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引言
以DRAM及CPU為代表的超大規(guī)模集成電路硅半導體器件，近年來成為個人電腦熱潮的導火索，預計今后器件的需求也會擴大。 那么，該硅半導體器件的基板材料幾乎都是通過直拉法(CZ)法培育的單晶硅。 通過對單晶硅錠進行切割、研磨、蝕刻、鏡面拋光以及濕法清洗工序，制作出厚度為700-800μm的鏡面晶圓。 隨著半導體器件的微細化及高性能化，晶圓表面的高品質化被進一步要求。晶圓表面質量有粒子、金屬雜質、有機物、微粗糙度及自然氧化膜。在本文中，在CZ法硅鏡面晶圓的加工中，關注表面的粒子及各種污染，對除去這些粒子的濕法清洗工序的概要及相關技術進行了敘述。
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硅片清洗技術
我們已知清洗對鏡面拋光后的晶圓表面質量有很大的影響，隨著超大規(guī)模集成電路器件的微細化及高性能化的發(fā)展，人們逐漸認識到清洗的重要性，近十年來，研究也開始盛行起來。目前的鏡面拋光晶圓的清洗大部分采用RCA法或其改良法。RCA法的基礎是NH、OH/H202/H、O（稱為SC-1清洗）以及HCI/H、O、/H、0（稱為SC-2清洗），分別具有去除顆粒和金屬污染的效果。 在實際的清洗技術中，根據(jù)用途組合這些，有效地去除粒子、金屬雜質以及有機物。 下面就粒子、金屬雜質以及干燥技術進行說明。
如圖1所示，由于256MDRAM以后的世代采用了0.25μm的設計規(guī)則，因此在這些器件中使用的φ300mm晶片上，預計尺寸0.1μm級的粒子會對器件特性產(chǎn)生影響。下面，將對通過清洗除去粒子的機理、以及晶圓表面粒子的測量原理及問題點進行敘述。一般來說，在去除硅晶圓表面的粒子時，堿性的清洗比酸性的清洗更有利。對去除粒子有效的SC―1清洗是同時發(fā)生NH40H對硅的蝕刻和H202對硅的氧化的反應體系。據(jù)推測，去除顆粒的主要原因是NH40H的蝕刻。此外，我們還提出了基于溶液中的晶圓及粒子的zeta電位的粒子附著模型。在SC―1清洗中，NH40H蒸發(fā)顯著，從除去粒子的觀點來看，藥液的使用時間受到限制。因此，為了在線監(jiān)測藥液中的濃度，使?jié)舛群愣ɑ?，還提出了定量添加NH40H和H202的系統(tǒng)。在RCA清洗中，利用物理現(xiàn)象的超聲波并用，有空化作用的類型（頻率40～50kHz）或高頻加速度的類型（頻率900kHz～1MHz）。 前者對于去除尺寸較大的粒子是有效的，但擔心會因空化而對晶圓造成損傷。另一方面，后者是利用巨大加速度或溶液的擠壓效果，對去除小粒子有效。由于在該頻率區(qū)域中不發(fā)生空化，因此晶片表面幾乎沒有損壞。
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圖1 導體器件的設計規(guī)則與晶圓表面特性的關系
在波形以及器件的制造過程中，存在來自工藝裝置以及間材的金屬污染（Al、Fe、Cu、Ni等）。需要開發(fā)去除這些金屬雜質的清洗技術。 通常進行酸基SC-2洗滌或稀HF溶液與堿基SC-1洗滌的組合。SC-2清洗通過HCl的溶解作用和氯離子的配位結合力，對去除金屬雜質有效果20>。 在圖4中，將A1、Fe、Cu以及Ni強制污染了10′3atoms/cm2水平的晶圓，比較了稀HF和SC-2清洗后的金屬污染水平，關于Cu，用稀HF清洗幾乎無法除去，而用SC-2清洗則有很高的除去效果。 在SC―1清洗中，Al及Fe作為氧化物吸附在自然氧化膜上，離子化傾向比Si小的Cu直接吸附在Si上。 SC-1清洗容易去除硅表面的Cu和Ni。但是，如果清洗液中含有0.1 ppb左右的Fe、Al、Zn等金屬雜質，晶圓表面就會附著濃度為1011atoms/cm2水平的污染，清洗液本身就會成為新的污染源。作為防止SC―1清洗時金屬污染的方法，還提出了在清洗液中添加螯合劑的方法。
