螯合剂在微电子工艺中减少硅表面重金属污染的应用研究

摘要

随着超大规模集成电路技术特征尺寸的减小和集成度的迅速提高，金属杂质的危害就显得特别突出。硅衬底表面金属沾污浓度的要求越来越低，而金属的沾污几乎不可避免。 本论文从微电子工艺中不可避免的硅与各种水溶液的接触和反应入手，以螯合剂的方法从两个方面研究如何尽量减少硅衬底表面重金属的污染：一方面通过在水溶液中加入适当的螯合剂尽量减少引起金属污染的机会，另一方面对于已经存在金属污染的情况，通过在清洗液中加入适当的螯合剂尽可能地消除和减少金属污染。 本论文首先测定了河北工业大学刘玉岭教授发明的FA/O 螯合剂与Cu（II）、Fe（III） 所形成螯合物的稳定常数。测定结果显示，FA/O 螯合剂至少具有十个可以形成配位键的配位原子；FA/O 螯合剂更适合在碱性pH>10 的条件下使用，在pH>12 更好。FA/O 螯合剂与Cu（II）、Fe（III）所形成螯合物的稳定常数logK 分别为9.69 和18.7。 本论文还以金属铜为例测定了FA/O 螯合剂以及其他几种螯合剂在微电子DHF 清洗液、RCA 清洗液以及硅衬底抛光液中减少铜在硅晶片表面的沉积和去除硅晶片表面铜污染的作用。硅晶片表面污染的铜的浓度通过石墨炉原子吸收技术结合液滴夹心刻蚀的金属富集技术测得。 对碱性介质中螯合剂作用效果的研究结果显示，FA/O 螯合剂在碱性清洗液（NH4OH/H2O2 / H2O，SC1）和碱性硅溶胶抛光液中应用效果突出，比传统螯合剂EDTA 减少金属铜在硅晶片表面沉积和去除硅晶片表面铜污染的效果要好，而且FA/O 不含钠离子，易溶于水，使用更方便。FA/O 螯合剂替代SC1 清洗液中NH4OH，一步清洗即可去除硅晶片表面Cu 污染达到微电子工艺要求。 本论文还研究了几种酸性螯合剂在DHF 清洗液和酸性硅溶胶抛光液中减少铜在硅晶片表面沉积的情况，其中将螯合剂用于DHF 清洗液中减少金属在硅晶片表面沉积未见文献报道，本文是首次。研究表明在DHF 清洗液中加入不同螯合剂都可以减少硅片表面金属污染，其中膦酸类螯合剂减少金属铜在硅晶片表面沉积效果较好；酸性硅溶胶抛光液中PAA 螯合剂的作用效果较好。 本论文还对不同螯合剂减少硅晶片表面金属铜污染的作用原理进行了理论分析。微电子工艺溶液中加入的螯合剂不仅通过化学反应减少了溶液中的自由金属离子，而且螯合剂可以吸附在硅片表面，与金属离子竞争吸附，从而使得硅晶片表面的金属铜污染大大减少。 研究结果表明，在螯合剂分子较大、极性较强时，螯合剂优先吸附在硅片表面，吸附性质对硅片表面铜污染的减少甚至起主导作用。