半導(dǎo)體晶圓的污染雜質(zhì)及清洗技術(shù)

張士偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051）

半導(dǎo)體晶圓的污染雜質(zhì)及清洗技術(shù)

張士偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051）

介紹了半導(dǎo)體圓片存在的各種污染雜質(zhì)的類型和去除方法，并概要總結(jié)了半導(dǎo)體圓片的清洗技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體圓片的濕法和干法清洗特點(diǎn)和去除效果進(jìn)行了比較分析。

污染雜質(zhì)；半導(dǎo)體；濕法清洗；干法清洗

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)工藝技術(shù)的要求越來(lái)越高，特別是對(duì)半導(dǎo)體圓片的表面質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)，其主要原因是圓片表面的顆粒和金屬雜質(zhì)沾污會(huì)嚴(yán)重影響器件的質(zhì)量和成品率，在目前的集成電路生產(chǎn)中，由于圓片表面沾污問(wèn)題，仍有50%以上的材料被損失掉[1]。

在半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中，幾乎每道工序中都需要進(jìn)行清洗，圓片清洗質(zhì)量的好壞對(duì)器件性能有嚴(yán)重的影響。正是由于圓片清洗是半導(dǎo)體制造工藝中最重要、最頻繁的工步，而且其工藝質(zhì)量將直接影響到器件的成品率、性能和可靠性，所以國(guó)內(nèi)外各大公司、研究機(jī)構(gòu)等對(duì)清洗工藝的研究一直在不斷地進(jìn)行[2]。目前已研制出的圓片清洗技術(shù)有：濕法化學(xué)清洗、超聲清洗、兆聲清洗、鼓泡清洗、擦洗、高壓噴射法、離心噴射法、流體力學(xué)法、流體動(dòng)力學(xué)法、干法清洗、微集射束流法、激光束清洗、冷凝噴霧技術(shù)、汽相清洗、非浸潤(rùn)液體噴射法、在線真空清洗、RCA清洗、等離子體清洗、原位水沖洗等。這些方法和技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體圓片的清洗工藝中。

1 半導(dǎo)體的污染雜質(zhì)和分類

半導(dǎo)體制造中需要一些有機(jī)物和無(wú)機(jī)物參與完成，另外，由于工藝總是在凈化室中由人的參與進(jìn)行，所以半導(dǎo)體圓片不可避免的被各種雜質(zhì)污染。根據(jù)污染物的來(lái)源、性質(zhì)等，大致可分為顆粒、有機(jī)物、金屬離子和氧化物四大類。

1.1 顆粒

顆粒主要是一些聚合物、光刻膠和蝕刻雜質(zhì)等。這類污染物通常主要依靠范德瓦爾斯吸引力吸附在圓片表面，影響器件光刻工序的幾何圖形的形成及電學(xué)參數(shù)。這類污染物的去除方法主要以物理或化學(xué)的方法對(duì)顆粒進(jìn)行底切，逐漸減小其與圓片表面的接觸面積，最終將其去除。

1.2 有機(jī)物

有機(jī)物雜質(zhì)的來(lái)源比較廣泛，如人的皮膚油脂、細(xì)菌、機(jī)械油、真空脂、光刻膠、清洗溶劑等。這類污染物通常在圓片表面形成有機(jī)物薄膜阻止清洗液到達(dá)圓片表面，導(dǎo)致圓片表面清洗不徹底，使得金屬雜質(zhì)等污染物在清洗之后仍完整的保留在圓片表面。這類污染物的去除常常在清洗工序的第一步進(jìn)行，主要使用硫酸和雙氧水等方法進(jìn)行。

1.3 金屬

半導(dǎo)體工藝中常見(jiàn)的金屬雜質(zhì)有鐵、銅、鋁、鉻、鎢、鈦、鈉、鉀、鋰等，這些雜質(zhì)的來(lái)源主要有：各種器皿、管道、化學(xué)試劑，以及半導(dǎo)體圓片加工過(guò)程中，在形成金屬互連的同時(shí)，也產(chǎn)生了各種金屬污染。這類雜質(zhì)的去除常采用化學(xué)方法進(jìn)行，通過(guò)各種試劑和化學(xué)藥品配制的清洗液與金屬離子反應(yīng)，形成金屬離子的絡(luò)合物，脫離圓片表面。

