- 半導(dǎo)體清洗技術(shù)的進(jìn)展
- 當(dāng)前與未來(lái)的挑戰(zhàn)
- 濕法清洗
- 廣泛使用臭氧水
此后，硅清洗技術(shù)經(jīng)歷了持續(xù)的發(fā)展改進(jìn)，包括早期用氣相等效物替代在濕化學(xué)品中進(jìn)行的部分清洗操作。難以置信的是，現(xiàn)代先進(jìn)的Si清洗仍然依賴于大體上同一組化學(xué)溶液，不過(guò)它們的制備和送至晶圓的方法與最初提出的已大不相同。此外，傳統(tǒng)上用濕清洗化學(xué)品做的表面選擇清洗/修整功能現(xiàn)在是在氣相中做的。
引入半導(dǎo)體器件技術(shù)的一系列新材料以及各種非平面新器件結(jié)構(gòu)對(duì)清洗技術(shù)提出了重大挑戰(zhàn)。各種硅清洗方法雖然已較為成熟，但它們不能滿足正在出現(xiàn)的新興需求。本文簡(jiǎn)要綜述了半導(dǎo)體晶圓清洗技術(shù)的過(guò)去發(fā)展情況、當(dāng)前趨勢(shì)和未來(lái)需求。
半導(dǎo)體清洗技術(shù)的進(jìn)展
第一個(gè)完整的、基于科學(xué)意義上的Si表面清洗方法幾乎在40年前就已提出。此后，半導(dǎo)體清洗方法就從實(shí)驗(yàn)技術(shù)積累進(jìn)展到對(duì)制造良率和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展有極端重要意義的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
半導(dǎo)體清洗技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)隨時(shí)間而改變。早年關(guān)注的是大微粒和金屬污染物，實(shí)際上，當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體器件故障常常是由于襯底晶圓中的高缺陷密度引起，而不是表面污染引起的。隨著微粒和金屬污染的數(shù)量級(jí)逐漸減小，以及對(duì)這方面的污染控制非常有效，現(xiàn)在更多注意的是有機(jī)污染和表面狀態(tài)相關(guān)問(wèn)題。如圖1指出的，用簡(jiǎn)單的燈清洗法可以把有機(jī)污染從Si表面除去。此外，應(yīng)特別注意溶解在水內(nèi)和氣相的臭氧在控制有機(jī)污染中的作用。另一問(wèn)題是對(duì)清洗方法目標(biāo)監(jiān)察的多樣性，因?yàn)镕EOL和BEOL清洗要求不同，后者關(guān)注的是CMP后清洗。
就清洗媒介來(lái)說(shuō)，濕法清洗仍然是現(xiàn)代先進(jìn)晶圓清洗工藝的主力。雖然Si技術(shù)中的清洗化學(xué)材料與最初RCA的配方相差不大，但整體工藝最明顯的改變包括：采用了非常稀釋的溶液；簡(jiǎn)化工藝；廣泛使用臭氧水。
基于APM（NH4OH:H2O2:H2O）的化學(xué)材料在微粒去除方面仍占主宰地位，但如果沒(méi)有兆頻超聲波強(qiáng)化，其作用就不是很有效。基于最初RCA（HPM：HCl:H2O2:H2O）配方的去除金屬的化學(xué)材料差不多都放棄了。與潔凈得多的抗蝕劑和化學(xué)材料結(jié)合在一起的創(chuàng)新化學(xué)是在這一領(lǐng)域成功的關(guān)鍵。此外，幾何圖形非常密集的器件制造的污染控制也推動(dòng)了各種創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)，例如包括超臨界CO2（SCCO2）清洗。
就干法清洗來(lái)說(shuō)，它正用于有選擇的、大多是表面清理的步驟。例子之一是無(wú)水HF（AHF）/乙醇溶解工藝，它在多種應(yīng)用中能有效地從Si表面除去本來(lái)有的或化學(xué)生成的氧化物。圖2是各種表面加工運(yùn)作中執(zhí)行AHF/乙醇溶解工藝的25片晶圓和3片晶圓商品反應(yīng)器的示意圖。圖3中的AFM結(jié)果說(shuō)明，執(zhí)行工藝沒(méi)有損傷Si表面。
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干燥晶圓是任何濕法清洗程序的組成部分。廣泛認(rèn)可的基于IPA的晶圓干燥方法使清洗工藝的這一關(guān)鍵部分有了很大的進(jìn)步，這些方法采用Marangoni干燥及其衍生方法。
無(wú)論在批次清洗工藝還是在單晶圓清洗工藝中，傳統(tǒng)的浸沒(méi)清洗仍起主導(dǎo)作用。在單晶圓清洗工藝時(shí)，這一趨勢(shì)由于太陽(yáng)電池清洗技術(shù)的需求而強(qiáng)化。該技術(shù)中，由于被加工襯底的剪切數(shù)目(shearnumber)，可選用批次加工方法。圖2所示反應(yīng)器說(shuō)明，可以使選擇氣相清洗化學(xué)過(guò)程與批次加工兼容。但同時(shí)，單晶圓清洗方法（如旋轉(zhuǎn)清洗）正推進(jìn)到高端應(yīng)用領(lǐng)域。
