半導(dǎo)體制造工藝培訓(xùn)課程

1、半導(dǎo)體制造工藝第3章清 洗 工 藝第3章清 洗 工 藝3.1引言3.2污染物雜質(zhì)的分類3.3清洗方法概況3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備3.5質(zhì)量控制3.1引言表3-1國際半導(dǎo)體技術(shù)指南清洗技術(shù)3.1引言表3-1國際半導(dǎo)體技術(shù)指南清洗技術(shù)3.2污染物雜質(zhì)的分類表3-2各種沾污的來源和相對的影響3.2污染物雜質(zhì)的分類3.2.1顆粒顆粒主要是一些聚合物、光刻膠和蝕刻雜質(zhì)等。通常都是在工藝中引進的，工藝設(shè)備、環(huán)境、氣體、化學(xué)試劑和去離子水均會引入顆粒。這些顆粒一旦粘附在硅外表，那么會影響下一工序幾何特征的形成及電特性。根據(jù)顆粒與外表的粘附情況分析，其粘附力雖然表現(xiàn)出多樣化，但主要是范德瓦爾斯吸引力，

2、所以對顆粒的去除方法主要以物理或化學(xué)的方法對顆粒進行底切，逐漸減小顆粒與硅外表的接觸面積，最終將其去除。3.2污染物雜質(zhì)的分類3.2.2有機剩余物有機物雜質(zhì)在IC制程中以多種形式存在，如人的皮膚油脂、凈化室空氣、機械油、硅樹脂、光刻膠、清洗溶劑等，殘留的光刻膠是IC工藝中有機沾污的主要來源。每種污染物對IC 制程都有不同程度的影響，通常會在晶圓外表形成有機物薄膜阻止清洗液到達晶圓外表，會使硅片外表無法得到徹底的清洗。因此有機剩余物的去除常常在清洗工序的第一步進行。3.2污染物雜質(zhì)的分類3.2.3金屬污染物IC制造過程中采用金屬互連材料將各個獨立的器件連接起來，首先采用光刻、刻蝕的方法在絕緣層上

3、制作接觸窗口，再利用蒸發(fā)、濺射或化學(xué)氣相沉積CVD形成金屬互連膜，如Al Si，Cu等，通過蝕刻產(chǎn)生互連線，然后對沉積介質(zhì)層進行化學(xué)機械拋光CMP。這個過程對IC制程也是一個潛在的沾污過程，在形成金屬互連的同時，產(chǎn)生的各種金屬沾污會影響器件性能，如在界面形成缺陷，在后續(xù)的氧化或外延工藝中引入層錯，PN結(jié)漏電，減少少數(shù)載流子的壽命。除此以外，在整個晶圓的工藝制備過程中，所用的氣體、化學(xué)試劑、器皿、去離子水的純度不夠、設(shè)備本身的沾污以及操作人員所攜帶的金屬離子等都會對IC引入一些可動離子沾污，這些離子大局部都是金屬離子，并且人是最大的引入源。3.2污染物雜質(zhì)的分類1)通過金屬離子和硅襯底外表的氫原

4、子之間的電荷交換直接結(jié)合到硅外表，這種類型的雜質(zhì)很難通過濕法清洗工藝去除，這類金屬常是貴金屬離子，如金(AU)，由于它的負電性比Si高，有從硅中取出電子中和的趨向，并沉積在硅外表。2)金屬沉積的第二種機理是在氧化時發(fā)生的，當硅在氧化時，像Al、Cr和Fe等有氧化的趨向，并會進入氧化層中，這種金屬雜質(zhì)可通過在稀釋的HF中去除氧化層而去除。3.2污染物雜質(zhì)的分類3.2.4需要去除的氧化層硅原子非常容易在含氧氣及水的環(huán)境下氧化形成氧化層。該層氧化物不是所需要存在的氧化層，它會阻止晶圓外表在其他的工藝過程中發(fā)生正常的反響，它可成為絕緣體，從而阻擋晶圓外表與導(dǎo)電的金屬層之間良好的電性接觸，同時為了確保柵

