消除外延襯底中心圈缺陷的晶片清洗工藝研究及應(yīng)用*

李國芳，陳飛宏，普世坤，柳廷龍，劉漢保，陳代鳳，李 嬌

（1.云南臨滄鑫圓鍺業(yè)股份有限公司，云南 臨滄 677000；2.云南鑫耀半導(dǎo)體材料有限公司，云南 昆明 650503；3.云南中科鑫圓晶體材料有限公司，云南 昆明 650503；4.昆明云鍺高新技術(shù)有限公司，云南 昆明 650503）

隨著制造業(yè)自動(dòng)化程度提高，半導(dǎo)體材料運(yùn)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)寬，上游行業(yè)也得到了飛速的發(fā)展，為了進(jìn)一步穩(wěn)定并提高半導(dǎo)體材料如砷化鎵、鍺晶片等產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)提高產(chǎn)品產(chǎn)量以按時(shí)完成產(chǎn)品交期，全自動(dòng)清洗機(jī)的使用已是大勢(shì)所趨。全自動(dòng)清洗機(jī)的運(yùn)作依靠程序的設(shè)定，對(duì)清洗流程時(shí)間把控準(zhǔn)確，對(duì)清洗工藝進(jìn)行固化，能大幅提高產(chǎn)量的同時(shí)還能保證產(chǎn)品質(zhì)量。在清洗工序中，每個(gè)小過程的時(shí)間設(shè)定、流速等是影響晶片清洗效果的主要因素。

目前全自動(dòng)清洗機(jī)清洗出的晶片，長外延后容易出現(xiàn)中心圈缺陷，全自動(dòng)清洗機(jī)面臨著需要研究出一套與其匹配的清洗工藝，以滿足晶片外延質(zhì)量要求。本研究對(duì)比傳統(tǒng)人工清洗與現(xiàn)有自動(dòng)清洗機(jī)的清洗工藝，研究出一種穩(wěn)定的、能滿足外延需求的全自動(dòng)清洗砷化鎵晶片的工藝。

1 清洗技術(shù)及研究現(xiàn)狀

砷化鎵需求量：砷化鎵晶片是一種重要的半導(dǎo)體材料，是兼具多方面優(yōu)點(diǎn)的材料，由于其具有電子遷移率比硅大（5～6）倍且可制造出電阻率比硅和鍺高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上的半絕緣高阻材料的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于集成電路襯底、探測(cè)器、微波器件和高速數(shù)字電路、遙控、手機(jī)、DVD計(jì)算機(jī)外設(shè)、照明等諸多領(lǐng)域。砷化鎵制成的半導(dǎo)體器件具有高頻、高低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著5G及互聯(lián)網(wǎng)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對(duì)該產(chǎn)品的需求量急劇增加；從“十四·五”規(guī)劃可以看出，隨著科技在國家發(fā)展中的地位越來越重要，集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)的核心，已成為我國政策和資本關(guān)注的核心產(chǎn)業(yè)之一。而作為集成電路基板半絕緣砷化鎵襯底必將獲得爆發(fā)式增長。由于市場(chǎng)的需求及國家的支持，砷化鎵晶片的需求量將大幅提升。

