硅片清洗原理与方法综述

硅片清洗原理与方法综述

刘传军　赵权　刘春香　杨洪星

(电子四十六所,天津　300220)

摘要　对硅片清洗的基本理论、常用工艺方法和技术进行了详细的论述,同时对一些常用的清洗方案进行了浅析,并对硅片清洗的重要性和发展前景作了简单论述。

关键词　硅片　清洗　湿法化学清洗

中图分类号:TN30512　文献标识码:A　文章编号:100125507(2000)2230207 Theory and M ethod of Sil icon W afer Clean i ng

L iu Chuan jun,Zhao Q uan,L iu Chunx iang,Yang Hongx ing

(T he46th Institu te(E lectronics),T ianj in300220)

Abstract　In th is p ap er,the m ethods and m echan is m of silicon w afer clean ing are p re2 sen ted.Som e cases u sing silcon w afer clean ing are discu ssed.T he i m po rtance and ten2 dency of silicon w afer clean ing are also given b riefly.

Keywords　Silicon w afer　C lean ing　W et chem ical clean ing

1　引　言

随着大规模集成电路的发展,集成度的不断提高,线宽的不断减小,对硅片的质量要求也越来越高,特别是对硅抛光片的表面质量要求越来越严。这主要是因为抛光片表面的颗粒和金属杂质沾污会严重影响器件的质量和成品率,对于线宽为0135Λm的64兆DRAM器件,影响电路的临界颗粒尺寸为0106Λm,抛光片的表面金属杂质沾污应全部小于5×1016at c m2,抛光片表面大于012Λm的颗粒数应小于20个 片[1]。在目前的集成电路生产中,由于硅抛光片表面沾污问题,仍有50%以上的材料被损失掉[2]。

在硅晶体管和集成电路生产中,几乎每道工序都有硅片清洗的问题,硅片清洗的好坏对器件性能有严重的影响,处理不当,可能使全部硅片报废,做不出管子来,或者制造出来的器件性能低劣,稳定性和可靠性很差[1～3]。因此弄清楚硅片清洗的方法和原理,不管是对于从事硅片加工的人,还是对于从事半导体器件生产的人来说都有着重要的意义。

正是由于硅片清洗是半导体器件制造中最重要最频繁的步骤,而且其效率将直接影响到器件的成品率、性能和可靠性,所以国内外对清洗工艺的研究一直在不断地进行[3～12]。现在人们已研制出了很多种可用于硅片清洗的工艺方法和技术,常见的有:湿法化学清洗、超声清洗法、兆声清洗法、鼓泡清洗法、擦洗法、高压喷射法、离心喷射法、流体力学法、流体动

收稿日期:1999-07-12

力学法、干法清洗、微集射束流法、激光束清洗、冷凝喷雾技术、汽相清洗、非浸润液体喷射法、硅片在线真空清洗技术、RCA标准清洗、等离子体清洗、原位水冲洗法等。这些方法和技术现已广泛应用于硅片加工和器件制造中的硅片清洗。

2　硅片清洗的基本理论

为了更有效地利用各种硅片清洗的工艺方法和技术手段,以便获得一个非常洁净的硅片表面和高的清洗效率,我们首先要对硅片清洗的基本理论有一个全面的理解和掌握。下面对硅片的表面状态、表面洁净度、吸附理论、表面沾污杂质的来源与分类等基本理论进行介绍,并给出硅片清洗的一般程序。

211　硅片的表面状态与洁净度问题

理想的硅片表面应该是硅原子有规则排列终止所形成的表面,表面内部的硅原子以共价键结合,而表面外部无其它原子,所以外方向的价键是未饱和的,存在着可以俘获电子的表面态。

上述理想表面实际是不存在的,硅片的真实表面由于暴露在环境气氛中发生氧化及吸附,其表面往往有一层很薄的自然氧化层,厚度为几个埃、几十个埃甚至上百埃。

真实的硅片表面是内表面和外表面的总合,内表面是硅与自然氧化层的界面,它既存在着受主能级又存在着施主能级,能级密度为1011～1012个 c m2[10]。外表面是自然氧化层与环境气氛的界面,它也存在一些表面能级,并吸附一些污染杂质原子,而且不同程度地受到内表面能级的影响,可以与内表面交换电荷,外表面的吸附现象是复杂的。

清洗的根本目的是使硅片获得洁净表面,但是什么样的表面才是洁净的表面,一直没有严格的定义。如果仅从制造工艺来说,可以简单认为污染物质对器件特性的影响应当在可以忽略的范围以下。

一般污染杂质种类和数量越少,表面洁净度越高,工艺中总存在一个明显的污染容限[10],当污染在该容限之下,污染对器件的电特性、成品率、可靠性的影响急剧下降。当污染超过该容限时,影响显著上升,只要污染在容限之下,尽管硅片表面并非绝对洁净,仍认为硅片表面是相对洁净的。如污染在容限之上,则认为硅片是非洁净的。

完好的硅片清洗总是去除沾污在硅片表面的微粒和有害膜层,代之以氧化物的、氮化物的或其它挥发元素(或分子)的连续无害膜层,即具有原子均质的膜层。硅片表面达到原子均质的程度越高,洁净度越高,反之,洁净度越低。

212　吸附理论

硅片表面是硅晶体的一个断面,由结晶学可知,这个表面所有的晶格都处于破坏状态,即有一层或多层硅原子的键被打开,呈现一层到几层的悬挂键,又称之为不饱和键。由物化性质可知,非饱和化学键化学活性高,处于不稳定状态,极易与周围的分子或原子结合起来,这就是所谓的“吸附”。被吸附的杂质粒子并不是固定不动的,而是在其平衡位置附近不停地振动着,其中一些被吸附的杂质粒子由于获得较大的动能而脱离硅片表面,重新回到周围介质(如空气)中去,这种现象称为“解吸”。与此同时,在介质中的另一些粒子又会在硅片表面上重新被吸附。在一般情况下,硅片表面层所吸附的杂质粒子处于动态平衡状态[3,9,10]。

对于硅片表面来说,吸附是一种放热过程,而解吸是一种吸热过程。升高温度有利于硅片表面杂质粒子的解吸。而以各种手段提供杂质粒子解吸所需要的能量,也就构成了不同名目的清洗。

吸附可分为物理吸附和化学吸附,二者的区别主要在于吸附力的产生形式和大小的不同。对于物理吸附,其吸附力来自于固体和被吸附分子间的范德瓦斯引力,而化学吸附则是靠化学键力结合,这种成键的力在一定情况下是共价键力,但也或多或少地混合着离子的相互作用力。化学吸附的吸附热比物理吸附要大