5、極氧化層的品質(zhì)，晶圓如果經(jīng)過其他工藝操作或者經(jīng)過清洗后由于過氧化氫的強氧化力，在晶圓外表上會生成一層化學(xué)氧化層，此外表氧化層必須去除。另外，在IC制程中采用化學(xué)氣相沉積法CVD沉積的氮化硅、二氧化硅等氧化物也要在相應(yīng)的清洗過程中有選擇地去除。 3.3清洗方法概況表3-3硅片濕法清洗化學(xué)品表3-3硅片濕法清洗化學(xué)品3.3清洗方法概況3.3.1RCA清洗工業(yè)中標準的濕法清洗工藝稱為RCA清洗工藝，是由美國無線電公司RCA的WKern和DPuotinen于1970年提出的，主要由過氧化氫和堿組成的1號標準清洗液SC 1以及由過氧化氫和酸組成的2號標準清洗液SC 2進行一系列有序的清洗。RCA清洗工藝

6、技術(shù)的特點在于按照應(yīng)該被去除的污染物種類選用相應(yīng)的清洗藥水，按照順序進行不同的藥水的清洗工藝，就可以去除掉所有附著在硅圓片上的各種污染物。需要注意的是，每次使用化學(xué)品后都要在超純水UPW中徹底清洗，去除剩余成分，以免污染下一步清洗工序。典型的硅片濕法清洗流程如圖3 1所示。實際的順序有一些變化，應(yīng)根據(jù)實際情況做相應(yīng)調(diào)整以及增加某些HF/H2ODHF去氧化層步驟。3.3清洗方法概況圖3-1典型的硅片濕法清洗流程3.3清洗方法概況1)第一步是去除有機物和金屬，用到的試劑是H2SO4/H2O2(SPM)。 2)第二步是去除顆粒，一般用NH4OH/H2O2/H2O(APM)1號標準清洗液(SC-1)。

7、3)第三步是去除金屬，一般用HCl/H2O2/H2O(HPM)2號標準液(SC-2)。4)第四步是在旋轉(zhuǎn)枯燥器中進行離心枯燥，并用低沸點的有機溶劑進一步置換枯燥。3.3清洗方法概況3.3.2稀釋RCA清洗現(xiàn)行的RCA清洗方法存在不少問題：步驟多，消耗超純水和化學(xué)試劑多，本錢高；使用強酸強堿和強氧化劑，操作危險；試劑易分解、揮發(fā)，有刺激性氣味，使用時必須通風，從而增加了超凈間的持續(xù)費用；存在較嚴重的環(huán)保問題；硅片枯燥慢，枯燥不良可能造成前功盡棄，且與其后的真空系統(tǒng)不能匹配。其中的很多問題是RCA本身無法克服的。3.3清洗方法概況3.3.3IMEC清洗基于使用稀釋化學(xué)品的成功經(jīng)驗，IMEC(Int

8、eruniversity MicroElectronics Centre，大學(xué)間聯(lián)合微電子研究中心)提出了一項臭氧化和稀釋化學(xué)品的簡化清洗方法。第一步去除有機污染物，通常采用硫酸混合物，但出于環(huán)保方面的考慮，在正確的操作條件下嚴格控制好溫度、濃度參數(shù)可以采用臭氧化的去離子水，既減少了化學(xué)品和去離子水的消耗量，又防止了硫酸浴后復(fù)雜的沖洗步驟。同時，用此清洗方法取代標準化的SPM清洗方法可增加3倍的酸槽使用壽命。第二步那么采用最正確化的氫氟酸及鹽酸混合稀釋液，可以在去除氧化層和顆粒的同時抑制Cu、Ag等金屬離子的沉積。因為Cu、Ag等金屬離子存在于HF溶液時會沉積到Si外表，其沉積過程是一個電化學(xué)

9、過程，在光照條件下，銅的外表沉積速度加快。3.3清洗方法概況添加氯化物可抑制光照的影響，但少量的氯化物離子由于在Cu2+/Cu+反響中的催化作用增加了Cu的沉積，而大量的氯化物離子添加后形成可溶性的高亞銅氯化物合成體抑制了銅離子的沉積。優(yōu)化的HF/HCl混合物可有效預(yù)防溶液中金屬外鍍，增長溶液使用時間。第三步是使用最正確的臭氧化混合物，如氯化氘及臭氧，可在較低pH環(huán)境下使硅外表產(chǎn)生親水性，以保證枯燥時不產(chǎn)生枯燥斑點或水印，同時防止金屬污染的再次發(fā)生。在最后沖洗過程中增加了HNO3的濃度可減少外表Ca的污染。 表3-4IMEC清洗法與RCA清洗法的比較3.3清洗方法概況3.3.4單晶圓清洗隨著器

