單晶硅拋光片表面質(zhì)量探究

范紅娜，楊洪星

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220）

單晶硅拋光片表面質(zhì)量探究

范紅娜，楊洪星

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220）

LED集成度越來(lái)越高，集成電路線寬不斷收窄，對(duì)硅襯底表面的質(zhì)量提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的要求，拋光片表面質(zhì)量對(duì)器件制造有重要影響。RCA清洗是晶片清洗最為成熟的工藝，其工藝穩(wěn)定性受到多重因素影響。從DHF溶液使用及PFA花籃質(zhì)量?jī)煞矫娣治隽薘CA清洗過程的兩個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)晶片表面質(zhì)量的影響。

清洗技術(shù)；花籃；氫氟酸；顆粒度

自20世紀(jì)50年代固體元器件誕生以來(lái)，LED、集成電路等領(lǐng)域的發(fā)展都離不開Si材料的進(jìn)步。LED集成度越來(lái)越高，集成電路線寬也歷經(jīng)更迭，90 nm、65 nm到現(xiàn)今的14 nm。這些都對(duì)硅襯底表面的質(zhì)量提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的要求，拋光片表面顆粒沾污對(duì)器件制造有著重要影響，在超大規(guī)模集成電路的制造過程中有90%的失效是由于粒子引起的［1-4］。

在硅拋光片制作過程中，晶片經(jīng)過切片、倒角、磨片、化學(xué)機(jī)械拋光等不同的工序加工后，其表面已受到嚴(yán)重沾污。其表面沾污通常以原子、離子、分子或膜的形式通過物理或化學(xué)吸附的方式附著在晶片表面。RCA結(jié)合兆聲濕法清洗的方式，推動(dòng)了晶片清洗技術(shù)的跨越式發(fā)展。其采用0.8～1.0 MHz的高頻兆聲結(jié)合DHF、SC-1、SC-2等溶液對(duì)晶片進(jìn)行清洗，清洗液分子在高頻兆聲的作用下加速運(yùn)動(dòng)，利用高頻聲波能量在清洗液中形成的高速微水流連續(xù)沖擊晶片表面，使物體

RCA清洗是保障晶片表面質(zhì)量最為關(guān)鍵的工藝，對(duì)于晶片表面質(zhì)量有重大影響，其受到諸多因素影響。如研究較多的清洗溫度、SC-1藥液配比、原料純度等。

1　實(shí)驗(yàn)流程

所選用的硅晶片為：

晶片尺寸：φ150 mm（6英寸）

導(dǎo)電類型：N

晶向：＜100>

本實(shí)驗(yàn)通過是否使用DHF溶液探究DHF溶液對(duì)晶片表面質(zhì)量的影響；通過晶片花籃是否清洗來(lái)探究花籃質(zhì)量對(duì)晶片表面質(zhì)量的影響。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1。

圖1　晶片清洗流程圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1DHF及SC-1溶液對(duì)晶片氧化層形成及去除影響

根據(jù)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，H2O的參與可以有效降低HF腐蝕硅氧化層的能量勢(shì)壘，促進(jìn)SiO2+4HF=SiF4+2H2O反應(yīng)發(fā)生，最終完全剝離硅晶片表面氧化層，形成以F離子為終端的硅拋光面，使晶片表面能降低，在晶片上形成疏水表面。該過程示意圖如圖2（a）所示。

SC-1清洗液由 NH4OH、H2O2和 H2O組成。NH4OH可對(duì)晶片表面的自然氧化層進(jìn)行刻蝕，使附著在晶片表面的顆粒，隨兆聲作用脫離晶片表面，從而達(dá)到去除顆粒的目的。在NH4OH對(duì)晶片進(jìn)行刻蝕的同時(shí)，H2O2又可在晶片表面形成新的相對(duì)較為潔凈的氧化層。該過程示意圖如圖2（b）所示。

圖2　晶片表面氧化層變化示意圖

2.2DHF溶液對(duì)晶片表面質(zhì)量影響

圖3　晶片表面顆粒分布

如圖3所示，晶片經(jīng)由DHF清洗后進(jìn)行SC-1清洗的表面潔凈度明顯高于晶片未經(jīng)DHF清洗后進(jìn)行SC-1清洗的晶片。其原因?yàn)榻?jīng)由拋光等一系列工藝處理后的晶片接觸了多種有機(jī)、無(wú)機(jī)物質(zhì)，在硅表面形成的自然氧化層及其表面引入了大量有機(jī)物質(zhì)、金屬及顆粒沾污。自然氧化層作為“沾污陷阱”束縛很多雜質(zhì)。在H+存在條件下，稀釋的HF可以有效去除晶片表面的金屬沾污。此外，HF通過腐蝕氧化層可以將附著在氧化層上的顆粒去除，在兆聲波作用下，可使顆粒去除的效率更高。未經(jīng)DHF清洗進(jìn)行SC-1清洗的晶片由于自然氧化層及其表面的沾污存在，使顆粒的去除能力下降，因此雖經(jīng)整個(gè)RCA清洗過程，仍有較多的顆粒留存。經(jīng)由表面分析儀分析測(cè)得，晶片表面主要顆粒為≥0.1 μm的微粒，晶片經(jīng)由DHF清洗后進(jìn)行SC-1清洗的晶片≥0.1 μm的微粒數(shù)量為173個(gè)/片；晶片未經(jīng)DHF清洗進(jìn)行SC-1清洗的晶片≥0.1 μm的數(shù)量為291個(gè)/片。因此，可知經(jīng)由DHF溶液清洗去除自然氧化層，可明顯改善晶片的表面質(zhì)量。然而無(wú)論是否使用DHF溶液進(jìn)行清洗，在靠近晶片邊緣位置（如圖3中圈線區(qū)域所示）都會(huì)出現(xiàn)密集的顆粒沾污。經(jīng)表面分析該區(qū)域沾污主要為≤0.2 μm的微粒。

