一種新型超凈高純試劑在半導體技術(shù)中的應用

1、半導體技術(shù)第30卷第9期2005年9月201引言隨著半導體技術(shù)的迅速發(fā)展,對超凈高純試劑的要求越來越高,在集成電路和超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)過程中,超凈高純試劑主要用于芯片及硅圓片表面的清洗,其質(zhì)量對集成電路的成品率、電性能及可靠性都有著十分重要的影響。超凈高純試劑的品種很多,常用的超凈高純試劑主要有:酸類如硫酸、氫氟酸、硝酸、鹽酸、磷酸、醋酸、混酸;堿類如氫氧化銨;溶劑類如甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二甲苯、環(huán)己烷;其他類如過氧化氫、氟化銨水溶液等1。這些試劑有的有腐蝕作用,有的有毒而產(chǎn)生污染,因此,多年來國內(nèi)外許多單位都在研究開發(fā)無毒或低毒的中性試劑。我國在“六五

2、”、“七五”、“八五”和“十五”期間,都將超凈高純試劑的研究開發(fā)列入了國家重點科技攻關(guān)任務2。所以,新型超凈高純乙腈3的成功開發(fā)有著重要的現(xiàn)實意義。這里所指的新型超凈高純試劑就是以超凈高純乙腈為主要成分的試劑,本文通過檢測這種新型超凈高純試劑應用于MOS器件柵氧化前清洗的效果,以考察其在半導體器件相應清洗工藝中的應用情況?；痦椖?中國石油化工股份有限公司科研開發(fā)資金資助(201074一種新型超凈高純試劑在半導體技術(shù)中的應用鄭學根,邱曉生,汪道明(中國石化股份有限公司安慶分公司檢驗中心,安徽安慶246002摘要:通過對新型超凈高純試劑同常規(guī)C M O S 酸堿試劑同時進行C M O S 工藝中

3、柵氧化前的清洗實驗,從清洗后硅片殘留金屬量的電感耦合高頻等離子體原子發(fā)射光譜分析、硅片表面形貌的A F M 分析和M O S 電容測量三個方面進行了應用實驗。結(jié)果表明,以超凈高純乙腈為主要組分的新型試劑,其清洗效果總體優(yōu)于常規(guī)C M O S 酸堿試劑,可以考慮在半導體器件相應清洗工藝中采用。關(guān)鍵詞:高純試劑;半導體;清洗工藝中圖分類號:TQ421.2+3文獻標識碼:A文章編號:1003-353X(200509-0020-04ApplicationofaNewSuper-CleanandHigh-PurityReagentinSemiconductorTechniqueZHENGXue-gen,

4、QIUXiao-sheng,WANGDao-ming(AnalysisCenterofAnqingCompany,SINOPEC,Anqing 246002,China Abstract :Thenewsuper-cleanandhigh-purityreagentandthecommonCMOSreagentofacid oralkaliwereusedsimultaneouslybycleaningexperimentbeforegridoxidationinCMOStechnology,themetalcontentofapieceofcleanedsilicawasmeasuredby

5、ACP-AES,theappearancepatternofa pieceofcleanedsilicawasmeasuredbyAFM,MOSelectriccapacitywasmeasuredtoo.Theexperi-mentalresultsshowedthatcleaningeffectofthenewreagentmadeofsuper-cleanandhigh-purity acetonitrilewassuperiortousualCMOSacidandalkalicleansingsolution,itwasusedascleaning solutionforsemicon

6、ductor.Keywords :high-purityreagent ;semiconductor ;cleaningsolution技術(shù)專欄Se mico nduc tor Tech nology Vol. 30 No. 9September 2005212實驗方法采用p 型(10035cm 磨拋好的5cm 硅片,分成兩組。第一組用新型超凈高純試劑清洗;第二組用抗輻射CMOS 工藝線上的常規(guī)酸堿試劑清洗。清洗過程為:制備的片子置于聚四氟乙烯片架并浸泡在清洗液中,用5060去離子水加熱并超聲處理1012min;倒去清洗液,用5060一次去離子水沖洗56min ;續(xù)用另一次去離子水沖洗56mi

7、n;用二次去離子水(>16M 沖洗3min 后甩干。除此以外,其他工藝過程全同。將所有清洗處理完畢的片子進行如下實驗及測量:(1對兩組試劑清洗好的硅片表面進行電感耦合高頻等離子體原子發(fā)射光譜分析測量,檢測其表面雜質(zhì)殘留情況,對他們的表面清洗效果進行比較;(2對兩組試劑清洗好的硅片進行原子力顯微鏡(A F M 觀察,并記錄其表面形貌,對兩組試劑清洗后的硅片的表面情況進行比較;(3用兩組試劑清洗好的硅片進行H ,O 合成柵氧化物生長,柵氧化物厚度約為50nm,然后制作鋁柵MOS 電容,并進行三項測量:常態(tài)高頻(1M H z C -V 測量,電容C -V 的溫偏實驗,其外加電場為1×

8、106V/cm,溫度為100;擊穿場的測量;總劑量輻射測量,外加電場1×106V /c m,總計量為3×105R a d(Si 。3實驗結(jié)果3.1電感耦合高頻等離子體原子發(fā)射光譜分析采用美國產(chǎn)J-ASH965型光譜分析儀進行分析,該分析儀對大多數(shù)元素分析精度為10-810-9g/ml。被分析的硅片上殘留金屬有N a ,F e ,C u ,C r ,K ,Z n ,N i 及M n 。分析結(jié)果表明,對于采用新型超凈高純試劑清洗的硅片,上述金屬殘留物在儀器可分辨的范圍內(nèi),等同于常規(guī)C M O S 酸堿試劑清洗的效果。同時,其對于N a ,K 這樣對MOS 器件特別有害的堿金屬殘

