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引言
以DRAM及CPU為代表的超大規(guī)模集成電路硅半導(dǎo)體器件，近年來成為個(gè)人電腦熱潮的導(dǎo)火索，預(yù)計(jì)今后器件的需求也會擴(kuò)大。 那么，該硅半導(dǎo)體器件的基板材料幾乎都是通過直拉法(CZ)法培育的單晶硅。 通過對單晶硅錠進(jìn)行切割、研磨、蝕刻、鏡面拋光以及濕法清洗工序，制作出厚度為700-800μm的鏡面晶圓。 隨著半導(dǎo)體器件的微細(xì)化及高性能化，晶圓表面的高品質(zhì)化被進(jìn)一步要求。晶圓表面質(zhì)量有粒子、金屬雜質(zhì)、有機(jī)物、微粗糙度及自然氧化膜。在本文中，在CZ法硅鏡面晶圓的加工中，關(guān)注表面的粒子及各種污染，對除去這些粒子的濕法清洗工序的概要及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了敘述。
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硅片清洗技術(shù)
我們已知清洗對鏡面拋光后的晶圓表面質(zhì)量有很大的影響，隨著超大規(guī)模集成電路器件的微細(xì)化及高性能化的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到清洗的重要性，近十年來，研究也開始盛行起來。目前的鏡面拋光晶圓的清洗大部分采用RCA法或其改良法。RCA法的基礎(chǔ)是NH、OH/H202/H、O（稱為SC-1清洗）以及HCI/H、O、/H、0（稱為SC-2清洗），分別具有去除顆粒和金屬污染的效果。 在實(shí)際的清洗技術(shù)中，根據(jù)用途組合這些，有效地去除粒子、金屬雜質(zhì)以及有機(jī)物。 下面就粒子、金屬雜質(zhì)以及干燥技術(shù)進(jìn)行說明。
如圖1所示，由于256MDRAM以后的世代采用了0.25μm的設(shè)計(jì)規(guī)則，因此在這些器件中使用的φ300mm晶片上，預(yù)計(jì)尺寸0.1μm級的粒子會對器件特性產(chǎn)生影響。下面，將對通過清洗除去粒子的機(jī)理、以及晶圓表面粒子的測量原理及問題點(diǎn)進(jìn)行敘述。一般來說，在去除硅晶圓表面的粒子時(shí)，堿性的清洗比酸性的清洗更有利。對去除粒子有效的SC―1清洗是同時(shí)發(fā)生NH40H對硅的蝕刻和H202對硅的氧化的反應(yīng)體系。據(jù)推測，去除顆粒的主要原因是NH40H的蝕刻。此外，我們還提出了基于溶液中的晶圓及粒子的zeta電位的粒子附著模型。在SC―1清洗中，NH40H蒸發(fā)顯著，從除去粒子的觀點(diǎn)來看，藥液的使用時(shí)間受到限制。因此，為了在線監(jiān)測藥液中的濃度，使?jié)舛群愣ɑ?，還提出了定量添加NH40H和H202的系統(tǒng)。在RCA清洗中，利用物理現(xiàn)象的超聲波并用，有空化作用的類型（頻率40～50kHz）或高頻加速度的類型（頻率900kHz～1MHz）。 前者對于去除尺寸較大的粒子是有效的，但擔(dān)心會因空化而對晶圓造成損傷。另一方面，后者是利用巨大加速度或溶液的擠壓效果，對去除小粒子有效。由于在該頻率區(qū)域中不發(fā)生空化，因此晶片表面幾乎沒有損壞。
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圖1 導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)規(guī)則與晶圓表面特性的關(guān)系
在波形以及器件的制造過程中，存在來自工藝裝置以及間材的金屬污染（Al、Fe、Cu、Ni等）。需要開發(fā)去除這些金屬雜質(zhì)的清洗技術(shù)。 通常進(jìn)行酸基SC-2洗滌或稀HF溶液與堿基SC-1洗滌的組合。SC-2清洗通過HCl的溶解作用和氯離子的配位結(jié)合力，對去除金屬雜質(zhì)有效果20>。 在圖4中，將A1、Fe、Cu以及Ni強(qiáng)制污染了10′3atoms/cm2水平的晶圓，比較了稀HF和SC-2清洗后的金屬污染水平，關(guān)于Cu，用稀HF清洗幾乎無法除去，而用SC-2清洗則有很高的除去效果。 在SC―1清洗中，Al及Fe作為氧化物吸附在自然氧化膜上，離子化傾向比Si小的Cu直接吸附在Si上。 SC-1清洗容易去除硅表面的Cu和Ni。但是，如果清洗液中含有0.1 ppb左右的Fe、Al、Zn等金屬雜質(zhì)，晶圓表面就會附著濃度為1011atoms/cm2水平的污染，清洗液本身就會成為新的污染源。作為防止SC―1清洗時(shí)金屬污染的方法，還提出了在清洗液中添加螯合劑的方法。
