清洗工艺介绍
扩散部陈永南
清洗概论
半导体对杂质极为敏感，百万分之一甚至十亿分之一的微量杂质，就对半导体的物理性质产生影响，微量的有害杂质可由各种随机的原因进入器件，从而破坏半导体器件的正常性能。
为了清除随机污染建立了特殊的半导体工艺--清洗工艺。
清洗的基本原理
讲清洗的基本原理，应当从玷污的来源讲起，只有知道了各种玷污的来源，针对具体的玷污，才能制定具体的清洗方法，各种玷污的来源和相对的影响见表1。
1去除颗粒和玷污的机理
颗粒粘附在硅片表面的粒子通常是在工艺中引进的，工艺设备、环境、气体、化学试剂和去离子水均会引入颗粒。
在ULSI级的化学试剂中，粒子玷污的情况如表2所示，其中H2SO4最高，HF最低。
对粒子尺寸的要求是随着工艺技术中最小特征的减小而减小，一般粒子的尺寸只能是器件特征尺寸的十分之一，如0.4um器件要求粒子尺寸小于0.04um。
德堡力；粒子与表面间的化学键，粒子被去除的机理有四种：
1.溶解
2.氧化分解
3.对硅片表面轻微的腐蚀去除
4.粒子和硅片表面的电排斥
SC-1液具有上述2，4项的功能，H2O2在硅的表面有氧化作用，NH4OH中的OH-能提供给硅表面和粒子负电荷。
粒子的淀积强烈地依赖于溶液中的PH值，PH值增加到10时，粒子的淀积数目最低，因此在强酸中，粒子的淀积数目最大，表3对各种清洗工艺作了比较，发现SC-1是最有效的一种。
SC-1 NH4OH ：H2O2：H2O=0.1：1：5，80-90℃10min
SC-2 HCL：H2O2：H2O=1：1：6，80-90℃10min
PM：H2O2：H2O=：1：5，80-90℃10min
PSL：聚苯乙烯橡胶小球
有很多报道关于SC-1 改进的清洗工艺，最有效的一种方法是megasonic清洗工艺，SC-1液结合megasonic工艺可以去除有机和无机颗粒，温度可低于40度，清洗的原理是这样的，当硅片浸润SC-1液中，高功率（300W）和高频率（800-900KHZ）的声能平行于硅片表面，首先使颗粒浸润，然后溶液扩散进入界面，最后粒子完全浸润，并成为悬浮的自由粒子而去除颗粒。
金属沾污
金属沾污的来源可以是化学试剂和离子注入、反应离子刻蚀等工艺中引入，金属沾污回影响器件性能，在界面形成缺陷，在后续的氧化或外延工艺中引入层错，PN结的漏电流，减少少数载流子的寿命。
金属沉积到硅表面有两种机理：
1．通过金属离子和硅衬底表面的氢原子之间的电荷交换直接结合到硅表面，这种类型的杂质很难通过湿法清洗工艺去除，这类金属常是贵金属离子，如金（AU），由于它的负电性较Si高，有从硅中取出电子中和的趋向，并沉积在硅表面。
2．金属沉积的第二种机理是氧化时发生的，当硅在氧化时，象Al、Cr和Fe有氧化的趋向，并会进入氧化层中，这种金属杂质可通过在稀释的HF中去除氧化层而去除。
有机沾污
硅片表面的有机沾污通常来源于环境中的有机蒸汽，存储容器和光刻胶的残留，在硅表面存在有机杂质将会使硅片表面无法得到彻底的清洗，如自然氧化层和金属杂质，这会影响到后面的工艺，比如在以后的反应离子刻蚀工艺中会有微掩膜作用，残留的光刻胶是IC工艺中有机沾污的主要来源。
在目前工艺中光刻胶一般是用O3干法去除，然后在SPM中处理，大部分的胶在干法时已被去除，湿法会使去除更彻底。
但由于SPM 的温度较高，会降低H2O2的浓度，工艺较难控制，最近有人提出用O3注入到纯水中或采用紫外光和过滤系统去除有机沾污的方法。
表面粗糙度
表面粗糙度对于制备高性能、高可靠性半导体器件和ULSI是非常重要的，特别是随着特征线宽的减小，栅氧的厚度也相应的减小到40A左右，表面就需要原子级的平整，在RCA清洗工艺中，NH4OH-H2O2-H20通常是第一步去除粒子、有机物和金属杂质的方法。
据报道NH4OH-H2O2-H20=1：1：5，在70℃中清洗10-15分钟会造成非常粗糙的表面，引起这一原因的机理是当H2O作为氧化剂时，NH40H作为氧化剂的腐蚀剂。
在SC-1清洗液中，氧化和腐蚀同时进行，结果表面会变粗糙，减少粗糙的方法归纳起来如下：
1．减少NH4OH的份额
2．降低清洗温度
3．减少清洗时间
目前公司主要的清洗设备
1.槽清洗:也叫浸没式清洗.如:三协清洗机, SCP-3等，此设备的特点：化学液可多次使用，但也带来不足之处，化学液的比例会发生改变，如SH（有）需在使用过程中定期增加H2O2。
2.FSI清洗:
FSI清洗的优点：a.整个过程是在密封状态下进行，不会有工艺过程中的搬迁
沾污;b.化学液是一次性使用,不会有交叉沾污; C.化学液在高雾化状态下与硅
片接触.D.硅片高速旋转,有利于颗粒的去除.但FSI也存在缺点：对于漂洗超过300A的氧化层，会在硅片表面产生痕迹。
3.兆声清洗.