1.4 氧化物

半導(dǎo)體圓片暴露在含氧氣及水的環(huán)境下表面會(huì)形成自然氧化層。這層氧化薄膜不但會(huì)妨礙半導(dǎo)體制造的許多工步，還包含了某些金屬雜質(zhì)，在一定條件下，它們會(huì)轉(zhuǎn)移到圓片中形成電學(xué)缺陷。這層氧化薄膜的去除常采用稀氫氟酸浸泡完成。

2 半導(dǎo)體圓片清洗技術(shù)和一般程序

2.1 常用清洗技術(shù)

半導(dǎo)體圓片的清洗常采用化學(xué)方法清洗。化學(xué)清洗是指利用各種化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑與吸附在被清洗圓片表面的雜質(zhì)及油污發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或溶解作用，使雜質(zhì)從被清洗圓片的表面脫附，然后用大量高純熱、冷去離子水沖洗，從而獲得潔凈表面的過(guò)程[3]。化學(xué)清洗可分為濕法化學(xué)清洗和干法化學(xué)清洗，其中濕法化學(xué)清洗在半導(dǎo)體清洗工藝中仍處于主導(dǎo)地位。

2.1.1 濕法化學(xué)清洗

（1）溶液浸泡法。溶液浸泡法是將圓片浸泡在化學(xué)溶液中來(lái)達(dá)到清除表面污染的一種方法。它是濕法化學(xué)清洗中最常用的一種方法。選用不同的溶液可以達(dá)到清除圓片表面不同類型的污染雜質(zhì)，如采用有機(jī)溶劑去除有機(jī)污染物，采用RCA溶液清除有機(jī)、無(wú)機(jī)和金屬離子等雜質(zhì)。通常這種方法不能徹底去凈圓片表面的雜質(zhì)，所以在采用浸泡的同時(shí)常輔以加熱、超聲、攪拌等物理措施。

（2）機(jī)械擦洗法。機(jī)械擦洗常用來(lái)去除圓片表面的微粒或有機(jī)殘?jiān)话憧煞譃槭止げ料春筒疗瑱C(jī)擦洗兩種方法。手工擦洗是最簡(jiǎn)單的一種擦洗方法，用不銹鋼鑷子夾著浸有無(wú)水乙醇等有機(jī)溶劑的棉球，在圓片表面沿同一方向輕擦，以去除蠟?zāi)?、灰塵、殘膠或其它固體顆粒，這種方法易造成劃傷，污染嚴(yán)重。擦片機(jī)是利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)，用軟羊毛刷或刷輥擦刷圓片表面，這種方法對(duì)圓片的劃傷大大減輕。而采用高壓擦片機(jī)由于無(wú)機(jī)械磨擦，則不會(huì)劃傷圓片，而且可以達(dá)到清除槽痕里的沾污。

（3）超聲波清洗。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，其優(yōu)點(diǎn)是：清洗效果好，操作簡(jiǎn)單，對(duì)于復(fù)雜的器件和容器也能清除。這種清洗方法是在強(qiáng)烈的超聲波作用下（常用的超聲波頻率為20～40 kHz），液體介質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生疏部和密部，疏部產(chǎn)生近乎真空的空腔泡，當(dāng)空腔泡消失的瞬間，其附近便產(chǎn)生強(qiáng)大的局部壓力，使分子內(nèi)的化學(xué)鍵斷裂將晶圓表面的雜質(zhì)解吸[4]。超聲波清洗的效果與超聲條件（如溫度、壓力、超聲頻率、功率等）有關(guān)，多用于清除圓片表面附著的大塊污染和顆粒。

（4）兆聲波清洗。兆聲波清洗不但具有超聲波清洗的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了它的不足。兆聲波清洗是由高能 （850 kHz）頻振效應(yīng)并結(jié)合化學(xué)清洗劑的化學(xué)反應(yīng)對(duì)圓片進(jìn)行清洗[4]。在清洗時(shí)，溶液分子在兆聲波的推動(dòng)下作加速運(yùn)動(dòng)（最大瞬時(shí)速度可達(dá)到 30 cm/s），以高速的流體波連續(xù)沖擊圓片表面，使圓片表面附著的污染物和細(xì)小微粒被強(qiáng)制除去并進(jìn)入到清洗液中。這種方法能同時(shí)起到機(jī)械擦片和化學(xué)清洗兩種方法的作用。目前兆聲波清洗方法已成為拋光片清洗的一種有效方法。

