source scan results of particle size

通過表3可看出，方案3（艙內吹掃氮氣）的晶片掃描結果顯示：中間部位比平均信號暗的面積較大，方案6（艙內吹掃氮氣），比平均信號暗的中間部位的暗影分布不均勻。方案3和方案6的QAbsPhase光源針對污染缺陷掃描結果較其他方案的差，容易造成晶片外延后出現缺陷。

3）晶片外延后，有兩個結果：①晶片外延后出現中心圈缺陷，如圖1所示；②晶片表面滿足外延要求，其表面是透亮、無可見缺陷，如圖2所示。各方案加工出的晶片經外延后，兩片出現了類似于圖1的中心圈缺陷，襯底中間位置均有霧狀呈現，通過對晶片號加工記錄的追溯，這兩片是吹掃氮氣（方案3和方案6）的工藝條件下加工的晶片，其他方案清洗的晶片長外延后反饋是：電性正常，外觀正常。

圖2 滿足外延要求的襯底Fig.2 Substrate in accordance with extensional requirements

3 應用效果

通過全自動清洗機清洗的晶片，除在艙室內吹掃過氮氣的晶片外，其余的晶片通過3種溶液（SC1、SC2和SC3） 的清洗，有效地去除了晶片表面顆粒及金屬附著物，掃描結果顯示晶片表面粒徑小于0.3 μm的顆粒均小于10顆/片。

人工清洗的兩個方案（方案7和方案8） 清洗后的晶片，晶片表面粒徑小于0.3 μm的顆粒掃描結果：方案7一組較穩定（2顆，2顆，2顆），后一組結果差距較大（19顆，6顆，4顆）。

全自動清洗機工藝清洗的晶片，在以上4種條件下清洗，其表面基本滿足了目前LED用襯底片表面質量要求。迄今，國外對國內高精密加工技術嚴格保密，嚴重制約了先進電子產品制程的發展，因此急需自主研究探索超凈清洗技術，并持續開展半導體材料的清洗機理、清洗設備及清洗配方技術的研究。

目前全自動清洗機清洗的晶片，外延后襯底易出現中心圈缺陷的問題。在晶片清洗工藝的實驗中，采取了六步驟自動清洗的方法清洗砷化鎵晶片，通過多組實驗，對比了傳統人工清洗與現有自動清洗機的清洗工藝，研究出一種穩定的、能滿足外延需求的全自動清洗機清洗砷化鎵晶片的工藝，為鍺、磷化銦和砷化鎵晶片等半導體材料的清洗技術研發提供參考。

4 結語

通過八組試驗對照，可以得到以下兩個結論：

1）全自動清洗機艙內不宜吹掃氮氣；

2）從晶片表面質量、批次間穩定性比較：全自動清洗機清洗方式比傳統人工清洗方式穩定。