半導(dǎo)體化學(xué)清洗沾污來(lái)源分析

關(guān)宏武等

摘 要：隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，其對(duì)設(shè)備顆粒度的要求越來(lái)越高，文章分析了沾污產(chǎn)生的原因及出處，并對(duì)各種沾污進(jìn)行了分析，并指出了解決方向，在很大程度上指導(dǎo)了半導(dǎo)體生產(chǎn)和研發(fā)環(huán)境的建立及完善。

關(guān)鍵詞：沾污；顆粒；化學(xué)吸附；靜電

自從20世紀(jì)50年代固體元器件誕生以后，在半導(dǎo)體微電子器件制作過(guò)程中，襯底表面情節(jié)的重要性就已經(jīng)被認(rèn)知。眾所周知，硅器件的性能、穩(wěn)定性和電路的成品率受硅片或器件表面的化學(xué)沾污和微粒沾污的影響極大。目前，由于半導(dǎo)體表面的極度敏感性和器件的亞微米尺寸特征，使得對(duì)原始硅片及氧化和圖形化后得硅片進(jìn)行有效清洗，比以往任何時(shí)候都更為重要。正因?yàn)槿绱耍鍧嵐杵臏?zhǔn)備，已成為超大規(guī)模硅電路制作過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 沾污的類型和來(lái)源

半導(dǎo)體晶片表面的沾污是以沾污薄層、分散微粒和粒子（粒子團(tuán)簇）和氣體的形式存在，具體見(jiàn)表1的總結(jié)。表面沾污薄層和微粒包括分子化合物、離子物質(zhì)和原子物質(zhì)。分子化合物是指凝結(jié)的有機(jī)蒸汽微粒或膜層，包括來(lái)自潤(rùn)滑劑、油脂、光刻膠、殘留溶劑、去離子水或塑料存儲(chǔ)器等引入的有機(jī)化合物、金屬氧化物或氫氧化物。離子物質(zhì)由陰、陽(yáng)粒子構(gòu)成，多數(shù)來(lái)自于通過(guò)物理吸附或化學(xué)成鍵（化學(xué)吸附）而引入的無(wú)機(jī)化合物，如鈉離子、氟離子和氯離子。原子物質(zhì)主要由金屬構(gòu)成，如金和銅，它們可來(lái)自與含HF的溶液中，通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)方式被電鍍到半導(dǎo)體表面，或者由來(lái)自設(shè)備的硅顆粒或金屬殘留物構(gòu)成。

由表2列出了各種污染來(lái)源，可見(jiàn)沾污來(lái)源的多方面。這些微粒可能來(lái)自于設(shè)備、過(guò)程化學(xué)品、工廠操作和氣體管道等。與硅片和液體直接或間接接觸的移動(dòng)機(jī)械設(shè)備與容器時(shí)特別嚴(yán)重的污染源，而原材料、液體、氣體化學(xué)藥品和環(huán)境氣氛引起的微粒沾污較少，但所有這些沾污來(lái)源都會(huì)對(duì)沾污膜層的生成起到重要的作用。硅片上通常會(huì)積累靜電荷的載流子，它們是誘發(fā)離子沉積的主要機(jī)制，但卻常常被忽略。

2 沾污對(duì)半導(dǎo)體器件的影響

在晶片加工過(guò)程中，沾污對(duì)半導(dǎo)體材料和電介質(zhì)及對(duì)成品半導(dǎo)體器件的作用十分復(fù)雜，因?yàn)檫@與具體沾污類型、性質(zhì)和數(shù)量有關(guān)。

晶片表面的分子沾污膜層，能有效降低清洗或沖洗效果，并可對(duì)良好黏連的沉積膜造成損傷，且易于形成有害的分解產(chǎn)物。例如，在無(wú)氧的氛圍內(nèi)對(duì)有機(jī)殘留物進(jìn)行高溫加熱，就會(huì)發(fā)生碳化；如果晶片時(shí)硅材料，這些殘留物將會(huì)形成SiC，然后在外延沉積時(shí)，成為多晶硅的成核區(qū)域。

