一种新型超净高纯试剂在半导体技术中的应用

1、半导体技术第30卷第9期2005年9月201引言随着半导体技术的迅速发展,对超净高纯试剂的要求越来越高,在集成电路和超大规模集成电路生产过程中,超净高纯试剂主要用于芯片及硅圆片表面的清洗,其质量对集成电路的成品率、电性能及可靠性都有着十分重要的影响。超净高纯试剂的品种很多,常用的超净高纯试剂主要有:酸类如硫酸、氢氟酸、硝酸、盐酸、磷酸、醋酸、混酸;碱类如氢氧化铵;溶剂类如甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二甲苯、环己烷;其他类如过氧化氢、氟化铵水溶液等1。这些试剂有的有腐蚀作用,有的有毒而产生污染,因此,多年来国内外许多单位都在研究开发无毒或低毒的中性试剂。我国在“六五

2、”、“七五”、“八五”和“十五”期间,都将超净高纯试剂的研究开发列入了国家重点科技攻关任务2。所以,新型超净高纯乙腈3的成功开发有着重要的现实意义。这里所指的新型超净高纯试剂就是以超净高纯乙腈为主要成分的试剂,本文通过检测这种新型超净高纯试剂应用于MOS器件栅氧化前清洗的效果,以考察其在半导体器件相应清洗工艺中的应用情况。基金项目:中国石油化工股份有限公司科研开发资金资助(201074一种新型超净高纯试剂在半导体技术中的应用郑学根,邱晓生,汪道明(中国石化股份有限公司安庆分公司检验中心,安徽安庆246002摘要:通过对新型超净高纯试剂同常规C M O S 酸碱试剂同时进行C M O S 工艺中

3、栅氧化前的清洗实验,从清洗后硅片残留金属量的电感耦合高频等离子体原子发射光谱分析、硅片表面形貌的A F M 分析和M O S 电容测量三个方面进行了应用实验。结果表明,以超净高纯乙腈为主要组分的新型试剂,其清洗效果总体优于常规C M O S 酸碱试剂,可以考虑在半导体器件相应清洗工艺中采用。关键词:高纯试剂;半导体;清洗工艺中图分类号:TQ421.2+3文献标识码:A文章编号:1003-353X(200509-0020-04ApplicationofaNewSuper-CleanandHigh-PurityReagentinSemiconductorTechniqueZHENGXue-gen,

4、QIUXiao-sheng,WANGDao-ming(AnalysisCenterofAnqingCompany,SINOPEC,Anqing 246002,China Abstract :Thenewsuper-cleanandhigh-purityreagentandthecommonCMOSreagentofacid oralkaliwereusedsimultaneouslybycleaningexperimentbeforegridoxidationinCMOStechnology,themetalcontentofapieceofcleanedsilicawasmeasuredby

5、ACP-AES,theappearancepatternofa pieceofcleanedsilicawasmeasuredbyAFM,MOSelectriccapacitywasmeasuredtoo.Theexperi-mentalresultsshowedthatcleaningeffectofthenewreagentmadeofsuper-cleanandhigh-purity acetonitrilewassuperiortousualCMOSacidandalkalicleansingsolution,itwasusedascleaning solutionforsemicon

6、ductor.Keywords :high-purityreagent ;semiconductor ;cleaningsolution技术专栏Se mico nduc tor Tech nology Vol. 30 No. 9September 2005212实验方法采用p 型(10035cm 磨抛好的5cm 硅片,分成两组。第一组用新型超净高纯试剂清洗;第二组用抗辐射CMOS 工艺线上的常规酸碱试剂清洗。清洗过程为:制备的片子置于聚四氟乙烯片架并浸泡在清洗液中,用5060去离子水加热并超声处理1012min;倒去清洗液,用5060一次去离子水冲洗56min ;续用另一次去离子水冲洗56mi

7、n;用二次去离子水(>16M 冲洗3min 后甩干。除此以外,其他工艺过程全同。将所有清洗处理完毕的片子进行如下实验及测量:(1对两组试剂清洗好的硅片表面进行电感耦合高频等离子体原子发射光谱分析测量,检测其表面杂质残留情况,对他们的表面清洗效果进行比较;(2对两组试剂清洗好的硅片进行原子力显微镜(A F M 观察,并记录其表面形貌,对两组试剂清洗后的硅片的表面情况进行比较;(3用两组试剂清洗好的硅片进行H ,O 合成栅氧化物生长,栅氧化物厚度约为50nm,然后制作铝栅MOS 电容,并进行三项测量:常态高频(1M H z C -V 测量,电容C -V 的温偏实验,其外加电场为1×

8、106V/cm,温度为100;击穿场的测量;总剂量辐射测量,外加电场1×106V /c m,总计量为3×105R a d(Si 。3实验结果3.1电感耦合高频等离子体原子发射光谱分析采用美国产J-ASH965型光谱分析仪进行分析,该分析仪对大多数元素分析精度为10-810-9g/ml。被分析的硅片上残留金属有N a ,F e ,C u ,C r ,K ,Z n ,N i 及M n 。分析结果表明,对于采用新型超净高纯试剂清洗的硅片,上述金属残留物在仪器可分辨的范围内,等同于常规C M O S 酸碱试剂清洗的效果。同时,其对于N a ,K 这样对MOS 器件特别有害的碱金属残

