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引言
本文在高真空組合工具中研究了氣相預(yù)柵極氧化物表面制備：用無水氟化氫蒸汽和甲醇蒸汽蝕刻二氧化硅并通過改變晶片溫度、室壓和氣體流速，這樣就可以很好地控制氧化物蝕刻速率。本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氧化物蝕刻速率的5%的標(biāo)準(zhǔn)誤差。在60/分鐘的氧化物蝕刻速率下，每125毫米晶片產(chǎn)生的顆粒少于10個(gè)。原子力顯微鏡測(cè)量顯示沒有增加硅表面的微觀粗糙度，這歸因于蒸氣氟化氫(HF)蝕刻。
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介紹
現(xiàn)代集成電路(IC)制造中最重要的工藝之一是預(yù)柵氧化晶片表面制備。事實(shí)表明，金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)器件的性能取決于柵極氧化物生長(zhǎng)之前的清潔工藝。然而，在傳統(tǒng)制造工藝中，每次工藝完成后，晶圓會(huì)在潔凈室中從一個(gè)工具轉(zhuǎn)移到另一個(gè)工具，因此會(huì)面臨再次污染的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于一些關(guān)鍵的工藝順序，例如柵極氧化物生長(zhǎng)，應(yīng)該在晶片清洗后立即生長(zhǎng)氧化物，以減少氧化物缺陷并獲得高的器件成品率。
為了實(shí)現(xiàn)無污染制造，集群是選項(xiàng)之一。組合工具允許單晶片處理，在此期間，晶片在真空下在處理模塊之間轉(zhuǎn)移，并且降低了再污染的風(fēng)險(xiǎn)。配備原位診斷，可以更好地控制過程穩(wěn)定性。隨著晶片尺寸越來越大，單晶片加工變得越來越有吸引力。與真空兼容的氣相清潔工藝目前正受到越來越多的關(guān)注。在氣相過程中，氧化物和其他表面污染物可能會(huì)通過活性氣體和表面層/污染物之間的反應(yīng)而被去除。氣相處理也具有清潔較小特征的潛力，因?yàn)闈穹ㄌ幚硎艿饺芤罕砻鎻埩Φ南拗?。氣相處理的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與濕法分批處理相比減少了化學(xué)品消耗。因此，氣相處理是環(huán)境友好的。
例如，表1總結(jié)了從我們的研究機(jī)構(gòu)收集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示了一個(gè)月周期的預(yù)柵極氧化物清洗過程的平均值?？梢钥闯?，除了HF以外，直接比較是困難的，因?yàn)閮蓚€(gè)方案中使用的化學(xué)物質(zhì)基本上是不同的。然而，我們已經(jīng)觀察到在氣相清洗中消耗的HF的量比在氣相清洗中少大約六分之一濕法清洗，與濕法清洗相比，在濕法批處理過程中消耗了大量的去離子水，以及在氣相清洗中消耗的化學(xué)物質(zhì)的量很少。
除了氣相處理本身的有效性之外，氣相處理的成功取決于單晶片處理技術(shù)的大規(guī)模實(shí)施。我們?cè)谶@篇文章和其他6–11中得出結(jié)論，氣相處理對(duì)于預(yù)柵氧化清洗是有前途的。潔凈室中微環(huán)境概念的采用將導(dǎo)致制造中更多的單晶片加工工具。這一點(diǎn)，再加上對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品消耗和處理的更嚴(yán)格的規(guī)定，將加速該技術(shù)的實(shí)施。
在這篇文章中，我們報(bào)道了我們?cè)诟哒婵占上到y(tǒng)中對(duì)二氧化硅的氟化氫蒸氣腐蝕和紫外輔助清洗的研究。我們提供了關(guān)于氧化物蝕刻、表面微觀粗糙度、清洗過程中的顆粒生成和金屬污染物去除的數(shù)據(jù)。我們還研究了柵氧化層的電學(xué)性質(zhì)以及氣相清洗和快速熱氧化形成的SiO2/Si界面。這些結(jié)果已在最近發(fā)表的一篇文章中作了總結(jié)。
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表1 傳統(tǒng)濕法/批量清洗和汽相/單晶片清洗的化學(xué)消耗比較
通過讓N2鼓泡進(jìn)入室內(nèi)。通過改變N2流速來調(diào)節(jié)甲醇的量。所有引入室內(nèi)的氣體都是半導(dǎo)體級(jí)的，并經(jīng)過過濾以確保超高的純度和清潔度。
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結(jié)果和討論
二氧化硅蝕刻
圖4?
