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人工參與的集成電路制造過(guò)程，不可避免地會(huì)引入各種污染，產(chǎn)生晶圓缺陷，對(duì)于器件的良率等性能參數(shù)有很大的影響。對(duì)半導(dǎo)體晶圓在濕法清洗工藝中可能導(dǎo)致的各種缺陷成因進(jìn)行分析，并對(duì)缺陷的處理方式做了簡(jiǎn)要探討。

 

1、 概述

 

隨著集成電路行業(yè)的發(fā)展，對(duì)于半導(dǎo)體器件性能的要求變得越來(lái)越高。從整個(gè)器件的生產(chǎn)工藝條件來(lái)看，在各個(gè)制造過(guò)程中，都會(huì)引入導(dǎo)致芯片成品率下降和電學(xué)性能降低的物質(zhì)，我們稱之為沾污[1]。沾污經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)出的芯片有缺陷，而這種缺陷將導(dǎo)致晶圓上的芯片不能通過(guò)電學(xué)測(cè)試。所以，研究并解決掉各種生產(chǎn)工藝過(guò)程中可能產(chǎn)生的缺陷，從而提高晶圓器件的良率等性能參數(shù)，是濕法清洗工藝中重點(diǎn)關(guān)注的因素。

 

2、 清洗概念

 

晶圓表面的污染物通常是以原子、離子、分子、粒子或膜的形式，以物理或化學(xué)吸附的方式，存在于晶圓表面，或者晶圓自身的氧化膜中。晶圓清洗指的是，在集成電路的制造過(guò)程中，采用化學(xué)或者物理的方法，將晶圓表面的污染物以及氧化物去除，使得晶圓表面符合清潔度要求的過(guò)程。晶圓清洗的原則是既要去除各類雜質(zhì)而又不損壞晶圓。

 

3、 缺陷種類及去除機(jī)理

 

在濕法工藝中，常見(jiàn)的缺陷種類主要分為以下幾類：

 

3.1 表面顆粒

 

顆粒是晶圓表面最常見(jiàn)的一種缺陷，這種缺陷會(huì)導(dǎo)致電路短路或開(kāi)路，也會(huì)引起后續(xù)沾污進(jìn)一步影響良率。因此如何去除顆粒，是提高晶圓良率的關(guān)鍵。在半導(dǎo)體制造中，可以接受的顆粒尺寸的粗略法則，是顆粒必須小于最小器件特征尺寸的一半。

 

顆粒主要有以下幾方面的來(lái)源：

 

1）存在于凈化車(chē)間環(huán)境里的顆粒物；

 

2）設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的顆粒；

 

3）工藝過(guò)程中所用的超純水、氣體及化學(xué)品帶來(lái)的顆粒；

 

4）晶圓襯底在加工過(guò)程中殘留的顆粒。

 

針對(duì)顆粒的去除機(jī)理主要有四種：溶解、氧化分解、粒子和硅片表面的電排斥、對(duì)硅片表面輕微的腐蝕。結(jié)合實(shí)際工藝，目前成熟的去除方法主要是以下2 種方式：

 

1）SC-1 溶液清洗。此方法主要是用來(lái)去除外延過(guò)程結(jié)束后，附著在晶圓表面顆粒；

 

2）超聲清洗。超聲清洗的原理是靠聲波在液態(tài)介質(zhì)中傳播，產(chǎn)生的非周期性聲波流作用在晶圓表面，減小了顆粒在晶圓表面的附著力，從而容易被清洗液帶走洗凈。

 

3.2 金屬污染物

 

在半導(dǎo)體材料中，金屬離子具有高度的活動(dòng)性。當(dāng)金屬離子引入到晶圓中時(shí)，會(huì)在整個(gè)晶圓中移動(dòng)，因此會(huì)嚴(yán)重?fù)p害器件的電學(xué)性能及穩(wěn)定性。金屬污染物一旦在界面形成缺陷，將在后續(xù)的氧化或外延工藝中導(dǎo)致 PN結(jié)漏電，減少少數(shù)載流子的壽命，最終導(dǎo)致降低成品率。

 

金屬污染物主要有以下幾方面的來(lái)源：

 

1）晶圓襯底在加工過(guò)程中殘留的金屬顆粒；

 

2）工藝環(huán)境引入的外來(lái)金屬顆粒；

 

3）化學(xué)品與傳輸管路和容器的反應(yīng)導(dǎo)致的金屬析出；

 

