半导体清洗工艺-Cleaning工艺问题

guolvfenlitech6

2026-09-04           环球过滤分离技术网           guolvfenlitech6




       Cleaning 工艺是在半导体制造过程中，通过物理和化学方法去除硅晶圆 (Si Wafer) 表面的杂质、有机污染物、表面薄膜以及其他颗粒污染物的工艺技术。Cleaning 工艺在整个 FAB 制程中占有约 30~40% 的重要比重，因此它与硬缺陷 (Hard Fail) 有直接关系，是非常重要的制程。

[1-1] 请解释 Cleaning 工艺的目的

Cleaning 工艺的最终目的是确保更高的良率。

即使工艺在目标条件下完美执行，如果 Cleaning 没有顺利进行，也无法保证该半导体晶圆的良率。

通过 Cleaning 工艺去除颗粒 (Particle)、光刻胶 (PR) 残留物、制程中产生的金属污染物及微粒杂质，这些都会对产品的性能、可靠性和良率产生重大影响。随着线宽不断缩小，Cleaning 工艺的重要性也在不断增加。

[提示] 主要污染类型

①Particle：空气中的灰尘，或由设备和人员产生的粉尘颗粒

②Organic：空气中的碳污染、光刻胶残留物、由操作人员产生的有机杂质③Metallic Impurity：由化学品、材料或设备产生的金属污染物

④Micro Roughness：Cleaning 工艺过程中晶圆表面的微小粗糙度

⑤Native Oxide：制程中自然产生的天然氧化膜（厚度约 1nm）

[1-2] 请解释 Cleaning 工艺的要求

Cleaning 工艺之后，晶圆 (Wafer) 表面不能存在任何类型的污染物。

例如，在进行蚀刻工艺时，蚀刻目标区域不能残留目标材料的残余物。

另外，Cleaning 工艺过程中不能对晶圆表面造成损伤，工艺中也不能引入新的污染物，这就要求选择具有适当挥发性的化学物质。

由于 Cleaning 工艺在整个制程中占有很大的比重，因此它必须安全、简便、并且具有成本效益。

它还应能适用于各种半导体工艺技术，并且为了符合当前社会关注的 ESG 经营理念，必须做到环保、且副产物无毒。

[CH.2] 请解释半导体工艺中的主要污染源

污染可分为两大类：离子性污染和非离子性污染。

离子性污染

主要包括 Na⁺、Li⁺、K⁺ 等碱金属离子，来源可能是人体或原材料。另外，蚀刻工艺中使用的蚀刻气体 (Etchant Gas) 中的卤素阴离子，如 F⁻、Cl⁻，也可能导致污染。

非离子性污染

有机污染：包括抛光 (Polishing) 工艺、光刻 (Photolithography) 工艺中的光刻胶 (PR)、晶圆搬运 (WF Handling)、蚀刻等工序中产生的蜡、油、树脂、PR 残留物等。

金属污染：来源可能是腔体 (Chamber) 内的部件，或晶圆搬运部件中的重金属、贵金属。无机污染：包括氧化膜 (Oxide) 污染或碳 (Carbon) 污染等。

[详细信息]

①有机污染（Organic Contamination）

•污染源：润滑油、冷却水、悬浮颗粒、有机残留物

•污染情况：大部分有机物是在设备振动或地震后出现在表面

•影响：会妨碍有效的 Cleaning 工艺和冲洗 (Rinse)，降低目标薄膜与下层薄膜之间的附着力 (Adhesion)，并可能因加热产生有害物质

②颗粒污染（Particle）•污染源：液体溶液、吸附气体、大气等

•污染情况：大多在工艺过程中产生

•影响：会妨碍晶圆 (Wafer) 工艺的进行，是造成硬缺陷 (Hard Fail) 的主要原因之一；当污染集中发生时，会导致晶圆工艺被暂停 (Hold)，并引发针孔 (Pinhole)、微空洞 (Micro Void) 或界面 (Interface) 缺陷，从而导致产品功能失效

