《【半导体清洗】半导体IC清洗技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【半导体清洗】半导体IC清洗技术.docx（10页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、旗开得胜半导体 IC 清洗技术摘要：介绍了半导体 IC 制程中存在的各种污染物类型及其对 IC 制程的影响和各种污染物的去除方法, 并对湿法和干法清洗的特点及去除效果进展了分析比较。关键词：湿法清洗；RCA 清洗；稀释化学法；IMEC 清洗法；单晶片清洗；干法清洗1 前言半导体 IC 制程主要以 20 世纪 50 年月以后制造的四项根底工艺离子注入、集中、外延生长及光刻为根底渐渐进展起来，由于集成电路内各元件及连线相当微细，因此制造过程中，假设遭到尘粒、金属的污染，很简洁造成晶片内电路功能的损坏，形成短路或断路等，导致集成电路的失效以及影响几何特征的形成。因此在制作过程中除了要排解外界的污染源
2、外，集成电路制造步骤如高温集中、离子植入前等均需要进展湿法清洗或干法清洗工作。干、湿法清洗工作是在不破坏晶圆外表特性及电特性的前提下，有效地使用化学溶液或气体去除残留在晶圆上之微尘、金属离子及有机物之杂质。2 污染物杂质的分类10读万卷书 行万里路IC 制程中需要一些有机物和无机物参与完成，另外，制作过程总是在人的参与下在净化室中进展，这样就不行避开的产生各种环境对硅片污染的状况发生。依据污染物发生的状况，大致可将污染物分为颗粒、有机物、金属污染物及氧化物。2.1 颗粒颗粒主要是一些聚合物、光致抗蚀剂和蚀刻杂质等。通常颗粒粘附在硅外表，影响下一工序几何特征的形成及电特性。依据颗粒与外表的粘附状
3、况分析，其粘附力虽然表现出多样化，但主要是范德瓦尔斯吸引力，所以对颗粒的去除方法主要以物理或化学的方法对颗粒进展底切，渐渐减小颗粒与硅外表的接触面积，最终将其去除。2.2 有机物有机物杂质在 IC 制程中以多种形式存在，如人的皮肤油脂、净化室空气、机械油、硅树脂真空脂、光致抗蚀剂、清洗溶剂等。每种污染物对IC 制程都有不同程度的影响，通常在晶片外表形成有机物薄膜阻挡清洗液到达晶片外表。因此有机物的去除常常在清洗工序的第一步进展。2.3 金属污染物IC 电路制造过程中承受金属互连材料将各个独立的器件连接起来，首先承受光刻、蚀刻的方法在绝缘层上制作接触窗口，再利用蒸发、溅射或化学汽相沉积CVD形成
4、金属互连膜，如 Al-Si，Cu 等，通过蚀刻产生互连线，然后对沉积介质层进展化学机械抛光CMP。这个过程对 IC 制程也是一个潜在的污染过程，在形成金属互连的同时，也产生各种金属污染。必需实行相应的措施去除金属污染物。2.4 原生氧化物及化学氧化物硅原子格外简洁在含氧气及水的环境下氧化形成氧化层，称为原生氧化层。硅晶圆经过 SC-1 和 SC-2 溶液清洗后，由于双氧水的强氧化力，在晶圆外表上会生成一层化学氧化层。为了确保闸极氧化层的品质，此外表氧化层必需在晶圆清洗过后加以去除。另外，在IC 制程中承受化学汽相沉积法CVD沉积的氮化硅、二氧化硅等氧化物也要在相应的清洗过程中有选择的去除。3
5、清洗方法分类3.1 湿法清洗湿法清洗承受液体化学溶剂和 DI 水氧化、蚀刻和溶解晶片外表污染物、有机物及金属离子污染。通常承受的湿法清洗有 RCA 清洗法、稀释化学法、 IMEC 清洗法、单晶片清洗等。3.1.1 RCA 清洗法最初，人们使用的清洗方法没有可依据的标准和系统化。1965 年， RCA美国无线电公司研发了用于硅晶圆清洗的 RCA 清洗法，并将其应用于 RCA 元件制作上。该清洗法成为以后多种前后道清洗工艺流程的根底，以后大多数工厂中使用的清洗工艺根本是基于最初的 RCA 清洗法。典型的 RCA 清洗见表 1。RCA 清洗法依靠溶剂、酸、外表活性剂和水，在不破坏晶圆外表特征的状况下
