半導(dǎo)體晶圓的污染雜質(zhì)及清洗技術(shù)分析

王本義 ，谷德鑫，邱書(shū)媛

（1.沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備股份有限公司；2.沈陽(yáng)隆泰機(jī)械制造有限公司；3.沈陽(yáng)航新非標(biāo)設(shè)備制造有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體晶圓的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)工藝技術(shù)和質(zhì)量要求也不斷提高。但是，在半導(dǎo)體晶圓表面可能存在各種雜質(zhì)，導(dǎo)致器件質(zhì)量及成品率受到影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在當(dāng)前集成電路生產(chǎn)中，由于半導(dǎo)體晶圓雜質(zhì)問(wèn)題而造成的材料損失可能達(dá)到50%以上。半導(dǎo)體生產(chǎn)中每道工序都需要清洗，而清洗技術(shù)和清洗質(zhì)量將直接影響器件性能。因此，要重視對(duì)半導(dǎo)體晶圓污染雜質(zhì)的分析和清洗技術(shù)的掌握，以提高材料質(zhì)量。

1 半導(dǎo)體晶圓的污染雜質(zhì)

1.1 顆粒雜質(zhì)

半導(dǎo)體晶圓的顆粒雜質(zhì)，主要包括刻蝕雜質(zhì)、光刻膠、聚合物等。這些污染物在圓片表面可能通過(guò)范德瓦爾斯吸引力吸附，對(duì)器件光刻工序的電學(xué)參數(shù)、幾何圖形形成等造成影響。對(duì)于這些污染雜質(zhì)，一般需要采用化學(xué)方法或物理方法，對(duì)顆粒進(jìn)行底切，使雜質(zhì)和圓片表面接觸面積逐漸縮小，進(jìn)而達(dá)到去除雜質(zhì)的目的。

1.2 金屬雜質(zhì)

鐵、鋁、鎢、鈉、鋰、銅、鉻、鈦、鉀等金屬雜質(zhì)，在半導(dǎo)體工藝中都十分多見(jiàn)，這些雜質(zhì)可能是以化學(xué)試劑、管道、器皿等為主要來(lái)源。另外，在半導(dǎo)體圓片加工中，當(dāng)金屬互連形成的過(guò)程中，也會(huì)有一定的金屬雜質(zhì)形成。一般需要利用化學(xué)方法去除此類(lèi)雜質(zhì)，使用相應(yīng)的化學(xué)藥品和試劑等配置專(zhuān)用清洗液，和金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生金屬離子絡(luò)合物，進(jìn)而使雜質(zhì)與圓片表面脫離清除。

1.3 有機(jī)物雜質(zhì)

有機(jī)物雜質(zhì)具有相對(duì)廣泛的來(lái)源，包括清洗溶劑、光刻膠、真空脂、機(jī)械油、細(xì)菌、人皮膚油脂等。在圓片表面，這些有機(jī)物雜質(zhì)可能形成有機(jī)物薄膜，導(dǎo)致圓片表面和清洗液無(wú)法直接接觸，進(jìn)而造成無(wú)法徹底清洗圓片表面的問(wèn)題。在常規(guī)清洗后，圓片表面仍然會(huì)殘留各種類(lèi)型的污染雜質(zhì)。對(duì)于這些類(lèi)型的污染雜質(zhì)，通常需要在第一步的清洗工序中，使用雙氧水、硫酸等試劑清除。

1.4 氧化物雜質(zhì)

半導(dǎo)體晶圓在常規(guī)環(huán)境下，與空氣中的水、氧氣等成分接觸，在其表面會(huì)有自然氧化層形成。由于存在這種氧化薄膜，對(duì)于半導(dǎo)體制造過(guò)程中的很多工序都將產(chǎn)生影響。其中還可能殘留有一些金屬雜質(zhì)，會(huì)在特定條件下向圓片中逐漸轉(zhuǎn)移，進(jìn)而引起電學(xué)缺陷問(wèn)題。一般需要使用稀氫氟酸浸泡處理，才能去除此類(lèi)氧化物雜質(zhì)。

2 半導(dǎo)體晶圓的清洗技術(shù)

