晶圓表面處理和預(yù)清洗方法

摘要

表面處理和預(yù)清洗在半導(dǎo)體工業(yè)中的重要性是眾所周知的。為了確保良好的薄膜粘附性和金屬半導(dǎo)體觸點(diǎn)的低電阻，某些溶劑或等離子體清洗以及酸或堿處理對(duì)于去除有機(jī)殘留物和表面氧化物至關(guān)重要。已知多種蝕刻劑對(duì)于去除天然GaAs氧化物是有效的。然而，在特定的加工步驟中使用什么處理，以及需要什么濃度和加工時(shí)間來(lái)獲得有效的結(jié)果，在工業(yè)中幾乎沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。此外，與制備特定蝕刻化學(xué)物質(zhì)相關(guān)的成本和所涉及的化學(xué)物質(zhì)的有效壽命以前沒(méi)有被仔細(xì)研究過(guò)。這篇合作論文將回顧幾個(gè)大規(guī)模制造組織中濕法氧化物去除蝕刻的一般實(shí)踐，并研究這些實(shí)踐的有效性。

介紹

作為制造過(guò)程的一部分，所有半導(dǎo)體制造場(chǎng)所都使用酸、堿、溶劑和等離子清洗來(lái)去除氧化物、抗浮渣或GaAs和相關(guān)外延化合物。例如，圖案化光致抗蝕劑開(kāi)口可能需要等離子體清潔以去除顯影步驟后殘留的殘余抗蝕劑，并且這之后經(jīng)常是氧化物去除以確保蒸發(fā)膜的良好粘附。類(lèi)似地，可能需要表面清潔來(lái)為下一層光刻或電介質(zhì)沉積準(zhǔn)備晶片表面。在濕法處理的情況下，化學(xué)制劑可以作為通風(fēng)柜中的浴液獲得，或者從晶片軌道或其他自動(dòng)化單晶片處理工具中分配。工程部門(mén)有責(zé)任決定使用什么樣的浴缸，使用什么樣的濃度，以及有效的浴缸壽命應(yīng)該是多少。本文提供了這些選擇的示例，并討論了這些加工步驟在美國(guó)一些主要制造工廠中的使用情況。

用于去除氧化物的氯化氫溶液

鹽酸的稀釋物經(jīng)常被用作在薄膜沉積之前去除表面氧化物的試劑。最廣泛使用的氯化氫起始濃度通常稱為37%氯化氫，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是指11至12的氯化氫標(biāo)準(zhǔn)溶液，包裝上有標(biāo)簽，標(biāo)明36至38%氯化氫。全濃度37%鹽酸很少用于晶圓清洗，1:1鹽酸:DIW (18%鹽酸)或1:5鹽酸:DIW (6%鹽酸)更常見(jiàn)。盡管許多工廠通過(guò)稀釋率來(lái)表示水浴濃度，但如果不同地點(diǎn)的起始氯化氫濃度不一致，這就有可能造成混淆。Skyworks的蝕刻槽儲(chǔ)存的鹽酸起始濃度從18%到36%不等。在本節(jié)中，將以氯化氫百分比而不是稀釋率來(lái)描述濃度。

去除氧化物的其他化學(xué)物質(zhì)

NH4OH的稀溶液也被用于各種加工步驟中的表面預(yù)清潔。它們最常用于光刻步驟和氮化物沉積之前，在某些情況下，在金屬化之前。在某些情況下，使用NH4OH進(jìn)行表面清潔優(yōu)于HF和HCl。HF可以攻擊PR-GaAs界面，HCl會(huì)攻擊任何暴露的鎳。在環(huán)球通信半導(dǎo)體，1:50稀釋的NH4OH(29%):DIW通常用于表面預(yù)清潔。清洗過(guò)程在室溫下使用3060毫升的浴液浸泡530秒，然后進(jìn)行DIW漂洗和甩干。每個(gè)浴液在使用前5分鐘內(nèi)混合，最多25分鐘只使用一次。成本低于20美元/加侖，每個(gè)晶圓大約需要0.01美元的化學(xué)清洗。從預(yù)清洗到后續(xù)處理的時(shí)間限制在15-60分鐘，以防止氧化物再生長(zhǎng)。

砷化鎵氧化物的XPS研究

圖2顯示了在有意氧化但未接受濕氧化物去除處理的對(duì)照樣品上獲得的Ga 3d和As 3d結(jié)合能譜的高分辨率掃描的測(cè)量數(shù)據(jù)。光譜可以模擬為以不同結(jié)合能為中心的兩個(gè)或多個(gè)正態(tài)分布的總和，代表不同的含鎵和砷的化合物。圖2說(shuō)明了如何將Ga 3d光譜建模為代表Ga2O3和GaAs的兩個(gè)分布之和，而將砷3d光譜建模為代表As2O5、As2O3和GaAs的三個(gè)分布。將代表每種化合物的模擬分布面積與鎵或砷光譜的總面積進(jìn)行比較，以確定每種化合物的相對(duì)濃度。

僅使用DIW漂洗作為預(yù)清潔的GaAs晶片的濕法蝕刻底切用作比較不同化學(xué)清潔的氧化物去除的基線。對(duì)于GaAs-辛克斯粘合，用鹽酸和NH4OH清洗的晶片具有與基準(zhǔn)晶片相似的底切。用氫氟酸清洗的晶片具有改進(jìn)的粘附性，與其他預(yù)清洗方法相比，濕蝕刻底切減少了約25%。這種粘附力的提高很可能是由于除了氧化物去除之外的HF暴露的另一個(gè)影響。每種清潔化學(xué)品的兩種稀釋度之間沒(méi)有顯著差異。對(duì)于GaAs-珀羅附著力，所有化學(xué)清洗產(chǎn)生的附著力比基線晶片差。最后，如果每個(gè)清潔條件之間存在差異，則需要更多數(shù)據(jù)，因?yàn)槊總€(gè)條件的底切變化太大。

結(jié)論

晶圓制造商采用幾種不同的常用化學(xué)物質(zhì)來(lái)蝕刻GaAs氧化物，評(píng)估每種方法的療效。就氧化物厚度而言，每種化學(xué)方法獲得的結(jié)果大致相同。對(duì)于氯化氫的情況，發(fā)現(xiàn)濃度或浴壽命對(duì)蝕刻后剩余氧化物厚度的依賴性很小或沒(méi)有依賴性。使用不同化學(xué)物質(zhì)蝕刻的樣品的XPS分析證實(shí)，每種化學(xué)物質(zhì)都產(chǎn)生相似的最終表面組成和殘余氧化物厚度。通過(guò)測(cè)量不同氧化物去除處理后沉積的SiN和光致抗蝕劑掩模的GaAs濕法蝕刻底切來(lái)評(píng)估蝕刻化學(xué)對(duì)薄膜粘附到GaAs的影響。當(dāng)使用SiN蝕刻掩模時(shí)，發(fā)現(xiàn)了底切對(duì)氧化物去除化學(xué)的一些依賴性，而光致抗蝕劑掩模的結(jié)果是不確定的。在使用200個(gè)晶片的過(guò)程中，沒(méi)有觀察到鹽酸和NH4OH浴的消耗或負(fù)載效應(yīng)。

審核編輯：符乾江