6、 通过喷射、净化、氧化、蚀刻和溶解晶片外表污染物、有机物及金属离子污染。在每次使用化学品后都要在超纯水UPW中彻底清洗。以下是常用清洗液及作用。（1） Ammonium hydroxide/hydrogen per ox ide/DI water mixture (APM; NH4OH/H2O2/ H2O at 6580).APM 通常称为 SC1 清洗液，其配方为：NH4 OH:H2O2：H2O=1:1:51:2:7，以氧化和微蚀刻来底切和去除外表颗粒；也可去除略微有机污染物及局部金属化污染物。但硅氧化和蚀刻的同时会发生外表粗糙。（2） Hydrochloric acid/hydrogen
7、peroxide/DI water mixture (HPM; HCI/ H2O2/ H2O at 6580).HPM 通常称为 SC-2 清洗液，其配方为：HCI: H2O2:H2O=1:1:61:2:8，可溶解碱金属离子和铝、铁及镁之氢氧化物，另外盐酸中氯离子与残留金属离子发生络合反响形成易溶于水溶液的络合物，可从硅的底层去除金属污染物。（3） Sulphuric acid硫酸/hydrogen peroxide过氧化氢/DI water去离子水 混合物(SPM;H2SO4/ H2O2/ H2O at 100130)。SPM 通常称为SC3 清洗液，硫酸与水的体积比是 1:3，是典型用于去
8、除有机污染物的清洗液。硫酸可以使有机物脱水而碳化，而双氧水可将碳化产物氧化成一氧化碳或二氧化碳气体。（4） Hydrofluoric acid 氢氟酸or diluted hydrofluoric acid稀释氢氟酸(HF or DHF at 2025)蚀刻。其配方为：HF:H2O=1:2:10，主要用于从特别区域去除氧化物、蚀刻硅二氧化物及硅氧化物，削减外表金属。稀释氢氟酸水溶液被用以去除原生氧化层及 SC1 和 SC2 溶液清洗后双氧水在晶圆外表上氧化生成的一层化学氧化层，在去除氧化层的同时，还在硅晶圆外表形成硅氢键， 而呈现疏水性外表。（5） Ultrapure waterUPW通常叫作
9、 DI 水，UPW 承受臭氧化的水稀释化学品以及化学清洗后晶片的冲洗液。RCA 清洗附加兆声能量后，可削减化学品及 DI 水的消耗量，缩短晶片在清洗液中的浸蚀时间，减轻湿法清洗的各向同性对积体电路特征的影响，增加清洗液使用寿命。3.1.2 稀释化学法在 RCA 清洗的根底上,对 SC1、SC2 混合物承受稀释化学法可以大量节约化学品及 DI 水的消耗量。并且 SC2 混合物中的 H2O2 可以完全去掉。稀释 APM SC2 混合物1:1:50可以有效地从晶片外表去除颗粒和碳氢化合物。猛烈稀释 HPM 混合物1:1:60和稀释 HCl1:100在去除金属时可以象标准 SC2 液体一样有效。承受稀
10、释 HCl 溶液的另外一个优点是，在低 HCl 浓度下颗粒不会沉淀。由于 pH 值在 22.5 范围内硅与硅氧化物是等电位的，pH 值高于该点，硅片外表带有网状负电荷；低于该点，硅片外表带有网状正电荷。这样在 PH 值高于 22.5 时，溶液中的颗粒与硅外表带有一样的电荷，颗粒与硅外表之间形成静电屏蔽，硅片在溶液中浸蚀期间这种屏蔽可以阻挡颗粒从溶液中沉积到硅外表上。但在 pH 值低于 2 时，硅片外表带正电荷，而颗粒带负电荷，这样一来就不会产生屏蔽效果，导致硅片在溶液中浸蚀时颗粒沉积到硅外表。有效把握 HCL 浓度可以阻挡溶液中颗粒沉积到硅外表。承受稀释 RCA 清洗法可使全部化学品消耗量削减
11、于 86%。稀释 SC1,SC2 溶液及 HF 补充兆声搅动后,可降低槽中溶液使用温度，并优化了各种清洗步骤的时间，这样导致槽中溶液寿命加长，使化学品消耗量削减 8090%。试验证明承受热的 UPW 代替凉的 UPW 可使 UPW 消耗量削减 7580%。此外，多种稀释化学液由于低流速/或清洗时间的要求可大大节约冲洗用水。3.1.3 IMEC 清洗法在湿法清洗中，为了削减化学品和 DI 水的消耗量，常承受 IMEC 清洗法，IMEC 清洗法过程如表 2。第一步，去除有机污染物，生成一薄层化学氧化物以便有效去除颗粒。通常承受硫酸混合物，但出于环保方面的考虑而承受臭氧化的 DI 水，既削减了化学品