③天然氧化膜（Native Oxide）

•污染源：空气中的氧气、DI 纯水、液体化学品等

•污染情况：始终以氧化膜的形式存在于硅晶圆表面（约 1nm 厚度）•影响：会阻碍薄膜的外延生长 (Epitaxial Growth)，并在氧化膜中捕获无机杂质④化学氧化膜（Chemical Oxide）

•污染源：湿式清洗 (Wet Cleaning) 工艺中由溶液产生

•特征：相比天然氧化膜，形成的薄膜更加均匀

•影响：同样会阻碍外延生长

⑤金属杂质（Metallic Impurity）

•污染源：FAB 制程设备、金属镊子、光刻胶 (PR) 残留物等

•影响：在热处理过程中会扩散进入硅基板，在硅带隙 (Si Band gap) 内形成陷阱 (Trap)，从而降低 MOSFET 中少数载流子 (Minority Carrier) 的寿命，导致电性能下降、漏电流增加、击穿电压降低，最终降低产品的良率与可靠性

[2-1] 请解释污染对工艺可能产生的影响

前面提到的这些污染会对良率造成巨大影响。

具体来说，如果线路之间存在颗粒 (Particle)，会导致电气短路 (Short)，从而产生不期望的电流。

相反，如果在接触孔 (Contact Hole) 内存在绝缘性颗粒，则可能导致电路开路 (Open)。这些颗粒污染会阻碍薄膜的沉积；在光刻 (Lithography) 工艺中，颗粒会吸收或散射光线，从而无法获得理想的电路图形 (Pattern)。此外，在反应离子蚀刻 (RIE) 工艺中，颗粒还会降低蚀刻效率，导致蚀刻均匀性 (Etch Uniformity) 下降。[CH.3] 请简要说明湿法清洗流程（Wet Cleaning Flow）。

清洗序列可以简单说明如下。清洗主要分为两类：在主工序进行前清洗晶圆表面的预清洗（Pre-cleaning），以及在主工序进行后去除过程中产生的污染物的后清洗（Post Cleaning）。

•Pre-cleaning（预清洗）：在沉积（Deposition）工序之前，去除晶圆表面的有机物、无机颗粒（Particle）、金属离子等污染物。

•Post-cleaning（后清洗）：在主工序光刻（Photo）之后进行灰化（Ashing）去除光刻胶（PR）后，清洗晶圆表面残留的有机光刻胶污染物。

•Defect Cleaning（缺陷清洗）：光刻胶去除（PR Strip）后，再次清洗晶圆表面的聚合物（Polymer）或颗粒（Particle）。

注：在蚀刻（Etching）工序中，如果蚀刻气体为 CF₄、CHF₆ 等 CF 系列，则采用 H₂SO₄ + H₂O₂ 或 HF 系列进行清洗；如果气体为 SF₆、Cl 等，则主要采用 S1 清洗。