（5）旋轉(zhuǎn)噴淋法。旋轉(zhuǎn)噴淋法是利用機(jī)械方法將圓片以較高的速度旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不斷向圓片表面噴淋液體（高純?nèi)ルx子水或其它清洗液）以達(dá)到去除圓片表面雜質(zhì)的一種方法。這種方法利用所噴液體的溶解或化學(xué)反應(yīng)溶解圓片表面的沾污，同時(shí)利用高速旋轉(zhuǎn)的離心作用，使溶有雜質(zhì)的液體及時(shí)脫離圓片表面。旋轉(zhuǎn)噴淋法既有化學(xué)清洗、流體力學(xué)清洗的優(yōu)點(diǎn)，又有高壓擦洗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)這種方法還可以與甩干工序結(jié)合在一起進(jìn)行，在采用去離子水噴淋清洗一段時(shí)間后停止噴水，采用噴惰性氣體，同時(shí)還可通過(guò)提高旋轉(zhuǎn)速度，增大離心力，使圓片表面快速脫水。

2.1.2 干法清洗

干法清洗是指不采用溶液的清洗技術(shù)，是相對(duì)于濕法化學(xué)清洗而言。目前采用的干法清洗技術(shù)有：等離子體清洗技術(shù)、汽相清洗等。干法清洗的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、無(wú)環(huán)境污染等。

（1）等離子體清洗技術(shù)。等離子體清洗具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、沒(méi)有廢料處理和環(huán)境污染等問(wèn)題。但它不能去除碳和其它非揮發(fā)性金屬或金屬氧化物雜質(zhì)。等離子清洗常用于光刻膠的去除工藝中，在等離子體反應(yīng)系統(tǒng)中通入少量的氧氣，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，使氧氣產(chǎn)生等離子體，迅速使光刻膠氧化成為可揮發(fā)性氣體狀態(tài)物質(zhì)被抽走[5]。這種清洗技術(shù)在去膠工藝中具有操作方便、效率高、表面干凈、無(wú)劃傷、有利于確保產(chǎn)品的質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，而且它不用酸、堿及有機(jī)溶劑等，因此越來(lái)越受到人們重視。

（2）汽相清洗技術(shù)。汽相清洗是指利用液體工藝中對(duì)應(yīng)物質(zhì)的汽相等效物與圓片表面的沾污物質(zhì)相互作用而達(dá)到去除雜質(zhì)目的的一種清洗方法。例如在MMST工程研究中的CMOS工藝中圓片清洗采用了汽相HF和水汽相互作用去除氧化物[6]。通常含水的HF工藝必須附加一個(gè)顆粒清除過(guò)程，而采用汽相HF清洗技術(shù)則不需要隨后的顆粒清除過(guò)程。與含水HF工藝相比，其最重要的優(yōu)點(diǎn)是HF的化學(xué)消耗小得多，而且清洗效率更高。

（3）束流清洗技術(shù)。束流清洗技術(shù)指利用高能量的呈束流狀的物質(zhì)流與圓片表面的沾污雜質(zhì)發(fā)生相互作用而達(dá)到清除圓片表面雜質(zhì)的一種清洗技術(shù)。常用的束流清洗技術(shù)包括微集射束流清洗技術(shù)、激光束技術(shù)、冷凝噴霧等技術(shù)[5]。微集射束流清洗技術(shù)是目前最具有發(fā)展前途的新型在線圓片表面清洗技術(shù)，它采用電流體力學(xué)噴射原理，將毛細(xì)管中噴射出的清洗液作用到圓片表面，進(jìn)行圓片表面的顆粒和有機(jī)薄膜沾污的清除。其優(yōu)點(diǎn)是：清洗液消耗量很少，清洗一個(gè)硅片可能只需要幾十微升的洗液，而且減少了二次污染的發(fā)生。