離子沾污會(huì)在半導(dǎo)體器件中引起許多問(wèn)題。在高溫加熱過(guò)程中或在施加電場(chǎng)作用的條件下，它們能擴(kuò)散進(jìn)半導(dǎo)體內(nèi)或者在表面發(fā)生擴(kuò)散，從而引起器件產(chǎn)生點(diǎn)缺陷、退化和成品率損失。

3 避免設(shè)備和過(guò)程沾污

沾污控制的主題關(guān)鍵是避免。如果我們能在設(shè)備、材料和環(huán)境中創(chuàng)建和維持超清潔條件，那么在整個(gè)半導(dǎo)體器件制作過(guò)程中，就能使晶片清洗的需求降到很低。而且，組織沾污比一旦發(fā)生沾污后再去除它，通常要容易的多，因?yàn)楸苊庹次凼鞘滓x擇。

工藝設(shè)備已經(jīng)成為粒子沾污的最主要來(lái)源。通過(guò)周期性保養(yǎng)和靜電荷的去除，可以剔除灰塵離子，使離子的沾污得到有效控制。

4 化學(xué)沾污

在半導(dǎo)體器件制作過(guò)程中，要用到許多化工原料，而這些化工原料中的雜質(zhì)會(huì)對(duì)器件的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了最小化從這些源中引入的雜質(zhì)，必須對(duì)其施加嚴(yán)格的控制。晶片清洗使用的多數(shù)化工原料為氣態(tài)或液態(tài)。氣態(tài)原料可得到非常高的純度，且易于通過(guò)超過(guò)濾手段，實(shí)現(xiàn)有效去除顆粒的目的。液態(tài)化工原料則是多種多樣的，表3所示為常用的液態(tài)化學(xué)藥品。

化工原料的雜質(zhì)水平是十分易變的。近年來(lái)，為了向微電子行業(yè)提供“超純”的化工原料，化工原料的生產(chǎn)者已付出巨大努力。“超純“意味著總的雜質(zhì)濃度應(yīng)該在較低的ppb范圍內(nèi)。生產(chǎn)超純酸的一種嚴(yán)格的替代方式時(shí)使用再生的方法在現(xiàn)場(chǎng)生成所要的酸，比如利用高純度去離子水和反應(yīng)氣體（臭氧、HCL、NH3）等，在現(xiàn)場(chǎng)生成這些化工原料的水溶液。配置方法對(duì)粒子濃度的影響非常巨大，瓶裝后的化工原料會(huì)出現(xiàn)非常高的微粒數(shù)。間接沾污會(huì)從容器、管道、閥體等引入，導(dǎo)致最初配置的超純化學(xué)藥品被污染。

5 分析方法

沾污控制的另一個(gè)重要方面是分析方法。微量和超微量水平的雜質(zhì)和微粒的測(cè)量與監(jiān)控，一方面要對(duì)加工區(qū)域中的過(guò)程反應(yīng)物、去離子水、氣體和環(huán)境空氣進(jìn)行分析，另一方面還要對(duì)半導(dǎo)體晶片表面做同樣的分析。對(duì)原材料和硅片表面的雜質(zhì)分析和測(cè)量，是建立工藝條件必需的，其目的是為了識(shí)別在加工過(guò)程中，那些具體雜質(zhì)被轉(zhuǎn)移到了關(guān)鍵性的半導(dǎo)體表面上，處于何種濃度。這一信息是提高工藝質(zhì)量和獲得超潔凈晶片必須考慮的第一步。在線的現(xiàn)場(chǎng)分析和測(cè)試是許多關(guān)鍵操作中期望的，其目的是不斷監(jiān)控具體沾污的濃度水平，如微粒、氣態(tài)物質(zhì)、濕氣或金屬離子，以便對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行可能的實(shí)施監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)

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