Wet Cleaning Process

[CH.4] 请简要说明 RCA 清洗（RCA Cleaning）。

① APM 清洗（Ammonium Peroxide Mixture） / SC1（Standard Cleaning 1） : 碱性清洗

•配方→ NH₄OH : H₂O₂ : H₂O = 1 : 1 : 5，5 分钟，70–85℃

•溶解并形成自然氧化膜

•去除有机物和颗粒（Particle）

•当温度高于 80℃ 时，H₂O₂ 和 NH₃ 会快速分解

② SPM 清洗（Sulphuric Peroxide Mixture） / Piranha 清洗

•配方→ H₂SO₄ : H₂O₂ = 3:1 ~ 4:1，10 分钟，90–130℃

•去除光刻胶（PR）等有机物

•反应原理：H₂SO₄ : H₂O = H₂SO₅ : H₂O₂ → H₂SO₅ + 有机碳化合物→ CO₂ + H₂SO₄ + H₂O₂

•需要通过注入 O₃ 等方式保持清洗液浓度

③ HPM 清洗（Hydrochloric Peroxide Mixture） / SC2（Standard Cleaning 2） : 酸性清洗

•配方→ HCl : H₂O₂ : H₂O = 1 : 1 : 5，5 分钟，70–85℃

•清洗液夺取附着金属的电子，使其以阳离子形式分解在溶液中

•去除金属杂质及易挥发金属氢氧化物

•不会蚀刻氧化膜或硅（Si）表面

④磷酸清洗（H₃PO₄）

•配方：H₃PO₄ 80–85%，温度 ≥150℃

•用于氮化膜（Si₃N₄）的湿法蚀刻（Wet Etching）

⑤ HF 酸清洗（HF Acid Clean）

•配方：HF : H₂O = 1 : 10 ~ 100，室温（RT），10 秒至 1 分钟

•去除 SiO₂ 薄膜及硅酸盐玻璃（如 PSG、BPSG）

•改变硅表面极性（亲水→疏水）

•在硅表面形成氢键（H-terminated）

⑥ BHF 清洗（Buffered Oxide Etch / BOE）

•配方：HF : NH₄F = 1 : 7

•相比单纯 HF，能更有效去除氧化膜及有机物（蚀刻速率更优）

•HF-2 用于主要蚀刻目标

•NH₄⁺ 有助于有效去除颗粒（Particle）

•需注意在保持蚀刻速率的同时，防止 HF 中光刻胶（PR）剥离（Lift-off）

[CH.5] 请解释一下清洗工艺的目的以及清洗工艺工程师的角色。清洗工艺是在半导体制造过程中，用于去除由于设备或工艺反应产生的污染物的工艺。清洗工艺非常重要，以至于几乎在每一个半导体制造工艺步骤之间都会进行。从晶圆进入FAB到出厂，大约需要2-3个月时间，这期间晶圆会经过光刻（Photo）、蚀刻（Etch）、扩散（Diffusion）、薄膜沉积（Thin Film）、化学机械抛光（CMP）等超过800道工序。其中，清洗工序占了约1/3的比重。

随着工序的增加，各种污染物不可避免地残留，而这些污染物是导致良率下降的主要原因之一。分析并去除这些污染物正是清洗工艺工程师的职责所在。

问题 2] 请解释一下半导体工艺中可能产生的污染源。

半导体制造工艺中的污染源主要包括有机物、颗粒（Particle）、自然氧化膜、金属污染物以及微观粗糙度（Micro Roughness）等。

①有机污染物可能来自空气中的碳元素，或者在光刻工艺中光刻胶（Photoresist）残留而产生。这类有机污染物会对后续的氧化（Oxidation）或蚀刻（Etch）工艺产生不良影响。

②颗粒（Particle）是由设备或反应气体源产生的。由于颗粒尺寸较大，如果在后段工艺（Back-end Line）中存在颗粒，可能会引发短路（Short），直接影响良率。

③自然氧化膜（Native Oxide）是硅（Si）在空气中氧化形成的。氧化膜通常在光刻（Photo）工序中，由于光刻胶（Photoresist）残留而产生。由于氧化膜非常薄，因此是否去除需根据其对后续工序的影响来决定。

④金属污染物（Metal Contamination）主要来自设备或化学品中的杂质。这类污染物会对电气特性造成致命影响，因此必须去除。

⑤微观粗糙度（Micro Roughness）是由硅表面粗糙度或颗粒引起的。虽然不直接归类为污染物，但必须在整个工艺中进行控制。由于表面状态的质量会影响器件特性，因此是非常重要的参数。

[5-1]在所有污染源中，哪些是您认为最关键的污染源？

所有污染源都会对半导体芯片产生负面影响，因此都必须进行严密管理。如果要选一个的话，我认为是金属杂质（Metallic Impurity）。我曾有进行现职工程师访谈的经验。金属污染的主要来源可能是设备或化学反应，但也可能由工艺事故引起。

