清洗工藝是貫穿整個半導體制造的重要環節，是影響半導體器件性能以及良率的重要因素之一。在芯片制造過程中，任何的沾污都可能影響半導體器件的性能，甚至引起失效。因此，幾乎在芯片制造的每一道工序前后，都需要進行清洗工藝，去除表面的污染物，保證晶圓表面的潔凈度，尤其在拋光、刻蝕等工藝后，晶圓表面會附著一些顆粒、金屬、有機物、自然氧化層等雜質。

清洗工藝是芯片制造過程中占比最高的工序， 約占所有芯片制造工序的30%。隨著超大規模集成電路的發展，芯片工藝節點進入28nm、14nm甚至更先進的節點，集成度不斷提高，線寬不斷減小，工藝流程更加復雜，清洗工藝步驟不斷增加，清洗工藝變得更加復雜、更加重要和更具挑戰性。90nm的芯片清洗工藝約90道，到了20nm芯片的清洗工藝達到了215道。隨著芯片制造進入14nm、10nm甚至更高節點，清洗工藝的道數仍然要不斷增加。

制程節點與清洗步驟數量關系

半導體清洗工藝的類型

清洗工藝是通過化學處理、氣體和物理方法去除晶圓表面雜質，大致可分為兩種，即濕法清洗和干式清洗。

1.濕法清洗

濕法清洗即使用化學溶劑或者去離子水清洗晶圓，按照工藝方法可分為浸泡法和噴涂法兩種。浸泡法是將晶圓浸入到裝有化學溶劑或者去離子水的容器槽中，而噴涂法是將化學溶劑或者去離子水噴到旋轉的晶圓上以去除雜質的方法。浸泡法可以同時處理多個晶圓，噴涂法一個作業腔室只能同時處理一片晶圓。隨著工藝的發展，清洗工藝的要求越來越高，噴涂法的使用也越來越廣泛。

2.干式清洗

干式清洗不使用化學溶劑或者去離子水等物質，而是采用氣體或等離子體等來進行清洗。隨著技術節點的不斷推進，清洗工藝的要求越來越高，使用的比例也在不斷增加，濕法清洗產生的廢液也大量增加。相對濕法清洗，干式清洗投資費用高，設備操作復雜，清洗條件更加苛刻。但是，針對一些有機物以及氮化物、氧化物的去除，干式清洗精度更高，效果卓越。

目前應用廣泛的清洗工藝仍為濕法清洗。

常用的濕法清洗工藝

根據清洗液成分不同，半導體制造中常用的濕法清洗技術可分為下表幾種：

1.DIW清洗技術

在半導體制造濕法清洗工藝中，最常用的清洗液就是去離子水（DIW，De-Ionzied Water），需去除水中的導電陰陽離子，使水基本不導電。在半導體制造中，直接使用原水是絕對不允許的，原水可能會與晶圓表面的材料發生反應而腐蝕，或者會與晶圓上的一些金屬形成電池腐蝕，還有可能引起晶圓表面電阻率的直接變化，從而導致晶圓的良率大幅下降甚至直接報廢。

在半導體制造濕法清洗工藝中，DIW的應用主要有2種。

（1）清洗晶圓表面

其目的是清洗掉晶圓表面的一些雜質顆粒。在先進的半導體制造過程中，清洗的方式幾乎都是單晶圓方式，也就是一個腔室內同一時間只能洗一片晶圓，采用旋轉噴涂法，在晶圓旋轉的過程中，在晶圓表面用滾輪、毛刷、噴嘴等方式清潔。

在這個過程中，晶圓會與空氣摩擦，從而產生靜電，靜電在晶圓表面可能會引起缺陷，或者直接導致器件失效。而DIW基本是不導電的， 清洗作業過程中產生的靜電也就不能得到很好地釋放。 因此，在先進的半導體制造工藝節點中，為了增加導電性而又不污染晶圓，通常會在DIW中混入二氧化碳氣體（CO₂）。由于工藝要求的不一樣，少部分場合中，會在DIW中混入氨氣氣體（NH₃）。

（2）清洗晶圓表面殘留的清洗液

主要作用就是清洗掉晶圓表面殘留的清洗液。用清洗液清洗晶圓表面，雖然其腐蝕晶圓的刻蝕速率相當低，短時間的清潔并不會對晶圓產生影響。但是如果不能

有效去除殘余的清洗液，讓殘余的清洗液長時間停留在晶圓表面，依然會腐蝕晶圓表面，也大概率會影響到器件的最終性能。因此，在用清洗液清洗晶圓后，一定要及時用 DIW清潔掉殘留的清洗液。