4.最新的清洗:单片清洗工艺和气相清洗。
目前主要的清洗液
1.APM(NH4OH-H2O2-H2O),其比例为1:1:5到1:2:10度在70-80℃,可去除颗粒、有机粘污和金
属离子。
H2O2有很强的氧化性，可将有机物、无机杂质氧化成高价离子和氧化物
而清除。
氨水有充当络合物的作用，它与许多重金属杂质离子如：CU2+、Ag+ 、CO2-、Ni2+、Cd2+等发生络合反应，生成的络合物溶于水而除掉。
2.HPM(HCL-H2O2-H2O) ，其比例为1:1:5到1:2:8, H2O2的作用同上，另外盐酸使H2O2的氧
化性能大大加强,并和硅片表面杂质中的活泼金属（Al、Zn）、金属氧化物（CIO、Fe2O3等）、氢氧化物、硫化物、碳酸盐等相互作用，使这些杂质变成可溶解的，另外盐酸还兼有络合剂的作用，盐酸中的氯离子与Au3+、Pt2+、Cu+、Ag+ Hg2+、Fe3+等金属离子形成溶于水的络合物。
3.SPM( H2SO4-H2O2),5:1到4:1:去光刻残余、去有机粘污、去金属离子。
4.稀HF的漂洗，可去除自然氧化层、光刻的残胶，特别用于栅氧前的去除自然氧化层。
FSI 的主要菜单简介
一.菜单及步骤
1．S/P5*1
H2SO4：H2O2=600ml：150ml
2．B-CLEAN
a．H2SO4：H2O2=600ml:150ml 90Sec
b．H F：H2O=1:15 30-50Sec
c．NH4OH:H2O2:H2O=125:250:1250 30Sec H2O2+2min NH4OH:H2O2:H2O+10Sec H2O2 d．H CL:H2O2:H2O=200:200:1000 100Sec
3.POLY-CLEAN
4.BP-BCLN
5.BPBCLN2700
6.MG-POST
二.菜单中的代号意义:
三.典型菜单形式:B-CLEAN
目前生产线的清洗层次及相关菜单
清洗与产品质量的关系。
a.漏电
清洗不净或遭受粘污，易导致氧化层质量降低，缺陷密度上升，击穿电压下降，漏电大增，b.表面问题
斑点：清洗不净或冲水不足，易出现斑点。
如5”二次氧化后的斑点
白雾：清洗质量不佳容易使表面状况变差，生长POLY时产生黑点，肉眼整片看来成白雾状C.可靠性问题
不良的清洗使园片的质量下降，随着使用时间的延长和使用环境的变化，可靠
性迅速下降
d.影响氧化层的厚度
FSI工艺QC及方法：
a.BT测量
主要是监控可动离子的沾污情况。
b.颗粒
监控FSI的机械颗粒情况
C.铁沾污
主要监控铁离子和重金属离子的沾污情况。
D.E/R
监控HF对热氧化层和BPTEOS的腐蚀情况。
工艺异常判断及解决方法:
由于FSI而造成异常的大致有以下几点：
（1）一氧前的B-CLEAN需理片，将打标处对着FSI的桶壁，这样可减小打标颗粒，一般产品片的打标在圆边处，但也有少数产品或试验片打标在平边处，因此清洗一氧前的产品一定要当心。
下面就由于理片不当造成的颗粒图：
误将S/P5*1清洗成B-CLEAN，因B-CLEAN对氧化层有105A的腐蚀，下图是两种清洗的比较：
由于B-CLEAN对热氧化的腐蚀量为105A，但对TEOS的腐蚀量为800A左右。
（3）回流后的漂洗，BPBCLEAN2700，对热氧化的腐蚀量为400A左右，但对BPTEOS 的腐蚀量将达到7倍左右，在2001年曾出现过因过腐蚀而报废的事。
（4）关于清洗时ABOUT的处理：
若清洗S/P5*1，不管ABOUT在哪步，只需重新清洗。
但对于清洗B-CLEAN类菜单，若ABOUT 在HF之前，可重新清洗，若发生在HF之后必须从从中断步开始进行。
使用的材料和规范：
使用的化学液有：H2SO4、H2O2、HF、HCl、NH4OH，具体材料见《QS9000—》。