2.1 干法清洗技術(shù)

2.1.1 束流清洗技術(shù)

束流清洗技術(shù)能夠應(yīng)用高能量束流狀物質(zhì)流，和圓片表面污染雜質(zhì)發(fā)生相互作用，進(jìn)而將圓片表面雜質(zhì)有效清除。常見(jiàn)的應(yīng)用技術(shù)方法主要包括冷凝噴霧技術(shù)、激光束技術(shù)、微集射束流清洗技術(shù)等。其中當(dāng)前最有發(fā)展前景的技術(shù)方法就是微集射束流清洗技術(shù)，對(duì)電流體力學(xué)噴射原理加以運(yùn)用，利用毛細(xì)管向圓片表面噴射清洗液，從而取出圓片表面的有機(jī)薄膜或顆粒雜質(zhì)。該技術(shù)也能節(jié)省清洗液，同時(shí)，可避免二次污染情況。

2.1.2 汽相清洗技術(shù)

該技術(shù)在去除半導(dǎo)體晶圓污染雜質(zhì)的過(guò)程中，主要是運(yùn)用了液體工藝中對(duì)應(yīng)物質(zhì)汽相等效物和圓片表面污染雜質(zhì)相互作用的原理。例如，MMST工程研究當(dāng)中，CMOS工藝中就利用了汽相HF、水汽的相互作用，將圓片中的氧化物清除。在實(shí)際應(yīng)用中，含水HF工藝需要添加顆粒清除過(guò)程，而汽相HF技術(shù)無(wú)須顆粒清除的步驟，同時(shí)，在化學(xué)消耗方面也能大大縮小，并提高清洗效率和清洗質(zhì)量。

2.1.3 等離子體清洗技術(shù)

等離子體清洗技術(shù)操作方便且工藝簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染或廢料處理等情況。不過(guò)，該技術(shù)對(duì)于碳雜質(zhì)或非揮發(fā)性金屬及金屬氧化物雜質(zhì)效果不佳。該技術(shù)通常應(yīng)用于清除光刻膠等雜質(zhì)，將少量氧氣通入等離子體反應(yīng)系統(tǒng)，受到強(qiáng)電場(chǎng)的作用，使氧氣形成等離子體。能夠讓光刻膠快速發(fā)生氧化反應(yīng)，形成可揮發(fā)性氣體，進(jìn)而去除雜質(zhì)。在去膠工藝方面，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要在于無(wú)劃傷、效率高、表面干凈、操作簡(jiǎn)單，無(wú)須使用有機(jī)溶劑、酸堿溶液等，能避免損傷半導(dǎo)體晶圓，因而效果較好。

2.2 濕法清洗技術(shù)

（1）溶液浸泡法。在溶液浸泡法中，使用特定化學(xué)溶液，將圓片浸泡其中，進(jìn)而使表面污染雜質(zhì)得到清除。在濕法化學(xué)清洗技術(shù)中，溶液浸泡法的應(yīng)用非常廣泛。針對(duì)圓片表面不同類(lèi)型的污染雜質(zhì)，可以選擇相應(yīng)的溶液進(jìn)行處理。例如，對(duì)于有機(jī)污染物，可以使用相應(yīng)的有機(jī)溶劑清理；對(duì)于有機(jī)、無(wú)機(jī)及金屬離子雜質(zhì)，可使用RCA溶液進(jìn)行清理等。不過(guò)，單獨(dú)采用溶液浸泡法，對(duì)于污染雜質(zhì)的清除可能并不徹底，因而在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用攪拌、超聲、加熱等無(wú)力輔助措施配合操作，以提高污染雜質(zhì)清除率。