砷化鎵晶片目前清洗技術(shù)：據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，80%的芯片電學(xué)失效是由玷污帶來的缺陷引起的[1]，可采用不同的清洗方式潔凈這些玷污。從砷化鎵制備的整個(gè)工藝流程（晶體生長-晶體加工-晶體切片-晶片研磨-晶片拋光-晶片清洗）來看，清洗是最后一個(gè)環(huán)節(jié)，雜質(zhì)沾污對(duì)器件性能的影響較大[2]，完全清潔的基片表面是實(shí)現(xiàn)后端電子產(chǎn)品高性能處理的第一步[3]，而砷化鎵晶片由于表面化學(xué)性質(zhì)活潑，加工過程中，易沾污顆粒、有機(jī)物和金屬離子等附在晶片表面，其中，在外延熱處理過程中金屬雜質(zhì)容易擴(kuò)散進(jìn)入砷化鎵襯底，從而在禁帶中產(chǎn)生缺陷或者產(chǎn)生復(fù)合中心的能級(jí)，造成晶片表面勢(shì)的不可控漂移，影響表面的少子壽命和表面復(fù)合速率，進(jìn)而引起過量的漏電流，最終導(dǎo)致器件的其他性質(zhì)出現(xiàn)各種退化和穩(wěn)定性問題[4]。所以，清洗環(huán)節(jié)對(duì)客戶晶片使用成功與否尤為重要。目前國內(nèi)主要還是以傳統(tǒng)人工溶液清洗為主要清洗方式，但是人工清洗費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且可能由于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)差異存在晶片沖洗不均勻，所以國內(nèi)目前有少數(shù)廠家已引入全自動(dòng)清洗機(jī)來清洗砷化鎵晶片。但是全自動(dòng)清洗技術(shù)尚處于起步發(fā)展階段，技術(shù)還不夠成熟，所以針對(duì)全自動(dòng)清洗機(jī)的工藝調(diào)整及確定對(duì)砷化鎵晶片制造企業(yè)來說又是一個(gè)大的技術(shù)攻關(guān)難題。目前，由于晶片清洗后無法在晶片生產(chǎn)端檢測(cè)出外延后襯底可能出現(xiàn)的中心圈缺陷（強(qiáng)光燈下能查看到，如圖1所示），此缺陷問題只有在客戶端外延后才能顯現(xiàn)出來，所以需在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)清洗方法的確認(rèn)，獲得外延后襯底質(zhì)量符合要求的方案。

圖1 晶片外延后中心圈缺陷Fig.1 Extensional rear center defect of central circle of wafer

2 研究技術(shù)要點(diǎn)

2.1 條件及方法

采用表面顆粒度測(cè)試儀對(duì)晶片表面進(jìn)行測(cè)試，并將客戶圖片反饋對(duì)照。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 基礎(chǔ)條件

研究使用垂直梯度凝固法（VGF） 生長的R-50±0.1 mm-N型摻Si低阻砷化鎵（GaAs） 單晶做實(shí)驗(yàn)晶片，其晶向?yàn)椤?00〉偏〈011〉A(chǔ)15°±0.5°。

2.2.2 清洗工藝過程

人工清洗工藝過程為：傳統(tǒng)人工清洗，1983年A.Y.Cho提出的外延生長前砷化鎵襯底的清洗過程[5]，到清洗工序后，甲醇和去離子水沖洗（去有機(jī)雜質(zhì)） →硫酸雙氧水腐蝕（去無機(jī)雜質(zhì)） →去離子水沖洗→鹽酸腐蝕（去氧化物） →去離子水沖洗，目前大多研究是根據(jù)此方法延伸拓展。此研究中，人工清洗方法為：RCA清洗法[6]，使用SC1有機(jī)溶劑乙醇去除晶片表面有機(jī)雜質(zhì)；SC2含雙氧水和氨水的有機(jī)溶液進(jìn)行沖洗，使金屬離子和金屬氧化物絡(luò)合為可溶性絡(luò)合物并溶解部分難容的氧化物。

實(shí)驗(yàn)清洗工藝過程為六個(gè)步驟，即SC1→DI水→SC2→DI水→SC3→DI水（Ultrapure water縮寫為UPW，通常叫做DI水，UPW采用臭氧化的水稀釋化學(xué)品以及化學(xué)清洗后晶片的沖洗液[7]），SC3是以雙氧水為主的有機(jī)溶液，貫穿六個(gè)步驟的條件設(shè)置如表1。以下方案的其他條件是實(shí)驗(yàn)前經(jīng)多次調(diào)配實(shí)驗(yàn)后固化下來的指導(dǎo)參數(shù)：SC1、SC2和SC3的液體流速控制在（150～260） mL/min、沖洗時(shí)間（5～8） s和藥品溫度（15～30） ℃，不同地區(qū)、不同環(huán)境的參數(shù)是不一樣的。

表1 制樣方案條件Tab.1 Sample preparation conditions

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1） 通過Tencor機(jī) （CS20） 對(duì)隨機(jī)抽取的晶片表面掃碼，顆粒度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 顆粒度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of particle size 顆

測(cè)試結(jié)果中：

方案1～方案8及方案 4～方案 6的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可看出：①吹掃氮?dú)庖资咕斐删砻嬲次?，且可能?huì)被內(nèi)部循環(huán)風(fēng)旋渦狀地將沾污集中于晶片中心位置；②從晶片類型看，新片或者返修片無較大區(qū)別，顆粒值均在10顆以下。

