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硅片清洗:半導(dǎo)體制造過程中一個(gè)基本而關(guān)鍵的步驟

作者：
Binoy Bera
1Department of computer science and engineering, West Bengal University of Technology, Kolkata – 700064, India
*Corresponding Author: berabinoy17@gmail.com

摘要：
硅是制造眾多半導(dǎo)體器件中最有趣和最有用的半導(dǎo)體材料。在半導(dǎo)體器件制造中，各種加工步驟可分為四大類，即沉積、去除、刻劃和電學(xué)性能的修飾。在每一個(gè)步驟中，晶圓清洗都是發(fā)展半導(dǎo)體電子器件的首要和基本步驟。清洗過程是指在不改變或損壞晶圓表面或基板的情況下去除化學(xué)和顆粒雜質(zhì)。本文對(duì)硅片清洗工藝進(jìn)行了分類評(píng)述。簡(jiǎn)述了潔凈室的一些基本概念。

關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體制造，硅片，晶圓清洗，潔凈室。

介紹

半導(dǎo)體是一種固體物質(zhì)，其導(dǎo)電性介于絕緣體和導(dǎo)體之間。半導(dǎo)體材料的定義性質(zhì)是，它可以摻雜雜質(zhì)，以一種可控的方式改變其電子性質(zhì)。硅是開發(fā)微電子器件最常用的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體器件制造是用于制造日常電氣和電子設(shè)備中的集成電路的過程。在半導(dǎo)體器件制造中，各種加工步驟可分為四大類，如沉積、去除、圖形化和電學(xué)性能的修飾。沉積是指任何像物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積的過程，在晶圓上生長(zhǎng)、覆蓋或轉(zhuǎn)移材料。去除是指從晶圓上去除材料的任何工藝，如蝕刻和化學(xué)機(jī)械平整(CMP)。圖案化是關(guān)于沉積材料的成形或改變，一般稱為光刻。最后，通過在半導(dǎo)體材料中摻雜雜質(zhì)來改變其電學(xué)性能。晶圓清洗工藝[1-10]的目的是在不改變或損壞晶圓表面或基板的情況下去除化學(xué)和顆粒雜質(zhì)(圖1)。晶圓清洗是為了擴(kuò)散前清洗，即使表面不受金屬、顆粒和有機(jī)污染物的污染，金屬離子去除清潔，即去除對(duì)半導(dǎo)體[1117]器件運(yùn)行有不利影響的金屬離子，去除顆粒清潔指的是使用化學(xué)或機(jī)械擦洗去除表面的顆粒，使用兆速清洗和蝕刻后清洗去除蝕刻過程后留下的光阻和聚合物。本文對(duì)硅片清洗的不同程序如RCA(美國(guó)無線電公司)清洗、SC(標(biāo)準(zhǔn)清洗)清洗、ohmi清洗、兆聲清洗、超聲波清洗等進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述。

硅片清洗程序
RCA清洗

RCA清洗是用于去除硅片中有機(jī)物、重金屬和堿離子的“標(biāo)準(zhǔn)工藝”。這里使用超聲波攪拌來去除顆粒。RCA是美國(guó)廣播公司的縮寫，該公司現(xiàn)在生產(chǎn)電視、音響等。圖2討論了RCA清洗方法。第一步，硫酸與雙氧水的比例為1:1 - 1:4。在該溶液中浸泡10分鐘，溫度為100-150℃。這個(gè)過程也被稱為pirhana清洗。之后，將晶圓浸入氫氟酸(HF)溶液中1分鐘，氫氟酸和水的比例為1:10。最后在室溫下用去離子水沖洗一定時(shí)間。RCA清洗工藝中還包括SC-1和SC-2兩種方法。每一步都要用去離子水沖洗硅片，以達(dá)到正確的清潔效果。

標(biāo)準(zhǔn)的清潔

標(biāo)準(zhǔn)清洗包括兩個(gè)步驟，即SC-1和SC-2。SC-1法取氫氧化銨(28%)、過氧化氫(30%)、水，比例為1:1:5，溫度70-80℃。硅片在此溶液中浸泡10分鐘，并保持高pH值。該方法氧化有機(jī)污染物(形成二氧化碳、水等)，并與金屬(Au、Ag、Cu、Ni、Zn、Cd、Co、Cr)形成絡(luò)合物，如Cu(NH3)4+2。在這個(gè)過程中，緩慢地，天然的氧化物溶解并重新長(zhǎng)出新的氧化物，從而去除氧化物上的顆粒。NH4OH的使用較少，因?yàn)樗芪g刻Si，使其表面粗糙。SC-2法取鹽酸(73%)、過氧化氫(73%)和水，比例為1:1:6，溫度為70-800℃。硅片在此溶液中浸泡10分鐘，并保持低pH值。該方法用于去除堿離子和Al+3、Fe+3、Mg+2等在SC-1等堿性溶液中形成NH4OH不溶性氫氧化物的陽離子。這些金屬在SC-1溶液中沉淀到晶圓表面，而在SC2溶液中形成可溶配合物。SC-2還能完全去除SC-1步驟無法完全去除的金屬污染物，如Au。

Ohmi清潔

Ohmi清洗步驟少，溫度低。圖3描述了ohmi清洗過程的詳細(xì)步驟。
Megasonic和超聲波清洗
在超聲速清洗過程中，通過高頻振動(dòng)(20至45 kHz之間)對(duì)清洗液進(jìn)行機(jī)械攪拌，導(dǎo)致空化——形成低壓蒸汽泡擦洗表面。頻率越高(>45kHz)，晶圓表面氣泡越小，效率越低。然而，megasonic (1MHz)清洗在去除粒子方面也很有效。這兩種工藝對(duì)于去除硅片表面污染物是非常有效的。

潔凈室

潔凈室是所有這些清潔過程發(fā)生的地方，并在這里采取措施減少顆粒污染。潔凈室內(nèi)的溫度、濕度、壓力等參數(shù)均由高效微粒空氣(HEPA)過濾器和超低微?？諝?ULPA)過濾器等關(guān)鍵部件控制。無塵室按兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分類(圖4-5)，即ISO等效和FED STD 209E等效。這種分類是根據(jù)每體積空氣中允許的顆粒數(shù)來進(jìn)行的。

總結(jié)

污染物[18-19]發(fā)生在微電子集成電路制造過程中。清洗是去除晶圓表面污染物最理想的方法之一。所有的清潔過程都在潔凈室進(jìn)行。在清洗過程中，通過超聲攪拌可以除去大部分顆粒。在O2等離子體或硫酸(H2SO4)/過氧化氫(H2O2)溶液中去除有機(jī)物(光刻膠)，這被稱為食人魚清洗。“RCA清潔”是用來去除金屬和任何殘留在硅片中的有機(jī)物。清洗大約包括任何集成電路制造過程的四分之一(1/4)。本文還簡(jiǎn)要介紹了幾種標(biāo)準(zhǔn)的潔凈室分類方法[20]。

文獻(xiàn)引用：
Cite this Article: Binoy Bera. Silicon Wafer Cleaning: A Fundamental
and Critical Step in Semiconductor Fabrication Process. International
Journal of Applied Nanotechnology. 2019; 5 (1): 8–13p.

原標(biāo)題：硅片清洗:半導(dǎo)體制造過程中一個(gè)基本而關(guān)鍵的步驟