摘要：在半導(dǎo)體制造工藝的濕法刻蝕中，用熱磷酸刻蝕氮化硅和氮氧化硅是其中一個(gè)相對(duì)復(fù)雜又難以控制的工藝。在這個(gè)工藝中，熱磷酸刻蝕后的去離子水（ＤＩＷ）清洗更是一個(gè)非常重要的步驟。主要分析了由于去離子水清洗不當(dāng)造成的表面缺陷的形成機(jī)理，并通過合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析，給出了具體的解決方案。

熱磷酸濕法刻蝕已經(jīng)在半導(dǎo)體制造工藝中應(yīng)用了幾十年了。由于熱磷酸對(duì)氮化硅和氮氧化硅刻蝕具有良好的均勻性和較高的選擇比，一直到了９０ｎｍ的最先進(jìn)制程也是采用熱磷酸來刻蝕氮化硅與氮氧化硅。常用的熱磷酸刻蝕液是由８５％濃磷酸和１５％去離子水（ＤＩＷ）配合而成，并保持在１６０℃的溫度下進(jìn)行刻蝕。熱磷酸刻蝕之后的芯片一般采用熱去離子水清洗。當(dāng)芯片從１６０℃的磷酸槽進(jìn)入水槽時(shí)，芯片表面殘余磷酸的粘度極劇增加，并且形成一層帶有磷酸和副產(chǎn)物的薄層緊貼于芯片表面。如果不將這層殘余物質(zhì)清洗干凈，將嚴(yán)重影響芯片的后續(xù)制程，造成芯片成品率的損失和可靠性問題。所以熱磷酸后清洗比其他酸液（如ＳＣ２，ＳＰＭ，ＨＦ等易去除的試劑）之后的清洗更關(guān)鍵，也更具有挑戰(zhàn)性［１］。

清洗缺陷產(chǎn)生機(jī)理分析隨著工藝尺寸的逐漸縮小，定義和刻蝕精準(zhǔn)的多晶硅線條變得越來越困難。工業(yè)界常采用在多晶硅表面覆蓋一層由化學(xué)汽相沉積的氮氧化硅（ＳｉＯＮ）來解決這個(gè)問題。在定義多晶硅線條的光刻膠時(shí)，氮氧化硅可作為防反射層（ＡＲＣ），使光刻更精確；而在多晶硅刻蝕時(shí)，氮氧化硅可以當(dāng)作硬掩膜，即先將氮氧化硅刻蝕出線條形狀，然后以氮氧化硅線條為掩膜來刻蝕下面的多晶硅，這樣可以避免由于光刻膠邊緣受離子轟擊變薄而使多晶硅線條受損。

在多晶硅刻蝕結(jié)束后，需要將這層已經(jīng)沒有用的氮氧化硅去除，否則會(huì)影響之后的金屬硅化物的形成。工業(yè)界一般采用熱磷酸濕法刻蝕法去除這層氮氧化硅。這是由于這種刻蝕對(duì)氮氧化硅／多晶硅的選擇比很高，反應(yīng)不會(huì)影響多晶硅線條的尺寸，對(duì)源漏區(qū)剩余氧化硅的刻蝕也很少。氮氧化硅濕法刻蝕流程如圖１所示。

但是由于在氮氧化硅濕法刻蝕時(shí)表面的特殊性質(zhì)，很容易在此工藝中產(chǎn)生表面缺陷，以致影響芯片的良率與可靠性。在多晶硅刻蝕之后，芯片表面存在兩種不同的物質(zhì)：一個(gè)是占面積絕大部分的氧化硅（主要是用作淺溝道隔離的氧化硅），是親水性的物質(zhì)；另一個(gè)是多晶硅線條，多晶硅是憎水性的。芯片表面同時(shí)存在親水性和憎水性的物質(zhì)時(shí)，就特別容易在去離子水中吸附其中的空氣氣泡［２］。

水槽中空氣氣泡的成因很多。首先是水槽的熱水管較易積累氣泡。熱水管不是常開的，只有在水槽內(nèi)有芯片時(shí)才會(huì)開啟，平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，管路內(nèi)的氣泡會(huì)累積在閥門下方的管壁上。一旦閥門開啟就進(jìn)入水槽，從而影響水槽中的芯片；又由于整個(gè)熱水管路是一個(gè)密閉系統(tǒng)，水中空氣會(huì)因加熱而析出。另外由于水槽中的熱水是由酸槽附屬的去離子水加熱器提供，當(dāng)加熱器加熱時(shí)，緊貼加熱部位的去離子水會(huì)產(chǎn)生局部沸騰現(xiàn)象，也會(huì)產(chǎn)生氣泡。總之，如果熱水并不是由廠務(wù)集中供應(yīng)，而是使用機(jī)臺(tái)自帶的加熱器時(shí)，熱水槽的氣泡是不可避免的。

