- 半導體清洗技術的進展
- 當前與未來的挑戰(zhàn)
- 濕法清洗
- 廣泛使用臭氧水
此后，硅清洗技術經歷了持續(xù)的發(fā)展改進，包括早期用氣相等效物替代在濕化學品中進行的部分清洗操作。難以置信的是，現代先進的Si清洗仍然依賴于大體上同一組化學溶液，不過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)上用濕清洗化學品做的表面選擇清洗/修整功能現在是在氣相中做的。
引入半導體器件技術的一系列新材料以及各種非平面新器件結構對清洗技術提出了重大挑戰(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的新興需求。本文簡要綜述了半導體晶圓清洗技術的過去發(fā)展情況、當前趨勢和未來需求。
半導體清洗技術的進展
第一個完整的、基于科學意義上的Si表面清洗方法幾乎在40年前就已提出。此后，半導體清洗方法就從實驗技術積累進展到對制造良率和半導體產業(yè)持續(xù)發(fā)展有極端重要意義的科學技術領域。
半導體清洗技術的關注點隨時間而改變。早年關注的是大微粒和金屬污染物，實際上，當時半導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量級逐漸減小，以及對這方面的污染控制非常有效，現在更多注意的是有機污染和表面狀態(tài)相關問題。如圖1指出的，用簡單的燈清洗法可以把有機污染從Si表面除去。此外，應特別注意溶解在水內和氣相的臭氧在控制有機污染中的作用。另一問題是對清洗方法目標監(jiān)察的多樣性，因為FEOL和BEOL清洗要求不同，后者關注的是CMP后清洗。
就清洗媒介來說，濕法清洗仍然是現代先進晶圓清洗工藝的主力。雖然Si技術中的清洗化學材料與最初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；簡化工藝；廣泛使用臭氧水。
基于APM（NH4OH:H2O2:H2O）的化學材料在微粒去除方面仍占主宰地位，但如果沒有兆頻超聲波強化，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材料差不多都放棄了。與潔凈得多的抗蝕劑和化學材料結合在一起的創(chuàng)新化學是在這一領域成功的關鍵。此外，幾何圖形非常密集的器件制造的污染控制也推動了各種創(chuàng)新技術的研發(fā)，例如包括超臨界CO2（SCCO2）清洗。
就干法清洗來說，它正用于有選擇的、大多是表面清理的步驟。例子之一是無水HF（AHF）/乙醇溶解工藝，它在多種應用中能有效地從Si表面除去本來有的或化學生成的氧化物。圖2是各種表面加工運作中執(zhí)行AHF/乙醇溶解工藝的25片晶圓和3片晶圓商品反應器的示意圖。圖3中的AFM結果說明，執(zhí)行工藝沒有損傷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。廣泛認可的基于IPA的晶圓干燥方法使清洗工藝的這一關鍵部分有了很大的進步，這些方法采用Marangoni干燥及其衍生方法。
無論在批次清洗工藝還是在單晶圓清洗工藝中，傳統(tǒng)的浸沒清洗仍起主導作用。在單晶圓清洗工藝時，這一趨勢由于太陽電池清洗技術的需求而強化。該技術中，由于被加工襯底的剪切數目(shearnumber)，可選用批次加工方法。圖2所示反應器說明，可以使選擇氣相清洗化學過程與批次加工兼容。但同時，單晶圓清洗方法（如旋轉清洗）正推進到高端應用領域。
當前與未來的挑戰(zhàn)
為了半導體清洗技術能滿足不斷出現的新需求，必須對現有工藝進行調整和修改。隨著縱向尺寸持續(xù)縮小，清洗操作過程中的材料損失和表面粗糙就會成為必須關注的領域。將微粒去除而又沒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。像兆頻超聲攪動這樣的物理輔助手段對結構損傷和圖形坍塌等有潛在影響，正在對其改進，以便在保持微粒去除工藝效率的同時不對圖形完整性產生有害影響?？紤]到表面形態(tài)的原子級惡化都可能對器件性能會有致命影響，即使像DI水清洗等這些看起來最良性的清洗程序元素也必須重新評估。
為了減少某些器件機構中的圖形坍塌及相關損傷，氣相化學作用（例如前面談到的與有機溶劑蒸汽混合的無水HF（AHF））可望越來越有用。
為了應對硅表面的非平面性問題，晶圓清洗技術至少受到三個不同前沿加工技術的挑戰(zhàn)。首先涉及的是CMOS加工。在器件幾何形狀不斷減小時，尖端數字CMOS技術方面的挑戰(zhàn)是保持柵結構有足夠的電容密度，這是在柵長度減小時維持足夠高驅動電流所需要的。一個途徑是采用比SiO2介電常數高的柵電介質，另一途徑是通過三維結構MOS柵極以增加柵面積又不增加單元電路面積，再一個途徑就是二者的結合。
不管哪一種解決方案成為標準，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制造的特點是，它含有3D精細圖形的深刻蝕，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靜摩擦操作的。已經研究用無水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。
特殊的電應用（如高溫、大功率以及超高速）和光應用（如藍光發(fā)射或UV檢測）中有不斷增長的提高性能的需求，這要求大大地改進硅以外的許多半導體的制造技術。這些材料的例子包括鍺，因為它有高于Si的電子遷移率，有可能與高-k柵介質集成；加工應力溝道SiMOSFET所需的SiGe；以及碳化硅SiC，其帶隙很寬。除了最先進的GaAs外，像GaN、InAs、InSb、ZnO等等一些Ⅲ-Ⅴ族半導體也越來越引起人們的興趣。
表面清洗正成為此類半導體加工中不斷出現的問題。這是因為襯底晶體的低劣質量（而不是其表面潔凈度）不再是限定與那些材料有關的制造良率的主導因素。隨著各種半導體材料襯底單晶質量的提高，考慮因素就會變化，會對清洗技術給予更加密切的關注。
半導體器件技術飛速地擴展進入主流硅邏輯和模擬應用以外的領域。在顯示技術、太陽電池板技術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族光學應用中，非半導體襯底也有明顯的優(yōu)點，因此得到大力的追蹤研究。例如，藍寶石（單晶Al2O3）是半導體器件制造中重要性越來越大的一種襯底。所有這些材料的清洗均具有重要意義。
多年來開發(fā)的硅清洗技術是解決其它半導體材料表面加工挑戰(zhàn)的基礎。各種新材料的出現必將推動半導體清洗技術的發(fā)展。
