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半导体的清洗方法
  晶圆清洗是半导体制造典型工序中最常应用的加工步骤。就硅来说,清洗操作的化学制品和工具已非常成熟,有多年广泛深入的研究以及重要的工业设备的支持。所以,硅清洗技术在所有具实际重要性的半导体技术中是最为成熟的。第一个完整的、基于科学意义上的清洗程序在1970年就提出了,这是专门设计用于清除Si表面的微粒、金属和有机污染物。
  此后,硅清洗技术经历了持续的发展改进,包括早期用气相等效物替代在湿化学品中进行的部分清洗操作。难以置信的是,现代先进的Si清洗仍然依赖于大体上同一组化学溶液,不过它们的制备和送至晶圆的方法与最初提出的已大不相同。此外,传统上用湿清洗化学品做的表面选择清洗/修整功能现在是在气相中做的。
  引入半导体器件技术的一系列新材料以及各种非平面新器件结构对清洗技术提出了重大挑战。各种硅清洗方法虽然已较为成熟,但它们不能满足正在出现的新兴需求。本文简要综述了半导体晶圆清洗技术的过去发展情况、当前趋势和未来需求。
  半导体清洗技术的进展
  第一个完整的、基于科学意义上的Si表面清洗方法几乎在40年前就已提出。此后,半导体清洗方法就从实验技术积累进展到对制造良率和半导体产业持续发展有极端重要意义的科学技术领域。
  半导体清洗技术的关注点随时间而改变。早年关注的是大微粒和金属污染物,实际上,当时半导体器件故障常常是由于衬底晶圆中的高缺陷密度引起,而不是表面污染引起的。随着微粒和金属污染的数量级逐渐减小,以及对这方面的污染控制非常有效,现在更多注意的是有机污染和表面状态相关问题。如图1指出的,用简单的灯清洗法可以把有机污染从Si表面除去。此外,应特别注意溶解在水内和气相的臭氧在控制有机污染中的作用。另一问题是对清洗方法目标监察的多样性,因为FEOL和BEOL清洗要求不同,后者关注的是CMP后清洗。
  就清洗媒介来说,湿法清洗仍然是现代先进晶圆清洗工艺的主力。虽然Si技术中的清洗化学材料与最初RCA的配方相差不大,但整体工艺最明显的改变包括:采用了非常稀释的溶液;简化工艺;广泛使用臭氧水。
  基于APM(NH4OH:H2O2:H2O)的化学材料在微粒去除方面仍占主宰地位,但如果没有兆频超声波强化,其作用就不是很有效。基于最初RCA(HPM:HCl:H2O2:H2O)配方的去除金属的化学材料差不多都放弃了。与洁净得多的抗蚀剂和化学材料结合在一起的创新化学是在这一领域成功的关键。此外,几何图形非常密集的器件制造的污染控制也推动了各种创新技术的研发,例如包括超临界CO2(SCCO2)清洗。
  就干法清洗来说,它正用于有选择的、大多是表面清理的步骤。例子之一是无水HF(AHF)/乙醇溶解工艺,它在多种应用中能有效地从Si表面除去本来有的或化学生成的氧化物。图2是各种表面加工运作中执行AHF/乙醇溶解工艺的25片晶圆和3片晶圆商品反应器的示意图。图3中的AFM结果说明,执行工艺没有损伤Si表面。
  干燥晶圆是任何湿法清洗程序的组成部分。广泛认可的基于IPA的晶圆干燥方法使清洗工艺的这一关键部分有了很大的进步,这些方法采用Marangoni干燥及其衍生方法。
  无论在批次清洗工艺还是在单晶圆清洗工艺中,传统的浸没清洗仍起主导作用。在单晶圆清洗工艺时,这一趋势由于太阳电池清洗技术的需求而强化。该技术中,由于被加工衬底的剪切数目(shearnumber),可选用批次加工方法。图2所示反应器说明,可以使选择气相清洗化学过程与批次加工兼容。但同时,单晶圆清洗方法(如旋转清洗)正推进到高端应用领域。