這些氣泡會(huì)隨水流由水槽底部進(jìn)入水槽，部分氣泡會(huì)吸附在靠近液面處的芯片表面，阻礙熱水對(duì)剩余磷酸的清洗。而多晶硅刻蝕完后芯片表面凹凸不平的“地貌”，使得芯片從熱磷酸中取出時(shí)，表面殘留更多的磷酸溶液。磷酸會(huì)繼續(xù)與底下的氧化硅反應(yīng)產(chǎn)生副產(chǎn)物，副產(chǎn)物會(huì)在之后的清洗中剝落，隨著水流遷移到芯片各處（圖２）。副產(chǎn)物會(huì)嚴(yán)重增加芯片的表面缺陷數(shù)量，如果副產(chǎn)物落在多晶硅線條邊晶體管源漏的位置，不僅會(huì)影響漏源的離子注入，還會(huì)影響晶體管邊墻的形狀，嚴(yán)重地會(huì)造成鎢接觸開路（圖３）。

３實(shí)驗(yàn)方法

基于上述對(duì)熱磷酸后清洗表面缺陷產(chǎn)生機(jī)理的分析，本文擬利用圖形化２００ｍｍ硅片，采用標(biāo)準(zhǔn)的和不同改進(jìn)的熱磷酸后清洗方法，以確定清洗效果最佳的后清洗方案。

實(shí)驗(yàn)采用的是美國ＳＣＰＧｌｏｂａｌ公司生產(chǎn)的適用于２００ｍｍ硅片的濕法清洗機(jī)（型號(hào)Ｅ２００）。配置有熱磷酸槽（１６０℃）、水槽和使用異丙醇（ＩＰＡ）的干燥槽。水槽內(nèi)配有去離子水加熱器，可輸出７０℃去離子水。

實(shí)驗(yàn)硅片為剛經(jīng)過多晶硅刻蝕的正常圖形化２００ｍｍ硅片，并且用ＫＬＡＴｅｎｃｏｒ?２３６０缺陷測試儀測量清洗前后硅片表面的缺陷數(shù)量，以便對(duì)比分析不同清洗方法的清洗效果。

清洗條件１：普通熱水溢出式清洗。硅片在熱磷酸中浸泡１０ｍｉｎ，立即進(jìn)入水槽，通７０℃熱水，不斷繼續(xù)溢出式清洗，清洗１０ｍｉｎ后進(jìn)入干燥槽。

清洗條件２：熱水快速排水式清洗。硅片在熱磷酸中浸泡１０ｍｉｎ，立即進(jìn)入水槽，通７０℃熱水，先進(jìn)行２ｍｉｎ的溢出式清洗，后采用排水式清洗（即用幾秒鐘將水槽排空，在關(guān)上閥門補(bǔ)水，補(bǔ)滿水后再將水槽排空，以此循環(huán)）。共１０ｍｉｎ，最后經(jīng)干燥槽干燥。

清洗條件３：水淋排水式清洗。基本流程同清洗條件２，不同的是在水槽的兩側(cè)安裝水淋器，在水槽排空時(shí)將水淋器打開，噴射去離子水以覆蓋整個(gè)芯片表面，水槽補(bǔ)滿時(shí)停止噴水。

清洗條件４：溫水溢出式清洗。硅片在熱磷酸中浸泡１０ｍｉｎ后，立即進(jìn)入水槽浸泡，但不采用７０℃熱水，而采用４０℃溫水（無氣泡），用溢出式清洗法清洗１０ｍｉｎ后干燥。

４實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

四個(gè)不同清洗條件的硅片實(shí)驗(yàn)之后在用ＫＬＡＴｅｎｃｏｒ?（２３６０）機(jī)臺(tái)測量其表面缺陷的數(shù)目。具體結(jié)果如表１所示。酸殘余，也沒有發(fā)現(xiàn)水痕，清洗效果最好，遠(yuǎn)優(yōu)于其他清洗方式；而采用溫水溢出式清洗（清洗條件４）的芯片表面存在著無規(guī)則分布的小粒磷酸殘余，這類殘余并不是氣泡產(chǎn)生而是因?yàn)闇厮磧袈什粔颍詺堄嗟拇笮⊥蛔悖埃郸蹋恚掖蠖喾植荚诳諘鐓^(qū)。這類小的殘余可以在接下來的清洗中用熱的硫酸等非常容易地去除。

經(jīng)過多次試驗(yàn)都證明：淋排水式清洗（條件３）是最佳的清洗方式，并轉(zhuǎn)入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。經(jīng)過此清洗方式的改變，中芯國際一廠某典型產(chǎn)品（０．１８μｍ工藝）芯片邊緣新月狀失效的發(fā)生率由１２％下降到０，平均成品率由６５％上升至８０％。

５結(jié)論

在分析對(duì)氮（氧）化硅熱磷酸刻蝕后清洗的表面缺陷產(chǎn)生機(jī)理后，通過一系列的后清洗實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析，結(jié)果表明：考慮到磷酸殘余在低溫時(shí)的高粘稠性，必須用較高溫度的去離子水清洗，同時(shí)，為了防止熱水中特有氣泡缺陷，推薦在水槽兩側(cè)安裝水淋器以保證芯片一直處于水的氛圍中。另外，由于清洗時(shí)間不足或是水溫不夠造成的磷酸殘余可以用其他的高溫溶劑清洗。建議在氮氧化硅刻蝕之后加一步熱硫酸清洗，不僅可以防止磷酸殘余，更可以去除由于刻蝕造成的有機(jī)物污染。

fqj