晶圓表面清潔的研究方法
晶圓表面清潔的研究方法
設(shè)備在整個制造過程中需要使用不同的材料達到不同的清潔水平，因此提供多種清潔選項以達到所需的清潔水平以確保良好的設(shè)備和高產(chǎn)量變得越來越重要。表面活化是與清潔相關(guān)的一個重要過程，它為下一個工藝步驟調(diào)節(jié)和準備表面，確保良好的附著力，從而產(chǎn)生高質(zhì)量的模具。
在晶片進入制造過程之前，必須清潔其表面以去除任何粘附顆粒和有機/無機雜質(zhì)。硅原生氧化物也需要去除。不斷縮小的設(shè)備設(shè)計規(guī)則使得清潔技術(shù)對于實現(xiàn)可接受的產(chǎn)品產(chǎn)量變得越來越重要。在現(xiàn)代設(shè)備制造中，晶圓清洗程序可以占整個制造過程中步驟的 30% -到40%。晶圓清洗在半導體行業(yè)有著悠久的發(fā)展歷史。
晶片表面上的污染物可能以吸附離子和元素、薄膜、離散顆粒、微粒（顆粒簇）和吸附氣體的形式存在。圖 1 顯示了在進入工藝流程之前晶片表面上存在的污染物種類的示意圖；表 1 描述了不同類型的表面污染對器件性能的影響。
顆粒污染
顆粒污染可以源自各種來源的空氣傳播灰塵，包括晶圓廠設(shè)備、工藝化學品、氣體管線的內(nèi)表面、晶圓處理、薄膜沉積系統(tǒng)中的氣相成核和晶圓廠操作員。即使是低納米尺寸的顆粒也有可能產(chǎn)生“致命”缺陷，無論是通過物理遮擋器件中關(guān)鍵特征的形成（產(chǎn)生圖案、特征和注入缺陷），還是通過在薄絕緣材料中產(chǎn)生局部電弱點電影。顆粒污染的清潔解決方案包括食人魚清潔粗顆粒（和有機）污染和 SC-1清潔小而強粘附顆粒。食人魚溶液是極強的酸，可氧化許多表面污染物以產(chǎn)生可在溶液中去除的可溶性物質(zhì)。SC-1溶液通過氧化基材表面上的一層薄硅來去除不溶性顆粒，然后將其溶解到溶液中，并攜帶吸附的顆?！，F(xiàn)代 SC-1清潔采用超音速 (0.8-2.0MHz) 振動來幫助從表面去除顆粒。SC-1溶液通過在顆粒和基材表面誘導相同的zeta 電位來防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過氧化氫（食人魚、SC-1、SC-2）的清洗液都會在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。SC-1溶液通過氧化基材表面上的一層薄硅來去除不溶性顆粒，然后將其溶解到溶液中，并攜帶吸附的顆?！，F(xiàn)代 SC-1 清潔采用超音速(0.8-2.0MHz)振動來幫助從表面去除顆粒。SC-1溶液通過在顆粒和基材表面誘導相同的 zeta 電位來防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過氧化氫（食人魚、SC-1、SC-2）的清洗液都會在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。SC-1溶液通過氧化基材表面上的一層薄硅來去除不溶性顆粒，然后將其溶解到溶液中，并攜帶吸附的顆?！，F(xiàn)代 SC-1 清潔采用超音速 (0.8 - 2.0 MHz)振動來幫助從表面去除顆粒。SC-1溶液通過在顆粒和基材表面誘導相同的 zeta 電位來防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過氧化氫（食人魚、SC-1、SC-2）的清洗液都會在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。SC-1 溶液通過在顆粒和基材表面誘導相同的 zeta 電位來防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過氧化氫（食人魚、SC-1、SC-2）的清洗液都會在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。SC-1 溶液通過在顆粒和基材表面誘導相同的 zeta 電位來防止顆粒重新吸附，這是靜電排斥的量度。所有含有過氧化氫（食人魚、SC-1、SC-2）的清洗液都會在硅片表面留下一層薄薄的氧化層。
金屬污染