  当前与未来的挑战
  为了半导体清洗技术能满足不断出现的新需求,必须对现有工艺进行调整和修改。随着纵向尺寸持续缩小,清洗操作过程中的材料损失和表面粗糙就会成为必须关注的领域。将微粒去除而又没有材料损失和图形损伤是最基本的要求,因此必须考虑周全并有所折衷。像兆频超声搅动这样的物理辅助手段对结构损伤和图形坍塌等有潜在影响,正在对其改进,以便在保持微粒去除工艺效率的同时不对图形完整性产生有害影响。考虑到表面形态的原子级恶化都可能对器件性能会有致命影响,即使像DI水清洗等这些看起来最良性的清洗程序元素也必须重新评估。
  为了减少某些器件机构中的图形坍塌及相关损伤,气相化学作用(例如前面谈到的与有机溶剂蒸汽混合的无水HF(AHF))可望越来越有用。
  为了应对硅表面的非平面性问题,晶圆清洗技术至少受到三个不同前沿加工技术的挑战。首先涉及的是CMOS加工。在器件几何形状不断减小时,尖端数字CMOS技术方面的挑战是保持栅结构有足够的电容密度,这是在栅长度减小时维持足够高驱动电流所需要的。一个途径是采用比SiO2介电常数高的栅电介质,另一途径是通过三维结构MOS栅极以增加栅面积又不增加单元电路面积,再一个途径就是二者的结合。
  不管哪一种解决方案成为标准,栅氧化前清洗和RIE后密集分布刻蚀在SOI硅中的垂直“鳍”(图4a)的清理都将成为重要的工艺元素。图4b显示了围绕“鳍”制作的MOSFET例子。
  MEMS加工提出了另一些不同的挑战。MEMS制造的特点是,它含有3D精细图形的深刻蚀,并要求横向深刻蚀埋层氧化物的释放加工工艺。用常规的湿法刻蚀和清洗技术是不能完成从这种非常紧密的几何图形除去可能的刻蚀残留物,并确保悬臂梁和膜片的无静摩擦操作的。已经研究用无水HF/甲醇(AHF/MeOH)(图2)牺牲层氧化物刻蚀工艺作为后者的可行解决方法。
  特殊的电应用(如高温、大功率以及超高速)和光应用(如蓝光发射或UV检测)中有不断增长的提高性能的需求,这要求大大地改进硅以外的许多半导体的制造技术。这些材料的例子包括锗,因为它有高于Si的电子迁移率,有可能与高-k栅介质集成;加工应力沟道SiMOSFET所需的SiGe;以及碳化硅SiC,其带隙很宽。除了最先进的GaAs外,像GaN、InAs、InSb、ZnO等等一些Ⅲ-Ⅴ族半导体也越来越引起人们的兴趣。
  表面清洗正成为此类半导体加工中不断出现的问题。这是因为衬底晶体的低劣质量(而不是其表面洁净度)不再是限定与那些材料有关的制造良率的主导因素。随着各种半导体材料衬底单晶质量的提高,考虑因素就会变化,会对清洗技术给予更加密切的关注。
  半导体器件技术飞速地扩展进入主流硅逻辑和模拟应用以外的领域。在显示技术、太阳电池板技术和一些其它大面积光电系统中,其表面需要加工的材料可能包括玻璃、ITO(铟锡氧化物)或柔性塑料衬底等等。即使在主流硅IC和Ⅲ-Ⅴ族光学应用中,非半导体衬底也有明显的优点,因此得到大力的追踪研究。例如,蓝宝石(单晶Al2O3)是半导体器件制造中重要性越来越大的一种衬底。所有这些材料的清洗均具有重要意义。
  多年来开发的硅清洗技术是解决其它半导体材料表面加工挑战的基础。各种新材料的出现必将推动半导体清洗技术的发展。
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