单晶硅抛光片表面质量探究

范红娜，杨洪星

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220）

单晶硅抛光片表面质量探究

范红娜，杨洪星

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220）

LED集成度越来越高，集成电路线宽不断收窄，对硅衬底表面的质量提出了越来越严苛的要求，抛光片表面质量对器件制造有重要影响。RCA清洗是晶片清洗最为成熟的工艺，其工艺稳定性受到多重因素影响。从DHF溶液使用及PFA花篮质量两方面分析了RCA清洗过程的两个关键因素对晶片表面质量的影响。

清洗技术；花篮；氢氟酸；颗粒度

自20世纪50年代固体元器件诞生以来，LED、集成电路等领域的发展都离不开Si材料的进步。LED集成度越来越高，集成电路线宽也历经更迭，90 nm、65 nm到现今的14 nm。这些都对硅衬底表面的质量提出了越来越严苛的要求，抛光片表面颗粒沾污对器件制造有着重要影响，在超大规模集成电路的制造过程中有90%的失效是由于粒子引起的［1-4］。

在硅抛光片制作过程中，晶片经过切片、倒角、磨片、化学机械抛光等不同的工序加工后，其表面已受到严重沾污。其表面沾污通常以原子、离子、分子或膜的形式通过物理或化学吸附的方式附着在晶片表面。RCA结合兆声湿法清洗的方式，推动了晶片清洗技术的跨越式发展。其采用0.8～1.0 MHz的高频兆声结合DHF、SC-1、SC-2等溶液对晶片进行清洗，清洗液分子在高频兆声的作用下加速运动，利用高频声波能量在清洗液中形成的高速微水流连续冲击晶片表面，使物体

RCA清洗是保障晶片表面质量最为关键的工艺，对于晶片表面质量有重大影响，其受到诸多因素影响。如研究较多的清洗温度、SC-1药液配比、原料纯度等。

1　实验流程

所选用的硅晶片为：

晶片尺寸：φ150 mm（6英寸）

导电类型：N

晶向：＜100>

本实验通过是否使用DHF溶液探究DHF溶液对晶片表面质量的影响；通过晶片花篮是否清洗来探究花篮质量对晶片表面质量的影响。具体实验流程如图1。

图1　晶片清洗流程图

2　实验结果与分析

2.1DHF及SC-1溶液对晶片氧化层形成及去除影响

根据热力学和动力学原理，H2O的参与可以有效降低HF腐蚀硅氧化层的能量势垒，促进SiO2+4HF=SiF4+2H2O反应发生，最终完全剥离硅晶片表面氧化层，形成以F离子为终端的硅抛光面，使晶片表面能降低，在晶片上形成疏水表面。该过程示意图如图2（a）所示。

SC-1清洗液由 NH4OH、H2O2和 H2O组成。NH4OH可对晶片表面的自然氧化层进行刻蚀，使附着在晶片表面的颗粒，随兆声作用脱离晶片表面，从而达到去除颗粒的目的。在NH4OH对晶片进行刻蚀的同时，H2O2又可在晶片表面形成新的相对较为洁净的氧化层。该过程示意图如图2（b）所示。