半導體器件對金屬污染物特別敏感，因為金屬在硅晶格中的移動性很高（尤其是金等金屬），因此它們很容易從表面遷移到硅晶片的主體中。一旦進入體硅，即使是適中的工藝溫度也會導致金屬快速擴散通過晶格，直到它們被固定在晶體缺陷位置。這種“修飾”的晶體缺陷會降低器件性能，允許更大的漏電流并產(chǎn)生更低的擊穿電壓?？梢允褂盟嵝郧鍧崉ɡ?SC-2、食人魚或稀氫氟酸 (HF)）從基材表面去除金屬污染物；這些清潔劑與金屬發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生可溶的離子化金屬鹽，可以沖洗掉。
化學污染
基材表面的化學污染可分為三種類型：有機分子化合物的表面吸附；無機分子化合物的表面吸附；以及由硅的化學氧化物/氫氧化物 SiO x (OH) y組成的不明確的、共價鍵合的薄（約 2 nm）天然氧化物。
有機化合物
由于揮發(fā)性有機溶劑/清潔劑的存在以及聚合物建筑材料的釋氣，有機化合物的表面污染通過空氣污染或有機光刻膠 (PR) 的殘留物在潔凈室中無處不在。有機物造成的嚴重污染，例如 PR 去除不完全時發(fā)生的情況，會在高溫工藝步驟中留下形成碳的殘留物，從而影響器件產(chǎn)量。這些碳殘留物可形成表現(xiàn)為顆粒污染物的核。殘留在 PR 化合物中的少量殘留金屬可以被困在這些碳殘留物的表面上]。PR 殘留污染物可以使用食人魚清潔和其他高效 PR 清潔方法去除，如干基材表面清潔中所述。
由于無處不在的揮發(fā)性空氣污染物引起的有機污染也需要從晶片表面去除。這些污染物的存在會阻礙稀釋的 HF 溶液（見下文）去除原生氧化物，從而在柵極氧化物與襯底和柵極電極之間產(chǎn)生界限不清的界面。較差的界面特性會嚴重降低柵極氧化層的完整性。表面上有機化合物的存在會影響熱氧化和 CVD 工藝的初始速率，導致薄膜厚度出現(xiàn)不希望和未知的變化。SC-1 清潔通過過氧化物氧化和 NH4對產(chǎn)品的溶劑化去除這些有機殘留物哦。SC-1 清潔緩慢地去除任何天然氧化物，用過氧化物的氧化作用產(chǎn)生的新氧化物代替該層。近年來，溶解在去離子水中的臭氧 (DIO3) 被越來越多地用作舊 Pirhana 和 SC-1 清潔劑的替代品，作為去除有機污染物的“綠色”和更安全的替代品。
無機化合物
由于含磷阻燃劑的脫氣或工藝工具中的摻雜劑殘留等影響，晶片表面可能存在含有摻雜劑原子（如硼和磷）的化合物。如果在高溫處理之前沒有將它們從晶片表面去除，這些元素可能會遷移到基板中，從而改變目標電阻率。其他種類的揮發(fā)性無機化合物，如胺和氨等堿性化合物和硫氧化物（SO x) 也會在半導體器件中產(chǎn)生缺陷，如果它們存在于襯底表面。酸和堿會導致化學增強型抗蝕劑的堿性或酸性發(fā)生意外變化，從而導致圖案生成和抗蝕劑去除問題。由于在基材表面形成化學鹽，這些化合物具有高度反應(yīng)性并且很容易與其他揮發(fā)性環(huán)境化學物質(zhì)結(jié)合以產(chǎn)生顆粒和霧度。通過 SC-1 和 SC-2 清潔劑的聯(lián)合作用，可以從基材表面去除吸附的酸性和堿性物質(zhì)。
天然氧化物
與許多元素固體一樣，硅通過與環(huán)境空氣中的氧氣和水分反應(yīng)，在其表面自然形成一層薄薄的氧化材料。該層的化學配方?jīng)]有明確定義，是 Si-O-Si、Si-H 和 Si-OH 物種或多或少的隨機聚集。硅表面上這種天然氧化物的存在會導致半導體器件制造中的問題，因為它會導致難以控制非常薄的熱氧化物厚度的形成。在薄柵氧化物形成期間存在于襯底上的任何天然氧化物都會通過羥基的結(jié)合而削弱柵絕緣體。此外，如果接觸墊的硅表面上存在天然氧化物，則會增加該接觸的電阻。在過去的 50 年里，我們對硅原生氧化物的性質(zhì)及其對器件性能的影響的理解大大增加。這些研究發(fā)現(xiàn)，HF 在去離子水、DI 中的極稀溶液或氟化銨、NH 的稀溶液根據(jù)圖2，4 F、HF 和 DI 水（緩沖氧化物蝕刻，BOE）完全去除硅原生氧化物，留下以氫為末端的清潔硅表面。
RCA清潔
第一個成功的前線 (FEOL) 硅片濕法清洗工藝是由 Werner Kern 及其同事在 RCA 開發(fā)的，并于 1970 年發(fā)布。從那時起，該方法得到了許多發(fā)展和成功修改并且 RCA 清潔仍然是當今行業(yè)中主要的 FEOL 預(yù)沉積清潔。
RCA 清潔程序是上述不同程序的組合。該過程包括連續(xù)的 SC-1 和 SC-2 溶液，然后用稀釋的 HF 溶液或緩沖氧化物蝕刻 (BOE) 進行處理。該產(chǎn)品是一個干凈的、以氫為末端的硅表面，隨時可以在工藝流程中使用。
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