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1、第六章 硅片沾污控制 沾污的类型 沾污的来源与控制 硅片的湿法清洗介绍 干法清洗方案介绍 本章内容 6.1 沾污的类型 沾污（Contamination）是指半导体制造 过程中引入半导体硅片的，任何危害芯片成品 率及电学性能的，不希望有的物质。 沾污经常导致有缺陷的芯片，致命缺陷是导 致硅片上的芯片无法通过电学测试的原因。 三道防线: 1. 净化间（clean room） 2. 硅片清洗（wafer cleaning） 3. 吸杂（gettering） 净化间沾污分为五类 颗粒 金属杂质 有机物沾污 自然氧化层 静电释放（ESD） 颗粒：所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。 颗粒来源： 空气 人
2、体 设备 化学品 超级净化空气 风淋吹扫、无尘服、面 罩、手套等 特殊设计及材料 定期清洗 超纯化学品 ，去离子水 后果：电路开路或短路，薄膜针眼或开裂，引起后续沾 污。 一.颗粒沾污 各种可能落在芯片表面的颗粒 半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗略法则是 它必须小于最小器件特征尺寸的一半。 一道工序，引入到硅片中，超过某一关键尺寸的颗 粒数，用术语表征为：每步每片上的颗粒数（PWP ）。 在当前生产中应用的颗粒检测装置能检测到的最小 颗粒直径约为0.1微米。 二.金属沾污 来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺 化学品和传输管道及容器的反应。 v量级：1010原子/cm2 影响： 在
3、界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降 增加p-n结的漏电流，减少少数载流子的寿命 Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti Na, K, Li 金属杂质沉淀到硅表面的机理 n通过金属离子和硅表面终端的氢原子之间的电荷 交换，和硅结合。（难以去除） n氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入 去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子 M Mz+ + z e- 去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂） 还原 氧化 金属离子在半导体材料中是高度活动性的，被称 为可动离子沾污（MIC）。当MIC引入到硅片中时， 在整个硅片中移动，严重损害器件电学性能和长期可 靠性。 对于MIC沾污,能迁移到栅
4、结构中的氧化硅界面 ，改变开启晶体管所需的阈值电压。 由于它们的性质活泼，金属离子可以在电学测试 和运输很久以后沿着器件移动，引起器件在使用期间 失效。 三. 有机物的沾污 导致的问题: 栅氧化层密度降低; 清洁不彻底,容易引起后续沾污 来源： 环境中的有机蒸汽, 如清洁剂和溶剂 存储容器 光刻胶的残留物 去除方法：强氧化 臭氧干法 Piranha：H2SO4-H2O2 （7:3） 臭氧注入纯水 四. 自然氧化层 来源: 在空气、水中迅速生长 导致的问题： 接触电阻增大 难实现选择性的CVD或外延 成为金属杂质源 难以生长金属硅化物 清洗工艺：HFH2O（ca. 1: 50） 五. 静电释放
5、静电释放（ESD）也是一种污染形式，因为它 是静电，从一个物体向另一个物体，未经控制的转移 ，可能会损坏芯片。 ESD产生于，两种不同静电势材料的接触或摩 擦。 半导体制造中，硅片加工保持在较低的湿度中， 典型条件为4010的相对湿度（RH，Relative Humidity）。增加相对湿度可以减少带电体的电阻率 ，有助于静电荷的释放，但同时也会，增加侵蚀带来 的沾污。 静电释放导致金属导线蒸发，氧化层击穿。（总电 量小，但是区域集中，放电时间短，导致高电流） 电荷积累吸引，带电颗粒或其他中性颗粒，会引起 后续沾污。 静电释放带来的问题 半导体器件制造厂房存在7种沾污源：空气、 人、厂房、水、
6、工艺用化学品、工艺气体和生产设 备。 一. 空气 净化间最基本的概念是：对硅片工厂空气 中的颗粒控制。我们通常所呼吸的空气是不能用于 半导体制造的，因为它包含了太多的漂浮沾污。 6.2 沾污的源与控制 净化级别，标定了净化间的空气质量的级 别，它是由净化室空气中的颗粒尺寸和密度表 征的。 表6.2 美国联邦标准209E中各净化间级别对空气漂浮颗粒的限制 近些年来业内已经开始使用0.1级，这时颗粒尺寸缩小到0.020.03m。 二. 人 人员持续不断地进出净化间，是净化间沾污 的最大来源。 现代超净服是高技术，膜纺织品或密织的聚酯织 物。先进的材料对于0.1微米及更大尺寸的颗粒具 有99.999
7、%的效率级别。 超净服的系统目标： 1）对身体产生的，颗粒和浮质的总体抑制； 2）系统颗粒零释放； 3）对ESD静电释放的零静电积累； 4）无化学和生物残余物的释放。 三厂房 为使半导体制造在一个超洁净的环境中进行 ，有必要采用系统方法来控制净化间区域的输入和 输出。在净化间布局、气流流动模式、空气过滤系 统、温度和湿度的设定、静电释放等方面都要进行 完善的设计，同时尽可能减少通过设备、生产器 具、人员、净化间供给，引入的颗粒和持续监控净 化间的颗粒，定期反馈信息及维护清洁。 为实现净化间中的超净环境，气流种类是关键的。 对于100级或一下的净化间，气流是层流状态，没 有湍流气流模式。 垂直层