（2）機(jī)械擦洗法。對(duì)于半導(dǎo)體晶圓表面的有機(jī)殘?jiān)蛭⒘ｋs質(zhì)，可采用機(jī)械擦洗法處理，如擦片機(jī)擦洗、手工擦洗等。手工擦洗比較簡(jiǎn)單方便，可以使用無(wú)水乙醇等有機(jī)溶劑浸泡棉球，用不銹鋼鑷子夾住，沿相同方向擦洗圓片表面，可將固體顆粒、殘膠、灰塵、蠟?zāi)さ任廴倦s質(zhì)去除，但是，如果操作不當(dāng)，可能造成圓片表面劃傷等問(wèn)題。而擦片機(jī)擦洗主要借助了機(jī)械旋轉(zhuǎn)作用，使用刷輥或軟羊毛刷，對(duì)圓片表面進(jìn)行刷擦，能夠避免損傷圓片表面。如利用高壓擦片機(jī)處理，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械摩擦，因而對(duì)圓片表面也不會(huì)劃傷，可將槽痕中的污染雜質(zhì)清理干凈。

（3）超聲波清洗。在半導(dǎo)體工業(yè)中，超聲波清洗有最廣泛的應(yīng)用，在操作方面簡(jiǎn)單便捷，能夠達(dá)到十分理想的清洗效果，對(duì)于比較復(fù)雜的容器或器件，也能有效地去除污染雜質(zhì)。超聲波清洗技術(shù)主要是利用了強(qiáng)烈的超聲波作用，在液體介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生密部、疏部。其中疏部將會(huì)產(chǎn)生空腔泡，近似真空狀態(tài)。在空腔泡消失的時(shí)候，會(huì)在附近產(chǎn)生強(qiáng)大的局部壓力，進(jìn)而使分子內(nèi)化學(xué)鍵斷裂，從而解吸晶圓表面的污染雜質(zhì)。壓力、功率、溫度、頻率等超聲參數(shù)條件，對(duì)于超聲波清洗效果都會(huì)產(chǎn)生直接的影響。目前，該方法對(duì)于圓片表面大塊污染或顆粒污染雜質(zhì)的清除，效果十分顯著。

（4）兆聲波清洗。兆聲波清洗是在超聲波清洗的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，具備了超聲波清洗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，也解決了超聲波清洗的不足。兆聲波清洗利用了850kHz高能頻振效應(yīng)，使用化學(xué)清洗劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有效清洗圓片污染雜質(zhì)。操作中兆聲波可推動(dòng)溶液分子加速運(yùn)動(dòng)，能夠達(dá)到30cm/s的最高瞬時(shí)速度。利用高速流體波連續(xù)對(duì)圓片表面進(jìn)行沖擊，進(jìn)而強(qiáng)制除去圓片表面附著的細(xì)小微粒和污染物。該技術(shù)可發(fā)揮化學(xué)清洗、機(jī)械擦片等方面的效果，在拋光片清洗中已得到較好的應(yīng)用。

（5）旋轉(zhuǎn)噴淋法。旋轉(zhuǎn)噴淋法中，通過(guò)機(jī)械方法使圓片達(dá)到較高的旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，將高純?nèi)ルx子水或其他清洗液不斷噴淋到圓片表面和圓片背面，從而將圓片表面及背面的污染雜質(zhì)去除。該技術(shù)對(duì)圓片表面和背面的污染雜質(zhì)，主要是通過(guò)噴淋液體的化學(xué)反應(yīng)或溶解作用實(shí)現(xiàn)，結(jié)合高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心力，能夠使污染雜質(zhì)和溶解了雜質(zhì)的液體脫離圓片表面及背面。該技術(shù)融合了流體力學(xué)清洗和化學(xué)清洗的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，也可發(fā)揮一定的高壓清洗作用。在實(shí)際應(yīng)用中，可以結(jié)合甩干工序，噴淋去離子水清洗一段時(shí)間后停止噴水，改為惰性氣體噴淋，并將轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高，提升離心力，進(jìn)而達(dá)到圓片表面和圓片背面快速脫水的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體晶圓是半導(dǎo)體工業(yè)中最重要的一種材料，對(duì)于其表面潔凈度有著很高的要求。如果半導(dǎo)體晶圓存在污染雜質(zhì)，將對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成很大的影響。目前，對(duì)于半導(dǎo)體晶圓污染雜質(zhì)主要有干法清洗技術(shù)和濕法清洗技術(shù)兩大類(lèi)，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)表面污染雜質(zhì)的類(lèi)型，選擇適當(dāng)?shù)那逑醇夹g(shù)處理，以提高半導(dǎo)體晶圓質(zhì)量。