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為了找到工具給出最佳氧化物蝕刻性能的工藝窗口，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)的一個(gè)結(jié)果顯示在圖5中，其中氧化物蝕刻速率標(biāo)準(zhǔn)誤差被繪制為氧化物蝕刻速率的函數(shù)。圖中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一個(gè)處理五個(gè)晶片的配方。蝕刻速率的變化隨著蝕刻速率的增加而增加。存在一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)小于5%的變化的工藝窗口?？梢钥闯?，其中三個(gè)配方已經(jīng)重復(fù)和確認(rèn)。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)工藝，可以實(shí)現(xiàn)更小的變化。為了控制晶片之間的可重復(fù)性，蝕刻速率最好小于100/min。
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表面形態(tài)
Si/SiO2界面粗糙度通常導(dǎo)致更高的漏電流或SiO2介電膜的早期介電擊穿。14，15 Si表面微觀粗糙度可以增加在HF蝕刻、化學(xué)清洗甚至去離子水沖洗過程中。15–18原子級(jí)光滑表面是形成柵極氧化物的理想選擇。
如上所述，氧化物蝕刻速率在氣相HF氧化物蝕刻工藝中波動(dòng)。需要過蝕刻來保證完全去除犧牲氧化物。由于過度蝕刻造成的表面粗糙是不理想的。圖6(a)是被蒸氣HF侵蝕的Si(100)表面的AFM圖像。蝕刻在50℃和200托的室壓下進(jìn)行3分鐘，相當(dāng)于60/分鐘的氧化物蝕刻速率。該表面的均方根(rms)粗糙度為0.24納米。作為比較，用100∶1的HF水溶液蝕刻Si(100)表面2分鐘的結(jié)果顯示在圖6(b)中。這里，均方根值為
0.26納米。因此，在蒸汽和含水HF腐蝕的Si(100)表面之間沒有觀察到差別。
圖5 氧化物蝕刻速率標(biāo)準(zhǔn)誤差是氧化物蝕刻速率的
二氧化硅蝕刻過程中的顆粒生成
在濕法清洗和去離子水沖洗過程中，顆?？赡軙?huì)漂浮在液體頂部。當(dāng)將晶片從溶液中拉出時(shí)，它們中的一些可能會(huì)重新沉積在晶片表面上。汽相處理的優(yōu)點(diǎn)之一是不需要去離子水沖洗。
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總結(jié)和結(jié)論
我們已經(jīng)研究了氣相處理在高真空組合工具中用于預(yù)柵極氧化物清洗應(yīng)用的能力。對(duì)于50℃的溫度和200托的處理窗口的室壓，氧化物蝕刻是可再現(xiàn)的，晶片與晶片之間的標(biāo)準(zhǔn)誤差小于5%。沒有觀察到增加的硅表面微觀粗糙度，即使在侵蝕性的蒸汽HF蝕刻之后。在蝕刻速率為60/分鐘的情況下，蝕刻過程中每個(gè)晶片大約產(chǎn)生8個(gè)顆粒。較高的氧化物蝕刻速率通常會(huì)導(dǎo)致較大的顆粒沉積。已經(jīng)通過清洗程序證明了金屬污染物的去除，包括蒸汽HF蝕刻，隨后是UV/Cl2曝光。氣相清洗技術(shù)是未來組合工具、單晶片加工發(fā)展的重要選擇。