晶圆缺陷种类及去除机理

张明 0 2024-10-17

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人工参与的集成电路制造过程，不可避免地会引入各种污染，产生晶圆缺陷，对于器件的良率等性能参数有很大的影响。对半导体晶圆在湿法清洗工艺中可能导致的各种缺陷成因进行分析，并对缺陷的处理方式做了简要探讨。

1 概述

随着集成电路行业的发展，对于半导体器件性能的要求变得越来越高。从整个器件的生产工艺条件来看，在各个制造过程中，都会引入导致芯片成品率下降和电学性能降低的物质，我们称之为沾污[1]。沾污经常会导致生产出的芯片有缺陷，而这种缺陷将导致晶圆上的芯片不能通过电学测试。所以，研究并解决掉各种生产工艺过程中可能产生的缺陷，从而提高晶圆器件的良率等性能参数，是湿法清洗工艺中重点关注的因素。

2 清洗概念

晶圆表面的污染物通常是以原子、离子、分子、粒子或膜的形式，以物理或化学吸附的方式，存在于晶圆表面，或者晶圆自身的氧化膜中。晶圆清洗指的是，在集成电路的制造过程中，采用化学或者物理的方法，将晶圆表面的污染物以及氧化物去除，使得晶圆表面符合清洁度要求的过程。晶圆清洗的原则是既要去除各类杂质而又不损坏晶圆。

3 缺陷种类及去除机理

在湿法工艺中，常见的缺陷种类主要分为以下几类：

3.1 表面颗粒

颗粒是晶圆表面最常见的一种缺陷，这种缺陷会导致电路短路或开路，也会引起后续沾污进一步影响良率。因此如何去除颗粒，是提高晶圆良率的关键。在半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗略法则，是颗粒必须小于最小器件特征尺寸的一半。

颗粒主要有以下几方面的来源：

1）存在于净化车间环境里的颗粒物；

2）设备的运动部件运动时产生的颗粒；

3）工艺过程中所用的超纯水、气体及化学品带来的颗粒；

4）晶圆衬底在加工过程中残留的颗粒。

针对颗粒的去除机理主要有四种：溶解、氧化分解、粒子和硅片表面的电排斥、对硅片表面轻微的腐蚀。结合实际工艺，目前成熟的去除方法主要是以下2 种方式：

1）SC-1 溶液清洗。此方法主要是用来去除外延过程结束后，附着在晶圆表面颗粒；

2）超声清洗。超声清洗的原理是靠声波在液态介质中传播，产生的非周期性声波流作用在晶圆表面，减小了颗粒在晶圆表面的附着力，从而容易被清洗液带走洗净。

3.2 金属污染物

在半导体材料中，金属离子具有高度的活动性。当金属离子引入到晶圆中时，会在整个晶圆中移动，因此会严重损害器件的电学性能及稳定性。金属污染物一旦在界面形成缺陷，将在后续的氧化或外延工艺中导致 PN结漏电，减少少数载流子的寿命，最终导致降低成品率。

金属污染物主要有以下几方面的来源：

1）晶圆衬底在加工过程中残留的金属颗粒；

2）工艺环境引入的外来金属颗粒；

3）化学品与传输管路和容器的反应导致的金属析出；

4）离子注入、干法刻蚀等工艺过程中引入的金属颗粒，例如，在金属互连的工艺流程时，难以避免会产生的各种金属沾污。

下页图 1 描述了不同工艺流程中可能引入的金属污染数量。

针对金属颗粒的去除，通常是使用 SC-2 溶液或是 HPM 溶液，用以来降低晶圆表面的金属含量。其中 SC-2 溶液会发生结晶，可能会增加清洗后晶圆表面颗粒的数量，因此可以用 HF 代替 HCL，或用O3 配合 HF 替代 SC-2 溶液，也能很好地去除金属颗粒[2]。

3.3 有机污染物

有机污染物通常在晶片表面形成有机物薄膜，从而阻止清洗液到达晶片表面，影响其他清洗工艺的效果。因此去除有机物，必须在清洗工序的第一步就进行。

有机污染物主要有以下几方面的来源：

1）人的皮肤油脂；

2）净化室环境中的有机蒸汽；

3）工艺流程中用到的机械油、清洁剂和溶剂、硅树脂真空脂、光致抗蚀剂等；

4）光刻胶的残留物。

针对有机污染物，通常是使用 SPM 溶液，或者紫外线 / 臭氧干洗技术来去除。

3.4 表面水痕

水痕是由于当晶圆的干燥不充分时，存在于晶圆表面的水汽形成了水滴，并且与硅在水中氧化形成的二氧化硅发生了反应，形成了偏硅酸。偏硅酸在清洗后的晶圆表面，就表现为颗粒状的水痕。由于水痕的出现，会影响之后刻蚀的完整性，从而引起区域性的芯片失效，造成良率的下降。因此，经过湿法清洗后的晶圆，必须经过彻底的干燥，确保表面无水痕，才可以进入下一步工艺。

目前最常见的有三种干燥模式是旋转干燥、Marangoni 干燥和热异丙醇雾化干燥。

旋转干燥是利用机械高速旋转甩干的方法，同时在腔体内部吹氮气加速干燥。这种干燥方式对于光滑晶圆表面的干燥效果比较好。

Marangoni 干燥法是利用异丙醇与去离子水之间表面张力的不同，将晶圆表面的水分子吸收回流到处理槽，来达到晶圆表面干燥的效果。

热异丙醇雾化干燥是将异丙醇加热加压形成雾汽，异丙醇分子在热氮气的携带下，会更加容易进入到器件的沟槽内，从而把沟槽里面的水分子带走。这种干燥方式的优点是可以更加有效避免沟槽内水汽残留的现象发生。

此外，在晶圆检测发现明显水痕现象时，依据其主要成分为氧化硅的特征，可以采用适当的化学品，对晶圆进行 Remark，此化学品应当对氧化硅有一定的刻蚀率并有较高的刻蚀选择比，不会对晶圆表面其他结构造成损害。最终可以采用热磷酸重新进行化学表面处理的方法较少水痕缺陷。

4结语

随着集成电路行业对于良率的不断追求，对湿法清洗中形成的缺陷的有效管理也变得更加重要。在生产过程中，就需要对晶圆缺陷时刻进行详细的检查，及时发现缺陷造成的工艺偏差，并查清原因，找出缺陷的来源，针对不同情况来完善设备以及工艺，以此来不断地提高良率。

内容来源：半导体封装工程师之家半导体材料与工艺

责任编辑：展源

审　　核：何发