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摘要
? ? ? 表面處理和預(yù)清洗在半導(dǎo)體工業(yè)中的重要性是眾所周知的。為了確保良好的薄膜粘附性和金屬半導(dǎo)體觸點(diǎn)的低電阻，某些溶劑或等離子體清洗以及酸或堿處理對(duì)于去除有機(jī)殘留物和表面氧化物至關(guān)重要。已知多種蝕刻劑對(duì)于去除天然GaAs氧化物是有效的。然而，在特定的加工步驟中使用什么處理，以及需要什么濃度和加工時(shí)間來獲得有效的結(jié)果，在工業(yè)中幾乎沒有標(biāo)準(zhǔn)化。此外，與制備特定蝕刻化學(xué)物質(zhì)相關(guān)的成本和所涉及的化學(xué)物質(zhì)的有效壽命以前沒有被仔細(xì)研究過。這篇合作論文將回顧幾個(gè)大規(guī)模制造組織中濕法氧化物去除蝕刻的一般實(shí)踐，并研究這些實(shí)踐的有效性。
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介紹
? ? ? 作為制造過程的一部分，所有半導(dǎo)體制造場(chǎng)所都使用酸、堿、溶劑和等離子清洗來去除氧化物、抗浮渣或GaAs和相關(guān)外延化合物。例如，圖案化光致抗蝕劑開口可能需要等離子體清潔以去除顯影步驟后殘留的殘余抗蝕劑，并且這之后經(jīng)常是氧化物去除以確保蒸發(fā)膜的良好粘附。類似地，可能需要表面清潔來為下一層光刻或電介質(zhì)沉積準(zhǔn)備晶片表面。在濕法處理的情況下，化學(xué)制劑可以作為通風(fēng)柜中的浴液獲得，或者從晶片軌道或其他自動(dòng)化單晶片處理工具中分配。工程部門有責(zé)任決定使用什么樣的浴缸，使用什么樣的濃度，以及有效的浴缸壽命應(yīng)該是多少。本文提供了這些選擇的示例，并討論了這些加工步驟在美國(guó)一些主要制造工廠中的使用情況。
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用于去除氧化物的氯化氫溶液
? ? ? 鹽酸的稀釋物經(jīng)常被用作在薄膜沉積之前去除表面氧化物的試劑。最廣泛使用的氯化氫起始濃度通常稱為37%氯化氫，更準(zhǔn)確地說，是指11至12的氯化氫標(biāo)準(zhǔn)溶液，包裝上有標(biāo)簽，標(biāo)明36至38%氯化氫。全濃度37%鹽酸很少用于晶圓清洗，1:1鹽酸:DIW (18%鹽酸)或1:5鹽酸:DIW (6%鹽酸)更常見。盡管許多工廠通過稀釋率來表示水浴濃度，但如果不同地點(diǎn)的起始氯化氫濃度不一致，這就有可能造成混淆。Skyworks的蝕刻槽儲(chǔ)存的鹽酸起始濃度從18%到36%不等。在本節(jié)中，將以氯化氫百分比而不是稀釋率來描述濃度。
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去除氧化物的其他化學(xué)物質(zhì)?
? ? ? NH4OH的稀溶液也被用于各種加工步驟中的表面預(yù)清潔。它們最常用于光刻步驟和氮化物沉積之前，在某些情況下，在金屬化之前。在某些情況下，使用NH4OH進(jìn)行表面清潔優(yōu)于HF和HCl。HF可以攻擊PR-GaAs界面，HCl會(huì)攻擊任何暴露的鎳。在環(huán)球通信半導(dǎo)體，1:50稀釋的NH4OH(29%):DIW通常用于表面預(yù)清潔。清洗過程在室溫下使用3060毫升的浴液浸泡530秒，然后進(jìn)行DIW漂洗和甩干。每個(gè)浴液在使用前5分鐘內(nèi)混合，最多25分鐘只使用一次。成本低于20美元/加侖，每個(gè)晶圓大約需要0.01美元的化學(xué)清洗。從預(yù)清洗到后續(xù)處理的時(shí)間限制在15-60分鐘，以防止氧化物再生長(zhǎng)。
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砷化鎵氧化物的XPS研究
? ? ? 圖2顯示了在有意氧化但未接受濕氧化物去除處理的對(duì)照樣品上獲得的Ga 3d和As 3d結(jié)合能譜的高分辨率掃描的測(cè)量數(shù)據(jù)。光譜可以模擬為以不同結(jié)合能為中心的兩個(gè)或多個(gè)正態(tài)分布的總和，代表不同的含鎵和砷的化合物。圖2說明了如何將Ga 3d光譜建模為代表Ga2O3和GaAs的兩個(gè)分布之和，而將砷3d光譜建模為代表As2O5、As2O3和GaAs的三個(gè)分布。將代表每種化合物的模擬分布面積與鎵或砷光譜的總面積進(jìn)行比較，以確定每種化合物的相對(duì)濃度。
? ? ? 僅使用DIW漂洗作為預(yù)清潔的GaAs晶片的濕法蝕刻底切用作比較不同化學(xué)清潔的氧化物去除的基線。對(duì)于GaAs-辛克斯粘合，用鹽酸和NH4OH清洗的晶片具有與基準(zhǔn)晶片相似的底切。用氫氟酸清洗的晶片具有改進(jìn)的粘附性，與其他預(yù)清洗方法相比，濕蝕刻底切減少了約25%。這種粘附力的提高很可能是由于除了氧化物去除之外的HF暴露的另一個(gè)影響。每種清潔化學(xué)品的兩種稀釋度之間沒有顯著差異。對(duì)于GaAs-珀羅附著力，所有化學(xué)清洗產(chǎn)生的附著力比基線晶片差。最后，如果每個(gè)清潔條件之間存在差異，則需要更多數(shù)據(jù)，因?yàn)槊總€(gè)條件的底切變化太大。
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圖2 未蝕刻對(duì)照樣品的鎵-3d(左)和砷-3d(右)XPS光譜，總光譜曲線模擬為代表不同鎵和砷化合物的峰的總和
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圖4 氧XPS光譜(左)。通過XPS分析測(cè)定的蝕刻樣品的表面原子百分比氧含量與。原位濺射時(shí)間(右)
結(jié)論
? ? ? 晶圓制造商采用幾種不同的常用化學(xué)物質(zhì)來蝕刻GaAs氧化物，評(píng)估每種方法的療效。就氧化物厚度而言，每種化學(xué)方法獲得的結(jié)果大致相同。對(duì)于氯化氫的情況，發(fā)現(xiàn)濃度或浴壽命對(duì)蝕刻后剩余氧化物厚度的依賴性很小或沒有依賴性。使用不同化學(xué)物質(zhì)蝕刻的樣品的XPS分析證實(shí)，每種化學(xué)物質(zhì)都產(chǎn)生相似的最終表面組成和殘余氧化物厚度。通過測(cè)量不同氧化物去除處理后沉積的SiN和光致抗蝕劑掩模的GaAs濕法蝕刻底切來評(píng)估蝕刻化學(xué)對(duì)薄膜粘附到GaAs的影響。當(dāng)使用SiN蝕刻掩模時(shí)，發(fā)現(xiàn)了底切對(duì)氧化物去除化學(xué)的一些依賴性，而光致抗蝕劑掩模的結(jié)果是不確定的。在使用200個(gè)晶片的過程中，沒有觀察到鹽酸和NH4OH浴的消耗或負(fù)載效應(yīng)。
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