图2　晶片表面氧化层变化示意图

2.2DHF溶液对晶片表面质量影响

图3　晶片表面颗粒分布

如图3所示，晶片经由DHF清洗后进行SC-1清洗的表面洁净度明显高于晶片未经DHF清洗后进行SC-1清洗的晶片。其原因为经由抛光等一系列工艺处理后的晶片接触了多种有机、无机物质，在硅表面形成的自然氧化层及其表面引入了大量有机物质、金属及颗粒沾污。自然氧化层作为“沾污陷阱”束缚很多杂质。在H+存在条件下，稀释的HF可以有效去除晶片表面的金属沾污。此外，HF通过腐蚀氧化层可以将附着在氧化层上的颗粒去除，在兆声波作用下，可使颗粒去除的效率更高。未经DHF清洗进行SC-1清洗的晶片由于自然氧化层及其表面的沾污存在，使颗粒的去除能力下降，因此虽经整个RCA清洗过程，仍有较多的颗粒留存。经由表面分析仪分析测得，晶片表面主要颗粒为≥0.1 μm的微粒，晶片经由DHF清洗后进行SC-1清洗的晶片≥0.1 μm的微粒数量为173个/片；晶片未经DHF清洗进行SC-1清洗的晶片≥0.1 μm的数量为291个/片。因此，可知经由DHF溶液清洗去除自然氧化层，可明显改善晶片的表面质量。然而无论是否使用DHF溶液进行清洗，在靠近晶片边缘位置（如图3中圈线区域所示）都会出现密集的颗粒沾污。经表面分析该区域沾污主要为≤0.2 μm的微粒。

2.3花篮清洗对晶片表面质量影响

晶片的清洗过程需要借助花篮进行，作为清洗载体的晶片花篮，一般为PFA材质。PFA材料可在-80～260℃温度范围内良好使用，且具有卓越的耐化学腐蚀性，其在塑料中摩擦系数较低。但由于材料本身多孔的特性，PFA花篮经过反复烘干，“孔”结构被扩大，少量的化学药品及沾污易吸附在PFA微孔内。并且在晶片清洗过程中，花篮不可避免的会接触到操作者手套和衣物上的沾污，多次使用而未进行清洗处理的花篮也成为影响晶片表面质量的关键因素。图4为使用未经清洗处理的花篮和使用经由清洗处理的花篮清洗的晶片表面质量。

如图4所示，使用经过清洗处理的花篮清洗的晶片表面质量较未经清洗处理的花篮清洗的晶片表面质量高。经由表面分析仪分析测得，使用经过清洗处理的花篮清洗的晶片表面≥0.1 μm的微粒数量为52个/片；使用未经过清洗处理的花篮清洗的晶片表面≥0.1 μm的微粒数量为173个/片。其原因为多次使用未经过清洗处理的花篮表面沾污较多，严重影响晶片的清洗效果；另一方面在甩干过程中，晶片与花篮一同高速旋转，晶片表面质量易受到花篮质量影响。经由清洗处理后，PFA花篮沾污减少，质量提升，晶片表面质量得到改善。

3　结　论

在RCA清洗过程中，DHF溶液使用可去除晶片表面自然氧化层，有利于晶片制作过程中引入沾污的去除，可明显改善晶片表面质量。PFA花篮作为晶片清洗过程的重要载体，其质量严重影响晶片的表面质量。即使在RCA过程中使用DHF溶液，但由于多次使用的花篮洁净程度较差，在晶片与花篮接触部位，仍会残留有过多的≤0.2 μm的沾污。通过对花篮进行清洗处理，可减少花篮对晶片表面质量影响，改善晶片表面质量。

［1］ 闫志瑞.半导体晶片清洗工艺发展方向［J］.电子工业专用设备，2004，（9）：23-26.

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Investigation on the Surface Quality of Silicon Wafers

FAN Hongna，YANG Hongxing

（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300200，China）

As the integration of LEDs increases and the technology node of ULSI decreases，extremely tight requirements are being placed on the quality of wafers'surface.The quality of wafers'surface has important influence on the device manufacture.RCA is most used in wafer cleaning，which is influenced by many factors.In this study，DHF solution and PFA cassette was investigated on the quality of silicon wafers.

Cleaning；Cassette；Hydrofluoric acid；Particles

TN305.2

B

1004-4507（2016）08-0027-04

2016-05-29表面附着的污染物和细小颗粒被强制除去并进入到清洗液中，从而实现对晶片的清洗［5-8］。

范红娜（1989-），女，助理工程师，2015年毕业于天津大学材料工程专业，获硕士学位。现在中国电子科技集团公司第四十六研究所从事半导体材料的晶体加工工作。