半导体IC清洗技术.pdf
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1、半导体技术第2 8 卷第 9 期二 OO三年九月44 1 前言 半导体I C 制程主要以2 0 世纪5 0 年代以后发明的 四项基础工艺(离子注入、扩散、外延生长及光刻) 为基础逐渐发展起来, 由于集成电路内各元件及连线 相当微细,因此制造过程中,如果遭到尘粒、金属 的污染,很容易造成晶片内电路功能的损坏,形成 短路或断路等, 导致集成电路的失效以及影响几何特 征的形成。 因此在制作过程中除了要排除外界的污染 源外,集成电路制造步骤如高温扩散、离子植入前 等均需要进行湿法清洗或干法清洗工作。干、湿法 清洗工作是在不破坏晶圆表面特性及电特性的前提 下, 有效地使用化学溶液或气体清除残留在晶圆上之
2、 微尘、金属离子及有机物之杂质。 2 污 染 物 杂 质 的 分 类 I C 制程中需要一些有机物和无机物参与完成, 另外,制作过程总是在人的参与下在净化室中进 行, 这样就不可避免的产生各种环境对硅片污染的 情况发生。根据污染物发生的情况, 大致可将污染 物分为颗粒、有机物、金属污染物及氧化物。 2 . 1 颗粒 颗粒主要是一些聚合物、 光致抗蚀剂和蚀刻杂 质等。通常颗粒粘附在硅表面, 影响下一工序几何 特征的形成及电特性。 根据颗粒与表面的粘附情况 分析,其粘附力虽然表现出多样化, 但主要是范德 瓦尔斯吸引力, 所以对颗粒的去除方法主要以物理 或化学的方法对颗粒进行底切, 逐渐减小颗粒与硅
3、 表面的接触面积,最终将其去除。 2 . 2 有机物 有机物杂质在I C 制程中以多种形式存在, 如人 的皮肤油脂、净化室空气、机械油、硅树脂真空 脂、光致抗蚀剂、清洗溶剂等。每种污染物对 I C 制程都有不同程度的影响, 通常在晶片表面形成有 机物薄膜阻止清洗液到达晶片表面。 因此有机物的 去除常常在清洗工序的第一步进行。 2 . 3 金属污染物 半导体I C 清洗技术 李 仁 (中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京 1 0 1 6 0 1 ) 摘要:介绍了半导体I C 制程中存在的各种污染物类型及其对I C 制程的影响和各种污染物的去除方法, 并对湿法和干法清洗的特点及去除效果进行了分
4、析比较。 关键词:湿法清洗;RCA清洗;稀释化学法;IMEC清洗法;单晶片清洗;干法清洗 中图分类号 : T N 3 0 5 . 9 7 文献标识码 : B 文章编号 : 1 0 0 3 - 3 5 3 X ( 2 0 0 3 ) 0 9 - 0 0 4 4 - 0 4 S e m i - c o n d u c t o r I C c l e a n i n g t e c h n o l o g y L I R e n ( T h e 4 5 t h R e s e a r c h I n s t i t u t e , C E T C , B e i j i n g 1 0 1 6 0
5、1 , C h i n a ) A b s t r a c t : T h e p r i m a r y i n t r o d u c t i o n o f t h e t y p e a n d t h e i m p a c t o f c o n t a m i n a t i o n i n s e m i - c o n d u c t o r I C p r o c e s s i n g a r e g i v e n , a n d d e s c r i b e d t h e m e t h o d o f c o n t a m i n a t i o n r e
6、m o v a l , a n a l y z e d t h e f e a t u r e o f w e t c l e a n i n g a n d d r y c l e a n i n g , a n d t h e e f f e c t o f c o n t a m i n a t i o n r e m o v a l . K e y w o r d s : w e t c l e a n i n g ; R C A c l e a n i n g ; d i l u t e d c h e m i s t r y ; I M E C c l e a n i n g ;
7、s i n g l e w a f e r c l e a n i n g ; d r y c l e a n i n g 制造技术 Se mi c o n d u c t o r Te c h n o l o g y Vo l . 2 8 No . 9Se p t e mb e r 2 0 0 345 I C 电路制造过程中采用金属互连材料将各个独 立的器件连接起来,首先采用光刻、 蚀刻的方法在 绝缘层上制作接触窗口,再利用蒸发、 溅射或化学 汽相沉积(C V D )形成金属互连膜,如 A l - S i ,C u 等,通过蚀刻产生互连线, 然后对沉积介质层进行 化学机械抛光(C M P )