8、流对于外界气压具有轻微的正压，充当了屏 蔽，以减少设备或人到暴露着的产品的横向沾污。 气流原理 对于流体流动状态的描述 Re4000时流体为湍流(onflow)，Re7） 可以氧化有机膜 和金属形成络合物 缓慢溶解原始氧化层，并再氧化可以去除颗粒 NH4OH对硅有腐蚀作用 RCA标准清洗 OH OH OH OH OH OH SC-2: HCl(73%):H2O2(30%):DI=1:1:61:2:8 7080C, 10min 酸性（pH值7） 可以将碱金属离子及Al3、Fe3和Mg2与SC-1溶液中形 成的不溶的氢氧化物，反应成溶于水的络合物 可以进一步去除残留的重金属污染（如Au） RCA与
9、超声波振动共同作用，可以有更好的去颗粒作用 2050kHz 或 1MHz左右。 平行于硅片表面的声压波使粒子浸润， 然后溶液扩散入界面，最后粒子完全浸 润，并成为悬浮的自由粒子。 表6.3 硅片湿法清洗化学品 现代芯片生产中硅片清洗工艺流程 化学溶剂 清洗温度 清除的污染物 1 H2SO4+H2O2(4:1) 120C,10min 有机物和金属 2 D.I. H2O室温洗清 3 NH4OH+H2O2+H2O (1:1:5) (SC1) 80C,10min微尘 4 D.I. H2O室温洗清 5 HCl+H2O2+H2O (1:1:6) (SC2) 80C,10min金属 6 D.I. H2O室温
10、洗清 7 HF+H2O (1:50)室温氧化层 8 D.I. H2O室温洗清 9 干燥 清洗容器和载体 SC1/SPM/SC2 石英（ Quartz ）或 Teflon容器 HF 优先使用Teflon，其他无色塑料容器。 硅片的载体 只能用Teflon 或石英片架（不能用于HF清 洗中） 常见清洗设备 兆声清洗 喷雾清洗 兆声清洗 喷雾清洗 优点：持续供给新鲜清洗液，高速 冲击的液滴和硅片旋转可保证有效 清洗。 缺点：清洗不均匀，中心旋转为 零。 优点：可批处理进行清洗；节省清洗液用 量。 缺点：可能造成清洗损伤。 洗刷器 水清洗干燥 溢流清洗 排空清洗 喷射清洗 加热去离子水清洗 旋转式甩干
11、 IPA异丙醇蒸气干燥 缺点：单片操作，效率 低，难以实现批处理。 硅片甩干：硅片对水的响应程度称为它的可湿 性。水可浸润亲水性的洁净硅片上，而在疏水性 表面上因为表面张力收缩为水珠，即反浸润。这 样的水珠在干燥后会在硅片表面形成斑点。 经过氢氟酸腐蚀的无氧化物表面由于氢终结了表 面原子层因而是疏水性的。必须彻底干燥硅片表 面。 旋转式甩干机：难以除去孔穴中的水分；高速旋 转引起电荷积累吸引颗粒 异丙醇蒸气干燥：IPA的纯度级别必须加以控制 （1）微粗糙度（RMS）； （2）自然氧化物清除率； （3）金属沾污、表面颗粒度以及有机物沾污； （4）芯片的破损率； （5）清洗中的再沾污； （6）对环
12、境的污染； （7）经济的可接受性（包括设备与运行成本、 清洗效 率）等。 硅片清洗技术评价的主要指标 颗粒的产生 较难干燥 价格 化学废物的处理 和先进集成工艺的不相容 湿法清洗的问题 现在已经研究出几种可以取代RCA清洗 的清洗技术,像等离子体干法清洗、使用螯合 剂、臭氧、低温喷雾清洗等,但在工业生产上 还未大量应用。 6.4 RCA湿法清洗的替代方案 干法清洗工艺 气相化学，通常需激活能在低温下加强化学反应。 所需加入的能量，可以来自于等离子体，离子束， 短波长辐射和加热，这些能量用以清洁表面，但必 须避免对硅片的损伤 HFH2O气相清洗 紫外一臭氧清洗法（UVOC） H2Ar等离子清洗
13、热清洗 等离子清洗有物理清洗和化学清洗（表面改性）两 种方式。前者称为PE方式，后者称为RIE方式。将 激发到等离子态的活性粒子与表面分子反应，而产 物分析进一步解析形成气相残余物而脱离表面。 目前等离子体技术已经用来除去有机光刻胶（灰化 ）和有机物沾污，是替代湿法化学方法的一种绿色 手段，是被人们十分关注的根本治理污染的技术。 6.4.1 等离子体基干法清洗 螯合剂用来结合并除去金属离子，加入到清洗液中 ，能够减少溶液中的金属再淀积。 典型的螯合剂如乙二胺四乙酸（EDTA）。这类螯 合剂通常通过配位键与溶液中的金属离子达到非常 稳定的结合，以实现金属与硅片表面的隔离。 6.4.2 螯合剂 臭
14、氧处理过的纯水结合紧随其后的SC-2清洗步骤 能有效除去诸如铜（Cu）和银（Ag）这类金属， 同时能去除有机物沾污。 6.4.3 臭氧（O3） 原理：充分冷却气体（如氩气Ar），形成固态晶粒 ，喷射到硅片表面除去颗粒沾污 6.4.4 低温喷雾清洗 原理：用高压压缩CO2气体，使之成一种介于液 体和气体之间的流体物质，“超临界”状态。这种 流体与固体接触时，不带任何表面张力，因此能 渗透到晶圆内部最深的光刻位置，因而可以剥离 更小的颗粒。 此外，超临界流体的粘度很低，可以清除掉晶圆 表面的无用固体。采用超临界流体清洗给组合元 件图案造成的损伤少并可以抑制对Si基板的侵蚀 和不纯物的消费。可对注入离子的光敏抗腐蚀剂 掩模用无氧工艺进行剥离。 6.4.5 超临界清洗技术