DI-O3水在晶圆表面处理中的应用

摘要

由于集成电路（IC）的规模不断缩小，成本不断降低，生产效率不断提高，环境越来越友好，半导体设备制造中一直在努力开发创新技术。最近在硅湿法清洗过程中引入臭氧技术以取代传统的RCA方法引起了业界的兴趣，但显然值得在商业利用和实施方面给予更多关注。本文综述了臭氧化的去离子水（DI-O3水）在硅晶片表面制备中的应用，包括去除有机杂质、金属污染物和颗粒以及光刻胶剥离。本文还简要讨论了该技术在化学品和去离子水方面的经济优势。

一、介绍

自半导体技术诞生以来，人们就认识到清洁基板表面在固态微电子器件制造中的重要性。在湿法清洗过程中，大量强无机酸、碱和氧化剂化学试剂被广泛使用，如SPM（H2SO4 + H2O2）、APM（NH4OH + H2O2）、HPM（HCl + H2O2）、HF等，用于去除光刻胶、颗粒、轻质有机物、金属污染物以及硅片表面的本征氧化物[1]。然而，随着硅电路和器件架构的尺度不断减小（从VLSI到ULSI技术，例如），研究和开发有效的、可靠的清洗方法以实现更好的硅片表面质量从未停止过。另一方面，为了满足日益严格的低成本（CoO）和高度环境/安全法规标准的要求，清洗技术的创新也亟需进行。

臭氧因其强氧化性而受到人们的青睐，通常用于废物处理和饮用水消毒行业。最近在半导体湿法清洗过程中引入臭氧引起了越来越多的兴趣，因为该技术通过满足上述需求的许多方面，已经证明非常有希望用于工业应用。如图1的潜在-pH图所示，臭氧化超纯水（UPW）的氧化还原电位高于长期用于传统湿法清洗的H2SO4，HCl，HNO3和NH4OH的氧化还原电位[2]。在这种情况下，强烈的氧化性使臭氧化水成为半导体制造湿清洗过程的令人满意的试剂，无论是单独使用还是与其他化学品混合使用。通过适当的应用，它可以消除一些需要在较高温度下操作的高度腐蚀性化学品的使用，从而降低成本，包括化学品费用、冲洗水量、安全问题、酸处理问题和废物处理等问题。

图1臭氧水和半导体湿法加工中常用的一些化学品的电势-pH关系

尽管已经发表了有希望的结果，并且可用的商业工具也已经上市，但目前湿臭氧清洗技术在半导体工业中的实施仍然有限。因此，本文旨在系统地回顾DI-O3水在晶片表面制备工艺中的应用及其益处，以期引起IC制造业更多关注和讨论该技术在商业应用中的利用。然而，不包括所有基本理论和操作程序的细节。

二、表面钝化

理论上，最好在最后一次使用HF进行清洗后，用不含溶解氧的去离子水冲洗硅片，以保持超清洁、无氧化物的硅表面。然而，由于实践中超清洁表面在清洗步骤之后不容易保持，越来越多的研究人员建议使用臭氧化的去离子水。

在栅极氧化层生长工艺之前，用臭氧化的去离子水进行硅片冲洗可防止后续污染物沉积。氢化硅在HF工艺处理后表面易受碳氢化合物吸附和颗粒污染。用保护性薄氧化膜使硅表面钝化可以显著降低通过空气环境中的晶片运输造成的污染机会，并最大限度地减少在栅极氧化炉加热阶段硅片表面的微观粗糙度，从而产生更好的栅氧化完整性（GOI）。

与仅使用HF工艺相比，在3 ppm DI-O3水中进行6至10分钟的钝化步骤可显著提高7纳米栅极氧化物的击穿电荷（QBD）可重复性（图2）。此外，他们还发现，适当的DI-O3钝化可以降低硅片表面高粗糙度峰的密度，并提高QBD性能。

图2接受HF-last和DI-O3水处理的样品的QBD性能比较

另一方面，比较不同化学品（SPM、APM、HPM、热H2O2、O3-DIW等）形成的钝化氧化物对氧化物的影响表明，DI-O3水处理在介电击穿特性或累积失效率方面产生的栅氧化物最佳[7,8]，如图3所示。这些结果归因于DI-O3水在室温下可重复的氧化过程，与其他化学品相比，氧化物生长的控制相对较差，因为化学品的浓度在高温下会因蒸发和分解而变化。除了工艺控制的影响外，在臭氧化的水中形成的化学氧化物实际上具有更好的特性，与在APM、H2O2溶液中以及通过HF最后步骤形成的氧化物相比，其具有更少的空隙和更平滑的界面，这对于获得良好的栅氧化物是至关重要的。

图3MOS二极管的累积失效特性随恒电流密度负偏，其中包含含有各种化学氧化物的6纳米的栅氧化物

三、结论

根据过去几年研究人员的成果，对臭氧在半导体湿清洗中的应用进行了综述。结果表明，臭氧是一种强氧化剂，可以为晶片表面制备提供经济效益。与传统的SPM/RCA工艺相比，臭氧技术在晶片清洗和光刻胶剥离方面的应用表现出优越性，或至少相当的性能。由于其简单性，湿臭氧工艺可以无需重大修改就可以应用到现有生产工具上。作者建议在设备和IC制造行业的合作下，对臭氧工艺进行更多“β测试”，以试点这项新技术，并使其完全应用于商业应用。