半导体金属沾污问题研究

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1、半导体硅片金属微观污染机理研究进展文章来源：互联网点击数：589录入时间：2006-4-2减小字体　增大字体郑宣，程璇摘要：综述了近10年来国内外在半导体硅片金属微观污染研究领域的进展。研究了单金属特别是铜的沉积、形成机理和动力学以及采用的研究方法和分析测试手段，包括对电化学参数和物理参数等研究。指出了随着科学技术的不断发展，金属污染金属检测手段也得到了丰富，为金属微观污染的研究提供了有力的工具。1引言随着ULSI技术的不断向前发展，对半导体硅的表面性质要求也越来越严格。而且电路的集成度日益提高，单元图形的尺寸日益微化，污染物对器件的影

2、响也愈加突出，以至于洁净表面的制备已成为制作64M和256MbyteDRAM的关键技术[1,2]。此外有超过50％成品损失率是由硅表面的污染所造成的。硅片上的杂质一般可分为三种：分子型、离子型和原子型。这里主要探讨原子型杂质。原子型杂质主要是指过渡金属或贵金属原子（如Au、Ag、Cu等），它们主要来自于硅的酸性刻蚀剂中。原子型杂质主要影响器件中少子寿命、表面的导电性、门氧化物的完整性和其它器件稳定性参数等，特别在高温或电场下，它们能够向半导体结构的本体扩散或在表面扩大分布，导致器件性能下降，产率降低。在工业上，硅表面清洗分为干法和湿法清

3、洗两种，前者是物理方法，后者是化学方法。目前湿法清洗一直占主导地位，因为它对杂质和基体选择性好，可将杂质清洗至非常低的水平。本文综述了几种典型金属在湿法清洗过程中对硅片表面产生的金属微观污染和所涉及的机理研究进展，并讨论了今后该领域的研究方向。2污染物的形成机理与研究半导体微电子制造过程中，金属污染浓度可达到1012～1013atom/cm2。但实际上制造16MbyteDRAM要求必须将硅表面金属浓度降低到1×1012atom/cm2以下。所以研究化学试剂HF中金属离子（主要是铜离子）在硅表面的沉积行为和污染机理具有重要的科学价值和实际

4、意义。国外在该研究领域已经做了大量的工作，表1为近10年来的主要研究成果。大量研究表明，在HF介质中，溶液中微量的Ag+、Cu2+、Au3+、Pt2+、Pd2+等贵金属/过渡金属离子均以电化学还原方式沉积在无氧化物的硅片表面，但其沉积机理尚未达成共识。对铜而言，一般认为来自DHF溶液中的Cu2+通过氧化还原得到电子而以Cu金属的形式沉积在Si表面，而硅在DHF溶液中的溶解则释放出电子。基本反应为Cu2++2e→CuoE0=+0.34V(1)Si+6HF→SiF62-+6H++4e-E0=-0.86V(2)总反应为2Cu2++Si+6HF

5、→2Cu+SiF62-+6H+DE=+1.54V(vs.NHE)(3)然而，Cheng[12]等人通过电化学实验发现，氢的还原反应2H++2e→H2(g)E0=+0.00V(4)是不能忽略的，因为铜在硅片表面上的沉积加剧了氢的还原反应（氢在铜上比在硅上的析出容易），从而促进硅的溶解反应，导致硅片表面粗糙度增加。因此，反应（1）和（4）为两个竞争反应，并与反应（2）一起同时发生在硅/溶液界面上。HitoshiMorinaga等人[4]，通过AFM表征发现铜沉积的硅表面有孔洞现象,由此提出了MIP(metalinducedpitting)机

6、理。这种类似腐蚀机理模型虽然可以较圆满地解释具有更高标准还原电位（同Si的还原电位相比）的金属（如Cu，Ag，Pt等）优先沉积在Si表面，但是有关污染物的化学反应、吸附状态以及污染物与硅表面的微观粗糙度之间的关系等问题尚不清楚，且没有考虑Si衬底的半导体特性，因此无法解释光照对金属沉积行为的影响以及在有微量卤离子存在时铜的沉积速率明显发生变化的现象。为此Norga等人[7]结合光电化学提出，用能带模型来阐明搀杂类型、光照水平和硅电极上电位对Cu沉积速度之间的关系和影响。3铜对半导体器件性能的影响在硅的制造过程当中铜无处不在，而且随着铜连

7、线代替铝连线，除非可以控制铜的污染水平，否则铜被认为是主要的隐藏污染物，而且目前还没有可靠的技术来检测铜的污染含量。铜对半导体器件物理性能的影响包括有：门氧化物完整性、pn结上的漏电流和少数载流子寿命等。我们可以利用测试少子寿命来研究半导体硅的微观污染。Norga等人[13]通过射频光电导衰减法（RFPCD）测试金属对表面少子寿命的影响时发现，对于铜，金属的表面浓度与表面少子寿命成反比。如果不考虑沉积尺寸，铜污染会增大Si表面的复合。如果铜的覆盖率为一常数时，表面少子寿命随沉积尺寸的增大而增加。如果改变沉积条件（掺杂类型和水平，光照、溶

8、液中的离子浓度），它们都会对少子造成影响。然而到目前为止，定量描述的参数和铜对少子寿命的理论模型尚不清楚，但是可以确认以下几点共识：(1)p型Si比较，Cu对n型硅的少子寿命影响更大；(2)Cu的沉积会增加