9、留物可優(yōu)于常規(guī)試劑清洗的效果,因而可以滿足MOS 器件柵氧化前清洗要求。詳細分析結(jié)果見表1。從表中可看出,用新型超凈高純試劑清洗后,多數(shù)硅片金屬殘留物較少。表1不同試劑清洗后的硅片金屬殘留物比較檢測項目NaFeCuCrKZnNiMn 備注1號為用新型超凈高純試劑清洗;2號為用抗輻射C M O S 工藝線上的常規(guī)酸堿試劑清洗3.2原子力顯微鏡分析結(jié)果對1號和2號樣品進行原子力顯微鏡(A F M分析并進行形貌觀察,觀測結(jié)果見圖1和圖2。從圖中可以發(fā)現(xiàn),1號樣品清洗的片子表面起伏最大值為8n m 左右(見圖1;2號樣品即常規(guī)C M O S 酸堿試劑清洗的片子的表面起伏最大值為60nm左右(見圖2。這

10、說明該新型超凈高純試劑清洗后,硅片的表面平整度優(yōu)于常規(guī)CMOS 酸堿試劑清洗后的硅片。3.3MOS 電容測量結(jié)果3.3.1常態(tài)高頻C-V 曲線及溫偏測量結(jié)果將1號新型超凈高純試劑與2號常規(guī)酸堿試劑清洗的常態(tài)M O S 電容進行了比較(圖3,發(fā)現(xiàn)兩者的C-V 曲線基本重合,說明該新型超凈高純試劑圖1新型超凈高純試劑清洗后硅片的A F M 掃描結(jié)果技術(shù)專欄半導體技術(shù)第30卷第9期2005年9月22的清洗效果同常規(guī)試劑的清洗效果相當。圖4和圖5分別示出1號樣品新型超凈高純試劑 及2號樣品常規(guī)CMOS 酸堿試劑的溫偏實驗結(jié)果。從圖中可以看出,1號樣品同2號樣品常規(guī)C M O S 酸堿試劑的溫偏前后MO

11、S 電容C-V 特性接近,由此計算SiO 2內(nèi)可動鈉離子面密度<5×1010/cm 2,滿足C M O S 器件工藝的要求。3.3.2MOS電容擊穿特性測量結(jié)果圖6和圖7分別示出1號樣品新型超凈高純試劑及2號樣品常規(guī)CMOS 酸堿試劑清洗制作的MOS 電容芯片上隨機抽取相同數(shù)量的MOS電容擊穿電壓測量的統(tǒng)計分配圖。1號樣品統(tǒng)計平均擊穿特性較好,且最大擊穿電場也稍高,這說明從擊穿特性角度看1號樣品清洗效果優(yōu)于2號樣品常規(guī)CMOS 酸堿試劑。圖2常規(guī)C M O S 酸堿試劑清洗后硅片的A F M 掃描結(jié)果-12-10-8-6-4-2024681012新型超凈高純試劑清洗常規(guī)酸堿試劑

12、清洗電壓/V電容/氧化層電容圖3常態(tài)下新型超凈高純試劑和常規(guī)酸堿試劑清洗后硅片的C -V 曲線的比較圖4新型超凈高純試劑清洗后MOS 電容的-10-50510B T 前偏壓/V 電容/氧化層電容B T 后-10-50510B T 前偏壓/V電容/氧化層電容B T 后圖5常規(guī)酸堿試劑清洗后M O S 電容的溫度-偏壓實驗曲線圖6新型超凈高純試劑清洗后M O S 電容擊穿電壓分布率3530252015105030354045505560擊穿電壓/V分布率/100%3530252015105030354045505560擊穿電壓/V分布率/100%圖7常規(guī)酸堿試劑清洗后M O S 電容擊穿電壓分布率

13、技術(shù)專欄Se mico nduc tor Tech nology Vol. 30 No. 9September 2005233.3.3MOS電容總計量輻射特性測量結(jié)果圖8和圖9分別示出1號樣品新型超凈高純試劑和2號樣品常規(guī)C M O S 酸堿試劑清洗的M O S 電容在經(jīng)過3×105R a d (S i 射線(C o 60源,E =1.33MeV總劑量輻射特性,從輻射后相對輻射前的高頻C-V 曲線的移動可以看出,新型超凈高純試劑略優(yōu)于常規(guī)CMOS 工藝酸堿試劑的清洗效果,計算得到前者氧化物空穴陷阱電荷密度約為2.1×1011/cm 2,后者此電荷密度約為2.8×1

14、011/cm 2。4結(jié)論對新型超凈高純試劑與常規(guī)CMOS 酸堿試劑同時進行了CMOS 工藝中柵氧化前的清洗實驗。實驗項目包括清洗后硅片殘留金屬量的電感耦合高頻等離子體原子發(fā)射光譜分析、硅片表面形貌的A F M 分析、M O S 電容的常態(tài)C -V 及溫偏實驗、擊穿電壓分布以及總計量輻射實驗。測量結(jié)果證明,所得到的各項結(jié)果說明此新型超凈高純試劑的清洗效果總體優(yōu)于常規(guī)C M O S 酸堿試劑,因此,可以考慮在半導體器件相應清洗工藝中采用。參考文獻:1聞瑞梅.兆位電路用高純水、氣和化學試劑的質(zhì)量控制J .電子學報,1993,21(5:2430.凈高純試劑的質(zhì)量要求J .半導體技術(shù),1998,23(4:89.3鄭學根,邱曉生,王長明,等.新型超凈高純乙腈的研制J