028-洛阳麦斯克-张倩-工业生产中温度液温度对硅片颗粒度的影响.doc

工业生产中清洗液温度对硅片颗粒度的影响张倩 熊诚雷 齐旭东 史舸 崔小换（洛阳麦斯克电子材料有限责任公司 洛阳 471009）摘要：介绍了RCA清洗液组成、特点及原理;研究在不同温度下，RCA清洗的SC-1溶液对颗粒去除的影响，得出工业生产中较合适的清洗温度。关键字：硅片； RCA清洗；温度；Effect of cleaning solution temperature on wafer particle in manufacturering productionZHANG Qian XIONG Chenglei QI Xudong SHE Ge CUI Xiaohuan（MCL Electronic Material Co Luoyang 471009）Abstract：The text mainly discuss the components、characteristic、principle of RCA clean.; research the effect of particle decrease when the SC-1 solution of RCA clean at different temperature, and get the preferable temperature in manufacturing production.Keyword：wafer; RCA clean；temperature 1 引言硅片因禁带宽度大（1.12eV），表面有结构稳定的SiO2钝化层，不易出现位错，原料充分等优点，是半导体器件和集成电路中使用最广范的基底材料1。硅片表面的颗粒、有机物、金属、吸附分子、微粗糙度、自然氧化层等会严重影响器件性能，清洗不佳引起的器件失效已超过集成电路制造中总损失的一半。随着半导体工业的发展，对硅片表面的清洁度要求越来越高，清洗技术不断改进，清洗的步骤也逐步增加。在典型的有四层金属层的集成电路生产过程中约需经过40道清洗工艺2。本文对目前的RCA清洗工艺原理、特点进行了说明，并在抛光预清洗中温度的选取进行了实验。2 清洗介绍硅片清洗一般是先去除硅片表面的有机沾污，因为有机物会遮盖部分硅片表面，从而使氧化膜和与之相关的沾污难以去除；然后溶解氧化膜，因为氧化层是“沾污陷阱”，也会引入外延缺陷；最后再去除颗粒、金属等沾污，同时使硅片表面钝化。1965年KERN等人发米高了RCA清洗工艺，1970年发表并沿用至今；1979年Mayer等人发明兆声清洗，现如今大多采用两者结合的多槽浸泡式清洗系统3。RCA溶液主要包括以下几种清洗液：（1）SPM：H2SO4 （98%）/H2O2 （30%） 120150 SPM具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液中，并能把有机物氧化生成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。 （2）HF(DHF)：HF(DHF) 2025 DHF可以去除硅片表面的自然氧化膜，因此，附着在自然氧化膜上的金属将被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。因此可以很容易地去除硅片表面的Al，Fe，Zn，Ni等金属，DHF也可以去除附着在自然氧化膜上的金属氢氧化物。用DHF清洗时，在自然氧化膜被腐蚀掉时，硅片表面的硅几乎不被腐蚀。 （3）APM (SC-1）：NH4OH（28%）/H2O2（30%)/H2O 3080 由于H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜(SiO2)，呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被NH4OH腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。在 NH4OH腐蚀硅片表面的同时，H2O 2又在氧化硅片表面形成新的氧化膜。 （4）HPM (SC-2)：HCl（36%）/H2O2（30%）/H2O 2085 用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下HPM就能除去Fe和Zn。也有使用稀HCl溶液不添加H2O2 代替SC-2. 近年来研究最多的是APM溶液的改进，主要体现在浓度配比上，经过人们大量研究，认为氨水浓度必须也可以降低，最佳配比为NH4OH（28%）：H2O2 （30%)：H2O= 0.05:1:54或0.25:1:55。APM溶液大量应用在工业生产中。目前RCA清洗几乎都增加有超兆声清洗。其作用机理是在硅片表面附近生成薄的声学边界层，当克里尺寸臂边界层小时，去除效果差。频率越低产生的空化效应越强但方向性差；频率高方向性强但空化效应弱，所产生的气泡冲击力就弱，造成清洗就弱。超声波清洗时，由于空洞现象，只能去除 0.4 m 颗粒。兆声清洗时，由于0.8Mhz的加速度作用，能去除0.3 m 颗粒，即使液温下降到40也能得到与80超声清洗去除颗粒的效果，而且又可避免超声清洗硅片产生损伤6。较多企业采取的都是超兆声结合的形式进行清洗。3 SC-1溶液温度及影响 SC-1溶液随着温度的升高，颗粒去除率也逐渐提高，在一定温度下达到最大值。由于表面张力与颗粒直径成正比，清洗液的低表面张力有利于颗粒的去除7。SC-1组成中的NH4OH，易挥发溢出氨气，在较高温度下，APM的配比更是不稳定的。不但氨水易挥发，而且双氧水会分解，在超声波作用下双氧水分解会更快。溶液中若存在铁离子，会催化双氧水的分解，使局部双氧水耗尽，造成微粗糙度RMS增加。而溶液浓度的下降，则会影响颗粒去除的效果。SC-1溶液使用温度范围较广，为30-80，工业中多采取50-80。一般应用于超声波清洗的温度为40-60。根据清洗效果及成本考虑，在工业生产中选取合适的SC-1溶液温度很重要。4 实验及结果硅片表面洁净质量主要指标有：微粗糙度RMS、金属沾污和表面颗粒度。因探测问题，本次实验主要探讨的是SC-1清洗液温度对硅片表面颗粒度的影响。本实验采用的是多槽浸泡式自动清洗设备，使用工艺为：SC-1QDRSC-1QDRSC-2QDRO/FSC-1QDRO/FO/F（QDR喷淋倒洗槽 O/F溢流槽 化学液槽每槽清洗5min）三个SC-1液槽分别选取55、60、65、70四个温度，每40min取样一次，使用0.1178mol/L HCl标准液进行氨水浓度滴定。利用5寸P111硅抛光片；兆声波清洗器；CR81颗粒计数仪进行表面颗粒去除率实验。下图为8#第三个SC-1液槽（石英化学试剂槽，底部有兆声发生器，频率为950+25KHz）在不同温度下随时间氨水浓度变化示意图：颗粒去除率与溶液温度的关系清洗液温度 颗粒去除率0.2m0.3m0.5m5597.15%96.24%87.59%6097.12%97.75%90.58%6599.94%99.90%98.20%7097.97%97.39%92.20%5 结论 从实验结果看。随着实验温度的升高，SC-1溶液中氨水浓度下降加快。氨水浓度的降低，会降低颗粒去除的能力。在较高温度下，维持生产所需合适氨水浓度，会增加生产成本。四个实验温度中，在65时，颗粒去除率最高；60、70颗粒去除率相当。根据清洗效果及成本考虑，工业生产使用的SC-1溶液温度在60-65为最佳。参考文献1 阙端麟编. 硅材料科学与技术M 浙江大学出版社 2 储佳，马向阳，杨得仁，阙端麟，硅片清洗研究进展J.半导体，2001.26(3):16-223 张树永，郭永郎，曹宝成，于新好，超大规模集成电路硅片溶液清洗技术的进展J.化学进展，2000.2（1）：103-1054 Oh mi T et al. IEEE Trans Elec Devi, 1992;39:5375 Meuris M et al.Jpn J Appl Phys,1992;31:L15146 AHMED A et al. Post-CMP Cleaning Using Acoustic StreamingJ.Journ