文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了晶圓清洗的污染源來源、清洗技術(shù)和優(yōu)化。

晶圓清洗降低外來污染物對晶圓影響的措施，特別是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，是至關(guān)重要的。

在芯片生產(chǎn)過程中，確保晶圓表面的潔凈度是基礎(chǔ)且關(guān)鍵的要求。盡管并非每個(gè)高溫操作前都需要進(jìn)行清洗，但清洗工藝貫穿了整個(gè)芯片生產(chǎn)過程，且占比高達(dá)20%的步驟。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，對無污染晶圓的需求不斷增長，清洗工藝也隨之不斷進(jìn)化，本文分述如下：

概念概述

顆粒去除技術(shù)

化學(xué)清洗方案的應(yīng)用

水的沖洗在濕法清洗中的重要性及優(yōu)化

概念概述

環(huán)境污染源及分類

半導(dǎo)體器件制造過程中，主要的環(huán)境污染源包括：

1.微塵顆粒：這些顆粒可能附著在晶圓表面，影響器件性能。

2.重金屬離子：如Na+、Fe、Ni、Cu、Zn等，它們會(huì)改變器件的電性特征。

3.有機(jī)物殘留物：這些殘留物可能來自生產(chǎn)過程中的各種化學(xué)試劑。

4.輕金屬離子：如鈉離子等，同樣會(huì)對器件性能產(chǎn)生不良影響。

晶圓清洗工藝的要求

晶圓清洗工藝必須滿足以下要求：

1.全面去除污染物：在去除所有污染物的同時(shí)，還要求不刻蝕或損害晶圓表面。

2.安全性與經(jīng)濟(jì)性：清洗工藝在生產(chǎn)配制上必須是安全的、經(jīng)濟(jì)的，并為業(yè)內(nèi)所接受。

3.適應(yīng)不同晶圓狀況：清洗工藝的設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)前端工序（FEOL）和后道工序（BEOL）的不同需求。

清洗工藝的選擇與實(shí)施

根據(jù)不同的工藝步驟和器件要求，選擇合適的清洗工藝至關(guān)重要。典型的FEOL清洗工藝包括顆粒去除、化學(xué)清洗、氧化物去除、有機(jī)物和金屬去除等步驟。

此外，還需根據(jù)晶圓表面的敏感度和清潔程度要求，選擇非HF結(jié)尾或HF結(jié)尾的清洗工藝。

顆粒去除技術(shù)

晶圓表面的顆粒污染是半導(dǎo)體制造中的一個(gè)重要問題，這些顆粒的大小可以從約50微米變化到小于1微米。為了有效去除這些顆粒，需要采用一系列的技術(shù)和工藝。

大顆粒去除

傳統(tǒng)化學(xué)浸泡與沖洗：對于較大的顆粒（如50微米以上），傳統(tǒng)的化學(xué)浸泡池和相應(yīng)的清水沖洗通常就足以將其去除。這些顆粒由于體積較大，與晶圓表面的附著力相對較弱，因此容易被沖洗掉。

小顆粒去除

靜電引力控制：對于較小的顆粒，它們被幾種很強(qiáng)的力量吸附在晶圓表面，特別是靜電引力，控制垂直電勢即可達(dá)到減小靜電引力的目的。例如，通過調(diào)整清洗液的pH值、電解質(zhì)濃度以及使用表面活性劑。

表面張力引力克服：表面張力引力是另一個(gè)需要克服的問題。它形成了顆粒與晶圓表面之間的液體橋。為了去除這些顆粒，可以使用表面活性劑或機(jī)械輔助（如超聲波）。表面活性劑能夠降低液體表面張力，從而削弱顆粒與晶圓表面之間的附著力。超聲波則可以通過產(chǎn)生高頻振動(dòng)來破壞顆粒與表面之間的結(jié)合。

化學(xué)清洗方案的應(yīng)用

有機(jī)與無機(jī)殘余物去除，需要采用一系列的清洗方案，如使用特定的化學(xué)試劑和工藝條件，不同制造區(qū)域?qū)η鍧嵍鹊囊蟾鳟?，故存在多種清洗方案。

