對(duì)拋光片清洗技術(shù)的研究

1 引言
　　目前在半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)中，普遍采用的清洗工藝是改進(jìn)的RCA清洗技術(shù)，多年來(lái)，人們對(duì)RCA清洗技術(shù)的清洗效果進(jìn)行了深入的研究，kern證明RCA工藝可在硅片的表面形成1～1.5nm的氧化硅鈍化膜[1]，okumura觀察到標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗對(duì)硅片表面有較嚴(yán)重的粗糙化作用[2]，研究人員一直沒(méi)有放棄取代技術(shù)的研究。1994年，山東大學(xué)發(fā)明了可以與標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝相媲美的新型清洗技術(shù)[3]，采用了DGQ-1和DGQ-2新型清洗劑，近年來(lái)也被廣泛采用。本文主要討論了添加表面活性劑和HF的RCA改進(jìn)清洗技術(shù)對(duì)拋光片金屬沾污和表面顆粒的影響。
2 實(shí)驗(yàn)方法
　　分別采用φ150mm，p(100)，8～11Ω·cm；φ125mm，p（111），3～5Ω·cm；φ100mm，n（100），0.0012～0.0015Ω·cm；φ100mm，n（111），0.010～0.013Ω·cm四種不同型號(hào)的拋光硅片。拋光完成后，放入加有活性劑的純水中浸泡，進(jìn)行分組。每一種型號(hào)拋光片分三組，每組取24片。第一組用標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗；第二組用稀釋的RCA工藝清洗 ；第三組用添加表面活性劑和HF的RCA改進(jìn)清洗技術(shù)進(jìn)行清洗。顆粒由CR80檢測(cè)，金屬沾污由TXRF和SIMS檢測(cè)所得。
3 結(jié)果與討論
　　硅片表面質(zhì)量的主要指標(biāo)有：微粗糙度（RMS）、金屬沾污和表面顆粒度以及有機(jī)沾污，這些指標(biāo)對(duì)器件性能有重大影響。對(duì)于硅表面的微粗糙度主要受RCA清洗工藝和HF清洗的影響，但可以通過(guò)降低氨水含量和稀釋HF得以抑制[4]。因此，我們通過(guò)降低氨水濃度和極度稀釋HF的清洗技術(shù)來(lái)更好地保證硅片表面的微粗糙度，鑒于此，對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)，金屬沾污和表面顆粒度的控制顯得更為重要。
3.1 金屬沾污
　　金屬沾污會(huì)破壞薄氧化層的完整性、增加漏電流密度、減少少子壽命；活動(dòng)離子如鈉會(huì)在氧化層中引起移動(dòng)電荷，影響MOS器件的穩(wěn)定性；重金屬離子會(huì)增加暗電流；快擴(kuò)散離子，如銅、鎳，易沉積于硅表面，形成微結(jié)構(gòu)缺陷（S-Pits）；鐵沉淀會(huì)使柵氧化層變薄。另外銅會(huì)在硅二氧化硅界面形成富銅沉淀，在高溫（1200℃/20s）時(shí)過(guò)飽和銅硅化物會(huì)使氧化層彎曲、破裂，直至穿透，在低溫（900℃/20s）時(shí)形成透鏡狀沉淀，使氧化層變薄[5]。當(dāng)金屬沾污嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)形成霧狀缺陷（Haze）。微缺陷和霧狀缺陷都與氧化誘生層錯(cuò)（OSF）和外延層錯(cuò)相關(guān)。表1引用了300mm硅片對(duì)表面各類金屬離子的清洗要求。
　　金屬沾污在硅片表面的方式主要有三種[6] ；物理吸附（范德華力）、化學(xué)吸附（形成共價(jià)鍵）、金屬替位（電子轉(zhuǎn)移）。如以酸性溶液結(jié)束，能使表面形成氧化層以阻止金屬電化學(xué)沉淀，在酸性溶液中能溶解陽(yáng)離子以免物理吸附，同時(shí)使表面呈正電，避免化學(xué)吸附，因此，我們研究了改進(jìn)的RCA清洗工藝來(lái)有效地去除金屬沾污。表2是不同工藝條件的金屬沾污的檢測(cè)結(jié)果，其中Al和Na由SIMS檢測(cè)，其他由TXRF測(cè)得。表3單獨(dú)列舉了樣片N04硅片Al和Na的SIMS結(jié)果。
　　在圖1到圖3中，橫坐標(biāo)表示硅片表面的沾污深度，縱坐標(biāo)表示沾污濃度(單位面積的原子數(shù))，可見(jiàn)，添加了活性劑和HF的RCA改進(jìn)工藝有良好的去金屬沾污能力，且明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的RCA工藝和稀釋的RCA工藝。
3.2 表面顆粒