9、留物可优于常规试剂清洗的效果,因而可以满足MOS 器件栅氧化前清洗要求。详细分析结果见表1。从表中可看出,用新型超净高纯试剂清洗后,多数硅片金属残留物较少。表1不同试剂清洗后的硅片金属残留物比较检测项目NaFeCuCrKZnNiMn 备注1号为用新型超净高纯试剂清洗;2号为用抗辐射C M O S 工艺线上的常规酸碱试剂清洗3.2原子力显微镜分析结果对1号和2号样品进行原子力显微镜(A F M分析并进行形貌观察,观测结果见图1和图2。从图中可以发现,1号样品清洗的片子表面起伏最大值为8n m 左右(见图1;2号样品即常规C M O S 酸碱试剂清洗的片子的表面起伏最大值为60nm左右(见图2。这

10、说明该新型超净高纯试剂清洗后,硅片的表面平整度优于常规CMOS 酸碱试剂清洗后的硅片。3.3MOS 电容测量结果3.3.1常态高频C-V 曲线及温偏测量结果将1号新型超净高纯试剂与2号常规酸碱试剂清洗的常态M O S 电容进行了比较(图3,发现两者的C-V 曲线基本重合,说明该新型超净高纯试剂图1新型超净高纯试剂清洗后硅片的A F M 扫描结果技术专栏半导体技术第30卷第9期2005年9月22的清洗效果同常规试剂的清洗效果相当。图4和图5分别示出1号样品新型超净高纯试剂 及2号样品常规CMOS 酸碱试剂的温偏实验结果。从图中可以看出,1号样品同2号样品常规C M O S 酸碱试剂的温偏前后MO

11、S 电容C-V 特性接近,由此计算SiO 2内可动钠离子面密度<5×1010/cm 2,满足C M O S 器件工艺的要求。3.3.2MOS电容击穿特性测量结果图6和图7分别示出1号样品新型超净高纯试剂及2号样品常规CMOS 酸碱试剂清洗制作的MOS 电容芯片上随机抽取相同数量的MOS电容击穿电压测量的统计分配图。1号样品统计平均击穿特性较好,且最大击穿电场也稍高,这说明从击穿特性角度看1号样品清洗效果优于2号样品常规CMOS 酸碱试剂。图2常规C M O S 酸碱试剂清洗后硅片的A F M 扫描结果-12-10-8-6-4-2024681012新型超净高纯试剂清洗常规酸碱试剂

12、清洗电压/V电容/氧化层电容图3常态下新型超净高纯试剂和常规酸碱试剂清洗后硅片的C -V 曲线的比较图4新型超净高纯试剂清洗后MOS 电容的-10-50510B T 前偏压/V 电容/氧化层电容B T 后-10-50510B T 前偏压/V电容/氧化层电容B T 后图5常规酸碱试剂清洗后M O S 电容的温度-偏压实验曲线图6新型超净高纯试剂清洗后M O S 电容击穿电压分布率3530252015105030354045505560击穿电压/V分布率/100%3530252015105030354045505560击穿电压/V分布率/100%图7常规酸碱试剂清洗后M O S 电容击穿电压分布率

13、技术专栏Se mico nduc tor Tech nology Vol. 30 No. 9September 2005233.3.3MOS电容总计量辐射特性测量结果图8和图9分别示出1号样品新型超净高纯试剂和2号样品常规C M O S 酸碱试剂清洗的M O S 电容在经过3×105R a d (S i 射线(C o 60源,E =1.33MeV总剂量辐射特性,从辐射后相对辐射前的高频C-V 曲线的移动可以看出,新型超净高纯试剂略优于常规CMOS 工艺酸碱试剂的清洗效果,计算得到前者氧化物空穴陷阱电荷密度约为2.1×1011/cm 2,后者此电荷密度约为2.8×1

14、011/cm 2。4结论对新型超净高纯试剂与常规CMOS 酸碱试剂同时进行了CMOS 工艺中栅氧化前的清洗实验。实验项目包括清洗后硅片残留金属量的电感耦合高频等离子体原子发射光谱分析、硅片表面形貌的A F M 分析、M O S 电容的常态C -V 及温偏实验、击穿电压分布以及总计量辐射实验。测量结果证明,所得到的各项结果说明此新型超净高纯试剂的清洗效果总体优于常规C M O S 酸碱试剂,因此,可以考虑在半导体器件相应清洗工艺中采用。参考文献:1闻瑞梅.兆位电路用高纯水、气和化学试剂的质量控制J .电子学报,1993,21(5:2430.净高纯试剂的质量要求J .半导体技术,1998,23(4:89.3郑学根,邱晓生,王长明,等.新型超净高纯乙腈的研制J