方案1～方案6及方案7～方案8的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可看出：

未吹掃氮?dú)獾娜詣?dòng)清洗機(jī)清洗的晶片的表面情況，比傳統(tǒng)人工清洗晶片的表面情況穩(wěn)定，克服了超微粒子數(shù)量去除難度問題[8]；

2）通過顆粒度測(cè)試儀Tencor機(jī)對(duì)隨機(jī)晶片表面掃碼，顆粒度測(cè)試QAbsPhase光源針對(duì)污染缺陷掃描結(jié)果如表3所示。

表3 顆粒度測(cè)試QAbsPhase光源掃描結(jié)果Tab.3 QAbsPhase light source scan results of particle size

通過表3可看出，方案3（艙內(nèi)吹掃氮?dú)猓┑木瑨呙杞Y(jié)果顯示：中間部位比平均信號(hào)暗的面積較大，方案6（艙內(nèi)吹掃氮?dú)猓?，比平均信?hào)暗的中間部位的暗影分布不均勻。方案3和方案6的QAbsPhase光源針對(duì)污染缺陷掃描結(jié)果較其他方案的差，容易造成晶片外延后出現(xiàn)缺陷。

3）晶片外延后，有兩個(gè)結(jié)果：①晶片外延后出現(xiàn)中心圈缺陷，如圖1所示；②晶片表面滿足外延要求，其表面是透亮、無可見缺陷，如圖2所示。各方案加工出的晶片經(jīng)外延后，兩片出現(xiàn)了類似于圖1的中心圈缺陷，襯底中間位置均有霧狀呈現(xiàn)，通過對(duì)晶片號(hào)加工記錄的追溯，這兩片是吹掃氮?dú)猓ǚ桨?和方案6）的工藝條件下加工的晶片，其他方案清洗的晶片長外延后反饋是：電性正常，外觀正常。

圖2 滿足外延要求的襯底Fig.2 Substrate in accordance with extensional requirements

3 應(yīng)用效果

通過全自動(dòng)清洗機(jī)清洗的晶片，除在艙室內(nèi)吹掃過氮?dú)獾木?，其余的晶片通過3種溶液（SC1、SC2和SC3） 的清洗，有效地去除了晶片表面顆粒及金屬附著物，掃描結(jié)果顯示晶片表面粒徑小于0.3 μm的顆粒均小于10顆/片。

人工清洗的兩個(gè)方案（方案7和方案8） 清洗后的晶片，晶片表面粒徑小于0.3 μm的顆粒掃描結(jié)果：方案7一組較穩(wěn)定（2顆，2顆，2顆），后一組結(jié)果差距較大（19顆，6顆，4顆）。

全自動(dòng)清洗機(jī)工藝清洗的晶片，在以上4種條件下清洗，其表面基本滿足了目前LED用襯底片表面質(zhì)量要求。迄今，國外對(duì)國內(nèi)高精密加工技術(shù)嚴(yán)格保密，嚴(yán)重制約了先進(jìn)電子產(chǎn)品制程的發(fā)展，因此急需自主研究探索超凈清洗技術(shù)，并持續(xù)開展半導(dǎo)體材料的清洗機(jī)理、清洗設(shè)備及清洗配方技術(shù)的研究。

目前全自動(dòng)清洗機(jī)清洗的晶片，外延后襯底易出現(xiàn)中心圈缺陷的問題。在晶片清洗工藝的實(shí)驗(yàn)中，采取了六步驟自動(dòng)清洗的方法清洗砷化鎵晶片，通過多組實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了傳統(tǒng)人工清洗與現(xiàn)有自動(dòng)清洗機(jī)的清洗工藝，研究出一種穩(wěn)定的、能滿足外延需求的全自動(dòng)清洗機(jī)清洗砷化鎵晶片的工藝，為鍺、磷化銦和砷化鎵晶片等半導(dǎo)體材料的清洗技術(shù)研發(fā)提供參考。

4 結(jié)語

通過八組試驗(yàn)對(duì)照，可以得到以下兩個(gè)結(jié)論：

1）全自動(dòng)清洗機(jī)艙內(nèi)不宜吹掃氮?dú)猓?/p>

2）從晶片表面質(zhì)量、批次間穩(wěn)定性比較：全自動(dòng)清洗機(jī)清洗方式比傳統(tǒng)人工清洗方式穩(wěn)定。