2.3花籃清洗對(duì)晶片表面質(zhì)量影響

晶片的清洗過程需要借助花籃進(jìn)行，作為清洗載體的晶片花籃，一般為PFA材質(zhì)。PFA材料可在-80～260℃溫度范圍內(nèi)良好使用，且具有卓越的耐化學(xué)腐蝕性，其在塑料中摩擦系數(shù)較低。但由于材料本身多孔的特性，PFA花籃經(jīng)過反復(fù)烘干，“孔”結(jié)構(gòu)被擴(kuò)大，少量的化學(xué)藥品及沾污易吸附在PFA微孔內(nèi)。并且在晶片清洗過程中，花籃不可避免的會(huì)接觸到操作者手套和衣物上的沾污，多次使用而未進(jìn)行清洗處理的花籃也成為影響晶片表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。圖4為使用未經(jīng)清洗處理的花籃和使用經(jīng)由清洗處理的花籃清洗的晶片表面質(zhì)量。

如圖4所示，使用經(jīng)過清洗處理的花籃清洗的晶片表面質(zhì)量較未經(jīng)清洗處理的花籃清洗的晶片表面質(zhì)量高。經(jīng)由表面分析儀分析測(cè)得，使用經(jīng)過清洗處理的花籃清洗的晶片表面≥0.1 μm的微粒數(shù)量為52個(gè)/片；使用未經(jīng)過清洗處理的花籃清洗的晶片表面≥0.1 μm的微粒數(shù)量為173個(gè)/片。其原因?yàn)槎啻问褂梦唇?jīng)過清洗處理的花籃表面沾污較多，嚴(yán)重影響晶片的清洗效果；另一方面在甩干過程中，晶片與花籃一同高速旋轉(zhuǎn)，晶片表面質(zhì)量易受到花籃質(zhì)量影響。經(jīng)由清洗處理后，PFA花籃沾污減少，質(zhì)量提升，晶片表面質(zhì)量得到改善。

3　結(jié)　論

在RCA清洗過程中，DHF溶液使用可去除晶片表面自然氧化層，有利于晶片制作過程中引入沾污的去除，可明顯改善晶片表面質(zhì)量。PFA花籃作為晶片清洗過程的重要載體，其質(zhì)量嚴(yán)重影響晶片的表面質(zhì)量。即使在RCA過程中使用DHF溶液，但由于多次使用的花籃潔凈程度較差，在晶片與花籃接觸部位，仍會(huì)殘留有過多的≤0.2 μm的沾污。通過對(duì)花籃進(jìn)行清洗處理，可減少花籃對(duì)晶片表面質(zhì)量影響，改善晶片表面質(zhì)量。

［1］ 閆志瑞.半導(dǎo)體晶片清洗工藝發(fā)展方向［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2004，（9）：23-26.

［2］ Werner Kern.半導(dǎo)體晶片清洗［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［3］Jeung Ku Kang，Charles B.Msgrave.The mechanism of HF/H2O chemical etching of SiO2［J］.Journal of Chemical Physics，2002，（116）：275-280.

［4］ 張偉才，趙權(quán).拋光片IPA干燥技術(shù)研究［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，42（11）：22-25.

［5］ 劉玉嶺，古海云，檀柏梅，等.ULSI襯底硅單晶片清洗技術(shù)現(xiàn)況與展望［J］.稀有金屬，2001，25（2）：134-138.

［6］ T.Hoshino，Y.Nishioka.Etching process of SiO2by HF molecules［J］.Journal of Chemical Physics，1999，（111）：2109-2114.

［7］ G.W.Trucks，Krishnan Raghavachari，G.S.Higashi，et al.Mechanism of HF Etching of Silicon Surfaces：A Theoretical Understanding of Hydrogen Passivation［J］. Physical Review Letters，1990，（65）：504-507.

Investigation on the Surface Quality of Silicon Wafers

FAN Hongna，YANG Hongxing

（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300200，China）

As the integration of LEDs increases and the technology node of ULSI decreases，extremely tight requirements are being placed on the quality of wafers'surface.The quality of wafers'surface has important influence on the device manufacture.RCA is most used in wafer cleaning，which is influenced by many factors.In this study，DHF solution and PFA cassette was investigated on the quality of silicon wafers.

Cleaning；Cassette；Hydrofluoric acid；Particles

TN305.2

B

1004-4507（2016）08-0027-04

2016-05-29表面附著的污染物和細(xì)小顆粒被強(qiáng)制除去并進(jìn)入到清洗液中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片的清洗［5-8］。

范紅娜（1989-），女，助理工程師，2015年畢業(yè)于天津大學(xué)材料工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所從事半導(dǎo)體材料的晶體加工工作。