濕法工藝與浸泡型清洗

濕法工藝，又稱濕法清洗，是半導(dǎo)體清洗中的主流方法。其中，浸泡型清洗最為常見，通常在嵌入清洗臺(tái)的反應(yīng)池中進(jìn)行，這些反應(yīng)池由玻璃、石英或聚四氟乙烯制成。若需加熱清洗液，反應(yīng)池則置于加熱盤上，加熱方式可能是電阻線纏繞或內(nèi)置浸入式加熱器。

清洗溶液與溫度控制

熱硫酸加氧化劑是常見的清洗溶液。在90至125℃的溫度范圍內(nèi)，硫酸展現(xiàn)出卓越的清洗效果，能有效去除晶圓表面的無機(jī)殘余物和顆粒。氧化劑的加入，如過氧化氫、亞硫酸銨、硝酸和臭氧，則能去除含碳?xì)堄辔?，通過化學(xué)反應(yīng)將碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳?xì)怏w排出。

Piranha刻蝕與Caro酸

Piranha刻蝕：結(jié)合硫酸和過氧化氫，強(qiáng)效去除硅片表面的有機(jī)物和金屬雜質(zhì)。常用于工藝前的清洗，如sC1和sC2步驟前。典型配比為7份濃硫酸加3份30%體積的過氧化氫，硅片需浸入19分鐘，隨后用去離子水清洗。

Caro酸：Piranha的變種，由濃硫酸、過氧化氫和超純水混合而成，配比為380份濃硫酸、17份30%過氧化氫和1份超純水。

除上述方案以外，還有手動(dòng)清洗系統(tǒng)、自動(dòng)清洗系統(tǒng)與臭氧與去離子水混合清洗等。半導(dǎo)體工業(yè)中的化學(xué)清洗方案多種多樣，需根據(jù)具體工藝需求和晶圓污染情況選擇。通過合理的清洗溶液配比、溫度控制和自動(dòng)化手段，可確保晶圓表面的高清潔度，為后續(xù)的摻雜、沉積和金屬沉積等工藝奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

水的沖洗在濕法清洗中的重要性及優(yōu)化

在半導(dǎo)體制造過程中，濕法清洗是去除晶圓表面污染物的重要步驟，其中必不可缺的步驟就是去離子水沖洗。

沖洗的雙重功效

1.去除化學(xué)清洗液：清洗液中可能含有對晶圓表面有害的化學(xué)成分，通過清水沖洗可以將其徹底去除，防止對后續(xù)工藝造成不良影響。

2.終止刻蝕反應(yīng)：在濕法清洗過程中，某些清洗液可能會(huì)對晶圓表面產(chǎn)生刻蝕作用。通過及時(shí)沖洗，可以終止這些刻蝕反應(yīng)，保護(hù)晶圓表面的完整性。

沖洗方法的多樣性

為了實(shí)現(xiàn)有效的沖洗，可以采用多種不同的方法，包括但不限于：

浸泡沖洗：將晶圓浸泡在去離子水中，通過浸泡和攪拌的方式去除表面殘留物。

噴淋沖洗：使用高壓噴淋裝置將去離子水均勻地噴灑在晶圓表面，利用水流的沖擊力去除殘留物。

超聲波沖洗：利用超聲波的振動(dòng)作用，使晶圓表面的殘留物松動(dòng)并脫落，同時(shí)結(jié)合去離子水的沖洗作用，實(shí)現(xiàn)更徹底的清潔。

提高沖洗效果和減少水用量的未來趨勢

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，對晶圓表面清潔度的要求也越來越高。因此，提高沖洗效果和減少水用量成為未來濕法清洗工藝的重要發(fā)展方向。

提高沖洗效果：通過優(yōu)化沖洗方法和參數(shù)，如增加沖洗時(shí)間、提高沖洗壓力等，可以進(jìn)一步提高沖洗效果，確保晶圓表面的清潔度達(dá)到要求。

減少水用量：為了降低生產(chǎn)成本和減少對環(huán)境的影響，需要采取措施減少水用量。例如，可以采用循環(huán)沖洗系統(tǒng)，將用過的去離子水經(jīng)過處理后再次利用；或者開發(fā)新的節(jié)水型沖洗設(shè)備和技術(shù)。