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圖4 以及稀HF清洗中的金屬雜質(zhì)去除效果
干燥技術(shù)：干燥與清洗工藝是一對重要的技術(shù)。關(guān)鍵是如何在減少水?。ǜ稍锖圹E）及顆粒的狀態(tài)下，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行干燥。在以往的旋轉(zhuǎn)干燥及IPA蒸汽干燥中，在晶圓的大口徑化時(shí)，圖2粒子測量裝置的光學(xué)系統(tǒng)模式圖圖3氫處理晶圓的LPD計(jì)數(shù)的變化粒子測量裝置使用了圖4 SC-2和稀HF清洗中的金屬雜質(zhì)去除效果。為了解決這些問題，為了降低粒子及水印，利用在稀IPA氣氛中的室溫水中拉起引起的表面張力差效果的干燥法受到關(guān)注。
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最近的清洗技術(shù)
現(xiàn)在的硅晶圓的清洗裝置，作為追求RCA清洗法的生產(chǎn)性的結(jié)果，大部分采用多槽分批浸漬處理方式。近年來，為了滿足器件芯片尺寸的擴(kuò)大、制造成本的增加，φ300mm晶圓的實(shí)用化正在取得進(jìn)展。即使晶圓變成大口徑，φ300mm晶圓的清潔度也會更加嚴(yán)格。在裸晶圓加工裝置（研磨、研磨）的片葉化發(fā)展中，考慮晶圓批量生產(chǎn)線時(shí)，清洗裝置的片葉化成為必不可少的技術(shù)之一。從晶片輸送和工藝集成的觀點(diǎn)來看，片材清潔比批量清潔更有利。常見的片葉式清洗裝置示意圖如圖5所示。在旋轉(zhuǎn)邊緣保持在耐化學(xué)液體旋轉(zhuǎn)杯中的晶片的同時(shí)，從各種噴嘴向晶片噴射化學(xué)液體或純水。在以往的片葉式清洗裝置中，具有耐化學(xué)性的超聲波噴嘴以及旋轉(zhuǎn)杯內(nèi)的單元技術(shù)是最大的問題點(diǎn)，作為裸晶片的清洗，幾乎沒有實(shí)現(xiàn)φ200mm晶片的實(shí)用化。
近年來，開發(fā)出了圖6所示的耐化學(xué)性的超聲波MHz噴嘴。 通過ADDICPMS法25>·26）首次明確了從該噴嘴的金屬污染溶出比以往的噴嘴少。 使用耐化學(xué)性及以往的噴嘴，向硅晶圓噴射濃度為30ppm的臭氧水。分別用ICP―MS法及ADD―ICPMS法測量了注入的臭氧水及晶圓表面的金屬雜質(zhì)濃度。
臭氧是僅次于氟的強(qiáng)氧化劑，是利用該氧化力，除去附著在晶圓表面的有機(jī)物及金屬雜質(zhì)的方法。以前，除去有機(jī)物用SC-1洗凈或者硫酸和過氧化氫的混合溶液除去，金屬雜質(zhì)用SC-2洗凈除去。作為除去有機(jī)物及金屬雜質(zhì)的方法，使用添加臭氧的超純水。以超純水為原料，通過電解方式產(chǎn)生的清潔臭氧氣體，通過透過膜組件溶解在超純水中。 添加臭氧的超純水基本處于中性區(qū)域，具有較高的氧化還原電位，因此可以從金屬及有機(jī)物中奪取電子進(jìn)行氧化。
通過電解含有離子的超純水，可以通過電泳在陽極側(cè)生成酸性電解水和在陰極側(cè)生成堿性電解水。通過向超純水中添加符合目的的電解質(zhì)進(jìn)行電解，可以調(diào)整離子水的氧化還原電位及pH特性。添加了電解質(zhì)的電解陰極水具有去除Cu及Fe的效果，可以考慮代替酸性溶液。電解陽極水具有除去二氧化硅粒子的效果，是與SC―1洗凈相同的洗凈方法。
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總結(jié)
本文報(bào)告了硅片清洗的概論、最近的新清洗法及相關(guān)技術(shù)的評論。為了應(yīng)對器件的高集成化及高性能化，晶圓表面的高品質(zhì)化非常重要，而且大口徑化成為導(dǎo)火索，不僅需要傳統(tǒng)的清洗技術(shù)，還需要突破。洗凈作為生產(chǎn)技術(shù)，不僅要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)·訣竅進(jìn)行開發(fā)，還需要從理論分析出發(fā)考慮洗凈技術(shù)。另外，表面的高品質(zhì)化不僅僅是清洗，潔凈室的維持管理晶片的包裝及保管方法也很重要。