8、 。这个过程对 I C制程也是 一个潜在的污染过程,在形成金属互连的同时, 也 产生各种金属污染。 必须采取相应的措施去除金属 污染物。 2 . 4 原生氧化物及化学氧化物 硅原子非常容易在含氧气及水的环境下氧化形 成氧化层,称为原生氧化层。硅晶圆经过 S C - 1 和 S C - 2 溶液清洗后,由于双氧水的强氧化力,在晶 圆表面上会生成一层化学氧化层。 为了确保闸极氧 化层的品质, 此表面氧化层必须在晶圆清洗过后加 以去除。另外,在 I C制程中采用化学汽相沉积法 (C V D )沉积的氮化硅、二氧化硅等氧化物也要在 相应的清洗过程中有选择的去除。 3 清洗方法分类 3 . 1 湿法清洗
9、 湿法清洗采用液体化学溶剂和D I 水氧化、 蚀刻 和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。 通常采用的湿法清洗有 R C A 清洗法、稀释化学法、 I M E C清洗法、单晶片清洗等。 3 . 1 . 1 R C A 清洗法 最初, 人们使用的清洗方法没有可依据的标准 和系统化。1 9 6 5 年, R C A (美国无线电公司)研 发了用于硅晶圆清洗的R C A 清洗法, 并将其应用于 R C A 元件制作上。 该清洗法成为以后多种前后道清 洗工艺流程的基础, 以后大多数工厂中使用的清洗 工艺基本是基于最初的 R C A清洗法。 典型的 R C A清洗见表 1 。 R C A 清洗法依
10、靠溶剂、酸、表面活性剂和水, 在不破坏晶圆表面特征的情况下通过喷射、净化、 氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属 离子污染。在每次使用化学品后都要在超纯水 (U P W )中彻底清洗。以下是常用清洗液及作用。 (1 ) A m m o n i u m h y d r o x i d e / h y d r o g e n p e r o x - i d e / D I w a t e r m i x t u r e ( A P M ; N H 4O H / H2 O 2 / H 2O a t 6 5 8 0 ) . A P M 通常称为S C 1 清洗液,其配方为: N H 4O H
11、: H2O2 :H 2O = 1 : 1 : 5 1 : 2 : 7 , 以氧化和微蚀刻 来底切和去除表面颗粒;也可去除轻微有机污染物 及部分金属化污染物。 但硅氧化和蚀刻的同时会发 生表面粗糙。 (2 ) H y d r o c h l o r i c a c i d / h y d r o g e n p e r o x i d e / D I w a t e r m i x t u r e ( H P M ; H C I / H 2 O 2 / H 2 O a t 6 5 8 0 ) . H P M 通常称为S C - 2 清洗液, 其配方为:H C I : H 2O2: H 2O =
12、1 : 1 : 6 1 : 2 : 8 , 可溶解碱金属离子和铝、 铁及 镁之氢氧化物, 另外盐酸中氯离子与残留金属离子 发生络合反应形成易溶于水溶液的络合物, 可从硅 的底层去除金属污染物。 (3 ) S u l p h u r i c a c i d(硫酸) / h y d r o g e n p e r - o x i d e (过氧化氢)/ D I w a t e r (去离子水) 混合 物( S P M ; H 2S O4/ H2O2/ H2O a t 1 0 0 1 3 0 ) 。 S P M 通 常称为 S C 3 清洗液,硫酸与水的体积比是1 : 3 ,是 典型用于去除有机污染
13、物的清洗液。 硫酸可以使有 机物脱水而碳化, 而双氧水可将碳化产物氧化成一 氧化碳或二氧化碳气体。 (4 ) H y d r o f l u o r i c a c i d (氢氟酸) o r d i l u t e d h y d r o f l u o r i c a c i d(稀释氢氟酸) ( H F o r D H F a t 2 0 2 5 ) 蚀刻。其配方为:H F : H 2O = 1 : 2 : 1 0 ,主要 用于从特殊区域去除氧化物、 蚀刻硅二氧化物及硅 氧化物,减少表面金属。 稀释氢氟酸水溶液被用以 去除原生氧化层及S C 1 和S C 2 溶液清洗后双氧水在 晶圆表面
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