12、和DI 水的消耗量又避开了硫酸浴后较困难的冲洗步骤。用臭氧化的 DI 水完全彻底去除 HMDS六甲基二硅胺烷比较困难，由于在室温下，臭氧可在溶液中高浓度溶解，但反响速度较慢，导致 HDMS 不能完全去除；较高温度下，反响速度加快，但臭氧的溶解浓度较低，同样影响 HMDS 的去除效果。因此为了较好的去除有机物，必需使温度、浓度参数到达最优化。其次步，去除氧化层，同时去除颗粒和金属氧化物。Cu，Ag 等金属离子存在于HF 溶液时会沉积到 Si 外表。其沉积过程是一个电化学过程，在光照条件下，铜的外表沉积速度加快。通常承受 HF/HCL 混合物在去除氧化层和颗粒的同时抑制金属离子的沉积。添加氯化物可
13、抑制光照的影响，但少量的氯化物离子由于在Cu 2+/Cu+反响中的催化作用增加了 Cu 的沉积，而大量的氯化物离子添加后形成可溶性的高亚铜氯化物合成体抑制铜离子沉积。优化的 HF/HCL 混合物可有效预防溶液中金属外镀，增长溶液使用时间。第三步，在硅外表产生亲水性，以保证枯燥时不产生枯燥斑点或水印。通常承受稀释 HCL/O3 混合物，在低 pH 值下使硅外表产生亲水性，同时避开再发生金属污染，并且在最终冲洗过程中增加 HNO3 的浓度可削减 Ca 外表污染。IMEC 清洗法与 RCA 清洗法的比较见表 3。从表中可以看出 IMEC 清洗法可到达很低的金属污染，并以其低化学品消耗及无印迹的优势获
14、得较好的本钱效率。3.1.4 单晶片清洗大直径晶片的清洗承受上述方法不好保证其清洗过程的完成，通常承受单晶片清洗法，如以以下图所示，其清洗过程是在室温下重复利用 DI-O 3/DHF 清洗液，臭氧化的 DI 水DI-O3 产生氧化硅，稀释的 HF 蚀刻氧化硅，同时去除颗粒和金属污染物。依据蚀刻和氧化的要求承受较短的喷淋时间就可获得好的清洗效果，不会发生穿插污染。最终冲洗不是承受 DI 水就是承受臭氧化 DI 水。为了避开水渍，承受浓缩大量氮气的异丙基乙醇IPA进展枯燥处理。单晶片清洗具有或者比改进的 RCA 清洗更好的清洗效果，清洗过程中通过承受 DI 水及 HF 的再循环利用，降低化学品的消
15、耗量，提高晶片本钱效益。3.2 干法清洗干法清洗承受气相化学法去除晶片外表污染物。气相化学法主要有热氧化法和等离子清洗法等，清洗过程就是将热化学气体或等离子态反响气体导入反响室，反响气体与晶片外表发生化学反响生成易挥发性反响产物被真空抽去。各种污染物的去除措施分别列于表 4。在 CI 包涵环境中退火是一种典型的热氧化过程，在氧化炉中进展，氩Ar溅射通常在溅射淀积前现场进展。等离子清洗承受激光、微波、热电离等措施将无机气体激发到等离子态活性粒子， 活性粒子与外表分子反响生成产物分子，产物分子进一步解析形成气相剩余物脱离外表。干法清洗的优点在于清洗后无废液，可有选择性的进展局部处理。另外，干法清洗
16、蚀刻的各向异性有利于细线条和几何特征的形成。但气相化学法无法有选择性的只与外表金属污染物反响，都不行避开的与硅外表发生反响。各种挥发性金属混合物蒸发压力不同，在低温下各种金属挥发性不同，所以在确定的温度、时间条件下，不能将全部金属污染物完全去除，因此干法清洗不能完全取代湿法清洗。试验说明，气相化学法可按要求的标准削减的金属化污染物有铁、铜、铝、锌、镍等，另外，钙在低温下承受基于 CL 离子的化学法也可有效挥发。工艺过程中通常承受干、湿法相结合的清洗方式。4 总结半导体 IC 清洗是 IC 制程中重复次数最多的工序，清洗效果的好坏较大程度的影响芯片制程及积体电路特性等质量问题。清洗液使用的各种化学品处理不当就会严峻污染环境，清洗次数繁多消耗大量的化学品和 DI 水。稀释化学法、IMEC 清洗法、干法清洗及干湿结合的清洗方法等，可以削减或完全取代局部化学品的消耗，削减DI 水消耗量。面对刻线更细、集成度更高的IC 制程，人们还在争论更有效的清洗方案，如兆声能量在清洗液中的有效匹配对亚微细颗粒的去除力气等。在更高精度的 IC 制程中半导体 IC 清洗将会面对更大的挑战。