硅片清洗研究进展

1、硅片清洗研究进展*储佳杨德仁浙江杭州310027摘要特点对硅片表面质量的影响以及清洗技术和理论的发展改进的RCA1对颗粒度讨论了它与清洗顺序的关系且不易使颗粒重新沉淀关键词超大规模集成电路TN604;TN601 文献标识码1003-353X(200103-0017-03Silicon wafer cleaningCHU Jia, MA Xiang-yang, YANG De-ren, QUE Duan-lin(State Key Lab. of Silicon Material Science, Zhejiang University, Hangzhou 310027, ChinaAbstra

2、ct: This paper is a review on the evolution of cleaning technologies and theories, focusing on the recipes of cleaning solutions, their characteristics, mechanism and their impacts on the surface quality of polished wafers. The effects of improved RCA1 are presented in particular, RMS and metal cont

3、amination, and the correlation with the cleaning sequence. Extremely diluted RCA2 can reduce metal contamination down to 1010at/cm2, and is unlikely to introduce particle re-deposition. At last, the up-to-date technologies of wafer cleaning are discussed.Keywards: polished silicon wafer; ULSI; clean

4、ing1引言随着半导体工业的发展都向着小尺寸方向发展尤其是随着超大规模集成电路工艺的日益发展因此对硅片表面的清洁度要求越来越高硅片表面的颗粒金属微粗糙度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硅片清洗技术成为硅晶片加工和超大规模集成电路工艺研究的一大热点并介绍其最新进展微粗糙 度这些指标对器件性能有重大影响漏电流密度活动离子如钠影响MOS 器件的稳定性快扩散离子镍易于沉积于硅表面S -p i ts 铁沉淀会使栅氧化层变薄高温 /20s 破 裂低温/20s使氧化层变薄2 »áÐγÉÎí×&#

5、180;ȱÏÝ OSF Ä¿Ç°¶Ô±íÃæÇåÏ´ÒªÇó¸÷Àà½ðÊôÀë×ÓÉÙÓÚ2.5 表面颗粒度外延缺陷是高成品率的最大障碍引入微隙影响键合强度和表层质量一般要求硅片表面颗粒小于特征线宽的三分之一若要使成

6、品率达到95%3清洗液及其特点早期的清洗是用溶剂刷洗1965年Kern 等人发明了RCA 清洗工艺1979年Mayer 等人发明兆声清洗清洗的一般思路是首先去除表面的有机沾污 使氧化层和与之相关的沾污颗粒和铜难以去除因为氧化层是最后再去除颗粒同时使硅表面钝化对清洗液的要求是 2. 高氧化势 4. 能溶解金属沾污 6. 对环境的影响小一般都有这样的共识所以若氧化速率大于碱或氢氟酸对二氧化硅的腐蚀速率而硅被氢氟酸或OH -腐蚀为各向异性因此强氧化剂的引入有利于RMS 的降低强氧化剂可将原子态金属沾污如铜氧化为可溶于酸的阳离子目前应用最广的是湿法清洗SPM,10min; DHF, HF: H 2O

7、2=1:50, 2317%NH 4F 或A PM 7010 min 和RCA2(SC2, 10minAPM 能非常有效地去除无机颗粒且去除颗粒的能力随氨水含量的增加而增加增加其微粗糙度铬等硅表面铁沾污减少3½ðÊôÕ´ÎÛµÄÈ¥³ýºÍ΢´Ö²Ú¶ÈµÄ½µµÍÈÏÎ

8、;ª°±Ë®Å¨¶È±ØÐëÒ²¿ÉÒÔ½µµÍAPM 的清洗模式有两种4È»ºó°±Ë®¸¯Ê´´ËÑõ»¯²ãOH -直接腐蚀未被二氧化硅覆盖的硅表面降低颗粒去除效率

9、当H 2O 2浓度大于3¼´ÎªµÚÒ»ÖÖ·½Ê½5Ӧʹ¸¯Ê´ËÙÂÊ´óÓÚ0.25n m /m in6¿ÅÁ£±íÃæÒ»°ã¶¼´

10、48;¸ºµçÒ×ÓÚÎüÒý¿ÅÁ£»¹»áÒýÆð¿ÅÁ£µÄÔÙ³ÁµíÓÉÓÚ¾²µçÅųâ×

11、47;ÓÃÍÆÀë´ïµ½È¥³ýµÄÄ¿µÄAPM 清洗时Fe, Ni,Zn 以溶解的Fe(OH3, Ni(OH2,Zn(OH2的形式吸附在硅表面所以不能以SC1作为最后一道清洗工序铜是以电化学颗粒沉淀以及和氧化物相结合的方式在二氧化硅表面形成富铜区在较高温度下氨水会挥发在兆声作用下分解更快使局部双氧水耗尽H P MÈçÄÆþ