10、件工藝技術(shù)的關(guān)鍵尺寸不斷縮小，以及新材料的引入，使得前道制程(FEOL)中外表處理更為重要。關(guān)鍵尺寸縮小使得清洗的工藝窗口變窄，要滿足清洗效率并同時做到盡量少的外表刻損和結(jié)構(gòu)損壞變得十分不容易。以上這些傳統(tǒng)的批式處理方法已經(jīng)越來越無法適應(yīng)濕式清洗的實際應(yīng)用，制造工藝過程需要其他新型清洗步驟，從而確保重要的器件規(guī)格、性能以及可靠性不因污染物的影響而大打折扣。此外，批式濕式處理無法滿足如快速熱處理(RTP)等工藝的關(guān)鍵擴散技術(shù)和CVD技術(shù)。因此，業(yè)內(nèi)正逐步傾向于使用單晶圓濕式清洗處理技術(shù)，以降低重要的清洗過程中交叉污染的風險，從而提高產(chǎn)品成品率以及降低本錢。單晶圓清洗技術(shù)處理也更適于向銅和低k值電

11、介質(zhì)等新型材料過渡。3.3清洗方法概況3.3.5干法清洗所謂干法清洗是相對濕法化學(xué)清洗而言的，一般指不采用溶液的清洗技術(shù)。根據(jù)徹底采用溶液的程度，分為“全干法和“半干法清洗。目前常用的干法清洗方法有等離子體清洗、氣相清洗技術(shù)等。等離子體清洗屬于全干法清洗，而氣相清洗屬于半干法清洗。干法清洗的優(yōu)點在于清洗后無廢液，可以有選擇性地進行芯片的局部清洗工序。在VLSI制備過程中，面對晶圓尺寸的不斷擴大與芯片關(guān)鍵圖形尺寸的不斷減小，以等離子清洗技術(shù)為主的干法清洗技術(shù)，以它少輻射易控制的優(yōu)點正在逐步成為濕法清洗的主要替代方法。3.3清洗方法概況圖3-2等離子清洗機的工作原理圖及清洗過程3.3清洗方法概況1

12、)被清洗的工件送入真空艙并加以固定，啟動運行裝置，開始排氣，使真空艙的真空程度到達10Pa左右的標準真空度。2)向真空艙引入等離子清洗用的氣體，并使其壓力保持在100Pa。3)在真空艙內(nèi)的電極與接地裝置之間施加高頻電壓，使氣體被擊穿，并通過輝光放電而發(fā)生離子化并產(chǎn)生等離子體。4)清洗完畢后切斷高頻電壓，并將氣體及汽化的污垢排出，同時向真空艙內(nèi)鼓入空氣，并使氣壓升至一個大氣壓。3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備圖3-3全自動硅片超聲波清洗機3.4.1超聲波清洗原理3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備超聲波在本質(zhì)上和聲波是一樣的，都是機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程，超聲波和聲波的區(qū)別僅在于頻率范圍的不同

13、。聲波是指人耳能聽到的聲音，一般認為聲波的頻率在2020000Hz范圍內(nèi)，而振動頻率超過20kHz以上的聲波那么稱為超聲波，用于清洗的超聲波所采用的頻率為，超聲波由于頻率高、波長短，因而傳播的方向性好、穿透能力強，這也就是為什么設(shè)計制作超聲波清洗機的原因。3.4.2超聲波清洗機3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備超聲波拋動粗洗超聲波拋動清洗超聲波拋動漂洗超聲波拋動漂洗純水噴淋拋動漂洗超聲波拋動漂洗。熱純水超聲波拋動清洗熱堿水超聲波拋動清洗熱純水超聲波拋動清洗熱純水超聲波拋動清洗純水噴淋拋動漂洗熱酸超聲波拋動清洗熱純水超聲波拋動漂洗熱純水超聲波拋動漂洗。3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備純水超聲波拋動清洗清洗劑超聲波拋動清洗純水噴淋漂洗清洗劑超聲波拋動清洗清洗劑超聲波拋動清洗純水噴淋漂洗純水超聲波拋動漂洗純水超聲波拋動漂洗純水超聲波拋動漂洗。圖3-512in單片兆聲波清洗設(shè)備3.4常用清洗設(shè)備超聲波清洗設(shè)備3.4.3其他清洗設(shè)備 超聲波清洗是半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種清洗方法，該方法的優(yōu)點是清洗效果好，操作簡單，對于復(fù)雜的器件和容器也能去除，但該方法具有噪聲較大、換能器易壞的缺點。對硅片進行清洗經(jīng)常會用到的設(shè)備還有刷洗器、旋轉(zhuǎn)噴淋器、溢流清