金属污染的特点是，即使极微量也会影响半导体芯片的电学特性，而且在工艺线上通过肉眼或扫描（Scan）很难被发现。正因为这一特点，当工艺发生事故时，很难准确判断受影响的范围，一旦处理不当，可能会导致整个晶圆批次被报废，这使得金属污染成为非常严重的问题。

[CH.6] 请说明不同污染源可能带来的问题。

在图形（Pattern）形成过程中：

①颗粒（Particle）：如果颗粒存在于图形线（Pattern Line）上，可能会导致线路短路（Line Short）。半导体芯片的线路中金属线（Metal Line）占比大，如果金属线上有颗粒，可能引起漏电（Leakage）增加，甚至导致芯片无法实现预期功能。

②有机污染物（Organic Contamination）：如果未能去除空气中或光刻胶（PR）残留的有机污染物，可能改变氧化速率（Oxidation Rate）或降低氧化膜（Oxide）的特性。换句话说，如果有机污染物未被彻底去除，后续沉积（Deposition）工序中厚度控制可能变得困难。

③金属污染物（Metal Contamination）：如前所述，在长达 2~3 个月的工艺过程中，如果金属污染物未被有效去除，很难确定受影响的范围（Affect 区间），且可能导致已完成超过 2 个月工序的晶圆被全部报废，因此金属污染事故对公司而言可能是关键性问题。

④自然氧化膜（Native Oxide）：在需要高选择性的蚀刻（Etch）工序中，钻孔（Contact/VIA Hole）时，自然氧化膜可能导致蚀刻停止，无法达到所需深度（Not Open 问题）。在出现这种缺陷时，可通过调整配方，强化过蚀（Over-Etch）来解决问题。

⑤微观粗糙度（Micro Roughness）：清洗过程中晶圆表面可能出现微小粗糙度，干扰电流在表面流动，导致电阻增加，从而影响器件的电学特性。因此，必须严格控制这一问题。

★★Bring-up !!★★

•半导体工艺的典型污染源：有机物（Organic Impurity）、颗粒（Particle）、自然氧化膜（Native Oxide）、金属污染（Metal Impurity）、微观粗糙度（Micro Roughness）

•有机污染的影响：薄膜沉积速率（Film Depo. Rate）下降、薄膜特性劣化等

•金属污染的影响：难以确定影响区域（扫描检测受限）、结尖峰（Junction Spike）、载流子寿命（Carrier Life Time）劣化

•颗粒污染：会引起线路短路（Line Short），对良率产生直接影响（发生线路短路即为 Fail）

[CH.7] 请说明清洗工艺的分类

清洗工艺可根据所应用的工序顺序和清洗机制进行分类。

如果在光刻（Photo）、蚀刻（Etch）、沉积（Deposition）等主工艺前进行清洗，则称为前清洗（Pre-Cleaning）；如果在主工艺之后进行清洗，则称为后清洗（Post-Cleaning）。（例如：在工艺流程中可标注为 Pre-CVD Cleaning、Pre-Photo Cleaning）

另外，根据清洗机制可分为湿式清洗和干式清洗：•湿式清洗：指采用溶液工艺，利用氢氟酸（HF）、硫酸（H₂SO₄）、氨水（NH₄OH）、过氧化氢（H₂O₂）等各种溶液，通过化学反应来进行的清洗工艺。•干式清洗：指工艺中不包含液态溶液的清洗方法，通常利用氟（F）或氯（Cl）等气体，通过等离子体（Plasma）来进行清洗。

[7-1] 湿式清洗和干式清洗哪个更好？

个人认为湿式清洗和干式清洗的优缺点都很明显，很难简单地说哪一种更好。众所周知，随着半导体器件的不断微缩，为了实现精确的微细结构（Profile），工艺技术正从湿式（Wet）逐步向干式（Dry）转变，清洗工艺也不例外。