12、6;ÍÂÁµÈ²»ÀûµÄÒ»ÃæÊÇÈÝÒ×ÒýÆð¿ÅÁ£Õ´ÎÛÒ×ÓÚƯϴȥ³ýÎïÀí

13、6;ü¸½Ðγɹ²¼Û¼ü½ðÊôÌæλÄÜʹ±íÃæÐγÉÑõ»¯²ãÒÔ×èÖ¹½ðÊô

14、1;绯ѧ³Áµíͬʱʹ±íÃæ³ÊÕýµçÑо¿±íÃ÷ÔÚËáÐÔÈÜÒºÖпÅÁ£

15、0;×ÓÚ³Áµí¿ÅÁ£³Áµí¼õÉÙÇÒÄܼõÉÙ¿ÅÁ£ÖØгÁµí去除重有机沾污会使之碳化而难以去除去除表面氧化层有效地去除铜其改进的BHF能去除表面氧化层因此用BHF处理过的硅(111为原子级

16、平坦目前RCA清洗都加兆声兆声的作用机理是在硅片表面附近生成薄的声学边界层去除效果差其速度梯度非常大产生空穴现象从而有利于去除颗粒当兆声频率为0.862M时RCA清洗工艺中RCA1清洗中会使硅表面引入铁等金属沾污RC A1中的金属沾污主要来自双氧水纯水的离子强度纯水中的微量溶氧(DO会影响微粗糙度94清洗技术的最新进展为得到更好的清洗效果人们进行了深入的研究更快捷 近期兴起的对含臭氧水的清洗效果的研究表明如加入H F½ðÊôÕ´ÎۿɽµÖÁ1010原子

17、/cm2以下可有效去除金属有机物他们提出的颗粒去除模型为同时HF和双氧水对硅的氧化和腐蚀使颗粒的附着力减弱从而去除颗粒SE(Slight Etch : HNO3(60% : HF(0.025%0.1%¸÷ÖÖ½ðÊôÕ´ÎÛ¾ùСÓÚ1010 原子/cm2ÕâÖÖÇåÏ´Òº¶Ô¹

18、32;µÄ¸¯Ê´ËÙÂʱȶԶþÑõ»¯¹è¿ì10倍清洗后硅片表面有1nm的自然氧化层提出CS E(Co nt ro ll ed S li gh t Et chsolution : HNO3: HF : H2O2=50 : (0.50.9 : (49.549. 1, 35用CSE清洗的硅片表面没有自然氧化层对硅的腐蚀速率不依赖于HF的浓度当HF浓度控

19、制在0.1%时效果较好兆声能使OW产生OH¿É½«ÓлúÎï½µ½âΪ¶þÑõ»¯Ì¼ºÍË®ÈËÃÇ»¹·¢Õ¹Á˸ɷ¨Çå

20、07;´¹¤ÒÕÆøÌå(AHF(An hydrous HF,臭氧, HCl等清洗认为高速喷射的干冰及其挟带的气流与表面颗粒可以去除这些沾污OW- FPM(HF(ÕâÖÖÇåÏ´¹¤ÒÕ¿ÉÒÔÓÐЧȥ³ýÓлúÕ

21、´ÎÛ½ðÊôÕ´ÎÛÆäÇåϴЧ¹û¿ÉÒÔÓëRCA清洗工艺相比14µ±ÌØÕ÷Ïß¿í½µµ½70nm时届时对检测手段也会提出挑战5结语硅片表面的清洗质量对超大规模集成电路生产的成

22、品率改进的RC A1的最佳配比应为NH3(25%:H2O2(30%:H2O=0.05:1:5或0.25:1:5²»ÒË×÷Ϊ×îºóÒ»µÀ¹¤ÐòÇÒ²»Ò×ʹ¿ÅÁ£ÖØгÁµíº

23、;¬³ôÑõË®C S E等都显示出优良的去除颗粒和金属沾污的能力随着超大规模集成电路工艺的发展参考文献1Ohmi T et al. IEEE Trans Elec Devi, 1992; 39: 5372Wendt H et al. J Appl Phys, 1989; 65: 24023Meuris M et a l. Jpn J Appl Phys, 1992; 31: L15144Yamamoto K et al. IEEE Trans Semicond Manu, 1999; 12: 2885Van den Meerakker J E A M, Van der Straater M H M . J Electrochem Soc, 1990; 137: 12396Itano M et al. IEEE Trans Semicond Manu, 1993; 6: 258 7Knotter D M et al. J Electrochem Soc, 2000; 147: 7368Ryuta J et al. Jpn J Appl Phys, 1992; 31: 23389Usuda K et al. J Electrochem Soc, 1997; 144: 320410Takeshi H. So