摘要

本文利用CZ、FZ和EPI晶片，研究了濕式化學(xué)清洗過(guò)程對(duì)硅晶片表面微粒度的影響。結(jié)果表明，表面微粗糙度影響了氧化物的介電斷裂~特性：隨著硅基底的微粗糙度的增加，氧化物的微電擊穿會(huì)降解。利用掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)評(píng)估了硅襯底表面和氧化物表面的微粗糙度。表面微粗糙度在濕化學(xué)處理中增加，特別是NH4OH H2O2 H20清洗(APM清洗)。研究表明，如果NH4OH-H2Oz-H20溶液中的氫氧化銨混合比較低：NH4OH-H2O2-H20=0.05：1：5(常規(guī)混合比為1：1：5)，室溫超純水沖洗在APM清洗后立即誘導(dǎo)，則微度根本不會(huì)增加。同時(shí)，在低水平上抑制其氫氧化銨混合比的APM清洗被發(fā)現(xiàn)可以非常有效地清除硅表面的顆粒和金屬雜質(zhì)。由于APM清洗而導(dǎo)致的微粒度的增加在不同的晶片類型中有所不同;在EPI晶圓上觀察到很少增加，但在CZ和FZ晶片上觀察到顯著增加。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，CZ和FZ晶片在1000~下通過(guò)濕氧化超過(guò)4小時(shí)，可以以與EPM晶片相同的水平幾乎抑制APM清洗中微粗糙度的增加。這是因?yàn)樵跐裱趸^(guò)程中產(chǎn)生的間質(zhì)硅原子填補(bǔ)了硅空位。在n型CZ晶片的t2m情況下，表面微粗糙度也被觀察到增加的DHF清洗。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)添加了H202。超過(guò)0.5%的DHF溶液可以完全抑制這種微粒度的增加。

介紹

傳統(tǒng)的清洗過(guò)程是基于RCA清洗的概念，它可以有效地去除基底表面的污染物，如顆粒、有機(jī)材料和金屬雜質(zhì) 。同時(shí)，如果水和氧共存，天然氧化物會(huì)立即在空氣或超純水中生長(zhǎng)在硅表面。當(dāng)硅表面被天然氧化物覆蓋時(shí)，工藝質(zhì)量，特別是低溫過(guò)程中的質(zhì)量，會(huì)被極度降解。因此，人們提出了引入氮?dú)饷芊夥忾]系統(tǒng)的概念，它完全阻止了天然氧化物在硅表面的生長(zhǎng)。此外，氣相清洗技術(shù)已經(jīng)建立起來(lái)：采用用氮?dú)庀♂尩母哳l氣，選擇性地去除天然氧化物，而不破壞其他氧化物膜。

結(jié)果和討論

表面微粗糙度的測(cè)量

天然氧化物去除過(guò)程在STM評(píng)價(jià)中至關(guān)重要。一般采用DHF清洗作為濕式化學(xué)清洗過(guò)程的最后步驟，以去除硅表面的天然氧化物。然而，DHF的清洗增加了p型CZ晶圓的表面微粗糙度。

由濕法化學(xué)過(guò)程引起的表面微粗糙度

圖1顯示，APM清洗和HPM清洗都沒有增加表面微粗糙度。SPM清洗時(shí)表面微度的輕微增加主要是由于SPM清洗的4個(gè)循環(huán)重復(fù)造成的原因。另一方面，如圖所示。4、隨著APM清洗中氫氧化銨混合比的越來(lái)越高，CZ晶片的表面微粗糙度逐漸增加。當(dāng)APM清洗中的氫氧化銨混合比降低到0.05時(shí)，發(fā)現(xiàn)在初始水平上抑制了CZ晶片上表面微粗糙度的增加和偏差。然而，在FZ晶圓的情況下，表面微粗糙度幾乎沒有增加。除了對(duì)氫氧化銨混合比的依賴性不像CZ晶圓那么明顯：當(dāng)用NH4OH--H2H2或H20溶液以混合比為1：1：5處理FZ晶片時(shí)，表面微粗糙度略有增加。

圖1：研究了HPM清洗和第四次循環(huán)SPM清洗的表面微粗糙度

顆粒和金屬雜質(zhì)的去除效率

APM清洗的主要目的是去除晶片表面的顆粒。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了APM清洗后室溫超純水沖洗后的顆粒計(jì)數(shù)。在圖中。去除聚苯乙烯乳膠和空氣中顆粒的效率會(huì)下降，因?yàn)檫@些顆粒是有機(jī)材料。隨著APM清洗過(guò)程中氫氧化銨混合比的升高，H202的氧化力越高，提高了有機(jī)顆粒表面的粘度。因此，這些有機(jī)顆粒更容易粘附在表面上。室溫超純水沖洗后需要進(jìn)行熱超純水沖洗，以去除有機(jī)材料。

HF-H202清洗對(duì)表面微粗糙度的影響

圖2顯示-DHF清除幾乎無(wú)法清除但隨著H202濃度的變高，HFH202的清洗具有較高的銅去除效率。此外，當(dāng)HF-H202清洗時(shí)間從1min增加到60min時(shí)，可以獲得更高的銅去除效率。研究發(fā)現(xiàn)，采用HF-H202清洗法去除天然氧化物，不僅能提高銅的去除效率，而且能更有效地保持表面微粗糙度。這意味著HF-H202的清洗對(duì)于從同時(shí)具有n和p區(qū)域的實(shí)際晶片中去除天然氧化物是必不可少的。

圖2：HF(0.5%)-H202(10%)清洗后晶片表面的XPS光譜

結(jié)論

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，薄氧化物的質(zhì)量受到襯底表面微粗糙度的強(qiáng)烈影響：隨著襯底表面的更平滑，擊穿場(chǎng)強(qiáng)度(EBD)越高。這意味著提高表面平滑度是提高ULSI器件可靠性的第一步。STM評(píng)價(jià)表明，在濕式化學(xué)清洗過(guò)程中，基底表面的光滑度下降，特別是在APM清洗過(guò)程中(NH4OH：H202：H20=l：1：5)。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將APM清洗的混合比改變到0.05：1：5，并在APM清洗和熱超純漂洗之間引入室溫超純水沖洗，可以完全抑制表面微粗糙度的降解，從而有效地去除附著在晶圓和晶圓載體上的氫氧化銨。在n型CZ晶圓的情況下，發(fā)現(xiàn)表面微粗糙度為即使在DHF清洗過(guò)程中也會(huì)被降解。然而，通過(guò)在DHF中添加超過(guò)0.1%的H202，可以完全解決了這個(gè)問題。

研究發(fā)現(xiàn)，DHF清洗應(yīng)改為HF-H202清洗，以去除銅等金屬雜質(zhì)。這些金屬雜質(zhì)的電子負(fù)性高于硅，并且它們?cè)谀壳霸跐襁^(guò)程的最后階段使用的DHF清洗中不能被去除。在濕法過(guò)程中，CZ晶片上的表面微粗糙度比EPI晶片上的表面微粗糙度更容易增加。在1000~下的4小時(shí)濕氧化對(duì)于克服這個(gè)問題至關(guān)重要。濕氧化使CZ晶片可以抑制其的表面微粒度增加，說(shuō)明硅空位簇的不均勻分布導(dǎo)致了表面微粒度的退化。

審核編輯：湯梓紅