4）離子注入、干法刻蝕等工藝過(guò)程中引入的金屬顆粒，例如，在金屬互連的工藝流程時(shí)，難以避免會(huì)產(chǎn)生的各種金屬沾污。

 

下頁(yè)圖 1 描述了不同工藝流程中可能引入的金屬污染數(shù)量。

 

針對(duì)金屬顆粒的去除，通常是使用 SC-2 溶液或是 HPM 溶液，用以來(lái)降低晶圓表面的金屬含量。其中 SC-2 溶液會(huì)發(fā)生結(jié)晶，可能會(huì)增加清洗后晶圓表面顆粒的數(shù)量，因此可以用 HF 代替 HCL，或用O3 配合 HF 替代 SC-2 溶液，也能很好地去除金屬顆粒[2]。

 

3.3 有機(jī)污染物

 

有機(jī)污染物通常在晶片表面形成有機(jī)物薄膜，從而阻止清洗液到達(dá)晶片表面，影響其他清洗工藝的效果。因此去除有機(jī)物，必須在清洗工序的第一步就進(jìn)行。

 

有機(jī)污染物主要有以下幾方面的來(lái)源：

 

1）人的皮膚油脂；

 

2）凈化室環(huán)境中的有機(jī)蒸汽；

 

3）工藝流程中用到的機(jī)械油、清潔劑和溶劑、硅樹(shù)脂真空脂、光致抗蝕劑等；

 

4）光刻膠的殘留物。

 

針對(duì)有機(jī)污染物，通常是使用 SPM 溶液，或者紫外線 / 臭氧干洗技術(shù)來(lái)去除。

 

3.4 表面水痕

 

水痕是由于當(dāng)晶圓的干燥不充分時(shí)，存在于晶圓表面的水汽形成了水滴，并且與硅在水中氧化形成的二氧化硅發(fā)生了反應(yīng)，形成了偏硅酸。偏硅酸在清洗后的晶圓表面，就表現(xiàn)為顆粒狀的水痕。由于水痕的出現(xiàn)，會(huì)影響之后刻蝕的完整性，從而引起區(qū)域性的芯片失效，造成良率的下降。因此，經(jīng)過(guò)濕法清洗后的晶圓，必須經(jīng)過(guò)徹底的干燥，確保表面無(wú)水痕，才可以進(jìn)入下一步工藝。

 

目前最常見(jiàn)的有三種干燥模式是旋轉(zhuǎn)干燥、Marangoni 干燥和熱異丙醇霧化干燥。

 

旋轉(zhuǎn)干燥是利用機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)甩干的方法，同時(shí)在腔體內(nèi)部吹氮?dú)饧铀俑稍铩＿@種干燥方式對(duì)于光滑晶圓表面的干燥效果比較好。

 

Marangoni 干燥法是利用異丙醇與去離子水之間表面張力的不同，將晶圓表面的水分子吸收回流到處理槽，來(lái)達(dá)到晶圓表面干燥的效果。

 

熱異丙醇霧化干燥是將異丙醇加熱加壓形成霧汽，異丙醇分子在熱氮?dú)獾臄y帶下，會(huì)更加容易進(jìn)入到器件的溝槽內(nèi)，從而把溝槽里面的水分子帶走。這種干燥方式的優(yōu)點(diǎn)是可以更加有效避免溝槽內(nèi)水汽殘留的現(xiàn)象發(fā)生。

 

此外，在晶圓檢測(cè)發(fā)現(xiàn)明顯水痕現(xiàn)象時(shí)，依據(jù)其主要成分為氧化硅的特征，可以采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)品，對(duì)晶圓進(jìn)行 Remark，此化學(xué)品應(yīng)當(dāng)對(duì)氧化硅有一定的刻蝕率并有較高的刻蝕選擇比，不會(huì)對(duì)晶圓表面其他結(jié)構(gòu)造成損害。最終可以采用熱磷酸重新進(jìn)行化學(xué)表面處理的方法較少水痕缺陷。

 

4、結(jié)語(yǔ)

 

隨著集成電路行業(yè)對(duì)于良率的不斷追求，對(duì)濕法清洗中形成的缺陷的有效管理也變得更加重要。在生產(chǎn)過(guò)程中，就需要對(duì)晶圓缺陷時(shí)刻進(jìn)行詳細(xì)的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷造成的工藝偏差，并查清原因，找出缺陷的來(lái)源，針對(duì)不同情況來(lái)完善設(shè)備以及工藝，以此來(lái)不斷地提高良率。

 

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