1、半導體制造工藝第1頁，共29頁。第3章清 洗 工 藝第2頁，共29頁。第3章清 洗 工 藝3.1引言3.2污染物雜質的分類3.3清洗方法概況3.4常用清洗設備超聲波清洗設備3.5質量控制第3頁，共29頁。3.1引言表3-1國際半導體技術指南清洗技術第4頁，共29頁。3.1引言表3-1國際半導體技術指南清洗技術第5頁，共29頁。3.2污染物雜質的分類表3-2各種沾污的來源和相對的影響第6頁，共29頁。3.2污染物雜質的分類3.2.1顆粒顆粒主要是一些聚合物、光刻膠和蝕刻雜質等。通常都是在工藝中引進的，工藝設備、環境、氣體、化學試劑和去離子水均會引入顆粒。這些顆粒一旦粘附在硅表面，則會影響下一工序

2、幾何特征的形成及電特性。根據顆粒與表面的粘附情況分析，其粘附力雖然表現出多樣化，但主要是范德瓦爾斯吸引力，所以對顆粒的去除方法主要以物理或化學的方法對顆粒進行底切，逐漸減小顆粒與硅表面的接觸面積，最終將其去除。第7頁，共29頁。3.2污染物雜質的分類3.2.2有機殘余物有機物雜質在IC制程中以多種形式存在，如人的皮膚油脂、凈化室空氣、機械油、硅樹脂、光刻膠、清洗溶劑等，殘留的光刻膠是IC工藝中有機沾污的主要來源。每種污染物對IC 制程都有不同程度的影響，通常會在晶圓表面形成有機物薄膜阻止清洗液到達晶圓表面，會使硅片表面無法得到徹底的清洗。因此有機殘余物的去除常常在清洗工序的第一步進行。第8頁，

3、共29頁。3.2污染物雜質的分類3.2.3金屬污染物IC制造過程中采用金屬互連材料將各個獨立的器件連接起來，首先采用光刻、刻蝕的方法在絕緣層上制作接觸窗口，再利用蒸發、濺射或化學氣相沉積（CVD）形成金屬互連膜，如AlSi，Cu等，通過蝕刻產生互連線，然后對沉積介質層進行化學機械拋光（CMP）。這個過程對IC制程也是一個潛在的沾污過程，在形成金屬互連的同時，產生的各種金屬沾污會影響器件性能，如在界面形成缺陷，在后續的氧化或外延工藝中引入層錯，PN結漏電，減少少數載流子的壽命。除此以外，在整個晶圓的工藝制備過程中，所用的氣體、化學試劑、器皿、去離子水的純度不夠、設備本身的沾污以及操作人員所攜帶的

4、金屬離子等都會對IC引入一些可動離子沾污，這些離子大部分都是金屬離子，并且人是最大的引入源。第9頁，共29頁。3.2污染物雜質的分類1)通過金屬離子和硅襯底表面的氫原子之間的電荷交換直接結合到硅表面，這種類型的雜質很難通過濕法清洗工藝去除，這類金屬常是貴金屬離子，如金(AU)，由于它的負電性比Si高，有從硅中取出電子中和的趨向，并沉積在硅表面。2)金屬沉積的第二種機理是在氧化時發生的，當硅在氧化時，像Al、Cr和Fe等有氧化的趨向，并會進入氧化層中，這種金屬雜質可通過在稀釋的HF中去除氧化層而去除。第10頁，共29頁。3.2污染物雜質的分類3.2.4需要去除的氧化層硅原子非常容易在含氧氣及水的

5、環境下氧化形成氧化層。該層氧化物不是所需要存在的氧化層，它會阻止晶圓表面在其他的工藝過程中發生正常的反應，它可成為絕緣體，從而阻擋晶圓表面與導電的金屬層之間良好的電性接觸，同時為了確保柵極氧化層的品質，晶圓如果經過其他工藝操作或者經過清洗后（由于過氧化氫的強氧化力，在晶圓表面上會生成一層化學氧化層），此表面氧化層必須去除。另外，在IC制程中采用化學氣相沉積法（CVD）沉積的氮化硅、二氧化硅等氧化物也要在相應的清洗過程中有選擇地去除。 第11頁，共29頁。3.3清洗方法概況表3-3硅片濕法清洗化學品表3-3硅片濕法清洗化學品第12頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.1RCA清洗工業中標準的濕