2.2 半導(dǎo)體清洗一般程序

吸附在半導(dǎo)體圓片表面上的雜質(zhì)可分為分子型、離子型和原子型三種。其中分子型雜質(zhì)和圓片表面間的吸附力較弱，這類雜質(zhì)粒子比較容易清除，它們多屬油脂類雜質(zhì)，具有疏水性的特點(diǎn)，可為半導(dǎo)體圓片表面沾污的離子型和原子型雜質(zhì)提供掩蔽，不利于這兩類雜質(zhì)的去除，因此在半導(dǎo)體圓片進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)，首先應(yīng)該清除分子型雜質(zhì)。離子型和原子型吸附的雜質(zhì)其吸附力都較強(qiáng)，屬于化學(xué)吸附雜質(zhì)。在通常情況下，由于原子型吸附雜質(zhì)的量較小，所以在化學(xué)清洗時(shí)，一般先清除離子型吸附雜質(zhì)，然后再清除原子型雜質(zhì)。最后用高純?nèi)ルx子水進(jìn)行沖冼，再加溫烘干或甩干就可得到潔凈表面的半導(dǎo)體圓片。因此，半導(dǎo)體圓片清洗工藝的一般程序[7]為：去分子→去離子→去原子→去離子水沖洗。另外，為去除圓片表面的自然氧化層，需要增加一個(gè)稀氫氟酸浸泡步驟。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體圓片表面潔凈度的要求越來(lái)越高，這在一定程度促進(jìn)了人們對(duì)圓片清洗工藝的研究。目前，濕法化學(xué)清洗技術(shù)在圓片表面清洗中仍占主導(dǎo)地位。但在今后，由于化學(xué)試劑的存放以及環(huán)境問(wèn)題，濕法化學(xué)清洗技術(shù)的使用會(huì)逐漸減少。半導(dǎo)體工業(yè)需要一種全自動(dòng)“干法”清洗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能與加工工藝步驟結(jié)合在一起。盡管截至目前，圓片非在線式清洗技術(shù)已有了很大的發(fā)展，但是清洗設(shè)備本身所產(chǎn)生的污染問(wèn)題卻一直沒(méi)能徹底解決，從而成為影響產(chǎn)品成品率的一個(gè)重要因素。半導(dǎo)體工業(yè)迫切需要一種新的清洗方法，能夠在線清除在圓片取放、傳輸、設(shè)備抽氣、排氣以及反應(yīng)室物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的污染。

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[1]唐雪林，顧凱峰，姚保綱.刷洗對(duì)硅單晶拋光片表面質(zhì)量的影響[A].98全國(guó)半導(dǎo)體硅材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]，上海：中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)，1998，104-107.

[2]董慧燕.國(guó)外硅片清洗工藝研究新發(fā)展[A].98全國(guó)半導(dǎo)體硅材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].上海：中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)，1998，31.

[3]楊培根.微電子工業(yè)中的清洗方法[J].半導(dǎo)體技術(shù)，1997，（4）：47-50.

[4]Mahoney J F，Perel J，Sujo C et al.Surface cleaningusing energetic micro cluster beams[C].SST，1998，149.

[5]W angJK，Hu J，PuriS.Criticaldryingtechnologyfordeep submicron processes[C].SST，1998，271.

[6]Butterbaugh J W.Surface contamination control using integrated cleaning[C].Semiconductor Inte，1998，173.

[7]馬洪磊，曹寶成，宗福建，等.新型電子清洗工藝[J].微電子技術(shù)，1997，25（1）：60-61.

The Pollution of the Semiconductor Impurities and Cleaning Technology

ZHANG Shiwei
（The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China）

Abstract:This paper introduces the semiconductor wafer exist various pollution type of impurity and removing methods,summary and summarized the semiconductor wafer cleaning technology,wet process and dry process of semiconductor wafer cleaning characteristics and removal efficiency are analyzed in comparison.

Keywords:Pollution of impurities；Semiconductor；Wet cleaning；Dry cleaning

TN305

B

1004-4507（2014）07-0018-04

2014-06-23

張士偉（1970-），男，湖南邵陽(yáng)人，工程師，主要從事半導(dǎo)體工藝及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維修。