作者来自法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）
如今的裸硅晶圆非常干净，体金属含量低于E11cm-3，表金属含量低于E10cm-2。下表列出了与金属污染（Metallic Contamination，MC）相关的重要制造工艺，探讨了金属污染存在的位置，可能的来源以及对应的限制策略。
▼半导体制造工艺中金属污染
工艺 | 场景/浓度 | 污染位置 | 污染来源 | 限制策略 |
离子注入 | E11~E13 cm-2 | 污染表层 | 来自靶盘的离子溅射 | -靶盘的设计 -去除氧化层来避免污染 |
退火和氧化 | 高温退火 E11~E12
cm-2 | 污染衬底 | 来自晶圆或炉内材料的交叉污染 | -炉材料的选择 -炉条件的优化 |
干法刻蚀或抗蚀剂剥离 | E10~E12 cm-2 | 污染表层 | 来自反应器的离子溅射 | -限制硅衬底的刻蚀步骤 -蚀刻后和退火前进行适当清洗 |
湿法刻蚀和湿法清洗 | 碱性溶液浸泡后 贵金属在HF溶液中沉积 | 污染表面 | 来自溶液中痕量金属的吸附或溶出 | -使用高纯化学品 -使用添加剂(螯合物) -碱性清洗后使用酸性清洗 -冲洗时使用超高纯去离子水(ppt级) |
晶圆背面污染 | 晶圆转移或冷工艺 | 污染表面 | 来自金属部件接触或颗粒沉积 | -避免金属与硅晶圆直接接触 -定期清洗设备 |
离子注入
离子注入中的金属污染主要来自离子束轰击的靶盘所产生的金属离子。这些低能离子会沉积在晶圆表面。由于它们的能量与束流离子相比非常低，因此无法穿透进入硅衬底。建议不要直接对裸硅晶圆进行离子注入，而是在整个过程中使用厚度大于20nm的氧化物来保护晶圆表面，该氧化物会在退火工艺之前除去。
退火和氧化
高于1100°C时，炉内污染仍是一个问题。一是金属在该温度下变得易挥发，经炉管或样品舟可在晶圆间通过气相传输的方式相互传递；二是高于1160°C的炉管和样品舟是由SiC而不是熔融石英制成，尽管SiC的纯度有了很大提高，但仍不够干净。
干法刻蚀或抗蚀剂剥离
干法刻蚀无疑是最脏的制造工序之一。反应器中金属电极所溅射的离子是造成晶圆污染的主要原因。同样这些离子能量非常小，它们不会穿透晶圆太深。干法刻蚀之后通常是抗蚀剂或残留物的湿法剥离，这涉及强酸性和氧化性溶液，它们可以有效地去除污染。但当从氧化层蚀刻到硅衬底时，标准的湿法清洗并不总是有效的。过往研究表明一些特定的温和等离子体清洗（如使用CF4和O2）——这类软刻蚀可以有效地清除污染层。
湿法刻蚀和湿法清洗
湿法工艺在金属污染及预防方面起着非常重要的作用。湿法清洗用于去除颗粒和化学污染。湿法蚀刻，特别是HF刻蚀，通常用于全片或选择性氧化物去除。尽管湿法清洗应该能够去除污染，但在某些情况下也会带来杂质。这些可能的污染既取决于化学品的纯度，又很大程度上也取决于表面金属的吸附或冷凝的热力学方程。
在平衡状态下，金属既可以作为离子溶解于溶液中，也可以作为沉淀物或吸附物存在。这既与金属的浓度有关，又与化学电位E(V)和溶液的pH有关。在大多数情况下，金属氧化物在高pH和低E(V)电位下的缩合能力增强，在低pH和高E(V)电位下的溶解能力增强。因此在高pH值（碱性或中性溶液）中，即使是低浓度水平（ppt~ppb）金属仍以氧化物颗粒吸附在晶圆表面，引起表金属浓度升高。
对于通常用来去除颗粒的所谓SC1清洗液（NH4OH+H2O2），这一点已经进行了详细的研究。将晶圆浸在杂质含量低于10mol/L的溶液中，表金属污染仍能检出。因此要想更好去除表金属污染，在SC1步骤之后，必须使用酸性溶液（SC2）。这是Kern多年前开发的标准配方的基础，被称为RCA清洗。【转载】基础且关键的硅晶圆清洗工艺
但需特别注意的是，在最后一个冲洗步骤中不要再次污染晶圆。冲洗通常在去离子水中进行，这意味着pH值约为7。在该pH值下，在热力学上形成氧化铁是极有可能的。当去离子水的纯度在几十个ppt以内时，实验测得用去离子水冲洗产生了Fe污染。不过添加小剂量的HCI仍可以很好的去除该污染。
第二个重要的污染机制出现在HF溶液中，对贵金属或正电金属，如Cu、Au、Ag和Pt。这些金属更容易以金属颗粒形态沉积在硅晶圆表面。实验表明，硅晶圆表面浸在金属杂质浓度约1~10ppb的HF溶液中，会出现微小的金属颗粒。
晶圆背面污染
晶圆背面污染是另一个重要的污染因素。慎重选择与晶圆直接接触的材料十分重要。Fe、Ni和Cu在许多合金中含量丰富。它们可以很容易地转移到晶圆上。在可能的情况下，塑料或塑料涂层的使用必须优于金属材料。在许多情况下，沉积的金属颗粒通常可用湿法清洗去除。不过像铜这样的金属在通常的清洗液中是难溶的。这部分解释了为什么Cu污染经常出现在故障设备中。
提示：本文由gz07apple编译，点击“阅读原文”，可查看文章英文版
