[科普中国]-硅片清洗

研究意义

随着大规模集成电路的发展,集成度的不断提高,线宽的不断减小,对硅片的质量要求也越来越高,特别是对硅抛光片的表面质量要求越来越严。这主要是因为抛光片表面的颗粒和金属杂质沾污会严重影响器件的质量和成品率,对于线宽为0.35μm的64兆DRAM器件,影响电路的临界颗粒尺寸为0.06μm,抛光片的表面金属杂质沾污应全部小于5× 1016 at/cm2,抛光片表面大于0.2μm的颗粒数应小于20个/片。在目前的集成电路生产中,由于硅抛光片表面沾污问题,仍有50%以上的材料被损失掉。

在硅晶体管和集成电路生产中,几乎每道工序都有硅片清洗的问题,硅片清洗的好坏对器件性能有严重的影响,处理不当,可能使全部硅片报废,做不出管子来,或者制造出来的器件性能低劣,稳定性和可靠性很差。硅片清洗法和,不管是对于从硅片加工的人,还是对于从事半导体器件生产的人来说都有着重要的意义。1

硅片表面沾污杂质的来源和分类为了解决硅片表面的沾污问题,实现工艺洁净表面,我们需要弄清楚硅片表面引入了哪些杂质,然后选择适当的硅片清洗方法达到去除的目的。在硅片加工及器件制造过程中,所有与硅片接触的外部媒介都是硅片沾污杂质的可能来源。这主要包括以下几方面:硅片加工成型过程中的污染,环境污染,水造成的污染,试剂带来的污染,工业气体造成的污染,工艺本身造成的污染,人体造成的污染等。尽管硅片沾污杂质的来源不同,但它们通常可划分为几类。1

硅片清洗的一般程序吸附在硅片表面上的杂质可分为分子型、离子型和原子型三种情况。其中分子型杂质与硅片表面之间的吸附力较弱,清除这类杂质粒子比较容易。它们多属油脂类杂质,具有疏水性的特点,对于清除离子型和原子型杂质具有掩蔽作用。

因此在对硅片进行化学清洗时,首先应该把它们清除干净。离子型和原子型吸附的杂质属于化学吸附杂质,其吸附力都较强。

在一般情况下,原子型吸附杂质的量较小,因此在化学清洗时,先清除掉离子型吸附杂质,然后再清除残存的离子型杂质及原子型杂质。

最后用高纯去离子水将硅片冲冼干净,再加温烘干或甩干就可得到洁净表面的硅片。

综上所述,清洗硅片的一般工艺程序为:去分子→去离子→去原子→去离子水冲洗。

另外,为去除硅片表面的氧化层,常要增加一个稀氢氟酸浸泡步骤。1

化学清洗化学清洗是为了除去原子、离子不可见的污染,方法较多,有溶剂萃取、酸洗（硫酸、硝酸、王水、各种混合酸等）和等离子体法等。其中双氧水体系清洗方法效果好，环境污染小。一般方法是将硅片先用成分比为H2SO4:H2O2=5:1或4:1的酸性液清洗。清洗液的强氧化性,将有机物分解而除去；用超纯水冲洗后,再用成分比为H2O:H2O2:NH4OH=5:2:1或5:1:1或7:2:1的碱性清洗液清洗,由于H2O2的氧化作用和NH4OH的络合作用，许多金属离子形成稳定的可溶性络合物而溶于水；然后使用成分比为H2O:H2O2:HCL=7:2:1或5:2:1的酸性清洗液，由于H2O2的氧化作用和盐酸的溶解，以及氯离子的络合性，许多金属生成溶于水的络离子，从而达到清洗的目的。

放射示踪原子分析和质谱分析表明，采用双氧水体系清洗硅片效果最好，同时所用的全部化学试剂 H2O2、NH4OH、HCl能够完全挥发掉。用H2SO4和H2O2清洗硅片时，在硅片表面会留下约2×1010原子每平方厘米的硫原子，用后一种酸性清洗液时可以完全被清除。用H2O2体系清洗硅片无残留物，有害性小，也有利于工人健康和环境保护。硅片清洗中用各步清洗液处理后，都要用超纯水彻底冲洗。

物理清洗物理清洗有三种方法。①刷洗或擦洗:可除去颗粒污染和大多数粘在片子上的薄膜。②高压清洗：是用液体喷射片子表面，喷嘴的压力高达几百个大气压。高压清洗靠喷射作用，片子不易产生划痕和损伤。但高压喷射会产生静电作用，靠调节喷嘴到片子的距离、角度或加入防静电剂加以避免。③超声波清洗：超声波声能传入溶液,靠气蚀作用洗掉片子上的污染。但是,从有图形的片子上除去小于 1微米颗粒则比较困难。将频率提高到超高频频段，清洗效果更好。

发展展望伴随着硅片的大直径化,器件结构的超微小化、高集成化,对硅片的洁净程度、表面的化学态、微粗糙度、氧化膜厚度等表面状态的要求越来越高。

同时,要求用更经济的、给环境带来更少污染的工艺获得更高性能的硅片。高集成化的器件要求硅片清洗要尽量减少给硅片表面带来的破坏和损伤,尽量减少溶液本身或工艺过程中带来的沾污。

清洗设备正向着小型化、非盒式化及一次完成化(所有清洗与干燥步骤在一个槽内进行)方向发展,以减少工艺过程中带来的沾污,满足深亚微米级器件工艺的要求。这无论对清洗工艺还是对清洗设备都是一个极大的挑战,传统的清洗方法已不能满足要求。

臭氧水、兆声波、电解离子水等的应用显示出很好的去除硅片表面颗粒和金属沾污的能力,对硅片表面微观态的影响很小。而且,它们的使用使清洗设备小型化及清洗工艺一次完成化的实现成为可能。

同时,它们对环境的低污染度也是传统的清洗溶液所不能比拟的。在未来的清洗工艺中它们可能会被广泛地应用。2