干式清洗通常只应用在需要高刻蚀速率（Etch Rate）或高选择比（Selectivity）的特殊工艺中，其余情况仍以湿式清洗为主。原因很简单：干式清洗不需要漂洗（Rinse）和晶圆干燥（Wafer Dry）等后处理步骤，且具有高选择比的特点，但与湿式清洗相比，其去除颗粒（Particle）的能力较弱，对轻微金属污染的去除能力也不足。更重要的是，干式清洗设备价格昂贵，生产吞吐量（Throughput）较低。如果将干式清洗应用于占半导体制造工艺约三分之一比重的清洗环节，会导致工艺成本上升，从而降低竞争力。

[CH.8] 请简要说明 RCA 清洗。

RCA 清洗是目前大多数半导体制造生产线采用的典型清洗方法，由美国无线电公司（Radio Corporation of America）制定的标准清洗流程。RCA 清洗分为四个主要步骤：

①SPM 清洗：将硫酸（H₂SO₄）与过氧化氢（H₂O₂）按 4:1 比例混合，加热至 120℃ 以上处理约 10 分钟，用于去除光刻胶（PR）残留的有机污染物。

②DHF 清洗：将氢氟酸（HF）按 1:50 比例用水稀释，用于去除表面残留的氧化膜。

③APM 清洗：将氨水（NH₄OH）、去离子水（DIW）和过氧化氢（H₂O₂）按适当比例混合，用于去除颗粒污染并防止其重新吸附，是去除金属颗粒等主要污染物的重要步骤。

④HPM 清洗：将盐酸（HCl）、过氧化氢（H₂O₂）和水按适当比例混合，用于去除离子型杂质（金属离子等）。

由于 RCA 清洗的去污能力极强，因此至今仍广泛应用于各类半导体生产线上，是一种非常有效的清洗方法。

[详细说明] “RCA 清洗法”

①SPM（硫酸与过氧化氢混合液）清洗：H₂SO₄ : H₂O₂ = 4 : 1，120-150℃，10 分钟

•主要用于去除空气中的碳类污染物或光刻胶（PR）残留的有机物。其清洗原理是利用过氧化氢（H₂O₂）的强氧化能力与硫酸（H₂SO₄）的高溶解能力相结合实现去污。SPM 清洗是 RCA 清洗中最先进行的步骤。之所以首先进行，是因为 RCA 后续步骤会使用多种化学溶液分别针对不同污染物进行清洗，如果表面存在有机污染物，会降低后续步骤的化学反应效率，从而显著降低整体清洗效果，因此必须优先去除有机物。

•此外，在去除金属污染物的机理上，SPM 可将金属氧化并溶解于硫酸中。因此除了污染物，金属导线（Metal Line）也可能被去除，因此在 SPM 清洗时需注意避免金属导线暴露。

②DHF（稀释氢氟酸）清洗：HF : H₂O = 1 : 10 或 1 : 50，室温处理 10 分钟→去离子水（DI Water）漂洗

•将氢氟酸（HF）稀释后用于去除天然氧化膜（Native Oxide）或化学氧化膜（Chemical Oxide）。在进行 SPM 清洗后，由于过氧化氢（H₂O₂）的强氧化性，表面可能形成一层氧化残膜。虽然不厚，但如果表面残留氧化膜，同样会在后续工艺中阻碍化学反应，因此必须将其去除。之后通过去离子水（DI Water）漂洗以去除残留的化学物质。

•DHF 对去除天然氧化膜、化学氧化膜非常有效，必要时也可用于去除热氧化膜（Thermal Oxide）和 CVD 氧化膜（CVD Oxide）（不仅限于清洗目的，也可用于失效分析中的分层处理）。

