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对抛光片清洗技术的研究
 

摘要:研究了一种新颖的添加了表面活性剂和HF的RCA的改进工艺,并和标准RCA工艺与目前被广泛采用的稀释RCA工艺进行了比较后指出,改进工艺对金属沾污和表面颗粒的有效去除能力,使0.18mm以上的颗粒能够控制在15颗以内,金属沾污能够有效降至109原子cm-2以下(Al略高小于1010cm-2)。

1 引言
       目前在半导体工业生产中,普遍采用的清洗工艺是改进的RCA清洗技术,多年来,人们对RCA清洗技术的清洗效果进行了深入的研究,kern证明RCA工艺可在硅片的表面形成1~1.5nm的氧化硅钝化膜[1],okumura观察到标准的RCA清洗对硅片表面有较严重的粗糙化作用[2],研究人员一直没有放弃取代技术的研究。1994年,山东大学发明了可以与标准RCA工艺相媲美的新型清洗技术[3],采用了DGQ-1和DGQ-2新型清洗剂,近年来也被广泛采用。本文主要讨论了添加表面活性剂和HF的RCA改进清洗技术对抛光片金属沾污和表面颗粒的影响。

2 实验方法
       分别采用φ150mm,p(100),8~11Ω·cm;φ125mm,p(111),3~5Ω·cm;φ100mm,n(100),0.0012~0.0015Ω·cm;φ100mm,n(111),0.010~0.013Ω·cm四种不同型号的抛光硅片。抛光完成后,放入加有活性剂的纯水中浸泡,进行分组。每一种型号抛光片分三组,每组取24片。第一组用标准RCA工艺清洗;第二组用稀释的RCA工艺清洗 ;第三组用添加表面活性剂和HF的RCA改进清洗技术进行清洗。颗粒由CR80检测,金属沾污由TXRF和SIMS检测所得。

3 结果与讨论
       硅片表面质量的主要指标有:微粗糙度(RMS)、金属沾污和表面颗粒度以及有机沾污,这些指标对器件性能有重大影响。对于硅表面的微粗糙度主要受RCA清洗工艺和HF清洗的影响,但可以通过降低氨水含量和稀释HF得以抑制[4]。因此,我们通过降低氨水浓度和极度稀释HF的清洗技术来更好地保证硅片表面的微粗糙度,鉴于此,对于我们的实验,金属沾污和表面颗粒度的控制显得更为重要。

3.1 金属沾污
       金属沾污会破坏薄氧化层的完整性、增加漏电流密度、减少少子寿命;活动离子如钠会在氧化层中引起移动电荷,影响MOS器件的稳定性;重金属离子会增加暗电流;快扩散离子,如铜、镍,易沉积于硅表面,形成微结构缺陷(S-Pits);铁沉淀会使栅氧化层变薄。另外铜会在硅二氧化硅界面形成富铜沉淀,在高温(1200℃/20s)时过饱和铜硅化物会使氧化层弯曲、破裂,直至穿透,在低温(900℃/20s)时形成透镜状沉淀,使氧化层变薄[5]。当金属沾污严重时,还会形成雾状缺陷(Haze)。微缺陷和雾状缺陷都与氧化诱生层错(OSF)和外延层错相关。表1引用了300mm硅片对表面各类金属离子的清洗要求。
       金属沾污在硅片表面的方式主要有三种[6] ;物理吸附(范德华力)、化学吸附(形成共价键)、金属替位(电子转移)。如以酸性溶液结束,能使表面形成氧化层以阻止金属电化学沉淀,在酸性溶液中能溶解阳离子以免物理吸附,同时使表面呈正电,避免化学吸附,因此,我们研究了改进的RCA清洗工艺来有效地去除金属沾污。表2是不同工艺条件的金属沾污的检测结果,其中Al和Na由SIMS检测,其他由TXRF测得。表3单独列举了样片N04硅片Al和Na的SIMS结果。

3.2 表面颗粒
       表面颗粒度会引起图形缺陷、外延前线、影响布线的完整性,是提高成品率的最大障碍。特别是在硅片键合时,引入微隙,同时也引起位错,影响键合强度和表层质量。
       颗粒的去除一般认为是静电排斥作用所致。颗粒表面一般都带负电,当硅片表面呈正电时易于吸引颗粒,降低颗粒去除效率,还会引起颗粒的再沉淀;当硅片表面呈负电时,由于静电排斥作用,颗粒被“推离”硅表面,达到去除的目的。另外,离子强度会影响颗粒去除[7]。在酸性溶液中,离子强度高,颗粒易于沉淀;随着pH值的增加,颗粒沉淀减少。因此我们采用了添加了表面活性剂的极度稀释RCA 1来有效地去除表面颗粒,并结合极度稀释的RCA 2改进工艺来有效地减少颗粒的重新沉淀,以达到极少的表面颗粒。表4是我们不同工艺条件下的颗粒检测结果。

4 结论
       运用表面活性剂和HF的RCA改进工艺,能够很好地控制抛光片表面的颗粒度和金属沾污。通过TXRF和SIMS的检测可知,RCA工艺的去金属沾污的能力与标准RCA工艺和稀释的RCA工艺相比,效果明显,能够做到Al<1010cm-2、其他金属<109cm-2。通过CR80对表面颗粒的检测,发现改进的RCA工艺的去表面颗粒的能力与标准RCA工艺和稀释的RCA工艺相比,效果明显,对于0.18mm以上的颗粒能够控制在15颗以内,平均能够控制在5颗。另外与标准RCA工艺和稀释的RCA工艺相比,改进的RCA工艺的一次合格率明显提高,且具备工艺相当、成本降低、生产效率增加等优点。

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