6、法清洗工藝稱為RCA清洗工藝，是由美國無線電公司（RCA）的WKern和DPuotinen于1970年提出的，主要由過氧化氫和堿組成的1號標準清洗液（SC1）以及由過氧化氫和酸組成的2號標準清洗液（SC2）進行一系列有序的清洗。RCA清洗工藝技術的特點在于按照應該被清除的污染物種類選用相應的清洗藥水，按照順序進行不同的藥水的清洗工藝，就可以清除掉所有附著在硅圓片上的各種污染物。需要注意的是，每次使用化學品后都要在超純水（UPW）中徹底清洗，去除殘余成分，以免污染下一步清洗工序。典型的硅片濕法清洗流程如圖31所示。實際的順序有一些變化，應根據實際情況做相應調整以及增加某些HF/H2O（DHF）去

7、氧化層步驟。第13頁，共29頁。3.3清洗方法概況圖3-1典型的硅片濕法清洗流程第14頁，共29頁。3.3清洗方法概況1)第一步是去除有機物和金屬，用到的試劑是H2SO4/H2O2(SPM)。 2)第二步是去除顆粒，一般用NH4OH/H2O2/H2O(APM)1號標準清洗液(SC-1)。3)第三步是去除金屬，一般用HCl/H2O2/H2O(HPM)2號標準液(SC-2)。4)第四步是在旋轉干燥器中進行離心干燥，并用低沸點的有機溶劑進一步置換干燥。第15頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.2稀釋RCA清洗現行的RCA清洗方法存在不少問題：步驟多，消耗超純水和化學試劑多，成本高；使用強酸強堿和

8、強氧化劑，操作危險；試劑易分解、揮發，有刺激性氣味，使用時必須通風，從而增加了超凈間的持續費用；存在較嚴重的環保問題；硅片干燥慢，干燥不良可能造成前功盡棄，且與其后的真空系統不能匹配。其中的很多問題是RCA本身無法克服的。第16頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.3IMEC清洗基于使用稀釋化學品的成功經驗，IMEC(Interuniversity MicroElectronics Centre，大學間聯合微電子研究中心)提出了一項臭氧化和稀釋化學品的簡化清洗方法。第一步去除有機污染物，通常采用硫酸混合物，但出于環保方面的考慮，在正確的操作條件下（嚴格控制好溫度、濃度參數）可以采用臭氧化的去

9、離子水，既減少了化學品和去離子水的消耗量，又避免了硫酸浴后復雜的沖洗步驟。同時，用此清洗方法取代標準化的SPM清洗方法可增加3倍的酸槽使用壽命。第二步則采用最佳化的氫氟酸及鹽酸混合稀釋液，可以在去除氧化層和顆粒的同時抑制Cu、Ag等金屬離子的沉積。因為Cu、Ag等金屬離子存在于HF溶液時會沉積到Si表面，其沉積過程是一個電化學過程，在光照條件下，銅的表面沉積速度加快。第17頁，共29頁。3.3清洗方法概況添加氯化物可抑制光照的影響，但少量的氯化物離子由于在Cu2+/Cu+反應中的催化作用增加了Cu的沉積，而大量的氯化物離子添加后形成可溶性的高亞銅氯化物合成體抑制了銅離子的沉積。優化的HF/HC

10、l混合物可有效預防溶液中金屬外鍍，增長溶液使用時間。第三步是使用最佳的臭氧化混合物，如氯化氘及臭氧，可在較低pH環境下使硅表面產生親水性，以保證干燥時不產生干燥斑點或水印，同時避免金屬污染的再次發生。在最后沖洗過程中增加了HNO3的濃度可減少表面Ca的污染。 表3-4IMEC清洗法與RCA清洗法的比較第18頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.4單晶圓清洗隨著器件工藝技術的關鍵尺寸不斷縮小，以及新材料的引入，使得前道制程(FEOL)中表面處理更為重要。關鍵尺寸縮小使得清洗的工藝窗口變窄，要滿足清洗效率并同時做到盡量少的表面刻損和結構損壞變得十分不容易。以上這些傳統的批式處理方法已經越來越無法