2.HF清洗技術

芯片上最主要的成分就是單晶硅，而清洗單晶硅表面形成的自然氧化層（SiO₂）最直接有效的就是用HF（氫氟酸）清洗。因此，HF清洗是僅次于DIW的常用清洗技術。用HF清洗可以有效去除單晶硅表面的自然氧化層，附著在自然氧化層表面的金屬也會隨之溶解到清洗液中去，同時還可以有效抑制自然氧化膜的形成。因此，用HF清洗技術可以去除一些金屬離子、自然氧化層以及一些雜質顆粒。

不過HF清洗技術在半導體制造要求越來越高的趨勢下存在一些問題，比如，在去除硅片表面的自然氧化層的同時，腐蝕硅片表面，影響晶圓粗糙度，另外一些不應被HF腐蝕的金屬會受到影響，而其他附著到硅片表面的金屬，不容易被HF清洗掉，導致其留在了硅片表面。

針對以上問題，可對HF清洗技術進行改進，比如降低HF的濃度，在HF中加入氧化劑，在HF中加入陰離子界面活性劑，在HF清洗液中加入絡合劑等。

常用試劑

3.SC1清洗技術

SC1清洗技術是去除晶圓表面沾污最常見、成本較低、效率比較高的一種清洗方式。SC1溶液是氨水、雙氧水、去離子水的混合溶液，可以同時去除有機物、一些金屬離子以及一些表面的顆粒。其去除有機物的原理是通過雙氧水的氧化性和NH₄OH的溶解作用，使有機物沾污變成水溶性的化合物，然后隨著溶液排出。

不過SC1溶液具有一定的氧化性，會在晶圓表面形成氧化膜，導致一些金屬不能去除，比如Al和Fe等金屬。在去除金屬離子的時候，晶圓表面的金屬吸附和脫附的速度最終會達到一個平衡。因此，在先進的制程工藝過程中，對金屬離子要 求高的工藝，清洗液都是一次性使用的，其目的就是降低清洗液中的金屬含量。

SC1清洗技術也可以有效去除表面顆粒沾污，主要的機理是電性的排斥作用。在此過程中，可以搭載超聲、兆聲清洗，獲得更好的清洗效果。為了降低SC1清洗技術對晶圓表面粗糙度的影響，需要調配出合適的清洗液組分比例。同時，選用低表面張力的清洗液，在SC1清洗液中添加界面活性劑，加入螯合劑等都有助于獲得更好的清洗效果。

SC1清洗機理

4.SC2清洗技術

SC2清洗技術也是一種成本低并且具有良好去除沾污能力的濕法清洗技術。SC2溶液為鹽酸、雙氧水、去離子水的混合溶液，具有極強的絡合性，可以和氧化以前的金屬作用生成鹽，隨清洗液沖洗而被去除。在不影響晶圓的條件下，SC1清洗技術和SC2清洗技術相輔相成。清洗液中的金屬附著現象在堿性清洗液中 （SC1清洗液）易發生，在酸性溶液中（SC2清洗液）不易發生，并具有較強的去除晶圓表面金屬的能力。

5.O₃清洗技術

在芯片制造過程中，O₃清洗技術主要用于消除有機物以及對DIW的消毒。因為 O₃的氧化作用，會在晶圓表面發生再沉積現象。因此，使用O₃的過程中一般會搭配HF使用，也可以去除一部分的金屬離子。

在半導體制造中，O₃也可以用于DIW的消毒，主要是因為用于凈化飲用水的物質一般都含有氯元素，在芯片制造領域是不能接受的，O₃會分解成氧氣，而不會對DIW系統造成污染。但是需要注意控制DIW中的氧氣含量，不能高于半導體制造中的使用要求。

6.有機溶劑清洗技術

在半導體制造過程中經常會涉及到一些特殊的工藝，不能使用上面介紹的這些方法，原因是清洗效率不夠、對有些不能被洗掉的成分有刻蝕作用、不能生成氧化膜等，所以也會使用一些有機溶劑來達到清洗的目的。

常用有機溶液

參考來源：

1.半導體制造中的濕法清洗技術，賀敏輝、許亦鵬、劉宗芳、尤益輝（智能物聯技術）；

2.半導體晶圓的污染雜質及清洗技術，張士偉（電子工業專用設備）；

3.半導體制造中清洗技術的研究新進展闡述，袁文勛、張海兵、邢開璞（科技創新與應用）。

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