半导体硅片RCA清洗技术

传统的rca清洗技术:所用清洗装置大多是多槽浸泡式清洗系统

清洗工序: sc-1→dhf→sc-2

1. sc-1清洗去除颗粒:

⑴ 目的:主要是去除颗粒沾污(粒子)也能去除部分金属杂质。

⑵ 去除颗粒的原理:

硅片表面由于h2o2氧化作用生成氧化膜(约6nm呈亲水性),该氧化膜又被nh4oh腐蚀,腐蚀后立即又发生氧化,氧化和腐蚀反复进行,因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。

① 自然氧化膜约0.6nm厚,其与nh4oh、h2o2浓度及清洗液温度无关。

② sio2的腐蚀速度,随nh4oh的浓度升高而加快,其与h2o2的浓度无关。

③ si的腐蚀速度,随nh4oh的浓度升高而快,当到达某一浓度后为一定值,h2o2浓度越高这一值越小。

④ nh4oh促进腐蚀,h2o2阻碍腐蚀。

⑤ 若h2o2的浓度一定,nh4oh浓度越低,颗粒去除率也越低,如果同时降低h2o2浓度,可抑制颗粒的去除率的下降。

⑥ 随着清洗洗液温度升高,颗粒去除率也提高,在一定温度下可达最大值。

⑦ 颗粒去除率与硅片表面腐蚀量有关,为确保颗粒的去除要有一 定量以上的腐蚀。

⑧ 超声波清洗时,由于空洞现象,只能去除 ≥ 0.4 μm 颗粒。兆声清洗时,由于0.8mhz的加速度作用,能去除 ≥ 0.2 μm 颗粒,即使液温下降到40℃也能得到与80℃超声清洗去除颗粒的效果,而且又可避免超声洗晶片产生损伤。

⑨ 在清洗液中,硅表面为负电位,有些颗粒也为负电位,由于两者的电的排斥力作用,可防止粒子向晶片表面吸附,但也有部分粒子表面是正电位,由于两者电的吸引力作用,粒子易向晶片表面吸附。

⑶. 去除金属杂质的原理:

① 由于硅表面的氧化和腐蚀作用,硅片表面的金属杂质,将随腐蚀层而进入清洗液中,并随去离子水的冲洗而被排除。

② 由于清洗液中存在氧化膜或清洗时发生氧化反应,生成氧化物的自由能的绝对值大的金属容易附着在氧化膜上如:al、fe、zn等便易附着在自然氧化膜上。而ni、cu则不易附着。

③ fe、zn、ni、cu的氢氧化物在高ph值清洗液中是不可溶的,有时会附着在自然氧化膜上。

④ 实验结果:

a. 据报道如表面fe浓度分别是1011、1012、1013 原子/cm2三种硅片放在sc-1液中清洗后,三种硅片fe浓度均变成1010 原子/cm2。若放进被fe污染的sc-1清洗液中清洗后,结果浓度均变成1013/cm2。

b. 用fe浓度为1ppb的sc-1液,不断变化温度,清洗后硅片表面的fe浓度随清洗时间延长而升高。

对应于某温度洗1000秒后,fe浓度可上升到恒定值达1012~4×1012 原子/cm2。将表面fe浓度为1012 原子/cm2硅片,放在浓度为1ppb的sc-1液中清洗,表面fe浓度随清洗时间延长而下降,对应于某一温度的sc-1液洗1000秒后,可下降到恒定值达4×1010~6×1010 原子/cm2。这一浓度值随清洗温度的升高而升高。

从上述实验数据表明:硅表面的金属浓度是与sc-1清洗液中的金属浓度相对应。晶片表面的金属的脱附与吸附是同时进行的。

即在清洗时,硅片表面的金属吸附与脱附速度差随时间的变化到达到一恒定值。

以上实验结果表明:清洗后硅表面的金属浓度取决于清洗液中的金属浓度。其吸附速度与清洗液中的金属络合离子的形态无关。

c. 用ni浓度为100ppb的sc-1清洗液,不断变化液温,硅片表面的ni浓度在短时间内到达一恒定值、即达1012~3×1012原子/cm2。这一数值与上述fe浓度1ppb的sc-1液清洗后表面fe浓度相同。

这表明ni脱附速度大,在短时间内脱附和吸附就达到平衡。

⑤ 清洗时,硅表面的金属的脱附速度与吸附速度因各金属元素的不同而不同。特别是对al、fe、zn。若清洗液中这些元素浓度不是非常低的话,清洗后的硅片表面的金属浓度便不能下降。对此,在选用化学试剂时,按要求特别要选用金属浓度低的超纯化学试剂。

例如使用美国ashland试剂,其cr-mb级的金属离子浓度一般是:h2o2 <10ppb 、hcl <10ppb、nh4oh <10ppb、h2so4<10ppb

⑥ 清洗液温度越高,晶片表面的金属浓度就越高。若使用兆声波清洗可使温度下降,有利去除金属沾污。

⑦ 去除有机物。

由于h2o2的氧化作用,晶片表面的有机物被分解成co2、h2o而被去除。

⑧ 微粗糙度。

晶片表面ra与清洗液的nh4oh组成比有关,组成比例越大,其ra变大。ra为0.2nm的晶片,在nh4oh: h2o2: h2o =1:1:5的sc-1液清洗后,ra可增大至0.5nm。为控制晶片表面ra,有必要降低nh4oh的组成比,例用0.5:1:5

⑨ cop(晶体的原生粒子缺陷)。

对cz硅片经反复清洗后,经测定每次清洗后硅片表面的颗粒 ≥2 μm 的颗粒会增加,但对外延晶片,即使反复清洗也不会使 ≥0.2 μm 颗粒增加。据近几年实验表明,以前认为增加的粒子其实是由腐蚀作用而形成的小坑。在进行颗粒测量时误将小坑也作粒子计入。

小坑的形成是由单晶缺陷引起,因此称这类粒子为cop(晶体的原生粒子缺陷)。

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计