半导体化学清洗沾污来源分析

摘 要：随着半导体工艺的不断发展，其对设备颗粒度的要求越来越高，文章分析了沾污产生的原因及出处，并对各种沾污进行了分析，并指出了解决方向，在很大程度上指导了半导体生产和研发环境的建立及完善。

关键词：沾污；颗粒；化学吸附；静电

自从20世纪50年代固体元器件诞生以后，在半导体微电子器件制作过程中，衬底表面情节的重要性就已经被认知。众所周知，硅器件的性能、稳定性和电路的成品率受硅片或器件表面的化学沾污和微粒沾污的影响极大。目前，由于半导体表面的极度敏感性和器件的亚微米尺寸特征，使得对原始硅片及氧化和图形化后得硅片进行有效清洗，比以往任何时候都更为重要。正因为如此，超清洁硅片的准备，已成为超大规模硅电路制作过程中的关键技术之一。

1 沾污的类型和来源

半导体晶片表面的沾污是以沾污薄层、分散微粒和粒子（粒子团簇）和气体的形式存在，具体见表1的总结。表面沾污薄层和微粒包括分子化合物、离子物质和原子物质。分子化合物是指凝结的有机蒸汽微粒或膜层，包括来自剂、油脂、光刻胶、残留溶剂、去离子水或塑料存储器等引入的有机化合物、金属氧化物或氢氧化物。离子物质由阴、阳粒子构成，多数来自于通过物理吸附或化学成键（化学吸附）而引入的无机化合物，如钠离子、氟离子和氯离子。原子物质主要由金属构成，如金和铜，它们可来自与含HF的溶液中，通过化学或电化学方式被电镀到半导体表面，或者由来自设备的硅颗粒或金属残留物构成。

由表2列出了各种污染来源，可见沾污来源的多方面。这些微粒可能来自于设备、过程化学品、工厂操作和气体管道等。与硅片和液体直接或间接接触的移动机械设备与容器时特别严重的污染源，而原材料、液体、气体化学药品和环境气氛引起的微粒沾污较少，但所有这些沾污来源都会对沾污膜层的生成起到重要的作用。硅片上通常会积累静电荷的载流子，它们是诱发离子沉积的主要机制，但却常常被忽略。

2 沾污对半导体器件的影响

在晶片加工过程中，沾污对半导体材料和电介质及对成品半导体器件的作用十分复杂，因为这与具体沾污类型、性质和数量有关。

晶片表面的分子沾污膜层，能有效降低清洗或冲洗效果，并可对良好黏连的沉积膜造成损伤，且易于形成有害的分解产物。例如，在无氧的氛围内对有机残留物进行高温加热，就会发生碳化；如果晶片时硅材料，这些残留物将会形成SiC，然后在外延沉积时，成为多晶硅的成核区域。

离子沾污会在半导体器件中引起许多问题。在高温加热过程中或在施加电场作用的条件下，它们能扩散进半导体内或者在表面发生扩散，从而引起器件产生点缺陷、退化和成品率损失。

3 避免设备和过程沾污

沾污控制的主题关键是避免。如果我们能在设备、材料和环境中创建和维持超清洁条件，那么在整个半导体器件制作过程中，就能使晶片清洗的需求降到很低。而且，组织沾污比一旦发生沾污后再去除它，通常要容易的多，因为避免沾污是首要选择。

工艺设备已经成为粒子沾污的最主要来源。通过周期性保养和静电荷的去除，可以剔除灰尘离子，使离子的沾污得到有效控制。

4 化学沾污

在半导体器件制作过程中，要用到许多化工原料，而这些化工原料中的杂质会对器件的质量产生严重影响。为了最小化从这些源中引入的杂质，必须对其施加严格的控制。晶片清洗使用的多数化工原料为气态或液态。气态原料可得到非常高的纯度，且易于通过超过滤手段，实现有效去除颗粒的目的。液态化工原料则是多种多样的，表3所示为常用的液态化学药品。

化工原料的杂质水平是十分易变的。近年来，为了向微电子行业提供“超纯”的化工原料，化工原料的生产者已付出巨大努力。“超纯“意味着总的杂质浓度应该在较低的ppb范围内。生产超纯酸的一种严格的替代方式时使用再生的方法在现场生成所要的酸，比如利用高纯度去离子水和反应气体（臭氧、HCL、NH3）等，在现场生成这些化工原料的水溶液。配置方法对粒子浓度的影响非常巨大，瓶装后的化工原料会出现非常高的微粒数。间接沾污会从容器、管道、阀体等引入，导致最初配置的超纯化学药品被污染。

5 分析方法

沾污控制的另一个重要方面是分析方法。微量和超微量水平的杂质和微粒的测量与监控，一方面要对加工区域中的过程反应物、去离子水、气体和环境空气进行分析，另一方面还要对半导体晶片表面做同样的分析。对原材料和硅片表面的杂质分析和测量，是建立工艺条件必需的，其目的是为了识别在加工过程中，那些具体杂质被转移到了关键性的半导体表面上，处于何种浓度。这一信息是提高工艺质量和获得超洁净晶片必须考虑的第一步。在线的现场分析和测试是许多关键操作中期望的，其目的是不断监控具体沾污的浓度水平，如微粒、气态物质、湿气或金属离子，以便对工艺过程进行可能的实施监控。

参考文献

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[2]Stephen A. Campbell 曾莹，严利人，王纪民，张伟.北京：电子工业出版社，2003.1.