11、適應濕式清洗的實際應用，制造工藝過程需要其他新型清洗步驟，從而確保重要的器件規格、性能以及可靠性不因污染物的影響而大打折扣。此外，批式濕式處理無法滿足如快速熱處理(RTP)等工藝的關鍵擴散技術和CVD技術。因此，業內正逐步傾向于使用單晶圓濕式清洗處理技術，以降低重要的清洗過程中交叉污染的風險，從而提高產品成品率以及降低成本。單晶圓清洗技術處理也更適于向銅和低k值電介質等新型材料過渡。第19頁，共29頁。3.3清洗方法概況3.3.5干法清洗所謂干法清洗是相對濕法化學清洗而言的，一般指不采用溶液的清洗技術。根據徹底采用溶液的程度，分為“全干法”和“半干法”清洗。目前常用的干法清洗方法有等離子體清洗

12、、氣相清洗技術等。等離子體清洗屬于全干法清洗，而氣相清洗屬于半干法清洗。干法清洗的優點在于清洗后無廢液，可以有選擇性地進行芯片的局部清洗工序。在VLSI制備過程中，面對晶圓尺寸的不斷擴大與芯片關鍵圖形尺寸的不斷減小，以等離子清洗技術為主的干法清洗技術，以它少輻射易控制的優點正在逐步成為濕法清洗的主要替代方法。第20頁，共29頁。3.3清洗方法概況圖3-2等離子清洗機的工作原理圖及清洗過程第21頁，共29頁。3.3清洗方法概況1)被清洗的工件送入真空艙并加以固定，啟動運行裝置，開始排氣，使真空艙的真空程度達到10Pa左右的標準真空度。2)向真空艙引入等離子清洗用的氣體，并使其壓力保持在100Pa

13、。3)在真空艙內的電極與接地裝置之間施加高頻電壓，使氣體被擊穿，并通過輝光放電而發生離子化并產生等離子體。4)清洗完畢后切斷高頻電壓，并將氣體及汽化的污垢排出，同時向真空艙內鼓入空氣，并使氣壓升至一個大氣壓。第22頁，共29頁。3.4常用清洗設備超聲波清洗設備圖3-3全自動硅片超聲波清洗機3.4.1超聲波清洗原理第23頁，共29頁。3.4常用清洗設備超聲波清洗設備超聲波在本質上和聲波是一樣的，都是機械振動在彈性介質中的傳播過程，超聲波和聲波的區別僅在于頻率范圍的不同。聲波是指人耳能聽到的聲音，一般認為聲波的頻率在2020000Hz范圍內，而振動頻率超過20kHz以上的聲波則稱為超聲波，用于清洗

14、的超聲波所采用的頻率為，超聲波由于頻率高、波長短，因而傳播的方向性好、穿透能力強，這也就是為什么設計制作超聲波清洗機的原因。3.4.2超聲波清洗機第24頁，共29頁。3.4常用清洗設備超聲波清洗設備1.切割片超聲波清洗機的工藝流程超聲波拋動粗洗超聲波拋動清洗超聲波拋動漂洗超聲波拋動漂洗純水噴淋拋動漂洗超聲波拋動漂洗。2.研磨片超聲波清洗機的工藝流程熱純水超聲波拋動清洗熱堿水超聲波拋動清洗熱純水超聲波拋動清洗熱純水超聲波拋動清洗純水噴淋拋動漂洗熱酸超聲波拋動清洗熱純水超聲波拋動漂洗熱純水超聲波拋動漂洗。第25頁，共29頁。3.4常用清洗設備超聲波清洗設備3.外延片超聲波清洗機的工藝流程純水超聲波拋動清洗清洗劑超聲波拋動清洗純水噴淋漂洗清洗劑超聲波拋動清洗清洗劑超聲波拋動清洗純水噴淋漂洗純水超聲波拋動漂洗純水超聲波拋動漂洗純水超聲波拋動漂洗。圖3-512in單片兆聲波清洗設備第26頁，共29頁。3.4常用清洗設備超聲波清洗設備3.4.3其他清洗設備 超聲波清洗是半導體工業中廣泛應用的一種清洗方法，該方法的優點是清洗效果好，操作簡單，對于復雜的器件和容器也能清除，但該方法具有噪聲較大、換能器易壞的缺點。對硅片進行清洗經常會用到的設備還有刷洗器、旋轉噴淋器、溢流清洗器等。(1)刷洗器當硅片表面粘有微粒或有機殘渣時常用刷洗的方法去除