一文详解晶圆清洗技术

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文介绍了晶圆清洗的污染源来源、清洗技术和优化。

晶圆清洗降低外来污染物对晶圆影响的措施，特别是在半导体生产过程中，是至关重要的。

在芯片生产过程中，确保晶圆表面的洁净度是基础且关键的要求。尽管并非每个高温操作前都需要进行清洗，但清洗工艺贯穿了整个芯片生产过程，且占比高达20%的步骤。随着半导体工艺的发展，对无污染晶圆的需求不断增长，清洗工艺也随之不断进化，本文分述如下：

概念概述

颗粒去除技术

化学清洗方案的应用

水的冲洗在湿法清洗中的重要性及优化

概念概述

环境污染源及分类

半导体器件制造过程中，主要的环境污染源包括：

1.微尘颗粒：这些颗粒可能附着在晶圆表面，影响器件性能。

2.重金属离子：如Na+、Fe、Ni、Cu、Zn等，它们会改变器件的电性特征。

3.有机物残留物：这些残留物可能来自生产过程中的各种化学试剂。

4.轻金属离子：如钠离子等，同样会对器件性能产生不良影响。

晶圆清洗工艺的要求

晶圆清洗工艺必须满足以下要求：

1.全面去除污染物：在去除所有污染物的同时，还要求不刻蚀或损害晶圆表面。

2.安全性与经济性：清洗工艺在生产配制上必须是安全的、经济的，并为业内所接受。

3.适应不同晶圆状况：清洗工艺的设计应适应前端工序（FEOL）和后道工序（BEOL）的不同需求。

清洗工艺的选择与实施

根据不同的工艺步骤和器件要求，选择合适的清洗工艺至关重要。典型的FEOL清洗工艺包括颗粒去除、化学清洗、氧化物去除、有机物和金属去除等步骤。

此外，还需根据晶圆表面的敏感度和清洁程度要求，选择非HF结尾或HF结尾的清洗工艺。

颗粒去除技术

晶圆表面的颗粒污染是半导体制造中的一个重要问题，这些颗粒的大小可以从约50微米变化到小于1微米。为了有效去除这些颗粒，需要采用一系列的技术和工艺。

大颗粒去除

传统化学浸泡与冲洗：对于较大的颗粒（如50微米以上），传统的化学浸泡池和相应的清水冲洗通常就足以将其去除。这些颗粒由于体积较大，与晶圆表面的附着力相对较弱，因此容易被冲洗掉。

小颗粒去除

静电引力控制：对于较小的颗粒，它们被几种很强的力量吸附在晶圆表面，特别是静电引力，控制垂直电势即可达到减小静电引力的目的。例如，通过调整清洗液的pH值、电解质浓度以及使用表面活性剂。

表面张力引力克服：表面张力引力是另一个需要克服的问题。它形成了颗粒与晶圆表面之间的液体桥。为了去除这些颗粒，可以使用表面活性剂或机械辅助（如超声波）。表面活性剂能够降低液体表面张力，从而削弱颗粒与晶圆表面之间的附着力。超声波则可以通过产生高频振动来破坏颗粒与表面之间的结合。

化学清洗方案的应用

有机与无机残余物去除，需要采用一系列的清洗方案，如使用特定的化学试剂和工艺条件，不同制造区域对清洁度的要求各异，故存在多种清洗方案。

湿法工艺与浸泡型清洗

湿法工艺，又称湿法清洗，是半导体清洗中的主流方法。其中，浸泡型清洗最为常见，通常在嵌入清洗台的反应池中进行，这些反应池由玻璃、石英或聚四氟乙烯制成。若需加热清洗液，反应池则置于加热盘上，加热方式可能是电阻线缠绕或内置浸入式加热器。

清洗溶液与温度控制

热硫酸加氧化剂是常见的清洗溶液。在90至125℃的温度范围内，硫酸展现出卓越的清洗效果，能有效去除晶圆表面的无机残余物和颗粒。氧化剂的加入，如过氧化氢、亚硫酸铵、硝酸和臭氧，则能去除含碳残余物，通过化学反应将碳转化为二氧化碳气体排出。

Piranha刻蚀与Caro酸

Piranha刻蚀：结合硫酸和过氧化氢，强效去除硅片表面的有机物和金属杂质。常用于工艺前的清洗，如sC1和sC2步骤前。典型配比为7份浓硫酸加3份30%体积的过氧化氢，硅片需浸入19分钟，随后用去离子水清洗。

Caro酸：Piranha的变种，由浓硫酸、过氧化氢和超纯水混合而成，配比为380份浓硫酸、17份30%过氧化氢和1份超纯水。

除上述方案以外，还有手动清洗系统、自动清洗系统与臭氧与去离子水混合清洗等。半导体工业中的化学清洗方案多种多样，需根据具体工艺需求和晶圆污染情况选择。通过合理的清洗溶液配比、温度控制和自动化手段，可确保晶圆表面的高清洁度，为后续的掺杂、沉积和金属沉积等工艺奠定坚实基础。

水的冲洗在湿法清洗中的重要性及优化

在半导体制造过程中，湿法清洗是去除晶圆表面污染物的重要步骤，其中必不可缺的步骤就是去离子水冲洗。

冲洗的双重功效

1.去除化学清洗液：清洗液中可能含有对晶圆表面有害的化学成分，通过清水冲洗可以将其彻底去除，防止对后续工艺造成不良影响。

2.终止刻蚀反应：在湿法清洗过程中，某些清洗液可能会对晶圆表面产生刻蚀作用。通过及时冲洗，可以终止这些刻蚀反应，保护晶圆表面的完整性。

冲洗方法的多样性

为了实现有效的冲洗，可以采用多种不同的方法，包括但不限于：

浸泡冲洗：将晶圆浸泡在去离子水中，通过浸泡和搅拌的方式去除表面残留物。

喷淋冲洗：使用高压喷淋装置将去离子水均匀地喷洒在晶圆表面，利用水流的冲击力去除残留物。

超声波冲洗：利用超声波的振动作用，使晶圆表面的残留物松动并脱落，同时结合去离子水的冲洗作用，实现更彻底的清洁。

提高冲洗效果和减少水用量的未来趋势

随着半导体技术的不断发展，对晶圆表面清洁度的要求也越来越高。因此，提高冲洗效果和减少水用量成为未来湿法清洗工艺的重要发展方向。

提高冲洗效果：通过优化冲洗方法和参数，如增加冲洗时间、提高冲洗压力等，可以进一步提高冲洗效果，确保晶圆表面的清洁度达到要求。

减少水用量：为了降低生产成本和减少对环境的影响，需要采取措施减少水用量。例如，可以采用循环冲洗系统，将用过的去离子水经过处理后再次利用；或者开发新的节水型冲洗设备和技术。