　　表面顆粒度會(huì)引起圖形缺陷、外延前線、影響布線的完整性，是提高成品率的最大障礙。特別是在硅片鍵合時(shí)，引入微隙，同時(shí)也引起位錯(cuò)，影響鍵合強(qiáng)度和表層質(zhì)量。
　　顆粒的去除一般認(rèn)為是靜電排斥作用所致。顆粒表面一般都帶負(fù)電，當(dāng)硅片表面呈正電時(shí)易于吸引顆粒，降低顆粒去除效率，還會(huì)引起顆粒的再沉淀；當(dāng)硅片表面呈負(fù)電時(shí)，由于靜電排斥作用，顆粒被“推離”硅表面，達(dá)到去除的目的。另外，離子強(qiáng)度會(huì)影響顆粒去除[7]。在酸性溶液中，離子強(qiáng)度高，顆粒易于沉淀；隨著pH值的增加，顆粒沉淀減少。因此我們采用了添加了表面活性劑的極度稀釋RCA 1來(lái)有效地去除表面顆粒，并結(jié)合極度稀釋的RCA 2改進(jìn)工藝來(lái)有效地減少顆粒的重新沉淀，以達(dá)到極少的表面顆粒。表4是我們不同工藝條件下的顆粒檢測(cè)結(jié)果。
　　圖4是不同工藝顆粒平均比較，由圖4可見(jiàn)改進(jìn)的RCA工藝明顯提高了硅片表面的去顆粒能力。
4 結(jié)論
　　運(yùn)用表面活性劑和HF的RCA改進(jìn)工藝，能夠很好地控制拋光片表面的顆粒度和金屬沾污。通過(guò)TXRF和SIMS的檢測(cè)可知，RCA工藝的去金屬沾污的能力與標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝和稀釋的RCA工藝相比，效果明顯，能夠做到Al<1010cm-2、其他金屬<109cm-2。通過(guò)CR80對(duì)表面顆粒的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的RCA工藝的去表面顆粒的能力與標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝和稀釋的RCA工藝相比，效果明顯，對(duì)于0.18mm以上的顆粒能夠控制在15顆以內(nèi)，平均能夠控制在5顆。另外與標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝和稀釋的RCA工藝相比，改進(jìn)的RCA工藝的一次合格率明顯提高，且具備工藝相當(dāng)、成本降低、生產(chǎn)效率增加等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：
[1] KEN W. The evolution of silicon wafer cleaning technology[J]. J Electrochem Soc, 1990,137(6):1887.
[2] OKUMURA H, AKANE T, TSUBO Y, et al. Comparison of conventional surface cleaning methods for Si molecular beam epitaxy[J]. J Electrochem Soc,1997,144(11):3765.
[3] 曹寶成，于新好，馬瑾,等. 用含表面活性劑和螯合劑的清洗液清洗硅片的研究[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)， 2001， 22（2）：1226-1229.
[4] HABUKA H, TSUNODA H, MAYUSUMI M, et al. Roughness of Silicon Surface Heated in Hydrogen Ambient[J]. J Electrochem Soc, 1995,142(9):3092..
[5] WENDT H, CERVA H, LEHMANN V. et al. Impact of copper contamination on the quality of silicon oxides[J]. J Appl phys, 1989，65(6):2402.
[6] MOUCHE L, TARDIF F, DERRIEN J, et al. Mechanisms of metallic impurity deposition on silicon substrates dipped in cleaning solutions[J]. J Electrochemical Soc, 1995,142(7):2395.
[7] ITANO M, KERN F W, MIYASHITA M, et al. Particle deposition and removal in wet cleaning processes for ULSI manufacturing[J]. IEEE Trans on Semiconductor Manufacturing, 1992,5(2 ):114-120.