硅片湿法清洗工艺缺陷控制研究
摘要：采用光学表面分析（OSA）方法，研究了硅片湿法清洗工艺中清洗液SC1的浓度配比和温度对硅片表面颗粒和缺陷的影响。研究结果表明，当NH4OH浓度较小，则硅片表面颗粒数增加，而缺陷减少；当SC1温度降低为45℃时，硅片表面颗粒增加数仅为60每片（颗粒尺寸大于等于0．2μm），且无缺陷产生。优化工艺参数后，明显改善了硅片湿法清洗工艺的质量。
0引言
在电荷耦合器件（CCD）图像传感器制作中，栅氧化工艺是关键工艺之一，其质量对器件性能有极其重要的影响。栅氧化前的硅片清洗对保障栅氧化层的质量起关键作用，在清除硅片表面颗粒沾污的同时，要保证硅片衬底不受损伤［1］。
目前半导体行业中广泛使用的清洗方法是以由美国无线电公司Kern和Puotinen提出的RCA清洗方法为基本框架［2］，经过多年的发展和演变而来的。栅氧化清洗的具体工艺流程为SPM→DHF→SC1→SC2→IPADryer［3］，每个工艺酸槽后搭配一个水槽。在硅片清洗过程中，DHF溶液腐蚀掉了硅片表面的原生氧化层后，硅片进入SC1槽，SC1清洗液由NH4OH、H2O2和H2O组成，NH4OH侵蚀硅片表面，使得硅片表面的颗粒及沾污脱离硅片表面，再由H2O2对颗粒及沾污进行氧化，从而达到清洁硅片表面的目的［4］。在清洗过程中，如果SC1的温度或者NH4OH浓度过高，将会加重对硅片表面的侵蚀，容易导致表面缺陷。本文采用光学表面分析（OSA）技术，研究了SC1浓度配比和温度对硅片表面颗粒和缺陷的影响。
1实验
实验采用15．24cm（6inch）单晶硅片，衬底厚度为675±15μm，电阻率为13±2Ω·cm，硅片表面颗粒数小于等于20／片（颗粒尺寸大于等于0．2μm）。采用的化学试剂的杂质含量小于等于1p／b。对硅片进行湿法清洗的工艺流程为SPM→DHF→SC1→SC2→IPADryer，工艺参数及作用如表1所示。
光学表面分析（OSA）是一种非破坏性的激光扫描技术，通过不同信号的分析对缺陷和沾污进行探测和分类，并通过反射、散射、相移及形貌探测器探测来自硅片表面的反射光信号。硅片高速旋转，同时探测头从样品边缘移动至样品中心，移动过程覆盖整个晶片表面。反射信号经分析后可提供缺陷和沾污的详细信息。采用美国KLA－Tencor公司型号为Candela－cs10的测试设备对硅片进行表面扫描，获得颗粒图及缺陷图，如图1和图2所示。
2实验结果及讨论
2．1当前工艺条件下硅片清洗效果
为使硅片获得高质量的栅氧化层，需在栅氧化前进行栅氧化清洗。图3给出了SC1温度为65℃、配比为VNH4OH∶VH2O2∶VH2O＝1∶2∶10时硅片清洗效果统计结果图。图中显示，在该工艺条件下清洗过后的硅片表面颗粒增加数为60～80个／片（颗粒尺寸大于等于0．2μm），缺陷增加数为30～45个／片。表面颗粒及缺陷增多，清洗效果不理想。
2．2不同SC1配比对清洗效果的影响
NH4OH侵蚀硅片表面，使得颗粒及沾污脱离硅片表面，再由H2O2对颗粒及沾污进行氧化，从而达到清洁硅片表面的目的。如果NH4OH浓度过高，将会加剧侵蚀硅片表面，造成缺陷。为了获得高质量的硅片表面，开展了降低NH4OH浓度的工艺研究。图4给出了硅片在不同NH4OH浓度条件下清洗效果的统计结果图。从图4可以看出，随着SC1中NH4OH浓度的不断降低，硅片清洗后表面缺陷增加数不断降低，从47个／片降低至0个／片；颗粒增加数不断提高，从57个／片（颗粒尺寸大于等于0．2μm）升高至138个／片。SC1配比（VNH4OH∶VH2O2∶VH2O）在1∶1∶5～1∶8∶40范围内不断降低时，颗粒增加数不断提高，硅片清洗后表面仍有缺陷产生，清洗效果较差；SC1配比在1∶8∶40～1∶16∶80范围内进一步降低时，硅片清洗后表面不再产生缺陷，但颗粒增加数为120～140个／片，清洗效果不理想。随着NH4OH浓度的降低，NH4OH对硅片表面的侵蚀减弱，硅片表面缺陷增加数降低但颗粒增加数提高。
2．3不同SC1温度对清洗效果的影响
温度的升高对提高SC1中NH4OH的活性具有促进作用。温度升高，NH4OH活性增强，对硅片表面的侵蚀加剧。为了获得高质量的硅片表面，开展了降低SC1温度的工艺研究。
图5给出了硅片在不同SC1温度条件下清洗效果统计结果。从图5可以看出，随着温度的降低，颗粒增加数先减小后增加，缺陷增加数不断降低。SC1温度在75～45℃范围内不断降低时，硅片清洗后表面颗粒增加数不断减小，但仍有缺陷产生，这是因为温度较高时酸液活性强，对硅片表面侵蚀严重导致的；SC1温度为45℃时，硅片表面颗粒增加数仅为60个／片，缺陷增加数为0，表明在45℃条件下硅片清洗效果较好；SC1温度为35℃时，缺陷增加数为0，但颗粒增加数为75个／片，虽然硅片表面未产生缺陷，但颗粒增加数较多，表明在该温度条件下酸液活性低，硅片清洗效果较差。
3结论
通过改变栅氧化清洗中SC1的浓度配比和温度对硅片进行了清洗，采用OSA技术分析了经清洗的硅片表面的颗粒和缺陷状况，开展了硅片清洗工艺缺陷控制研究。研究结果表明，SC1温度为65℃时，不断降低SC1中NH4OH的浓度，硅片清洗后表面缺陷增加数不断降低，但颗粒增加数不断提高，清洗效果不理想；SC1配比为1∶2∶10时，不断降低SC1的温度，硅片清洗后表面缺陷增加数不断降低，颗粒增加数先降低后升高，SC1温度为45℃时，颗粒增加数仅为60个／片，缺陷增加数为0，清洗效果较好，明显改善了清洗工艺质量。
参考文献：
［1］Singer P．Wafer cleaning：making the transition tosurface engineering［J］．Semiconductor International，1995，18（11）：88－92．
［2］Kern W，Puotinen D A．Cleaning solutions based onhydrogen peroxide for use in silicon semiconductortechnology［J］．RCA Review，1970，31：187－206．
［3］Leenaars A F M，Huethorst J A M，Oekei van JJ．Marangoni drying：a new extremely clean dryingprocess［J］．Langmurr，1990，6（1）：1701－1703．
［4］Yamamoto K，Nakamura A， Hase U．Control ofcleaning performance of an ammonia and hydrogenperoxide mixture（APM）on the basis of a kineticreaction model［J］．IEEE Trans．on SemiconductorManufacturing，1999，12（3）：288－294．
李利民，韩沛东，贾远红，罗春林
重庆光电技术研究所
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