•另外，对去除轻微金属污染也有一定效果。

•需要特别注意的是，氢氟酸对人体极具危害性，必须小心操作与管理。

③APM（或 SC1）清洗：NH₄OH / H₂O₂ / H₂O = 1 : 1 : 5，80-90℃，10 分钟

•这是针对污染物进行正式去除的清洗步骤。与湿式清洗相比，干式清洗在去除由颗粒（Particle）引起的污染物方面能力较弱，而 APM 清洗在去除颗粒类缺陷方面效果显著，同时为了防止已去除的污染物再次吸附，会配合去离子水（DI Water）漂洗。

•其机理是利用 H₂O₂ 的强氧化能力与氨水（NH₄OH）的强刻蚀能力进行颗粒去除：H₂O₂ 将硅表面氧化，随后 NH₄OH 中的 OH⁻ 氢氧根刻蚀氧化层，使颗粒从硅表面分离。同时，由于 NH₄OH 属于碱性溶液，可防止分离出的颗粒重新吸附到表面。

④HPM（或 SC2）清洗：HCl / H₂O₂ / H₂O = 1 : 1 : 6，80-90℃，10 分钟

•HPM 清洗的目的是去除金属离子污染物。正如前面所述，金属污染物（Metallic Impurity）会对公司造成重大损失，是非常棘手的污染源，因此在 RCA 清洗的最后阶段处理它。

•通过使用与金属反应性较高的 HCl 以及具有强氧化能力的 H₂O₂，将金属转化为金属氧化物，再通过去离子水（DI Water）漂洗彻底去除，从而达到清洁效果。

[CH.9] 氮化膜是用什么化学药品去除的呢？

RCA 清洗中使用的化学药品大多是业内普遍采用的通用化学品。除此之外，还会使用将磷酸（Phosphoric Acid，PA）用水稀释的化学溶液。磷酸在半导体工艺中仅用于去除作为硬掩膜（Hard Mask）或阻挡层（Stop Layer）的氮化物薄膜。由于氮化膜本身质地致密且非常稳定，常规化学品对其去除能力较弱，因此会使用 PA 来进行去除。（不过 PA 的刻蚀速率也并不是很高）

[9-1] 请介绍一下 Scrubber。

Scrubber 是一种通过设备而非化学反应来去除晶圆表面颗粒污染物的装置。虽然会使用液体，但不伴随化学反应，只是将晶圆装载到设备中，通过旋转（Spin）方式，在漂洗（Rinse）或喷淋（Spray）过程中用水将颗粒从表面冲走。Scrubber 清洗多用于颗粒污染较多、且对这类污染较为敏感的薄膜工艺之后。Scrubber 的优点是成本低廉，且不使用化学品，因此可以避免其他副作用。

[9-2] 请介绍一下臭氧清洗（Ozone Cleaning）。

臭氧清洗是将臭氧气体溶解到水中形成臭氧水（Ozone Water）进行清洗。臭氧这种物质具有极高的氧化性，因此与 SPM 清洗类似，对碳基有机污染物的氧化去除能力非常出色。臭氧水只需单一药液即可，因此在单片式（Single Type）设备中清洗十分方便，而且相较于 SPM 成本更低。虽然其去除颗粒（Particle）的能力不如 SPM，但清洗时间短、浓度低，在单片式清洗设备中可以很容易地应用和处理。

[9-3] 请介绍一下干式清洗（Dry Cleaning）。

干式清洗并非化学溶液工艺，而是通过等离子体（Plasma）或紫外线（UV）照射等多种方式进行。等离子体方式通常使用氟（Fluorine）等气体，将等离子体的化学刻蚀（Chemical Etch）原理应用到清洗中，从而推动了清洗工艺技术的显著发展。干式清洗主要在需要高选择比（High Selectivity）和均匀刻蚀速率（Uniform Etch Rate）的工艺中使用，例如改善接触孔（Contact）或通孔（VIA Hole）等界面特性。与湿式清洗相比，它在超微细工艺中表现更优，但由于产能（Throughput）较低，经济性不高，因此在清洗工艺中占比不大，仅在特殊情况下使用。      




来源于:网络,侵权告删            www.guolvfenlitech.com