當(dāng)前與未來(lái)的挑戰(zhàn)
為了半導(dǎo)體清洗技術(shù)能滿足不斷出現(xiàn)的新需求，必須對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行調(diào)整和修改。隨著縱向尺寸持續(xù)縮小，清洗操作過(guò)程中的材料損失和表面粗糙就會(huì)成為必須關(guān)注的領(lǐng)域。將微粒去除而又沒(méi)有材料損失和圖形損傷是最基本的要求，因此必須考慮周全并有所折衷。像兆頻超聲攪動(dòng)這樣的物理輔助手段對(duì)結(jié)構(gòu)損傷和圖形坍塌等有潛在影響，正在對(duì)其改進(jìn)，以便在保持微粒去除工藝效率的同時(shí)不對(duì)圖形完整性產(chǎn)生有害影響?？紤]到表面形態(tài)的原子級(jí)惡化都可能對(duì)器件性能會(huì)有致命影響，即使像DI水清洗等這些看起來(lái)最良性的清洗程序元素也必須重新評(píng)估。
為了減少某些器件機(jī)構(gòu)中的圖形坍塌及相關(guān)損傷，氣相化學(xué)作用（例如前面談到的與有機(jī)溶劑蒸汽混合的無(wú)水HF（AHF））可望越來(lái)越有用。
為了應(yīng)對(duì)硅表面的非平面性問(wèn)題，晶圓清洗技術(shù)至少受到三個(gè)不同前沿加工技術(shù)的挑戰(zhàn)。首先涉及的是CMOS加工。在器件幾何形狀不斷減小時(shí)，尖端數(shù)字CMOS技術(shù)方面的挑戰(zhàn)是保持柵結(jié)構(gòu)有足夠的電容密度，這是在柵長(zhǎng)度減小時(shí)維持足夠高驅(qū)動(dòng)電流所需要的。一個(gè)途徑是采用比SiO2介電常數(shù)高的柵電介質(zhì)，另一途徑是通過(guò)三維結(jié)構(gòu)MOS柵極以增加?xùn)琶娣e又不增加單元電路面積，再一個(gè)途徑就是二者的結(jié)合。
不管哪一種解決方案成為標(biāo)準(zhǔn)，柵氧化前清洗和RIE后密集分布刻蝕在SOI硅中的垂直“鰭”（圖4a）的清理都將成為重要的工藝元素。圖4b顯示了圍繞“鰭”制作的MOSFET例子。
MEMS加工提出了另一些不同的挑戰(zhàn)。MEMS制造的特點(diǎn)是，它含有3D精細(xì)圖形的深刻蝕，并要求橫向深刻蝕埋層氧化物的釋放加工工藝。用常規(guī)的濕法刻蝕和清洗技術(shù)是不能完成從這種非常緊密的幾何圖形除去可能的刻蝕殘留物，并確保懸臂梁和膜片的無(wú)靜摩擦操作的。已經(jīng)研究用無(wú)水HF/甲醇（AHF/MeOH）（圖2）犧牲層氧化物刻蝕工藝作為后者的可行解決方法。
特殊的電應(yīng)用（如高溫、大功率以及超高速）和光應(yīng)用（如藍(lán)光發(fā)射或UV檢測(cè)）中有不斷增長(zhǎng)的提高性能的需求，這要求大大地改進(jìn)硅以外的許多半導(dǎo)體的制造技術(shù)。這些材料的例子包括鍺，因?yàn)樗懈哂赟i的電子遷移率，有可能與高-k柵介質(zhì)集成；加工應(yīng)力溝道SiMOSFET所需的SiGe；以及碳化硅SiC，其帶隙很寬。除了最先進(jìn)的GaAs外，像GaN、InAs、InSb、ZnO等等一些Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體也越來(lái)越引起人們的興趣。
表面清洗正成為此類半導(dǎo)體加工中不斷出現(xiàn)的問(wèn)題。這是因?yàn)橐r底晶體的低劣質(zhì)量（而不是其表面潔凈度）不再是限定與那些材料有關(guān)的制造良率的主導(dǎo)因素。隨著各種半導(dǎo)體材料襯底單晶質(zhì)量的提高，考慮因素就會(huì)變化，會(huì)對(duì)清洗技術(shù)給予更加密切的關(guān)注。
半導(dǎo)體器件技術(shù)飛速地?cái)U(kuò)展進(jìn)入主流硅邏輯和模擬應(yīng)用以外的領(lǐng)域。在顯示技術(shù)、太陽(yáng)電池板技術(shù)和一些其它大面積光電系統(tǒng)中，其表面需要加工的材料可能包括玻璃、ITO（銦錫氧化物）或柔性塑料襯底等等。即使在主流硅IC和Ⅲ-Ⅴ族光學(xué)應(yīng)用中，非半導(dǎo)體襯底也有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此得到大力的追蹤研究。例如，藍(lán)寶石（單晶Al2O3）是半導(dǎo)體器件制造中重要性越來(lái)越大的一種襯底。所有這些材料的清洗均具有重要意義。
多年來(lái)開發(fā)的硅清洗技術(shù)是解決其它半導(dǎo)體材料表面加工挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)。各種新材料的出現(xiàn)必將推動(dòng)半導(dǎo)體清洗技術(shù)的發(fā)展。