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圖4 以及稀HF清洗中的金屬雜質去除效果
干燥技術：干燥與清洗工藝是一對重要的技術。關鍵是如何在減少水?。ǜ稍锖圹E）及顆粒的狀態(tài)下，在短時間內進行干燥。在以往的旋轉干燥及IPA蒸汽干燥中，在晶圓的大口徑化時，圖2粒子測量裝置的光學系統(tǒng)模式圖圖3氫處理晶圓的LPD計數(shù)的變化粒子測量裝置使用了圖4 SC-2和稀HF清洗中的金屬雜質去除效果。為了解決這些問題，為了降低粒子及水印，利用在稀IPA氣氛中的室溫水中拉起引起的表面張力差效果的干燥法受到關注。
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最近的清洗技術
現(xiàn)在的硅晶圓的清洗裝置，作為追求RCA清洗法的生產(chǎn)性的結果，大部分采用多槽分批浸漬處理方式。近年來，為了滿足器件芯片尺寸的擴大、制造成本的增加，φ300mm晶圓的實用化正在取得進展。即使晶圓變成大口徑，φ300mm晶圓的清潔度也會更加嚴格。在裸晶圓加工裝置（研磨、研磨）的片葉化發(fā)展中，考慮晶圓批量生產(chǎn)線時，清洗裝置的片葉化成為必不可少的技術之一。從晶片輸送和工藝集成的觀點來看，片材清潔比批量清潔更有利。常見的片葉式清洗裝置示意圖如圖5所示。在旋轉邊緣保持在耐化學液體旋轉杯中的晶片的同時，從各種噴嘴向晶片噴射化學液體或純水。在以往的片葉式清洗裝置中，具有耐化學性的超聲波噴嘴以及旋轉杯內的單元技術是最大的問題點，作為裸晶片的清洗，幾乎沒有實現(xiàn)φ200mm晶片的實用化。
近年來，開發(fā)出了圖6所示的耐化學性的超聲波MHz噴嘴。 通過ADDICPMS法25>·26）首次明確了從該噴嘴的金屬污染溶出比以往的噴嘴少。 使用耐化學性及以往的噴嘴，向硅晶圓噴射濃度為30ppm的臭氧水。分別用ICP―MS法及ADD―ICPMS法測量了注入的臭氧水及晶圓表面的金屬雜質濃度。
臭氧是僅次于氟的強氧化劑，是利用該氧化力，除去附著在晶圓表面的有機物及金屬雜質的方法。以前，除去有機物用SC-1洗凈或者硫酸和過氧化氫的混合溶液除去，金屬雜質用SC-2洗凈除去。作為除去有機物及金屬雜質的方法，使用添加臭氧的超純水。以超純水為原料，通過電解方式產(chǎn)生的清潔臭氧氣體，通過透過膜組件溶解在超純水中。 添加臭氧的超純水基本處于中性區(qū)域，具有較高的氧化還原電位，因此可以從金屬及有機物中奪取電子進行氧化。
通過電解含有離子的超純水，可以通過電泳在陽極側生成酸性電解水和在陰極側生成堿性電解水。通過向超純水中添加符合目的的電解質進行電解，可以調整離子水的氧化還原電位及pH特性。添加了電解質的電解陰極水具有去除Cu及Fe的效果，可以考慮代替酸性溶液。電解陽極水具有除去二氧化硅粒子的效果，是與SC―1洗凈相同的洗凈方法。
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總結
本文報告了硅片清洗的概論、最近的新清洗法及相關技術的評論。為了應對器件的高集成化及高性能化，晶圓表面的高品質化非常重要，而且大口徑化成為導火索，不僅需要傳統(tǒng)的清洗技術，還需要突破。洗凈作為生產(chǎn)技術，不僅要根據(jù)經(jīng)驗·訣竅進行開發(fā)，還需要從理論分析出發(fā)考慮洗凈技術。另外，表面的高品質化不僅僅是清洗，潔凈室的維持管理晶片的包裝及保管方法也很重要。