湿式化学清洗过程对硅晶片表面微粒度的影响

摘要

本文利用CZ、FZ和EPI晶片，研究了湿式化学清洗过程对硅晶片表面微粒度的影响。结果表明，表面微粗糙度影响了氧化物的介电断裂~特性：随着硅基底的微粗糙度的增加，氧化物的微电击穿会降解。利用扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)评估了硅衬底表面和氧化物表面的微粗糙度。表面微粗糙度在湿化学处理中增加，特别是NH4OH H2O2 H20清洗(APM清洗)。研究表明，如果NH4OH-H2Oz-H20溶液中的氢氧化铵混合比较低：NH4OH-H2O2-H20=0.05：1：5(常规混合比为1：1：5)，室温超纯水冲洗在APM清洗后立即诱导，则微度根本不会增加。同时，在低水平上抑制其氢氧化铵混合比的APM清洗被发现可以非常有效地清除硅表面的颗粒和金属杂质。由于APM清洗而导致的微粒度的增加在不同的晶片类型中有所不同;在EPI晶圆上观察到很少增加，但在CZ和FZ晶片上观察到显著增加。然而，已经发现，CZ和FZ晶片在1000~下通过湿氧化超过4小时，可以以与EPM晶片相同的水平几乎抑制APM清洗中微粗糙度的增加。这是因为在湿氧化过程中产生的间质硅原子填补了硅空位。在n型CZ晶片的t2m情况下，表面微粗糙度也被观察到增加的DHF清洗。已经发现添加了H202。超过0.5%的DHF溶液可以完全抑制这种微粒度的增加。

介绍

传统的清洗过程是基于RCA清洗的概念，它可以有效地去除基底表面的污染物，如颗粒、有机材料和金属杂质 。同时，如果水和氧共存，天然氧化物会立即在空气或超纯水中生长在硅表面。当硅表面被天然氧化物覆盖时，工艺质量，特别是低温过程中的质量，会被极度降解。因此，人们提出了引入氮气密封封闭系统的概念，它完全阻止了天然氧化物在硅表面的生长。此外，气相清洗技术已经建立起来：采用用氮气稀释的高频气，选择性地去除天然氧化物，而不破坏其他氧化物膜。

结果和讨论

表面微粗糙度的测量

天然氧化物去除过程在STM评价中至关重要。一般采用DHF清洗作为湿式化学清洗过程的最后步骤，以去除硅表面的天然氧化物。然而，DHF的清洗增加了p型CZ晶圆的表面微粗糙度。

由湿法化学过程引起的表面微粗糙度

图1显示，APM清洗和HPM清洗都没有增加表面微粗糙度。SPM清洗时表面微度的轻微增加主要是由于SPM清洗的4个循环重复造成的原因。另一方面，如图所示。4、随着APM清洗中氢氧化铵混合比的越来越高，CZ晶片的表面微粗糙度逐渐增加。当APM清洗中的氢氧化铵混合比降低到0.05时，发现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晶圆的情况下，表面微粗糙度几乎没有增加。除了对氢氧化铵混合比的依赖性不像CZ晶圆那么明显：当用NH4OH--H2H2或H20溶液以混合比为1：1：5处理FZ晶片时，表面微粗糙度略有增加。

图1：研究了HPM清洗和第四次循环SPM清洗的表面微粗糙度

颗粒和金属杂质的去除效率

APM清洗的主要目的是去除晶片表面的颗粒。本实验测定了APM清洗后室温超纯水冲洗后的颗粒计数。在图中。去除聚苯乙烯乳胶和空气中颗粒的效率会下降，因为这些颗粒是有机材料。随着APM清洗过程中氢氧化铵混合比的升高，H202的氧化力越高，提高了有机颗粒表面的粘度。因此，这些有机颗粒更容易粘附在表面上。室温超纯水冲洗后需要进行热超纯水冲洗，以去除有机材料。

HF-H202清洗对表面微粗糙度的影响

图2显示-DHF清除几乎无法清除但随着H202浓度的变高，HFH202的清洗具有较高的铜去除效率。此外，当HF-H202清洗时间从1min增加到60min时，可以获得更高的铜去除效率。研究发现，采用HF-H202清洗法去除天然氧化物，不仅能提高铜的去除效率，而且能更有效地保持表面微粗糙度。这意味着HF-H202的清洗对于从同时具有n和p区域的实际晶片中去除天然氧化物是必不可少的。

图2：HF(0.5%)-H202(10%)清洗后晶片表面的XPS光谱

结论

结果发现，薄氧化物的质量受到衬底表面微粗糙度的强烈影响：随着衬底表面的更平滑，击穿场强度(EBD)越高。这意味着提高表面平滑度是提高ULSI器件可靠性的第一步。STM评价表明，在湿式化学清洗过程中，基底表面的光滑度下降，特别是在APM清洗过程中(NH4OH：H202：H20=l：1：5)。研究发现，通过将APM清洗的混合比改变到0.05：1：5，并在APM清洗和热超纯漂洗之间引入室温超纯水冲洗，可以完全抑制表面微粗糙度的降解，从而有效地去除附着在晶圆和晶圆载体上的氢氧化铵。在n型CZ晶圆的情况下，发现表面微粗糙度为即使在DHF清洗过程中也会被降解。然而，通过在DHF中添加超过0.1%的H202，可以完全解决了这个问题。

研究发现，DHF清洗应改为HF-H202清洗，以去除铜等金属杂质。这些金属杂质的电子负性高于硅，并且它们在目前在湿过程的最后阶段使用的DHF清洗中不能被去除。在湿法过程中，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小时湿氧化对于克服这个问题至关重要。湿氧化使CZ晶片可以抑制其的表面微粒度增加，说明硅空位簇的不均匀分布导致了表面微粒度的退化。

审核编辑：汤梓红